Циркуляционный переводник
CIRCULATION SUB

Изобретение относится к устройствам для переключения потока бурового раствора из полости бурильной колонны в затрубное пространство. Устройство содержит циркуляционный клапан и циркуляционный переводник в соединенном виде - циркуляционный переводник. Изобретение предназначено для его использования в бурильной технике.
Из патентной документации известны циркуляционные переводники и циркуляционные клапаны (RU 2599120, 10.10.2016. RU 2599119, 10.10.2016. RU 181350 U1, 11.07.2018. RU 2658851, 25.06.2018. US 2018306000 A1, 25.11.2018. US 2018179844 A1, 28.06.2018. CN 108678694 A, 19.10.2018. СА 29995271 А1. 15.08.2018. СА 3007461 А1. 09.06.2016. NO 20180345 A1. 09.03.2018).
Из известных наиболее близким к представленному в данном описании техническому решению является циркуляционный клапан, описанный в патенте RU 2599120 C1, который содержит трубчатый корпус, золотниковую втулку, расположенную внутри корпуса, расположенное в центральном канале золотниковой втулки седло, направляющее кольцо, расположенное во входной части корпуса. Внутри корпуса установлена пружина, прижимающая золотниковую втулку к направляющему кольцу. Через внутреннюю полость корпуса, полость направляющего кольца, полость седла и полость золотниковой втулки осуществляется насосная подача текучей среды. В корпусе закреплены два циркуляционных порта и с расходными отверстиями. Циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой в не активном режиме работы, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне. Циркуляционные порты открыты в активном режиме, при котором обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны. Прототип содержит сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью его деформации и прохождения через седло при движении текучей среды по бурильной колонне. Клапан также содержит два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порт. Прототип содержит также скрепленный с корпусом резьбовой трубчатый корпус с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло. Прототип содержит гильзу, расположенную внутри трубчатого корпуса, золотниковая втулка выполнена сплошной, размещена с возможностью продольного перемещения внутри гильзы и снабжена собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью гильзы. В не активном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой и осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, указанные циркуляционные порты расположены ниже по потоку от седла. Собственные наружные уплотнения золотниковой втулки расположены по разные стороны относительно циркуляционных портов. В активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, верхний по потоку край золотниковой втулки расположен ниже по потоку от циркуляционных портов. Гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями. Каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем. Гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно края направленного внутрь циркуляционного порта. Внутренний профиль входной части расходного отверстия каждого циркуляционного порта выполнено конфузорным в направлении наружной поверхности трубчатого корпуса (RU 2599120 С1, 10.10.2016 - прототип).
В прототипе выходная часть гильзы выполнена с упорным буртом, контактирующим в активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты, с торцом золотниковой втулки, с возможностью сообщения в не активном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой. Клапан имеет полости, образованные внутренним диаметром гильзы и наружным диаметром хвостовика золотниковой втулки, в полостях размещена пружина. Полости образованы собственным наружным уплотнением золотниковой втулки, упорным буртом выходной части гильзы и внутренней полостью трубчатого корпуса. Внутренний профиль направляющего кольца выполнен конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки, при этом в неактивном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой, образующая конфузорной поверхности направляющего кольца расположена над внутренней поверхностью входной части золотниковой втулки. Внутренний профиль выходной части трубчатого корпуса выполнен диффузорным в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло золотниковой втулки.
В прототипе золотниковая втулка может не открыть полностью отверстия портов, так как ее поджимает пружина, уровень сжатия которой зависит от перепада давления на циркуляционных портах. В этом случае шарики не смогут полностью закрыть отверстия портов и блокировать поток бурового раствора через циркуляционные порты, при этом они не смогут переключить режим работы клапана. В прототипе шарики прижимаются давлением бурового раствора к отверстиям портов. При большом перепаде давления усилия пружины не достаточно для того чтобы столкнуть их от циркуляционных портов и завершить цикл переключения.
Конструкция известного циркуляционного клапана выполняет также функции переводника и при этом она является сравнительно сложной в части удобства монтажно-демонтажных работ, что отрицательно влияет на надежность его работы.
Техническим результатом циркуляционного переводника, представленного в данном описании, является упрощение монтажно-демонтажных работ и повышение надежности работы переводника.
Технический результат достигается циркуляционным переводником, содержащим корпус с расположенными в нем золотниковой втулкой с седлом, направляющим кольцом во входной части корпуса, пружину в корпусе, прижимающую золотниковую втулку к направляющему кольцу, в корпусе имеются два циркуляционных порта с расходными отверстиями, гильза с боковыми отверстиями и расположенной в ней золотниковой втулкой с возможностью ее перемещения в гильзе, имеющей в выходной части бурт, каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь корпуса краем порта, гильза зафиксирована каждым краем порта, расположенном в боковом отверстии, с корпусом скреплен резьбовой корпус устройства для улавливания шаров и в нем расположена фильтрующая труба со щелями в ее стенке и соединенными с ней входной втулкой и выходным фланцем, причем направляющее кольцо выполнено с резьбой на наружной поверхности, завинченной в резьбу входной части корпуса, упорный бурт образован фланцем, закрепленным на торце гильзы, фланец имеет выступы, входящие в пазы хвостовика золотниковой втулки, фильтрующая труба соединена сваркой с входной втулкой и выходным фланцем в один съемный узел переводника, подвешенный на внутренней конусной поверхности корпуса устройства для улавливания шаров в его верхней части, причем в нижней части этого корпуса указанный узел центрирован - он свободно расположен внутри выходной втулки, причем направляющее кольцо расположено над седлом, разъемно установленном в гнезде золотниковой втулки и опирающемся на уступ гнезда, в золотниковой втулке выполнена пара радиальных отверстий, расположенных с возможностью совмещения с отверстиями портов.
На наружном торце направляющего кольца выполнены зацепы под монтажный ключ.
На фиг. 1 показан циркуляционный переводник в продольном разрезе и поперечном разрезе по А-А.
На фиг. 2 - циркуляционный переводник в процессе перепуска бурового раствора в затрубное пространство.
На фиг. 3 - циркуляционный переводник с расположенными в нем шарами в рабочих положениях.
На фиг. 4 - циркуляционный переводник с расположенными в нем шарами в падающих положениях.
Циркуляционный переводник содержит трубчатый корпус 1, расположенную внутри корпуса 1 золотниковую втулку 2, седло 3, которое расположено в центральном канале 4 золотниковой втулки 2, направляющее кольцо 5, расположенное во входной части корпуса. Внутри корпуса установлена пружина 6, прижимающая золотниковую втулку 2 к направляющему кольцу-гайке 5. Через внутреннюю полость 7 корпуса, полость направляющего кольца, полость 8 седла 3 и центральный канал 4 золотниковой втулки 2 осуществляется насосная подача текучего бурового раствора 9 (условно показан множеством точек).
В корпусе 1 закреплены два циркуляционных порта 10 и 11 с расходными отверстиями 12 и 13. Циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой 2 в не активном режиме работы переводника, при котором осуществляется насосная подача бурового раствора по бурильной колонне. Циркуляционные порты открыты в активном режиме, при котором обеспечивается сообщение затрубного пространства с внутренним пространством бурильной колонны.
Переводник в процессе его работы содержит сбрасываемый в него активационный шар 14 (показан пунктиром), выполненный с возможностью его деформации при прохождении через седло 3 при движении бурового раствора по бурильной колонне, а также два запирающих шара 15 и 16 (показаны пунктиром). Шары 15 и 16 при их сбрасывании друг за другом, взаимодействуют с циркуляционными портами 10 и 11 и блокируют поток бурового раствора через циркуляционные порты.
Переводник содержит скрепленный с корпусом 1 резьбовой трубчатый корпус 17 с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров 14, 15 и 16, прошедших с потоком текучей среды через седло 3.
В корпусе 1 установлена гильза 18, в которой подвижно расположена золотниковая втулка 2 с возможностью ее продольного перемещения внутри гильзы 18. Втулка 2 снабжена собственными наружными уплотнениями 19, контактирующими с внутренней поверхностью гильзы 18. В не активном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой и осуществляется насосная подача бурового раствора по бурильной колонне. При этом в данном положении указанные циркуляционные порты 10 и 11 расположены ниже седла 3 в направлении движения потока бурового раствора.
Наружные уплотнения 19 золотниковой втулки 2 расположены по разные стороны относительно циркуляционных портов 10 и 11. В активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, верхний край золотниковой втулки 2 расположен выше циркуляционных портов 10 и 11 в направлении движения потока бурового раствора.
Гильза 18 выполнена со сквозными боковыми отверстиями 20 и 21, каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем 22. Гильза 18 зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием 21 относительно края 22 направленного внутрь циркуляционного порта. Внутренний профиль входной части каждого расходного отверстия циркуляционного порта выполнено конфузорным в направлении наружной поверхности трубчатого корпуса.
Выходная часть гильзы 18 выполнена с упорным буртом 23, контактирующим в активном режиме (при котором циркуляционные порты открыты) с торцом 24 золотниковой втулки 2 для обеспечения возможности сообщения рабочих полостей переводника. Переводник имеет полости 25 и 26, образованные внутренним диаметром гильзы и наружным диаметром хвостовика золотниковой втулки, при этом пружина 6 размещена в полостях 25 и 26. Полости ограничены собственным наружным уплотнением 19 золотниковой втулки, упорным буртом 23 выходной части гильзы и внутренней полостью трубчатого корпуса 1.
Внутренний профиль 27 направляющего кольца 5 выполнен конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки 2, при этом в не активном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой, внутренний профиль 27 направляющего кольца 5 расположен над внутренней поверхностью входной части золотниковой втулки.
Внутренний профиль 28 выходной части трубчатого корпуса 1 выполнен диффузорным в направлении устройства 29 для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло 3 золотниковой втулки. Упорный бурт 23 образован фланцем 30, закрепленным на торце гильзы 18, причем фланец имеет два выступа, которые заходят в два паза хвостовика золотниковой втулки 31.
Устройство 29 для улавливания шаров выполнено в виде фильтрующей трубы 32 со щелями 33 в ее стенке, концевые части фильтрующей трубы 32 жестко соединены сваркой, соответственно, с входной втулкой 34 и выходным фланцем 37. Фильтрующая труба 32, ее втулки 34 и фланец 37 расположены в полости корпуса 17 устройства 29 для улавливания шаров. Входная втулка 34 имеет наружную конусную поверхность, которой она упирается во внутреннюю конусную поверхность корпуса 17, при этом труба 32 свободно подвешена внутри корпуса 17. В нижней части корпуса 17 имеется выходная втулка 35 с ребрами жесткости 36, в которую свободно заходит выходной фланец 37 и центрируется внутри отверстия корпуса 17.
Направляющее кольцо-гайка 5 расположено над седлом 3, которое разъемно установлено в гнезде золотниковой втулки 2 и опирается на уступ гнезда. Для совмещения отверстий 38 золотниковой втулки 2 с отверстиями 12 в портах 10 и 11, их фиксации в этом положении - в нижней части золотниковой втулки имеются хвостовик 31, имеющий два паза, в которые входят два выступа на фланце 30 гильзы 18.
Резьбовой трубчатый корпус 17 с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров 15 и 16 имеет наружную обточку, уменьшающую диаметр корпуса 17 в его средней части 39, что снижает жесткость корпуса 17, выполняющего функцию более гибкого переводника. Данная гибкость облегчает прохождение компоновки низа буровой колонны через искривленные участки скважины, уменьшает изгибающие усилия на резьбах корпуса 17 и повышает надежность переводника.
Работает циркуляционный переводник следующим образом. В пассивном режиме работы переводника поток бурового раствора свободно проходит через внутренний центральный канал переводника. Для активации переводника в полость труб сбрасывается шар 14 активации (фиг. 2), который осаживается в седле 3 и перекрывает собой полость 8 седла 3 и канал 4 золотниковой втулки 2. При этом седло 3 вместе с золотниковой втулкой 2 смещается вниз и сжимает пружину 6. Отверстия 38 в золотниковой втулке 2 совмещаются с расходными отверстиями 12 циркуляционных портов 10 и 11. Поток бурового раствора из внутреннего пространства труб направляется в затрубное пространство (поток заштрихован точками).
Для деактивации переводника внутрь сбрасываются два шара 15, 16 (фиг. 3), которые проталкиваются потоком бурового раствора и перекрывают отверстия в золотниковой втулке, при этом давление бурового раствора возрастает и шар активации 14 проталкивается через седло 3 золотниковой втулки. Под действием пружины золотниковая втулка поднимается вверх и перекрывает циркуляционные порты. Шары деактивации смываются буровым раствором и скапливаются в шароуловителе (фиг. 4).
В отличие от прототипа, в верхней части золотниковой втулки представленного циркуляционного переводника имеются два отверстия 38, которые при активном режиме работы переводника совмещаются с отверстиями 12 циркуляционных портов. В сравнении с прототипом данный признак представленного циркуляционного переводника является существенным, обеспечивающим надежность работы переводника.
Также, в представленном циркуляционном переводнике, в случае если отверстия в золотниковой втулке не полностью открывают циркуляционные порты, шары гарантированно полностью перекрывают отверстия в золотниковой втулке и переключают режим работы переводника, вне зависимости от перепада давления раствора на циркуляционных портах. После проталкивания шара 14 активации через седло, под действием пружины золотниковая втулка 2 вместе с шарами 15, 16 выталкивается вверх, циркуляционные отверстия перекрываются, на шары не действует перепад давления раствора, и они свободно смываются раствором.
В сравнении с прототипом упрощение монтажно-демонтажных работ и повышение надежности работы переводника достигается тем, что в конструкцию переводника введены направляющее кольцо 5 с наружной резьбой, позволяющее сжимать пружину при сборке переводника без использования дополнительных приспособлений для сжатия пружины. Применение золотниковой втулки 2 с двумя радиальными отверстиями 38 повышает надежность переключения режимов работы переводника вне зависимости от перепада давления на циркуляционных портах. Пружина 6 в неактивном режиме работы, когда через внутреннюю полость переводника осуществляется насосная подача бурового раствора (в течение основного времени работы) находится в закрытых полостях 25, 26 и не подвержена размыву потоком бурового раствора.
Корпус 17 шароуловителя имеет наружную обточку, уменьшающую диаметр корпуса в его средней части, что снижает жесткость корпуса, выполняющего функцию «гибкого» переводника. Данная гибкость облегчает прохождение компоновки низа буровой колонны через искривленные участки скважины, уменьшает изгибающие усилия на резьбах и повышает надежность переводника.
Поскольку указанные в описании узлы переводника выполнены съемными, то существенно упрощаются мотажно-демонтажные работы, связанные как с изготовлением переводника, так и с его обслуживанием и ремонтом в процессе эксплуатации.
Технический результат получен циркуляционным переводником, характеризующимся совокупностью его конструктивных признаков, заключающейся в том, что циркуляционный переводник (фиг. 1) содержит трубчатый корпус 1, расположенную внутри корпуса 1 золотниковую втулку 2 с седлом 3, направляющее кольцо 5, расположенное во входной части корпуса, пружину 6 внутри корпуса, прижимающую золотниковую втулку 2 к направляющему кольцу 5, при этом в корпусе 1 закреплены два циркуляционных порта 10 и 11 с расходными отверстиями 12 и 13, при этом переводник содержит скрепленный с корпусом 1 резьбовой трубчатый корпус 17 с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло 3, при этом в корпусе 1 установлена гильза 18 с боковыми отверстиями 20 и 21, в которой установлена золотниковая втулка 2 с возможностью ее продольного перемещения внутри гильзы 18, при этом каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь корпуса краем 22 порта, гильза 18 зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием 21 относительно края 22 порта, выходная часть гильзы 18 имеет бурт 23, при этом переводник имеет устройство 29 для улавливания шаров, выполненное в виде фильтрующей трубы 32 со щелями 33 в ее стенке, концевые части фильтрующей трубы 32 жестко соединены сваркой, соответственно с входной втулкой 34 и выходным фланцем 37, при этом фильтрующая труба 32 и ее втулки 34 и фланец 37 расположены в полости корпуса 17 устройства 29 для улавливания шаров при этом входная втулка 34 имеет наружную конусную поверхность, которой она упирается во внутреннюю конусную поверхность корпуса 17 и труба 32 свободно подвешена внутри корпуса 17. В нижней части корпуса 17 имеется выходная втулка 35 с ребрами жесткости 36 в которую свободно заходит выходной фланец 37 и центрируется внутри отверстия корпуса 17, причем циркуляционный переводник отличается тем, что направляющее кольцо выполнено с резьбой на наружной поверхности, завинченной в резьбу входной части корпуса для чего на наружном торце направляющего кольца выполнены зацепы под монтажный ключ, при этом направляющее кольцо выполнено заодно с зацепами и представляет собой направляющее кольцо-гайку, упорный бурт 23 образован фланцем 30, закрепленным на торце гильзы 18, причем фланец 30 имеет расположенную внутри пружины 6 направляющую 31 для перемещения по ней нижней части золотниковой втулки 2, входная втулка 34 приварена к фильтрующей трубе 32 заподлицо с торцом этой трубы 32, выходная втулка 35 имеет сквозной канал с ребрами 36 жесткости в канале, над ребрами жесткости расположен фланец 37, жестко соединенный с концом фильтрующей трубы 32 при этом входная втулка 34, фильтрующая труба 32 и выходной фланец 37 жестко соединены между собой сваркой и в соединенном положении представляют собой съемный узел переводника, направляющее кольцо-гайка 5 расположено над седлом 3, которое разъемно установлено в гнезде золотниковой втулки 2 и опирается на уступ гнезда, а в золотниковой втулке выполнена пара радиальных отверстий, расположенных с возможностью совмещения с отверстиями 12 портов 10 и 11.