ОБРАТНЫЙ КЛАПАН БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Полезная модель относится к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к обратным клапанам, используемым при бурении скважин для заполнения внутреннего объема колонны буровым раствором и его опорожнения при проведении спускоподъемных операций, а также предотвращение зашламовывания забойного двигателя.
Известен обратный клапан по патенту РФ на изобретение №2427702. Обратный клапан содержит корпус с седлом, установленное в расточке поворотное запорное устройство, взаимодействующее с седлом и снабженное упругими элементами в виде двух пластинчатых пружин. Запорное устройство содержит два запорных элемента, выполненных из половин кольцевого цилиндра путем сечения каждой из них двумя взаимно перпендикулярными наклонными плоскостями, верхняя из которых выполнена под углом меньше 90° к плоскости окружности цилиндра, а боковая - под таким же углом к его оси. Верхние торцы запорных элементов, взаимодействующие с седлом, и их боковые поверхности, взаимодействующие между собой, покрыты эластомером. Узел фиксации запорных и упругих элементов в корпусе выполнен в виде закрепленного в расточке корпуса кольца. Недостатком обратного клапана является сложность его конструкции и низкая надежность.
Известен обратный клапан для бурильной колонны по патенту РФ на изобретение №2107805. Корпус обратного клапана состоит из ниппеля и переводника. Между ними установлено составное седло в виде втулки и упругого эластомерного элемента. Со стороны ниппеля расположен и контактирует с седлом тарельчатый запорный орган. Он содержит проходящий по оси переводника шток. В хвостовой части штока установлена пружина. Она поджимает запорный орган к седлу. В проходном канале переводника выполнены ребра. Шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки. Ребра связывают их между собой. Пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником. В хвостовой части штока обечайка имеет цилиндрический кольцевой выступ. В пазах кольцевого выступа установлены защелки. На внутренней поверхности переводника для ввода защелок выполнена кольцевая проточка. Каждая из защелок выполнена в виде кулачка, установленного в пазах кольцевого выступа обечайки заподлицо на оси с возможностью отклонения в сторону кольцевой проточки переводника. Кулачок дополнительно подпружинен пружиной от переводника к стенке паза обечайки. Недостатком обратного клапана для бурильной колонны является отсутствие возможности заполнения или освобождения бурильной колонны от промывочной жидкости во время спускоподъемных операций.
Известен обратный клапан по патенту РФ на изобретение №2232243. Обратный клапан, содержит корпус, состоящий из соединенных резьбовым соединением ниппеля и переводника, установленного между ними седла с упругоэластичным уплотнением и запорного органа, контактирующего с седлом и снабженного пружиной, поджимающей запорный орган к седлу, согласно изобретению запорный орган выполнен в виде полого плунжера, выход которого герметично заглушен лобовым и донным обтекателями, в стенках плунжера выполнены окна, плунжер соединен с возможностью скольжения с седлом, а упруго эластичный элемент ограничен в направлении выхода, по меньшей мере, частью поверхности скольжения седла, при этом лобовой обтекатель выполнен с дроссельным отверстием, а лобовой и донный обтекатели образуют между собой полость, соединенную через дроссельное отверстие с входом обратного клапана. Недостатком обратного клапана является сложность конструкции.
Известен обратный клапан по патенту РФ на изобретение №2213845. В обратном клапане, состоящем из полого корпуса с размещенными в нем коническим седлом, ограничительной решеткой, размещен запорный узел. Сердечник запорного узла имеет хвостовик и коническую упорную поверхность, переходящую в цилиндрический поясок. Эластичная коническая манжета со ступицей закреплена на сердечнике, взаимодействует с коническим седлом и обеспечивает возможность перекрытия раструбом проходного канала, образованного сердечником в полости корпуса. В местах перехода ступицы в раструб выполнены наружный кольцевой паз, образующий с раструбом уплотнительный валик, охватывающий цилиндрический поясок и кольцевая выточка с расходящимися от нее вдоль образующей линии внутренней конической поверхности раструба внутренними канавками. Манжета разделяет проходной канал корпуса на надманжетную и соединительную с закорпусным пространством подманжетную полуполости. Недостатком обратного клапана для бурильной колонны является отсутствие возможности заполнения или освобождения бурильной колонны от промывочной жидкости во время спускоподъемных операций.
Известен обратный клапан бурильной колонны по патенту РФ на полезную модель №129142. Обратный клапан бурильной колонны включает полый цилиндрический корпус с выполненными на его концах присоединительными замковыми резьбами, подпружиненный плунжер с центральным отверстием, образующим, совместно с выходящими на наружную поверхность плунжера радиальными каналами, проточную часть, седло, контактирующее с плунжером, и уплотнения, отличается тем, что корпус устройства выполнен неразъемным, центральное отверстие плунжера выполнено несквозным, а нижняя часть седла выполнена в виде цилиндрической «юбки», при этом внутренняя, профилирующая поток рабочей жидкости поверхность седла, подлежащего замене при достижении критической степени его износа, выполнена с анти эрозионным покрытием. Недостатком обратного клапана для бурильной колонны является отсутствие возможности заполнения или освобождения бурильной колонны от промывочной жидкости во время спускоподъемных операций.
Известен комбинированный клапан бурильной колонны по патенту РФ на полезную модель №113782. Комбинированный клапан бурильной колонны, включает корпус с боковыми отверстиями, подпружиненный плунжер с образующим проточную часть отверстием, содержащий радиальные каналы, седло, контактирующее с плунжером и уплотнения, отличающийся тем, что в боковые отверстия корпуса установлены фильтрующие заглушки, отверстие плунжера, образующее проточную часть, выполнено несквозным, а нижняя часть седла выполнена в виде цилиндрической «юбки», при этом внутренняя, профилирующая поток поверхность седла, выполнена с анти эрозионным покрытием. Недостатком комбинированного клапана бурильной колонны является наличие полости с установленной пружиной, через которую проходит поток промывочной жидкости. Полость засоряется частицами разбуренной породы, что снижает надежность и долговечность работы клапана.
Известен обратный клапан бурильной колонны по патенту РФ на полезную модель №73014 (прототип). В обратном клапане бурильной колонны, включающем корпус, подпружиненный полый плунжер, содержащий радиальные каналы и заглушку, седло, контактирующее с плунжером и уплотнения, согласно полезной модели, корпус содержит боковые отверстия. Кроме того, боковые отверстия в корпусе выполнены в зоне радиальных каналов плунжера. Таким образом, в предлагаемом обратном клапане бурильной колонны присутствуют возможность сброса бурового раствора в межтрубное пространство при подъеме бурильного устройства и возможность заполнения бурильной колонны буровым раствором из межтрубного пространства при спускоподъемных операциях. Недостатком обратного клапана бурильной колонны является прохождение через радиальные отверстия корпуса, внутрь труб промывочной жидкости, содержащей частицы разбуренной породы. Заполнение полости, в которой размещена пружина, шламом может приводить к заклиниванию плунжера при переключении режимов работы.
Задачами создания полезной модели являются повышение надежности и долговечности работы клапана, а также снижение его гидравлического сопротивления.
Поставленные задачи решаются за счет того, что обратный клапан бурильной колонны, включает корпус с боковыми отверстиями, в которых установлены фильтрующие заглушки, в центральном отверстии корпуса установлен с возможностью радиального перемещения подпружиненный плунжер, с образующим проточную часть несквозным отверстием, в нижней части которого выполнены радиальные каналы, причем плунжер выполнен с наружным кольцевым выступом, входящим в кольцевую расточку корпуса, осевой ход плунжера сверху ограничен гайкой, а снизу кольцевыми наружным и внутренним выступами плунжера и корпуса, ниже плунжера установлена крестовина, зафиксированная в корпусе гайкой крестовины, а между крестовиной и плунжером установлена пружина. Полость, образованная наружным кольцевым выступом плунжера и кольцевой расточкой корпуса, соединяется отверстием с несквозным отверстием плунжера. Пружина установлена в цилиндрических расточках, выполненных в крестовине и в плунжере. В центре крестовины выполнено сквозное отверстие, для очистки пружины от частиц разбуренной породы. Количество радиальных каналов в плунжере выполнено больше, чем боковых отверстий в корпусе. Выше и ниже радиальных каналов в кольцевых проточках установлены уплотнительные кольца. Боковые отверстия в корпусе соединены внутренним кольцевым каналом. Внутренний кольцевой канал выполнен с заходными конусными поверхностями, предохраняющими уплотнительные кольца при перемещении плунжера. Внутренняя поверхность корпуса, в которую попадает поток промывочной жидкости из радиальных каналов плунжера выполнена с антиэрозионным покрытием.
Предложенное техническое решение обладает новизной и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями полезной модели. Новизна технического решения подтверждается приведенными патентными исследованиями. Промышленная применимость обусловлена тем, что при изготовлении обратного клапана бурильной колонны, применяются известные технологии и оборудование.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1…3, где:
на фиг. 1 показан обратный клапан бурильной колонны в режиме спуска или подъема бурильной колонны, при этом боковые отверстия корпуса совмещены с радиальными каналами плунжера, а промывочная жидкость свободно перемещается наружу или внутрь трубы,
на фиг. 2 показан обратный клапан бурильной колонны в режиме бурения,
на фиг. 3 показан продольный разрез плунжера,
на фиг. 4 показана диметрия плунжера.
Обратный клапан бурильной колонны состоит из корпуса 1 с боковыми отверстиями 2, в которых установлены фильтрующие заглушки 3, в центральном отверстии корпуса 4 установлен с возможностью радиального перемещения подпружиненный плунжер 5, с образующим проточную часть несквозным отверстием 6, в нижней части которого выполнены радиальные каналы 7, причем плунжер 5 выполнен с наружным кольцевым выступом 8, входящим в кольцевую расточку 9 корпуса 1, осевой ход плунжера 5 сверху ограничен гайкой 10, а снизу кольцевыми наружным 8 и внутренним 11 выступами плунжера 5 и корпуса 1, ниже плунжера установлена крестовина 12, зафиксированная в корпусе 1 гайкой крестовины 13, а между крестовиной 12 и плунжером 5 установлена пружина 14. Полость 15, образованная наружным кольцевым выступом 8 плунжера 5 и кольцевой расточкой 9 корпуса 1, соединяется отверстием 16, с несквозным отверстием 6 плунжера 5. Пружина 14 установлена в цилиндрических расточках 17 и 18, выполненных в крестовине 12 и в плунжере 5. В центре крестовины 12 выполнено сквозное отверстие 19, для очистки пружины от частиц разбуренной породы. Количество радиальных каналов 7 в плунжере 5 выполнено больше, чем боковых отверстий 2 в корпусе 1. Выше и ниже радиальных каналов 7 в кольцевых проточках установлены уплотнительные кольца 20. Боковые отверстия 2 в корпусе 1 соединены внутренним кольцевым каналом 21. Внутренний кольцевой канал 21 выполнен с заходными конусными поверхностями 22, предохраняющими уплотнительные кольца 20 при перемещении плунжера 5. Внутренняя поверхность корпуса 1, в которую попадает поток промывочной жидкости из радиальных каналов 7 плунжера 5, выполнена с анти эрозионным покрытием.
Обратный клапан бурильной колонны работает следующим образом. Клапан при помощи выполненных на концах корпуса 1 присоединительных резьб соединяется с колонной буровых труб и устанавливается над забойным двигателем. В исходном положении (фиг. 1), при небольшом перепаде давлений на плунжере 5, например, при спуске или подъеме бурильной компоновки, буровой раствор через открытые в корпусе боковые отверстия 2, радиальные каналы 7 и несквозное отверстие 6 свободно перетекает из внутренней полости бурильной колонны в затрубное пространство и обратно. При подаче бурового раствора к забойному двигателю, величина перепада давления на плунжере 5 возрастает. Под действием создаваемой перепадом давлений осевой силы плунжер 5, сжимая пружину 14, смещается в крайнее нижнее, рабочее положение (фиг. 2). При этом промывочная жидкость выходит из полости 15, образованной наружным кольцевым выступом 8 плунжера 5 и кольцевой расточкой 9 корпуса 1, через отверстия 16. Кольцевой наружный выступ 8 плунжера 5 упирается во внутренний выступ 11 корпуса 1. Плунжер 5 перекрывает отверстия 2, а радиальные каналы 7 плунжера 5 открываются ниже внутреннего выступа 11 корпуса 1. Поток бурового раствора, через центральное отверстие 4 корпуса 1, несквозное отверстие 6 и радиальные каналы 7 плунжера 5 подается на забойный двигатель. Так как пружина установлена в цилиндрических расточках 17 и 18 выполненных в крестовине 12 и в плунжере 5, в режиме подачи промывочной жидкости к долоту, она закрыта от воздействия потока промывочной жидкости. В случае попадания шлама в цилиндрические расточки 17 и 18, он удаляется через отверстие 19 корзины 12 при переключении обратного клапана. Снижение гидравлического сопротивления достигнуто за счет увеличения количества радиальных каналов 7, которые открываются после смещения плунжера вниз под действием давления. При прекращении подачи бурового раствора, перепад давлений на плунжере 5 снижается, плунжер 5, под действием пружины 14 возвращается в исходное положение. Циркуляция через боковые отверстия 2 корпуса 1 и радиальные каналы 7 плунжера 5 восстанавливается, а зашламляющий компоновку поток жидкости снизу через забойный двигатель, прерывается.
Применение полезной модели позволило:
1. Обеспечить переключение режимов промывки скважины.
2. Снизить гидроабразивный износ деталей клапана.
3. Повысить надежность и долговечность работы клапана.
4. Снизить гидравлическое сопротивление обратного клапана.
5. Заполнять колонну труб промывочной жидкостью при ее спуске.
6. Освобождать колонну труб от промывочной жидкости при ее подъеме.