ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ПЕРЕВОДНИК
CIRCULATION ADAPTER

Изобретение относится к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к циркуляционным переводникам бурильной колонны, позволяющим многократно переключать поток текучей среды - бурового раствора, включающего кольматационные материалы, из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное.
Известен циркуляционный переводник бурильной колонны по патенту RU №2599120 (опубл. 05.06.2015), содержащий корпус с циркуляционными портами, гильзу, неподвижно установленную в корпус, поршень с радиальными отверстиями и центральным каналом с возможностью перемещения вдоль оси гильзы, пружину, поджимающую поршень, гильза имеет наружные неподвижные уплотнения для обеспечения герметичности портов, поршень имеет наружные подвижные уплотнения для обеспечения герметичности портов, устройство для улавливания шаров ниже по потоку бурового раствора, установленное в скрепленный ниже с корпусом переводник, в состав циркуляционного переводника входят сбрасываемые активационные шары и деактивирующие шары.
Активация циркуляционного переводника осуществляется сбросом в бурильную колонну активационного шара, который потоком промывочной жидкости перемещается и самоустанавливается в поршень, закрывая центральный канал, поршень под давлением жидкости открывает циркуляционные порты.
Циркуляционные порты активированного циркуляционного переводника закрываются при остановке циркуляции, например, при смене прокачиваемой жидкости, предотвращая обратный переток промывочной жидкости из кольцевого пространства в бурильную колонну.
Деактивация циркуляционного переводника осуществляется сбросом в бурильную колонну двух металлических шаров деактивации, которые потоком промывочной жидкости перемещаются в порты и закрывают их, происходит рост давления внутри бурильной колонны, активационный шар под давлением жидкости продавливается в шароуловитель, деактивационные шары также перемещаются в шароуловитель. Поршень под действием пружины устанавливается в первоначальное положение, закрывая порты. Шароуловитель рассчитан на размещение определенного количества шаров.
Недостатком данного циркуляционного переводника является то, что шароуловитель конструктивно не содержит элемента, удерживающего прошедшие через поршень шары в полости для их накопления. Это снижает надежность срабатывания циркуляционного переводника, например, при бурении горизонтальных участков скважин при выключении циркуляции бурового раствора шары, находящиеся в полости шароуловителя, под воздействием силы тяжести или при обратном перетоке бурового раствора внутри бурильной колонны могут выкатиться из шароуловителя и препятствовать корректной посадке активационного шара в поршень при следующей активации циркуляционного переводника.
Другим недостатком данного циркуляционного переводника является то, что в корпусе установлена гильза с дополнительными наружными уплотнениями портов корпуса, что снижает надежность устройства в плане присутствия дополнительных уплотнительных элементов конструкции, испытывающих высокие перепады давления.
Другим недостатком данного циркуляционного переводника является то, что поршень выполнен цельным. Технологически сложно одновременно обеспечить все необходимые технические требования к внутренней поверхности поршня, внутри которой устанавливается, уплотняется и продавливается активационный шар, по шероховатости, коррозионной стойкости, износостойкости и прочности. Изготавливать поршень из нержавеющих сплавов и сталей или упрочнять зону установки активационного шара методом наплавки твердых сплавов экономически нецелесообразно.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является циркуляционный переводник бурильной колонны, известный по патенту US №7347288 (опубл. 2006.06.01), содержащий корпус с циркуляционными портами, поршень с радиальными отверстиями и центральным каналом с возможностью перемещения вдоль оси гильзы, седло, расположенное в центральном канале поршня, пружину, поджимающую поршень, устройство для улавливания шаров ниже по потоку бурового раствора, установленное в скрепленный ниже с корпусом переводник, в состав клапана входят сбрасываемые активационные шары и деактивирующие шары. Данный циркуляционный переводник выбран за прототип.
Активация циркуляционного переводника осуществляется сбросом в бурильную колонну активационного шара, который потоком промывочной жидкости перемещается и самоустанавливается в седло, установленное в поршень циркуляционного переводника, поршень под давлением жидкости открывает циркуляционные порты и закрывает центральный канал.
Деактивация циркуляционного переводника осуществляется аналогичным способом, описанным выше.
Недостатком данного циркуляционного переводника также является то, что шароуловитель конструктивно не содержит элемента, удерживающего прошедшие через клапан шары в полости для их накопления, что снижает надежность его работы.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения показателей бурения скважин при повышении надежности устройства.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом изобретении шароуловитель циркуляционного переводника содержит элемент конструкции, удерживающий прошедшие через циркуляционный переводник шары в полости для их накопления.
Для достижения указанного технического результата в циркуляционном переводнике бурильной колонны, содержащем корпус, поршень с радиальными отверстиями и центральным каналом, внутри которого размещено седло, пружину, поджимающую поршень, два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, активационные и деактивационные шары, переводник с устройством для улавливания шаров, удерживающий прошедшие через циркуляционный переводник шары в полости шароуловителя, состоящего из втулки нижней, кассеты, втулки верхней, содержащей внутреннюю кольцевую канавку, в которой размещена манжета.
Отличительными признаками предлагаемого циркуляционного переводника бурильной колонны от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что втулка верхняя содержит внутреннюю кольцевую канавку, а переводник с устройством для улавливания шаров содержит манжету, размещенную во внутренней кольцевой канавке втулки верхней, а в частном случае исполнения внутренний диаметр манжеты выполнен фигурным, а наименьший внутренний диаметр манжеты меньше диаметра деактивационных шаров; манжета выполнена из материала твердостью 70-80 ШорА; внутренний диаметр седла меньше, чем диаметр активационного шара на 0,1…2,9%; седло выполнено из бронзы; активационный шар имеет твердость 95-100 ШорА.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемая конструкция повышает ресурс и надежность работы циркуляционного переводника при использовании буровых растворов, включающих абразивные и кольматационные материалы, повышает технико-экономические показатели бурения и предупреждает осложнения и аварии бурильного инструмента, повышает надежность срабатывания циркуляционного переводника при бурении горизонтальных участков скважин за счет удержания шаров в полости для их накопления, а также большое значение имеет технологичность конструкции.
На прилагаемых фигурах иллюстрируется сущность изобретения.
На фиг. 1 показано устройство циркуляционного переводника;
На фиг. 2 приведено поперечное сечение циркуляционного переводника по линии А-А.
На фиг. 3 показано устройство клапанного узла циркуляционного переводника;
На фиг. 4 показан переводник с устройством для улавливания шаров циркуляционного переводника;
На фиг. 5 показан принцип действия циркуляционного переводника.
Циркуляционный переводник содержит корпус 1 с двумя боковыми портами 2, подвижный в осевом направлении поршень 3, бронзовое седло 4, установленное в центральном канале поршня 3, пружину 5, поджимающую поршень 3 вверх, шароуловитель, состоящий из кассеты 6, нижней втулки 7 и верхней втулки 8. Во внутренней кольцевой канавке 9 верхней втулки 8 шароуловителя установлена эластомерная манжета 10, предотвращающая перемещение шаров из кассеты 6 вверх в клапанное устройство. Нижняя втулка 7 имеет сужение, внутренний диаметр которого меньше диаметра активационного шара, что обеспечивает улавливание и накопление шаров в шароуловителе.
Внутренний диаметр манжеты выполнен фигурным в виде внутренних отдельных лепестков, полученных радиальными прорезями, для обеспечения их подвижности и расширения внутреннего диаметра манжеты при прохождении через нее шара.
Наименьший внутренний диаметр манжеты для удержания шаров, меньше диаметра деактивационных шаров, находящихся в шароуловителе.
Седло 4 изготовлено из бронзы, благодаря чему оно меньше подвержено гидроабразивному износу, механическому износу и коррозии при прохождении через циркуляционный переводник бурового раствора с массовым содержанием абразива (песка) до 3%.
Активационный шар выполнен твердостью 95-100 ШорА, что обеспечивает герметичность перекрытия центрального канала в поршне при целевом использовании циркуляционного переводника и стабильное давление продавливания шара при деактивации в заданном диапазоне 30…50 атм.
Циркуляционный переводник бурильной колонны может быть применен в следующих случаях: для закачки всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора; для улучшения очистки ствола скважины путем увеличения расхода бурового раствора, в частности - при бурении горизонтальных скважин и скважин с большим отходом забоя от вертикали; для восстановления параметров буровых растворов. Циркуляционный переводник устанавливается в компоновку низа бурильной колонны (далее КНБК) выше телеметрической системы и предназначен для переключения потока промывочной жидкости из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное в месте его установки через боковые порты корпуса. Циркуляционный переводник имеет два режима работы: активированный и неактивированный.
В неактивированном режиме работы боковые порты корпуса закрыты, и весь объем прокачиваемой промывочной жидкости проходит через циркуляционный переводник от буровых насосов к долоту.
В активированном состоянии боковые порты корпуса открыты, сообщая кольцевое затрубное пространство с бурильной колонной, центральное отверстие закрыто, бурильная колонна разобщена с элементами КНБК, находящимися ниже переводника, весь объем прокачиваемой промывочной жидкости проходит через боковые порты корпуса в кольцевое затрубное пространство.
Его активация позволяет решать следующие задачи:
- закачка всех типов кольматационных и изолирующих материалов в зоны поглощения промывочной жидкости;
- улучшение очистки ствола скважины путем увеличения расхода промывочной жидкости (в частности - при бурении горизонтальных скважин и скважин с большим отходом забоя от вертикали);
- восстановление параметров буровых растворов;
- замещение технологических жидкостей в ходе освоения/заканчивания и ремонта скважин.
На фиг. 5 представлен вариант циркуляционного переводника, предназначенного для бурильной колонны с героторным винтовым гидравлическим двигателем.
При работе циркуляционного переводника в составе КНБК весь объем бурового раствора проходит через циркуляционный переводник. Для активации циркуляционного переводника бросают шар активации (фиг. 5, а). Шар активации устанавливается потоком бурового раствора в бронзовое седло 4 поршня 3, закрывая центральное отверстие поршня 3. Под действием давления бурового раствора поршень 3 перемещается вниз, открывая порты 2 для прохождения бурового раствора в затрубное пространство. Циркуляционный переводник активирован, весь объем бурового раствора через порты идет из бурильной колонны в затрубное пространство (фиг. 5, б). Для деактивации циркуляционного переводника с целью возобновления циркуляции бурового раствора внутри бурильной колонны бросают два металлических шара деактивации (фиг. 5, в). Два металлических шара деактивации устанавливается потоком бурового раствора в порты 2 (фиг. 5, г). Давление бурового раствора увеличивается, шар активации под действием давления продавливается через бронзовое седло 4 поршня 3, открывая центральное отверстие поршня, и, пройдя через эластичную манжету 10, улавливается нижней втулкой 7 в шароуловителе (фиг. 5, д). Поршень 3 под действием пружины 5 закрывает порты 2 и выталкивает из портов металлические шары деактивации (фиг. 5, e). Шары деактивации также проходят через эластичную манжету 10 и улавливаются в шароуловителе. Весь объем бурового раствора проходит через циркуляционный переводник. Циркуляционный переводник с устройством для улавливания шаров (шароуловитель) удерживает прошедшие через него шары.
Специалистами ООО «Гидробур-сервис» экспериментальным путем подобраны наружный диаметр шара активации и внутренний диаметр седла для обеспечения продавливания шара через седло при давлении бурового раствора 30…50 атм. Экспериментальным путем установлено: если внутренний диаметр седла меньше, чем диаметр активационного шара на 0…0,1%, то давление продавливания активационного шара составляет 0…30 атм, если внутренний диаметр седла меньше, чем диаметр активационного шара на 0,29…0,40%, то давление продавливания активационного шара составляет 50…100 атм. В результате эксперимента выбрано соотношение диаметров, когда внутренний диаметр седла меньше, чем диаметр активационного шара на 0,10…0,29%.
Специалистами ООО «Гидробур-сервис» расчетным путем подобран материал седла исходя из установленных на этапе проектирования конструкции требований по физико-механическим и трибологическим свойствам, требований к коррозионной стойкости. Выбран материал - бронза.
Специалистами ООО «Гидробур-сервис» экспериментальным путем подобрана твердость материала активационных шаров 95-100 ШорА. Экспериментальным путем установлено, что в данном диапазоне твердости обеспечивается требование по давлению продавливания шара активации через седло в диапазоне 30…50 атм. При твердости 80…95 ШорА данное требование не обеспечивалось.
Эластичная манжета 10 изготовлена из резины или полиуретана и имеет конфигурацию улавливающих элементов в виде лепестков. Специалистами ООО «Гидробур-сервис» экспериментальным путем подобрана твердость материала манжеты, которая бы обеспечивала удержание шаров в шароуловителе при обратном перетоке жидкости. В результате эксперимента установлено: при твердости 60-70 ШорА манжета не удерживает шары при обратном перетоке жидкости, при твердости 70-80 ШорА манжета удерживает шары при обратном перетоке жидкости. Для материала манжеты выбрана твердость 70-80 ШорА. Также специалистами ООО «Гидробур-сервис» экспериментальным путем установлено, что наименьший внутренний диаметр манжеты должен быть меньше диаметра шаров деактивации на 1…2 мм и внутренний диаметр манжеты должен быть фигурным в виде внутренних лепестков для обеспечения удержания шаров в шароуловителе. Толщина манжеты в области лепестков должна составлять от 3% до 10% от наружного диаметра манжеты.
Предлагаемая конструкция циркуляционного переводника повышает ресурс и надежность срабатывания циркуляционного переводника при бурении горизонтальных участков скважин за счет удержания шаров в полости для их накопления, повышает технико-экономические показатели бурения и предупреждает осложнения и аварии бурильного инструмента.