КЛАПАН БУРОВОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ
DRILL CIRCULATING VALVE

Изобретение относится к устройствам для бурения глубоких скважин, а именно к погружным управляемым с поверхности клапанам.
Известны буровые переливные клапаны (см., например, патент РФ №2204688), с помощью которых обеспечиваются заполнение и опорожнение бурильной колонны при спускоподъемных операциях в процессе строительства скважины.
При небольшой подаче (расходе) бурового раствора эти клапаны могут работать в режиме промывки ствола скважины без прокачки раствора через забойный двигатель. Однако при малом расходе не удается полноценно промыть скважину. Поэтому для промывки скважины с повышенным расходом применяют циркуляционный клапан.
Известен циркуляционный клапан (патент США №4.298.077 от 03.11.1981). На работу этого циркуляционного клапана затрачиваются сравнительно большие давление и гидравлическая мощность. Кроме того, на малых расходах жидкости перепада давлений на поршне клапана недостаточно для создания необходимого усилия для его переключения.
Известен циркуляционный клапан, работающий в широком диапазоне величин расхода жидкости (патент США №6.095.249 от 01.08.2000 - прототип). Этот клапан включает соосные, находящиеся в зацеплении между собой посредством шипов и направляющих пазов системы корпуса и поршня, первая из которых содержит патрубок с каналами, сообщающими ее внутреннюю полость с затрубным пространством скважины, замыкатель, верхний и нижний ограничители хода поршня, а вторая содержит поршень с проточным каналом и уплотнением, переключатель клапана с радиальными каналами, пружину сжатия, размещенную в запоршневом пространстве между уступом поршня и нижним ограничителем его хода. Создание необходимого перепада давлений на поршне клапана осуществляется установкой в проточном канале поршня дополнительного гидравлического сопротивления, что требует соответствующей переналадки клапана. При этом также не решается проблема дополнительных потерь гидравлической мощности.
Кроме этого, перемещение поршня (опорожнение и заполнение запоршневой полости) в прототипе осуществляется при гидравлической связи запоршневой полости с кольцевым пространством скважины, что вызывает засорение пружины и, как результат этого, потерю работоспособности.
Настоящее изобретение направлено на устранение отмеченных недостатков. Это достигается тем, что в известном циркуляционном клапане, включающем соосные, находящиеся в зацеплении между собой посредством шипов и направляющих пазов системы корпуса и поршня, первая из которых содержит корпус в виде патрубка, замыкатель с каналами, сообщающими ее внутреннюю полость с затрубным пространством скважины и уплотнением, верхний и нижний ограничители хода поршня, а вторая содержит поршень с сужающимся на входе проточным каналом и уплотнением, переключатель клапана с радиальными каналами, пружину сжатия, размещенную в запоршневой полости между уступом поршня и нижним ограничителем его хода, проточный канал поршня выполнен с переменным сечением от сужающегося на входном участке до плавно расширяющегося на выходном участке, при этом на участке его максимального сужения в поршне выполнен перепускной канал, гидравлически сообщающий проточный канал с запоршневой полостью. Благодаря такому техническому решению удается создать в запоршневой полости зону низкого статического давления и соответственно реализовать повышенный перепад давлений для перемещения поршня.
Кроме того, в клапане запоршневая полость гидравлически разобщена с кольцевым пространством скважины путем установки между замыкателем и поршнем уплотнения.
В предлагаемом техническом решении циркуляционного клапана шипы установлены в системе корпуса, а направляющие пазы выполнены снаружи поршня по замкнутому контуру с открытым выходом на уступ поршня.
Кроме того, проточный канал поршня на выходном участке выполнен с уклоном 3…5°, а между уступом поршня и пружиной или между пружиной и ограничителем хода поршня установлен упорный подшипник.
На фиг.1 показан клапан циркуляционный (продольный разрез), работающий в режиме переливного клапана (верхнее положение поршня).
На фиг.2 показано исполнение клапана циркуляционного, в котором корпус состоит из двух деталей - корпусной и промежуточной гильз.
На фиг.3а показан клапан циркуляционный в закрытом состоянии (нижнее положение поршня, процесс бурения).
На фиг.3б показан клапан циркуляционный, работающий в режиме промывки скважины (среднее положение поршня).
На фиг.4 показан вариант исполнения направляющих пазов поршня с движением шипа в направляющих пазах при перемене положений поршня по замкнутому контуру.
На фиг.5 показан вариант исполнения направляющих пазов с движением шипа в направляющих пазах по непрерывной гребенке.
На фиг.6 и 7 показаны поперечные сечения клапана по шипу и по радиальным каналам корпуса.
На фиг.8 и 9 показаны варианты исполнения клапана с упорным шарикоподшипником, установленным в запоршневом пространстве между упором поршня и ограничителем хода поршня над пружиной (фиг.8) и под пружиной (фиг.9).
Клапан циркуляционный (фиг.1) включает корпус 1, выполненный в виде патрубка с присоединительными резьбами 3, 4, замыкатель 16 с каналами 2, сообщающими внутреннюю полость 8 с кольцевым пространством 14 скважины, и уплотнениями 11 и 24, верхний 17 и нижний 18 ограничители хода поршня, поршень 5 с проточным каналом 19 и уплотнением 10, переключатель 20 с радиальными каналами 21, пружину 9, размещенную в запоршневом пространстве 15 между уступом поршня 22 и нижним ограничителем 18 хода поршня.
Проточный канал 19 поршня выполнен сужающимся на входном участке и плавно расширяющимся на выходе. На участке 12 сужения проточного канала 19 выполнен перепускной канал 13, сообщающий проточный канал 19 с запоршневой полостью 15.
Благодаря установке уплотнения 11 между замыкателем 20 и переключателем 16 запоршневая полость 15 разобщается с кольцевым пространством 14 скважины.
В варианте исполнения клапана, показанном на фиг.1, шипы 7 установлены в корпусе 1, а направляющие пазы 6 выполнены снаружи поршня 5. Направляющие пазы (фиг.4) имеют замкнутый контур с открытым выходом на уступ 22 (фиг.1) поршня 5, а направляющие пазы, показанные на фиг.5, имеют конфигурацию непрерывной гребенки.
Проточный канал 19 на выходном участке 23 выполнен с уклоном 3…5°. Для улучшения окружного перемещения поршня 5 относительно корпуса 1 между пружиной 9 и уступом 22 поршня или ограничителем хода поршня 18 (фиг.1) установлен упорный подшипник 26 (фиг.8, 9).
Как вариант, для повышения технологичности корпус может выполняться составным и включать две детали: промежуточную гильзу 25 (фиг.2) с замыкателем 16, каналами 2, уплотнениями 11 и 24, нижним ограничителем 18 хода поршня, шипами 7 и корпусную гильзу 27 с резьбами 3, 4 и каналами 28 для сообщения каналов 2 с затрубным пространством 14.
Работает клапан буровой циркуляционный следующим образом.
Клапан устанавливают над гидравлическим забойным двигателем (не показан).
При спускоподъемных операциях поршень 5 клапана (фиг.1) занимает верхнее положение относительно корпуса 1, что обеспечивает свободное перетекание бурового раствора при спуске из кольцевого пространства 14 скважины во внутреннюю полость 8 и далее в проточный канал 19, а при подъеме - из проточного канала 19 в кольцевое пространство 14. Таким образом осуществляются заполнение и опорожнение бурильной колонны.
При подаче с поверхности по бурильным трубам бурового раствора на поршень 5 воздействует сила, определяемая перепадом давлений на входе в него и в запоршневой полости 15. Благодаря выполнению в месте сужения 12 проточного канала 19 перепускного канала 13, обеспечиваются низкое давление в запоршневом пространстве 15 и соответственно большая сила, под действием которой поршень 5 перемещается вниз (по ходу движения бурового раствора), преодолевая упругую силу сопротивления пружины 9. При этом поршень 5 может занять относительно корпуса 1 два положения.
Как показано на фиг.2, поршень 5 переместился в крайнее нижнее положение. При этом проточный канал 19 оказался разобщенным с полостью 8 и кольцевым пространством 14 и весь буровой раствор направляется к забойному двигателю для осуществления процесса бурения.
После прекращения подачи бурового раствора поршень 5 под действием упругой силы сжатой пружины 9 возвращается в верхнее положение. При повторной подаче раствора поршень 5 переместится вниз до его среднего положения (фиг.3б), при котором устанавливается сообщение между проточным каналом 19, полостью 8 и кольцевым пространством 14 скважины. Подаваемый буровой раствор производит только промывку ствола скважины.
Переключение клапана с режима промывки на режим бурения производится за счет взаимодействия шипов 7 с направляющими пазами 6 (фиг.4, 5). Положения 7а и 7с шипа относительно направляющих пазов соответствуют верхнему положению поршня 5, положение 7b шипа - нижнему положению поршня и положение 7d шипа - среднему положению поршня.
Снижение затрат гидравлической мощности в клапане достигается тем, что на выходном плавно расширяющемся участке 23 проточного канала 19 с заявленным уклоном происходит практически полное восстановление статического давления.
Выполнение перепускного канала 13 с малым сечением позволяет присоединить к его основной функции еще и дополнительную функцию гидродемпфера, смягчающего контакт поршня 5 с ограничителями его хода 17, 18, а также контакт шипа 7 в положении 7d (фиг.4, 5) с направляющими пазами 6.
Благодаря установке уплотнения 11 в замыкателе 16 при любом положении поршня 5 обеспечивается защита запоршневой полости 15 от проникновения в нее в процессе бурения бурового раствора с выбуренными частицами породы из кольцевого пространства 14.
Настоящее изобретение позволяет повысить надежность циркуляционного клапана, снизить затраты гидравлической мощности на бурение и промывку ствола скважины.