ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в бурении нефтяных и газовых скважин, а именно к циркуляционным клапанам бурильной колонны, позволяющим многократно переключать поток рабочей среды - бурового раствора из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное пространство.
Известен циркуляционный клапан бурильной колонны, который содержит трубчатый корпус, золотниковую втулку, размещенную внутри корпуса и имеющую седло, выполненное в центральном канале золотниковой втулки, направляющее кольцо, установленное во входной части корпуса, пружину, прижимающую золотниковую втулку к направляющему кольцу, через внутренние полости корпуса и седла золотниковой втулки осуществляется насосная подача текучей среды, а также содержит два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, и открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, а также содержит сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло золотниковой втулки при движении текучей среды по бурильной колонне, а также содержит два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порты, а также содержит скрепленный с корпусом резьбовой переводник с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло золотниковой втулки, а также содержит гильзу, расположенную внутри трубчатого корпуса, золотниковая втулка выполнена сплошной, размещена с возможностью продольного перемещения внутри гильзы и снабжена уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью гильзы, при этом в неактивном 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, а уплотнения золотниковой втулки расположены по разные стороны относительно циркуляционных портов, при этом 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, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, а гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно края направленного внутрь циркуляционного порта. При этом золотниковая втулка выполнена с увеличенной длиной ее входной цилиндрической части, расположенной между ее верхним по потоку уплотнением, контактирующим с внутренней поверхностью гильзы, и верхним по потоку торцом золотниковой втулки, при этом минимальная длина упомянутой входной цилиндрической части золотниковой втулки, расположенной между ее верхним по потоку уплотнением и верхним по потоку торцом, равна расстоянию между уплотнениями золотниковой втулки, расположенными по разные стороны относительно циркуляционных портов в неактивном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой, и осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, а при достижении контакта с седлом золотниковой втулки сбрасываемого активационного шара, выполненного с возможностью деформации и прохождения через седло золотниковой втулки при движении текучей среды по бурильной колонне, золотниковая втулка выполнена с возможностью перемещения вместе с активационным шаром, сжимая пружину, таким образом, что в положении перекрытия расходных отверстий циркуляционных портов увеличенной длиной входной цилиндрической части золотниковой втулки уплотнения золотниковой втулки, контактирующие с внутренней поверхностью гильзы, расположены, каждое, ниже по потоку от расходных отверстий циркуляционных портов (патент RU 2681774, МПК Е21В 34/14, опубл. 12.03.2019 г.).
Недостатком устройства является то, что уплотнения, расположенные на наружной поверхности золотниковой втулки, проходя через отверстия циркуляционных портов в момент активации устройства, могут быть повреждены. Снижается надежность устройства.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является циркуляционный клапан бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус с резьбами на его краях, втулку, установленную внутри корпуса, посадочное седло под шар активации, пружину, два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, причем циркуляционные порты закрыты в неактивном режиме и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, резьбовой переводник с размещенным внутри него устройством для улавливания шаров активации и дезактивации, при этом корпус состоит из трех частей - переводник, верхняя часть и нижняя части, которые соединены между собой последовательно резьбовыми элементами, причем в верхней части размещен поршень, соединенный с пружиной для возврата поршня в момент дезактивации устройства, имеющей опорное кольцо, а также установлено резиновое уплотнение для герметизации поршня и выполнены циркуляционные порты, расположенные между верхним и нижним герметизирующими узлами под поршнем и усиленные втулками из твердого сплава, впаянными в верхнюю часть корпуса, при этом втулка размещена в переводнике и имеет ограничитель ее хода в виде стопорного винта, а поршень со стороны переводника имеет посадочное седло под шар активации, причем устройство для улавливания шаров активации и дезактивации установлено в нижней части корпуса (патент RU 181350, МПК Е21В 21/10, Е21В 34/14, опубл. 11.07.2018 г.).
Недостатком прототипа являются небольшие зазоры между верхним корпусом и поршнем при достаточно большой длине сопряжения, обусловленные требованиями к сопряжению деталей с резиновыми уплотнениями, вследствие чего возможна заклинка поршня в условиях наличия абразивных частиц и коррозии, а также трудность в перемещении втулки в переводнике при активации устройства.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является создание надежного долговечного устройства, позволяющего многократно переключать поток рабочей среды - бурового раствора из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное пространство, минуя все элементы компоновки низа бурильной колонны, находящиеся ниже устройства.
Технический результат - повышение надежности устройства за счет исключения заклинивания и прихвата подвижных частей, защиты уплотнений.
Проблема решается, а технический результат достигается циркуляционным клапаном бурильной колонны, содержащим трубчатый корпус с резьбами на его краях, состоящий из трех частей - резьбовой переводник, верхняя часть и нижняя части, которые соединены между собой последовательно резьбовыми элементами, причем в верхней части размещен поршень, соединенный с пружиной для возврата поршня в момент дезактивации устройства, имеющей опорное кольцо, а также установлено резиновое уплотнение для герметизации поршня и выполнены циркуляционные порты с расходными отверстиями, расположенные в корпусе между верхним и нижним герметизирующими узлами под поршнем и усиленные втулками из твердого сплава, впаянными в верхнюю часть корпуса, причем циркуляционные порты закрыты в неактивном режиме и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, при этом поршень со стороны резьбового переводника имеет посадочное седло под шар активации, а внутри нижней части корпуса размещено устройство для улавливания шаров активации и дезактивации, при этом в резьбовом переводнике со стороны поршня размещена защитная втулка, имеющая ограничитель ее хода в виде стопорного винта. В отличие от прототипа в канавках резиновых уплотнений верхней части корпуса, в канавках внутренней поверхности опорного кольца пружины и резьбового переводника размещены опорно-защитные кольца из антифрикционного полимерного материала, контактирующие с наружной поверхностью поршня и защитной втулки, при этом внутренние диаметры верхней части корпуса, опорного кольца и резьбового переводника больше наружного диаметра поршня и защитной втулки, причем последняя соединена с пружиной, которая одним концом упирается в переводник, а другим концом - во втулку, кроме того, поршень и втулка выполнены из коррозионностойкой стали. Согласно полезной модели внутренние диаметры верхней части корпуса, опорного кольца и резьбового переводника больше наружного диаметра поршня и защитной втулки на 0,3-0,6 мм.
Технический результат достигается представленной совокупностью существенных признаков за счет следующего.
В канавках резиновых уплотнений верхней части, в канавках внутренней поверхности опорного кольца, в канавках внутренней поверхности резьбового переводника размещены опорно-защитные кольца из антифрикционного полимерного материала, контактирующие с наружной поверхностью подвижных элементов - поршня и защитной втулки, при этом внутренний диаметр верхней части корпуса, внутренний диаметр опорного кольца и внутренний диаметр резьбового переводника больше (предпочтительно на 0,3-0,6 мм) наружного диаметра подвижных элементов: поршня и защитной втулки. При таком выполнении исключается контакт металла об металл, обеспечивается контакт подвижных элементов (поршень и защитная втулка) с опорно-защитными кольцами из антифрикционного полимерного материала и с резиновыми уплотнениями, что в совокупности с увеличенным зазором значительно снижает трение, обеспечивается подвижность поршня и защитной втулки в условиях наличия абразивных частиц и коррозии, обеспечивается плавное перемещение подвижных элементов без заклиниваний. Таким образом, повышается надежность устройства.
Защитная втулка, размещенная в резьбовом переводнике, соединена с пружиной, которая одним концом упирается в переводник, а другим концом во втулку. При таком выполнении при активации устройства пружина помогает своевременно перемещаться вниз втулке, которая закрывает собой резиновые уплотнения, предотвращая их разрушение, смещение или вымывание. Таким образом, повышается надежность устройства.
Подвижные элементы конструкции - поршень и защитная втулка выполнены из коррозионностойкой стали, что исключает их прихват, вызванный коррозией элементов. Таким образом, повышается надежность устройства.
Сущность поясняется чертежами, где показан заявляемый циркуляционный клапан бурильной колонны.
Фиг. 1 - в неактивированном режиме (в разрезе);
Фиг. 2 - в активированном режиме (в разрезе);
Фиг. 3 - в режиме деактивации (в разрезе).
На фигурах обозначено:
1 - резьбовой переводник;
2 - верхняя часть корпуса;
3 - нижняя часть корпуса;
4 - винт стопорный защитной втулки;
5 - защитная втулка;
6 - пружина защитной втулки;
7 - поршень;
8 - шток поршня;
9 - пружина поршня;
10 - циркуляционный порт;
11 - кольцо опорное пружины поршня;
12 - устройство для улавливания шаров;
13 - шар дезактивации;
14 - шар активации;
15 - кольцо опорно-защитное;
16 - уплотнение резиновое;
17 - винт стопорный поршня;
18 - центральный канал;
19 - седло поршня;
20 - втулки из твердого сплава, которыми усилены циркуляционные порты.
Устройство работает следующим образом.
Когда устройство не активировано (фиг. 1), буровой раствор свободно проходит через центральный канал 18 устройства. Для активации устройства необходимо бросить в бурильные трубы один пластиковый шар активации 14 и прокачать его расчетным объемом бурового раствора. Когда шар активации 14 садится в седло 19 поршня 7 и перекрывает центральный канал 18, под действием избыточного давления поршень 7 перемещается вниз, сжимая пружину 9, при этом циркуляционные порты 10, выполненные в верхней части 2 корпуса, открываются, а защитная втулка 5, под действием пружины 6 перемещается вниз, защищая верхние резиновые уплотнения 16 от разрушения, смещения и вымывания (фиг. 2). Отсекаются все элементы КНБК (компоновка низа бурильной колонны), находящиеся ниже устройства, и буровой раствор проходит через циркуляционные порты 10. Ограничителем перемещения защитной втулки 5 является паз, выполненный на втулке, и стопорный винт 4, установленный в резьбовой переводник 1. Ограничителем перемещения поршня 7 является паз, выполненный на штоке 8 поршня, и стопорный винт 17, установленный в верхней части 2 корпуса.
После выполнения запланированных технологических работ для дезактивации устройства необходимо бросить в бурильные трубы два стальных шара дезактивации 13 и прокачать их расчетным объемом бурового раствора. Шары дезактивации 13, достигнув циркуляционного клапана, под действием потока жидкости перекрывают циркуляционные порты 10 (фиг. 3). Буровой насос продолжает работать, давление растет, пластиковый шар активации 14 продавливается через седло 19 в поршне 7. Пружина 9 сдвигает поршень 7 и защитную втулку 5 наверх, сжимая при этом пружину 6, циркуляционные порты закрываются, буровой раствор вновь продолжает поступать ниже устройства через центральный канал (фиг. 1).
Использованные шары активации 14 и дезактивации 13 попадают в устройство для улавливания 12, находящееся в нижней части 3 корпуса, и не препятствуют дальнейшим работам.
Циркуляционные порты расположены между верхним и нижним герметизирующими узлами под поршнем 7, в режиме работы через центральный канал неактивны, служат для вывода бурового раствора из КНБК в затрубное пространство. Циркуляционные порты 10 усилены втулками из твердого сплава 20, впаянными в верхнюю часть 2 корпуса, которые служат для предотвращения размыва верхней части 2.
Поршень 7 установлен в верхней части 2 корпуса, со стороны резьбового переводника имеет посадочное седло 19 под шар активации 14. Со стороны нижней части корпуса выполнено направляющее отверстие для вывода шаров дезактивации и активации в улавливающее устройство 12. Устройство 12 имеет переменный размер, который зависит от необходимого количества срабатываний за одну спускоподъемную операцию на буровой. Пружина 9 обеспечивает возврат поршня 7 в момент дезактивации устройства. Кольцо 11 служит для опоры пружины 9 и точной настройки рабочего положения поршня 7.
Наличие опорно-защитных колец 15 устройства снижает трение при перемещении подвижных частей (поршень и втулка), обеспечивает подвижность поршня 7 и втулки 5 в условиях наличия абразивных частиц и коррозии, обеспечивается плавное перемещение поршня и втулки без заклиниваний. Пружина 6 помогает перемещаться защитной втулке 5 вниз при активации устройства и позволяет, таким образом, своевременно защитить уплотнения, установленные в верхней части корпуса, от вымывания, смещения и разрушения. Подвижные элементы конструкции поршень 7 и защитная втулка 5 выполнены из коррозионностойкой стали, что исключает их прихват, вызванный коррозией элементов.
Перечень задач, которые позволяет решать устройство без выполнения дорогостоящих спускоподъемных операций:
закачка всех типов кольматационных и тампонажных материалов в зоны поглощения промывочной жидкости;
улучшение очистки стенок 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 и ремонта скважин.