ПЕРЕЛИВНОЙ КЛАПАН БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Изобретение относится к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам переливных клапанов бурильной колонны для сообщения внутренней полости колонны с затрубным пространством при спускоподъемных операциях для заполнения и опорожнения колонны буровым раствором.
Известен переливной клапан бурильной колонны (патент СССР №1657582 МКИ Е21 В 4/00, 21/00). Переливной клапан содержит полый корпус с боковыми отверстиями, и запорный элемент, выполненный в виде гильзы из упругого эластичного материала, закрепленной внутри корпуса и перекрывающей с зазором зоны боковых отверстий.
В этом переливном клапане при небольшом перепаде давления, например, при подъеме бурильной компоновки, буровой раствор перетекает из внутренней полости бурильных труб в затрубное пространство через боковые отверстия в корпусе и зазор между запорным элементом и корпусом, что приводит к опорожнению бурильных труб.
При подаче бурового раствора в бурильную компоновку и к бурильному устройству давление внутри бурильных труб повышается. Это приводит к увеличению диаметра упругого запорного элемента вследствие его расширения
под действием перепада давления и перекрытию зазора между запорным элементом и корпусом, переливной клапан закрывается. Буровой раствор поступает в бурильное устройство.
Недостатком известного клапана является то, что для обеспечения закрытия клапана при подаче бурового раствора зазор между запорным элементом и корпусом должен составлять 1-2 мм. При такой величине зазора скорость перетекания жидкости из бурильных труб в затрубное пространство и обратно не достаточная для быстрого подъема или опускания бурильной компоновки.
Другим недостатком известного клапана является то, что при попадании механических частиц, содержащихся в буровом растворе, в зазор между запорным элементом и корпусом, не происходит плотного закрытия клапана при подаче бурового раствора. В связи с этим при большом давлении происходит просачивание жидкости через запорный элемент, что приводит к размытию корпуса клапана и запорного элемента и выходу клапана из строя.
Указанные недостатки устранены в клапане (заявка на изобретение №2003 10 3705 / 03 от 02.06.2003 г. «Обратный клапан», авторы: Андоскин В.Н., Кобелев К.А., Тимофеев В.Н.), который является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению и выбран в качестве прототипа.
Известный клапан содержит корпус с боковыми отверстиями, подпружиненный полый плунжер, выполненный в виде поршня и содержащий радиальные каналы, седло, контактирующее с плунжером и уплотнения.
При небольшом перепаде давления, например, при подъеме бурильной компоновки, буровой раствор свободно перетекает из внутренней полости бурильных труб в затрубное пространство через радиальные каналы плунжера и боковые отверстия корпуса.
При подаче бурового раствора к бурильному устройству давление внутри бурильных труб возрастает, буровой раствор с большой скоростью проходит через полость плунжера к бурильному устройству. Под действием перепада давления в бурильной колонне и большой скорости бурового раствора плунжер перемещается вниз. При этом происходит перекрытие радиальных каналов плунжера и разобщение внутренней полости бурильных труб и затрубного пространства (клапан закрыт). Буровой раствор полностью поступает к бурильному устройству.
После прекращения подачи бурового раствора давление в бурильных трубах понижается, при этом плунжер перемещается вверх, радиальные каналы открываются, происходит сообщение внутренней полости бурильных труб и затрубного пространства (клапан открыт). Буровой раствор свободно перетекает из бурильных труб в затрубное пространство и обратно.
Недостатком известного клапана является отсутствие возможности предохранения бурильного устройства от засорения (шламования) выбуренными
породами, содержащимся в буровом растворе в затрубном пространстве. Шламование происходит при продолжительных остановках бурильного устройства за счет того, что при открытом клапане твердые мелкие частицы выбуренных пород (шлам) из затрубного пространства проходят через боковые отверстия в корпусе, радиальные каналы и полость плунжера и оседают на рабочих органах бурильного устройства. При запуске бурильного устройства шлам проходит сквозь рабочие органы бурильного устройства, вызывая его интенсивный износ или поломку.
Технической задачей настоящего изобретения является создание конструкции переливного клапана бурильной колонны, которая позволит предохранить бурильное устройство от шламования.
Указанная задача решается тем, что в предлагаемом переливном клапане бурильной колонны, включающем корпус с боковыми отверстиями, подпружиненный полый плунжер, содержащий радиальные каналы, седло, контактирующее с плунжером и уплотнения, согласно изобретению, в нижней части плунжера установлена заглушка.
Благодаря заглушке, бурильное устройство защищено от попадания в него шлама из затрубного пространства при продолжительных остановках бурильного устройства. При этом шлам оседает на заглушке, а при запуске бурильного устройства вымывается в затрубное пространство через радиальные каналы плунжера и боковые отверстия корпуса.
Кроме того, торец заглушки выполнен коническим, благодаря чему не происходит размыв заглушки, т.к. при прохождении бурового раствора через плунжер поток бурового раствора разделяется конической поверхностью заглушки и направляется в радиальные каналы плунжера, исключая завихрения потока на заглушке. Надежность клапана повышается.
Кроме того, поверхность торца заглушки выполнена сопряженной с боковыми стенками радиальных каналов плунжера, а оси радиальных каналов плунжера выполнены параллельными конической поверхности торца заглушки.
Благодаря такой конструкции размывания радиальных каналов не происходит в связи с отсутствием завихрений потока бурового раствора в радиальных каналах, т.к. поток бурового раствора, разделенный конической поверхностью заглушки, имеет в радиальных каналах то же направление, что после разделения заглушкой. Надежность клапана повышается.
На фиг.1 показан общий вид переливного клапана бурильной колонны в продольном разрезе в положении «клапан открыт».
На фиг.2 показан продольный разрез переливного клапана бурильной колонны в увеличенном масштабе в месте расположения седла в положении «клапан открыт».
На фиг.3 показан общий вид переливного клапана бурильной колонны в продольном разрезе в положении «клапан закрыт».
Переливной клапан (фиг.1, 2) включает корпус 1, установленный в нем полый плунжер 2 и седло 3. Корпус 1 содержит боковые отверстия 4. Полый плунжер 2 содержит радиальные каналы 5. Полый плунжер 2 подпружинен пружиной 6. От осевого перемещения полый плунжер 2 фиксируется, например, гайкой 7. Полый плунжер 2 и седло 3 содержат уплотнения 8, 9 и 10. В нижней части полого плунжера 2 установлена заглушка 11. Заглушка 11 в полом плунжере крепится посредством, например, резьбы. От протечек на заглушке 11 установлено уплотнение 12, выполненное, например, в виде резинового кольца.
К верхней части переливного клапана крепятся бурильные трубы (на фиг. не показаны) посредством, например, резьбы К1. К нижней части переливного клапана крепится бурильное устройство (на рисунке не показано) при помощи, например, резьбы К2.
Переливной клапан бурильной колонны работает следующим образом. При небольшом перепаде давления, например, при подъеме бурильной компоновки, переливной клапан открыт (фиг.2). При этом буровой раствор свободно перетекает из внутренней полости бурильных труб А в затрубное пространство Б через радиальные каналы 5 полого плунжера 2 и боковые отверстия 4 корпуса 1, а полость В бурильного устройства, благодаря установленной в полом плунжере 2 заглушке 11, закрыта, что способствует защите бурильного устройства от попадания в него шлама из полости Б.
При подаче бурового раствора к бурильному устройству перепад давления в полости А возрастает. Полый плунжер 2, сжимая пружину 6, перемещается вниз (фиг.3). При этом полости А и Б разобщаются, а полости А и В сообщаются посредством радиальных каналов 5 полого плунжера 2. Переливной клапан закрыт.Буровой раствор поступает в бурильное устройство.
При прекращении подачи бурового раствора к бурильному устройству давление в полости А понижается. Полый плунжер 2 перемещается вверх (фиг.1). Клапан открывается. Полости А и Б сообщаются посредством радиальных каналов 5 полого плунжера 2, а полость В бурильного устройства, благодаря установленной в полом плунжере 2 заглушке 11, закрывается.
Благодаря тому, что торец Т заглушки 11 выполнен коническим, поток бурового раствора равномерно разделяется торцем Т и направляется в радиальные каналы 5 полого плунжера 2, исключая завихрения потока на заглушке 11 и ее размыв.
Так как поверхность Т торца заглушки 11 выполнена сопряженной с боковыми стенками ТТ радиальных каналов 5 полого плунжера 2, а оси О радиальных каналов 5 полого плунжера 2 выполнены параллельными конической поверхности Т торца заглушки 11, направление бурового потока в радиальных каналах 5 совпадает с направлением бурового потока после разделения потока заглушкой 11, благодаря чему исключаются завихрения потока в радиальных каналах 5 и их размыв.
Преимуществом предлагаемого изобретения по отношению к прототипу является то, что заглушка 11, установленная в полом плунжере 2, защищает бурильное устройство от попадания в него шлама из затрубного пространства (полость Б) при продолжительных остановках бурильного устройства. При этом шлам, содержащийся в затрубном пространстве (полость Б), проходит из полости Б в полость А и оседает на заглушке 11, не попадая в полость В бурильного устройства. В начальный момент запуска бурильного устройства, когда перепад давления ниже рабочего значения, переливной клапан открыт (полый плунжер 2 находится в верхнем положении), шлам вымывается потоком бурового раствора из полости А в затрубное пространство (полость Б) через радиальные каналы 5 полого плунжера 2 и боковые отверстия 4 корпуса 1. При достижении перепада давления рабочего значения полый плунжер 2 опускается вниз, переливной клапан закрывается, полость А соединяется с полостью В бурильного устройства и буровой раствор, свободный от шлама, поступает в бурильное устройство. Срок службы бурильного устройства повышается.
Таким образом, предлагаемая конструкция переливного клапана бурильной колонны позволяет продлить срок службы бурильного устройства.