КЛАПАН БУРОВОЙ ПЕРЕЛИВНОЙ ШАРИКОВЫЙ
OVERFLOW DRILL BALL VALVE

Изобретение относится к буровой технике, а именно к переливным устройствам бурильной колонны с винтовым забойным двигателем, для сообщения или разделения внутренней полости колонны бурильных труб с затрубным пространством при спускоподъемных операциях, для заполнения и опустошения колонны буровым раствором.
Известен переливной клапан забойного двигателя (патент РФ 2333334, Е21В 4/02, Е21В 21/10, опубликовано 10.09.2008), содержащий корпус, клапанную пару, выполненную с поясом скольжения, включающую седло, установленное в корпусе, и полый плунжер, размещенный внутри седла с радиальными отверстиями в них, пружину, расположенную на полом плунжере, и уплотнения.
Недостатком известного клапана является низкая надежность работы клапана ввиду возможности заклинивания полого плунжера в седле из-за сильных вибраций при работе забойного двигателя, а также из-за попадания песка из бурового раствора на трущиеся поверхности клапанной пары. При заклинивании плунжера клапан закрыт не полностью, из-за чего часть бурового раствора переливается в затрубное пространство, при этом ниже клапана возникает потеря напора бурового раствора, вследствие чего уменьшается КПД забойного двигателя. В случае подъема колонны бурильных труб заклинивший, не до конца открытый клапан не позволяет буровой жидкости свободно выливаться в скважину, что приводит к уменьшению скорости подъема бурильной колонны.
Известен универсальный клапан забойного двигателя (патент РФ 2303116, Е21В 4/02, опубликовано 20.07.2007), взятый в качестве прототипа, содержащий полый корпус, гильзу и плунжер с радиально выполненными в них перепускными отверстиями, золотник, пружину и уплотнения, установленные на плунжере, золотнике и гильзе, демпфер и наконечник.
Недостатком известного клапана является низкая надежность работы клапана ввиду заклинивания плунжера в седле из-за постоянных вибраций забойного двигателя, а также быстрого абразивного и эрозионного износа полого плунжера из-за постоянного воздействия, проходящего через плунжер рабочего потока бурового раствора, который обладает абразивными свойствами. Вследствие чего происходит полная разгерметизация клапанной пары плунжер - седло и клапан становится неработоспособным.
Также недостатком известного клапана является низкая работоспособность клапана ввиду постепенного нарушения герметичности клапанной пары из-за использования резиновых уплотнений, установленных в седле, которые ввиду неблагоприятных условий работы клапана быстро изнашиваются, что приводит к отказу работы клапана и необходимости его ремонта в части замены уплотнений. Все это приводит к временной приостановке спускоподъемных работ на скважине и в конечном итоге снижению производительности работы скважины.
Задача изобретения - создание клапана надежной конструкции, устраняющей недостатки аналогов.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении надежности работы клапана за счет снижения абразивного и эрозионного износа клапанной пары и исключения ее заклинивания, а также в повышении ресурса работы клапана.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан буровой переливной шариковый, содержащий корпус с радиальными отверстиями, клапанную пару, включающую седло и подпружиненный запорный элемент, согласно изобретению снабжен обоймой, установленной в корпусе и выполненной в виде сегмента с цилиндрической полостью, в которой установлено седло с подпружиненным запорным элементом, выполненным в виде шара, ограничитель с отверстиями для прохода жидкости, закрепленный в обойме, при этом корпус клапана и обойма снабжены одним или более радиальными отверстиями, расположенными ниже седла и выполненными соосно относительно друг друга.
Выполнение обоймы в виде сегмента позволяет буровому раствору при работе забойного двигателя проходить через полость клапана, образуемую внутренней поверхностью корпуса клапана и наружной поверхностью обоймы, минуя рабочие органы клапана, в частности клапанную пару, что увеличивает стойкость рабочих органов к абразивному и эрозионному износу, повышает надежность и увеличивает ресурс работы клапана.
Выполнение запорного элемента в виде шара позволяет центрировать его относительно седла в цилиндрической полости ограничителя, что не позволяет запорному элементу заклинивать во время работы клапана, обеспечивая герметичность клапана без использования дополнительных деталей (уплотнений), что повышает надежность его работы.
На фиг.1 приведен общий вид клапана в открытом положении, на фиг.2 - вид клапана в закрытом положении, на фиг.3 - вид клапана сверху.
Клапан содержит цилиндрический корпус 1 (фиг.1) со ступенчатым отверстием 2 и радиальным (переливным) отверстием 3 (радиальных отверстий может быть несколько). В ступенчатом отверстии 2 корпуса 1 установлена обойма 4, выполненная в виде сегмента, в которой выполнена цилиндрическая полость 5, в которой установлено седло 6, запорный элемент, выполненный в виде шара 7, возвратная пружина 8, установленная между дном цилиндрической полости 5 и шаром 7, поджимающая шар 7 к ограничителю 9, выполненному в виде клетки с продольными отверстиями 10 для протока жидкости. Седло 6 может быть установлено в ступенчатом отверстии цилиндрической полости 5 и зажато ограничителем 9, который установлен в обойме 4, например, с помощью резьбового соединения. В обойме 4 выполнено резьбовое радиальное отверстие 11 соосно радиальному отверстию 3 корпуса 1 для протока жидкости. В обойму 4 через радиальное отверстие 3 корпуса 1 ввинчен винт 12 с фильтрующими отверстиями 13 и отверстием 14 для протока жидкости. Винт 12 удерживает обойму 4 в радиальном и осевом направлениях.
Устройство работает следующим образом.
При спуске забойного двигателя в скважину, в компоновке с буровым переливным клапаном, жидкость (нефть, буровой раствор, грунтовые воды), находящаяся в скважине, поступает в колонну бурильных труб через клапан, проходя через фильтрующие отверстия 13 и проточное отверстие 14 винта 12, через отверстие 11 обоймы 4, пружину 8, седло 6, шар 7 и отверстия 10 клетки 9, заполняет колонну бурильных труб, вследствие чего выравнивается затрубное и внутриколонное давление.
При подаче бурового раствора в колонну бурильных труб под давлением вниз (фиг.2) из-за перепада давления и гидравлического сопротивления шар 7, сжимая пружину 8, садится на седло 6, надежно перекрывая ход жидкости через переливное отверстие 3 корпуса 1, тем самым разобщает затрубное пространство и внутреннюю полость колонны бурильных труб. При этом буровой раствор, проходя через полость П, образованную внутренней стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью обоймы 4, поступает в забойный двигатель (не показан) и приводит его в действие.
При прекращении подачи бурового раствора и подъеме колонны бурильных труб происходит снижение давления в колонне, в результате под действием возвратной пружины 8 шар 7 перемещается вверх и упирается в клетку 9. При этом клапан открывается, и жидкость из поднятых над устьем скважины труб поступает через переливные отверстия клапана в затрубное пространство с выравниванием уровня жидкости в трубах и скважине.
Использование клапана переливного шарикового предложенной конструкции позволяет обеспечить высокую надежность срабатывания клапана, увеличить срок службы клапана.