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, включающего кольматационные материалы, из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное пространство, минуя все элементы компоновки низа бурильной колонны, находящиеся ниже устройства.
Известен циркуляционный клапан бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус с резьбами на его краях, золотниковую втулку со сквозными боковыми отверстиями, установленную внутри корпуса, седло, размещенное внутри золотниковой втулки, направляющее кольцо, размещенное во входной части корпуса, пружину, прижимающую золотниковую втулку к направляющему кольцу, через внутренние полости корпуса, направляющего кольца, седла и золотниковой втулки осуществляется насосная подача текучей среды, а также содержащий два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, указанные циркуляционные порты расположены выше по потоку от седла, 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 содержащий сбрасываемый шар активации, выполненный с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла при движении текучей среды по бурильной колонне, а также содержащий два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порты, а также содержащий скрепленный с корпусом резьбовой переводник с размещенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла. Клапан содержит гильзу, размещенную внутри трубчатого корпуса, снабженную собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, а каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, причем гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно соответствующего края, направленного внутрь циркуляционного порта, при этом золотниковая втулка выполнена с кольцевым каналом на ее наружной поверхности, сообщающимся с ее сквозными боковыми отверстиями, а внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности (патент RU2599119, МПКE21B21/10, E21B 34/14, опубл. 10.10.2016 г.). Принято за прототип.
Недостатки прототипа:
- уплотнение центрального поршня расположено на поршне, в результате чего часто происходит срезание уплотнения, приводящее к потери герметичности клапана в режиме работы через центральный канал;
- промывочное отверстие находится в поршне, что может привести к его размыву;
- используется большое количество уплотнений, что повышает риск заклинивания и увеличивает сложность изготовления.
Задачей полезной модели является повышение ресурса работы и надежности устройства в составе бурильной колонны с героторным винтовым гидравлическим двигателем при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы.
Технический результат – повышение надежности устройства.
.
Задача решается, а технический результат достигается циркуляционным клапаном бурильной колонны, содержащим 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 дезактивацииВотличие от прототипа корпус состоит из трех частей – переводник, верхняя часть и нижняя часть, 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.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где изображен заявляемый циркуляционный клапан бурильной колонны:
на фиг.1 – циркуляционный клапан бурильной колонны в разрезе;
на фиг.2 - циркуляционный клапан в активированном состоянии в разрезе;
на фиг.3 – циркуляционный клапан в дезактивированном состоянии в разрезе.
На рисунках показано:
1-поршень
2-устройство для улавливания шаров активации и дезактивации
3- шар активации
4-переводник
5-верхняя часть корпуса
6-нижняя часть корпуса
7-опорное кольцо пружины
8-пружина для возврата поршня
9- шар дезактивации
10- втулка
11- ограничитель хода втулки в виде стопорного винта
12 и 13 – циркуляционные порты
Устройство работает следующим образом.
Когда устройство не активировано, буровой раствор свободно проходит через центральный канал устройства (фиг. 1). сбрасываемый шар активации, , два запирающих шара дезактивации, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порты. Активация устройства осуществляется посредством шара активации 3, который выполнен с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла поршня 1 при движении текучей среды по бурильной колонне. Шар 3 прокачивается буровым раствором и после посадки в седло поршня 1 устройства отсекает от потока промывочной жидкости все элементы КНБК (компоновка низа бурильной колонны), находящиеся в компоновке ниже устройства. Для активации устройства необходимо бросить в бурильные трубы один пластиковый шар активации 3 и прокачать его расчетным объемом бурового раствора. Когда шар активации 3 садится в седло поршня 1, который является основным рабочим элементом устройства, под действием избыточного трубного давления сжимает пружину и сдвигает вниз, при этом циркуляционные порты 12 и 13, выполненные в верхней части 5 корпуса, открываются (фиг.2). Буровой насос продолжает работать, давление растет, пластиковый шар активации 3 продавливается через седло в поршне 1. Пружина сдвигает поршень 1 наверх,  циркуляционные порты закрываются, буровой раствор вновь продолжает поступать ниже устройства через центральный канал (фиг.1).
После выполнения запланированных технологических работ для дезактивации устройства необходимо бросить в бурильные трубы два стальных шара дезактивации 9 и прокачать их расчетным объемом бурового раствора. Шары дезактивации 9, достигнув циркуляционного клапана, под действием потока жидкости перекрывают циркуляционные порты 12 и 13 (фиг.3).
Использованные шары активации 3 и дезактивации 9 попадают в улавливатель 2, находящийся в нижней части 6 корпуса, и не препятствуют дальнейшим работам.
Втулка 10 при работе устройства в режиме через центральный канал остается неподвижна, при активации устройства шаром активации 3 смещается до циркуляционных портов, не перекрывая их и закрывая собой резиновое уплотнение, установленное в части 5 корпуса, предотвращая его разрушение, смещение или вымывание. Положение втулки 10 в этом режиме определяет паз, выполненный на защитной втулке и стопорный винт 11, установленный в переводник 4.
Циркуляционные порты расположены между верхним и нижним герметизирующим узлом под поршнем 1, в режиме работы через центральный канал не активны, служат для вывода бурового раствора из КНБК в затрубное пространство. Циркуляционные порты усилены втулками из твердого сплава, впаянными в верхнюю часть 5 корпуса, которые служат  для предотвращения размыва части 5.
Поршень 1 установлен в верхней части 5 корпуса, со стороны переводника имеет посадочное седло под шар активации 3. Со стороны нижней части корпуса выполнена направляющая трубка для вывода шаров дезактивации и активации в улавливающее устройство 2. Устройство 2 имеет переменный размер, который зависит от необходимого количества срабатываний за одну спускоподъёмную операцию на буровой. Пружина 8 обеспечивает возврат поршня 1 в момент дезактивации устройства. Кольцо 7 служит для опоры пружины 8 и точной настройки рабочего положения поршня 1.
Наличие втулки 10 устройства помогает точному позиционированию шаров дезактивации 9 и защите уплотнения, установленного в верхней части  корпуса, от вымывания и разрушения, что, в свою очередь, приводит к существенному увеличению надежности, ресурсу работы и безотказности устройства. Применение защитной втулки 10 и наличие минимального количества уплотнений ведет к повышению надежности устройства.
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.