ПЕРЕЛИВНОЙ-ОБРАТНЫЙ КЛАПАН
OVERFLOW CHECK VALVE

Изобретение относится к устройствам переливных и обратных клапанов для гидроабразивной среды, преимущественно для бурильной колонны с гидравлическим забойным двигателем, для решения задачи управляемого пропускания жидкости в оба направления и создания надежной герметизации проходного отверстия в заранее определенных режимах работы.
Известен переливной клапан объемного забойного двигателя (патент РФ №34196), состоящий из корпуса с отверстиями, соединяющими его внутреннюю полость с затрубным пространством, расположенной внутри корпуса втулки и нормально открытого подпружиненного запорного элемента, выполненного в виде полого поршня с хвостовиком, имеющим радиальные отверстия для соединения полости клапана с центральным каналом поршня; у которого уплотнения выполнены на торцах поршня и/или втулки.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, высокое гидродинамическое сопротивления для протекания рабочей жидкости и зависимость от наличия движения рабочей жидкости.
Известен переливной клапан бурильной колонны (патент РФ №37135), включающий полый корпус с боковыми отверстиями, седло и запорный элемент, установленный внутри корпуса и выполненный в виде упругой эластичной гильзы, закрепленной в корпусе одним концом; у которого запорный элемент содержит радиальный бурт в зоне седла, а седло содержит осевой выступ и может быть установлено с зазором к внутренней поверхности корпуса клапана, а кольцевой торцевой выступ снабжен радиальными отверстиями.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции, наличие застойных карманов, где могут скапливаться абразивные частицы и выводить клапан из строя, а также выполнение клапана как отдельного элемента бурильной колонны.
Известен обратный клапан для обсадной колонны (патент РФ №84451), включающий корпус с установленным в нем седлом, соединенным с манжетой, и выполненный с центральным каналом ограничитель под шар, причем клапан снабжен фильтром, выполненным в виде диска с отверстиями и установленным внутри корпуса над седлом, а ограничитель шара выполнен в виде стакана с продольными пазами и закреплен в нижней части седла при помощи резьбы.
Недостатками данного устройства являются одноступенчатое воздействие запорного органа (шара) на седло через манжету, вызывающее ее ускоренный износ, а также консольное размещение ограничителя хода шара на резьбе, что в условиях высоких вибраций будет приводить к поломке клапана.
Известен обратный клапан (патент РФ №87745), содержащий корпус, седло, запорный элемент и тонкостенный направляющий элемент в виде трубы с гофрированными в продольном направлении стенками, причем складки-гофры стенок направляющего элемента могут быть направлены под углом к его оси 5…30 градусов.
Недостатками данного устройства являются сложность изготовления гофр на трубчатых деталях, необходимость в дополнительных соединениях в колонне бурильных труб и повышенный шум при вибрациях.
Известен обратный клапан (патент РФ №2232243), содержащий корпус, состоящий из соединенных резьбовым соединением ниппеля и переводника, установленного между ними седла с упругоэластичным уплотнением и запорного органа, контактирующего с седлом и снабженного пружиной, поджимающей запорный орган к седлу, причем запорный орган выполнен в виде полого плунжера, выход которого герметично заглушен лобовым и донным обтекателями, в стенках плунжера выполнены окна, плунжер соединен с возможностью скольжения с седлом, а упругоэластичный элемент ограничен в направлении выхода, по меньшей мере, частью поверхности скольжения седла, при этом лобовой обтекатель выполнен с дроссельным отверстием, а лобовой и донный обтекатели образуют между собой думисную полость, соединенную через дроссельное отверстие с входом обратного клапана.
Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, необходимость в дополнительных соединениях в колонне бурильных труб и высокое гидродинамическое сопротивление для протекающей рабочей жидкости.
Известен переливной-обратный клапан (патент РФ №2373363), который содержит корпус клапана с переводниками, внутри которого расположены корпус плунжера и подпружиненный полый плунжер, который заглушен снизу. Плунжер содержит верхние радиальные отверстия и выполнен в составе верхней и нижней частей, которые связаны между собой элементами связи с образованием между ними нижних радиальных отверстий плунжера. Втулка с круговой выточкой расположена на уровне отверстий плунжера в нижнем его положении. Полость верхнего переводника гидравлически связана в верхнем положении плунжера с отверстиями плунжера, радиальными отверстиями корпуса плунжера и радиальными отверстиями корпуса клапана, в нижнем положении плунжера - с нижними его радиальными отверстиями и полостью нижнего переводника. Втулка выполнена из твердого спеченного сплава ВК-8.
Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, необходимость в дополнительных соединениях в колонне бурильных труб и высокое гидродинамическое сопротивление для протекающей рабочей жидкости.
Известен универсальный клапан забойного двигателя (патент РФ №2303116), который содержит 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. Плунжер снабжен упором. Наконечник снабжен тарельчатым уступом. Демпфер и наконечник сопряжены с плунжером, расположенным в полом корпусе и гильзе, а золотник, имеющий седло, сопряжен с полым корпусом и наконечником, в котором выполнены радиальные проточные каналы. Демпфер, взаимодействуя с пружиной, установленной между демпфером и золотником, выполнен примыкающим к гильзе и упору плунжера, а золотник своим седлом - к тарельчатому уступу наконечника.
Недостатками данного устройства являются сложность изготовления, необходимость в дополнительных соединениях в колонне бурильных труб и высокое гидродинамическое сопротивление для протекающей рабочей жидкости.
Поставлена задача создать совмещенный переливной-обратный клапан компактный, простой и надежный в изготовлении и эксплуатации, не создающего дополнительного сопротивления для протекающей рабочей жидкости и не удлиняющего компоновку низа бурильной колонны (КНБК).
Поставленная цель согласно изобретению достигается за счет размещения переливного-обратного клапана в ниппеле шарнира (торсиона) шпинделя винтового забойного двигателя (ВЗД) и состоящего из подпружиненного запорного элемента (в частном случае шара) из коррозионно-стойкого сплава, причем пружина может быть эластомерной и зафиксирована стопором; эластомерного гнезда с направляющими ребрами, скошенными по краям; двух манжет с концентрическими массивами отверстий по краям и центральными отверстиями, а также седел клапана, совокупные размеры которых совместно с толщиной манжет и диаметрами их центральных отверстий и запорного элемента подобраны таким образом, что первоначальное перекрытие (уплотнение) проходного сечения клапана происходит за счет сжатия кромок центральных отверстий манжет, а затем (с ростом давления) происходит посадка (жесткий контакт) запорного элемента на металлическое седло клапана. Этим достигается высокая компактность конструкции, долговечность в условиях абразивных включений в жидкости, ремонтопригодность, отсутствие влияния на гидравлическую мощность рабочей жидкости.
Сущность изобретения переливного-обратного клапана схематично поясняется на чертежах, где показана в разрезе нижняя часть ВЗД с эластомерным статором и металлическим ротором, в который по конусной резьбе вкручен шарнир (торсион) шпинделя, оснащенный переливным-обратным клапаном:
на Фиг.1 отображен основной рабочий режим переливного-обратного клапана, когда запорный элемент, сжав пружину, упирается в седло и манжету под действием высокого давления рабочей жидкости (обозначенного Р), необходимого для вращения ВЗД и исполнительных механизмов (шарнира, вала шпинделя и долота - на Фиг. не показаны) для осуществления бурения (разрушения породы);
на Фиг.2 представлены (наложены) сразу два процесса проистекания рабочей жидкости (бурового раствора - БР) через клапан, например, при спуско-подъемных операциях - СПО (стрелками указаны направления движения БР). Причем сверху от оси симметрии клапана показано движение рабочей жидкости при опускании бурильных труб внутрь скважины и их заполнение БР, а снизу - подъем бурильных труб и вытекание БР через клапан (шпиндель и долото), минуя рабочий объем ВЗД;
на Фиг.3 изображен вариант перекрытия проходного отверстия запорным элементом при значительном превышении затрубного давления жидкости (наружного) над внутренним в бурильных трубах. Подобная ситуация может произойти при вскрытии прослоя породы с высоким пластовым давлением либо при работе на аэрированных БР (бурение на депрессии).
Дополнительно показан вариант конструкции с эластомерной пружиной. На Фиг.4. изображен вариант запорного элемента в виде цилиндра с торцами в виде сферических сегментов, цельного и скошенного;
на Фиг.5 представлен контакт сферической поверхности запорного элемента с манжетой и конусной поверхностью седла для определения геометрических размеров данных деталей из условия приблизительного равенства объема сжатия манжеты запорным элементом (вытеснения эластомера) и объема в зазоре между кромками запорного элемента, манжеты и седла;
на фиг.6 изображен вариант манжеты с рядами концентрических отверстий различного диаметра.
Совмещенный переливной-обратный клапан состоит из эластомерного гнезда 1 с направляющими ребрами со скошенными краями (для улучшения прохода БР), по концам которого размещены две манжеты 2 с концентрическими массивами отверстий по краям и центральными отверстиями. Внутри гнезда 1 размещен запорный элемент 3, в частном случае в виде шара, из коррозионно-стойкого сплава целиком или покрытием из него (для экономии дорогостоящего материала), подпружиненный спиральной пружиной 4 или, как вариант, эластомерной пружиной 11. От выпадения пружину 4 или 11 из ниши глухого отверстия удерживает схематично отображенный проволочный стопор 5, упругие заплечики которого входят в наклонные отверстия корпуса шарнира (торсиона) 6, который по конической резьбе вкручен в ротор 7 винтового забойного двигателя. Наклонные отверстия в корпусе шарнира 6 выполнены для обеспечения прохода БР.
Ротор 7 контактирует с винтовой поверхностью эластомерной обкладки статора 8 ВЗД, создавая ряд камер высокого и низкого давления, герметичность между которыми обеспечивается за счет упругости эластомерной обкладки статора 8 ВЗД.
Стопорное кольцо 9 служит для облегчения сборки/разборки переливного-обратного клапана и окончательного сжатия эластичных деталей (гнезда 1 и манжет 2). Седло 10 устанавливают в ротор 7 для упрощения подбора геометрических размеров сопрягаемых поверхностей запорного элемента 3, манжеты 2 и седла 10 для обеспечения двухступенчатой посадки запорного элемента 3 на седло 10 через промежуточное уплотнение по манжете 2. Аналогичной формы седло выполнено в корпусе шарнира 6 в виде конструктивного элемента (без установки отдельной деталью) ввиду малого ресурса самого корпуса шарнира по сравнению с ресурсом выполненного в нем седла.
Эластомерная пружина 11 с массивом боковых отверстий необходима для создания нелинейного упругого усилия на запорный элемент 3.
Работа переливного-обратного клапана заключается в двустороннем автоматическом разобщении внутритрубного и затрубного пространства при достижении определенных технологических параметров (давления, вязкости и скорости течения) БР в совокупности с заранее подобранными (выполненными) конструктивными характеристиками элементов клапана.
Основной режим работы клапана представлен на Фиг.1, когда запорный элемент 3, сжав пружину 4 или 11, упирается в седло корпуса шарнира 6 и манжету 2 под действием высокого давления рабочей жидкости (обозначенного Р), необходимого для вращения ротора ВЗД 7 и исполнительных механизмов (шарнира, вала шпинделя и долота - на Фиг. не показаны) для осуществления бурения (разрушения породы).
Процесс перекрытия седла проходит в несколько стадий: с ростом давления запорный элемент 3 начинает воздействовать на пружину 4 (или 11), БР при этом протекает в зазоре между пружиной 4 (или 11) и манжетой 2. Сжав пружину 4 (11) до соприкосновения с кромкой манжеты 2, запорный элемент 3 может резко сесть на седло (с ударом), если не будет дополнительных отверстий в манжете 2 (например, в виде ряда концентрических отверстий), что негативно сказывается на ресурсе деталей.
Давление БР, необходимое для удержания запорного элемента 3 в седле корпуса шарнира 6, будет значительно меньше, чем давление, при котором запорный элемент 3 начинает обжимать кромку манжеты 2 о седло клапана при наличии на манжете 2 в дополнение к центральному отверстию массива концентрических отверстий. Благодаря дополнительным отверстиям, разность давлений над и под запорным элементом 3 уменьшается, а усилие пружины 4 или 11 позволяет удерживать клапан в открытом состоянии. Данный переходный режим между открытым и закрытым состоянием может использоваться для дополнительной промывки скважины и обработки призабойной области реагентами без вращения ВЗД и долота.
При достижении давления БР порядка 1…2 МПа запорный элемент 3, воздействуя на манжету 2 и пружину 4 (или 11), перекрывает проходное отверстие в корпусе шарнира 6 сначала через обжатие кромки манжеты 2, а затем, деформируя кромку манжеты 2, достигает и поверхности седла клапана. Указанная последовательность позволяет амортизировать посадку запорного элемента 3 на седло и снизить износ манжеты 2, причем эластомерная пружина 11, обеспечивая нелинейное возрастание силы упругости, лучше амортизирует пульсации и скачки давления БР.
Дальнейшее повышение давления не приводит к чрезмерному обжатию кромки манжеты 2, что положительно влияет на длительность ее работоспособности, а все дополнительное усилие передается от запорного элемента 3 на поверхность седла клапана.
В случае попадания имеющихся в БР твердых абразивных частиц, размер которых меньше диаметра отверстий концентрического массива в манжете 2, в контакт между запорным элементом 3 и седлом клапана разгерметизации не произойдет, так как появившийся зазор будет перекрыт материалом манжеты 2. А ввиду технологических условий работы ВЗД перепад давлений между его верхом и низом редко превышает 10 МПа (в любом случае в 1,5…2 раза меньше, чем у противопоставляемых аналогов), что способствует длительной работе манжеты 2 даже в таких неблагоприятных условиях.
Размещение переливного-обратного в ниппеле корпуса шарнира 6, в отличие от противопоставляемых аналогов, исключает какое-либо негативное воздействие на гидравлическую мощность, подводимую к ВЗД буровым раствором, а также на увеличение паразитной длины КНБК. Снижается металлоемкость конструкции, повышается производительность СПО за счет устранения дополнительного резьбового соединения и надежность всей системы в целом за счет отказа от ослабления боковыми отверстиями бурильных труб (у аналогов). Появляется возможность обрабатывать призабойную область реагентами без вращения ВЗД. Героторное вращение клапана в составе ротора 7 ВЗД будет способствовать притирке седла клапана и запорного элемента 3, а также истиранию попавших между ними абразивных частиц (самовосстановление герметичности).
При остановках бурения (подачи давления), СПО, всевозможных переходных режимах переливной-обратный клапан находится в открытом состоянии, обеспечивая переток БР в обе стороны (Фиг.2). Запорный элемент 3 может располагаться в любом положении в гнезде 1, касаясь или нет манжет 2, перемещаясь по направляющим ребрам гнезда 1, которые необходимы для центрирования запорного элемента 3 относительно гнезда 1 и седел клапана.
Простое поперечное сечение гнезда 1 позволяет изготавливать его экономичным способом экструзии, эластичный материал будет способствовать снижению шума при неизбежных вибрациях, а скосы на направляющих ребрах гнезда 1 обеспечивают равнопрочность конструкции и снижение гидравлического сопротивления движению БР через массивы концентрических отверстий манжет 2.
На Фиг.2 представлены (наложены) сразу два процесса проистекания бурового раствора через клапан, например, при СПО (стрелками указаны направления движения БР). Причем сверху от оси симметрии клапана показано движение рабочей жидкости при опускании бурильных труб внутрь скважины и их заполнение БР, а снизу - подъем бурильных труб и вытекание БР через клапан (шпиндель и долото), минуя рабочий объем ВЗД. Давление в обоих случаях не превышает 0,5…1 МПа, буровой раствор проходит через долото/шпиндель - вал шпинделя - переливной-обратный клапан - ротор 7 ВЗД - бурильные трубы или в обратном направлении.
В самом клапане БР проходит через наклонные отверстия в корпусе шарнира 6 - глухое отверстие под пружину 4 или 11 - седло клапана - отверстия манжет 2 (центральное и концентрические в общем случае), гнездо 1 между направляющими ребрами - далее в отверстие в роторе 7 ВЗД с установленным седлом 10. Несмотря на то, что центральные отверстия манжет 2 могут перекрываться запорным элементом 3, площади проходного сечения концентрического массива отверстий достаточно для прохождения медленно текущего БР, а скосы на направляющих ребрах гнезда 1 способствуют этому. Концентрический массив отверстий в манжете 2 может быть выполнен в один или несколько рядов отверстиями различного диаметра для максимизации проходного сечения.
На Фиг.3 изображен третий возможный режим работы клапана, когда проходное отверстие седла 10 перекрыто запорным элементом 3 при значительном превышении затрубного давления жидкости (наружного) над внутренним в бурильных трубах. Подобная ситуация может произойти при вскрытии прослоя породы с высоким пластовым давлением либо при работе на аэрированных БР (бурение на депрессии). Дополнительно показан вариант конструкции с эластомерной пружиной.
Характер обжатия кромки манжеты 2 запорным элементом 3 о седло 10 идентичен первому варианту с той лишь разницей, что нет дополнительного усилия пружины 4 (11). Это обусловлено тем предположением, что движение БР в этом направлении чаще всего связано с аварией, и запаздывание срабатывание клапана может привести к негативным последствиям.
Заполнение внутренней полости бурильных труб БР при их опускании в скважину (Фиг.2, сверху) происходит в основном в вертикальном положении клапана, когда на запорный элемент 3 действует дополнительно сила притяжения Земли вдоль оси клапана. Бурение на депрессии ведется обычно на участках скважины, близких к горизонтальному положению, что нивелирует положительное влияние веса запорного элемента 3 для второго режима работы в третьем режиме, близком к горизонтальному, ускоряя его срабатывание в случае аварийного обратного скачка давления.
Настройка клапана на обратное давление осуществляется за счет геометрических размеров седла 10, так как диаметр сферических поверхностей запорного устройства 3, толщина манжет 2 и диаметр их центрального отверстия жестко завязаны между собой. К тому же, чаще всего ВЗД производят на сторонних предприятиях, которым проблематично вводить изменения в конструкцию для различных потребителей. Поэтому ротор 7 ВЗД подвергается незначительной доработке в виде выполнения резьбового отверстия, в которое вкручивается седло 10 с необходимыми параметрами. В дальнейшем, например, после ремонта ротора 7 (переточка конической резьбы и пр.) возможна простая и дешевая замена/доработка седла 10 для восстановления работоспособности клапана.
Сборка клапана элементарна: сначала устанавливают пружину 4 или 11 со стопором 5, затем манжету 2 с гнездом 1, запорный элемент 3 и снова манжету 2. Последним устанавливают стопорное кольцо 9 для фиксации сборки и создания преднатяга в эластомерных деталях.
Корпус шарнира 6 подвергается незначительной доработке, не влияющей на его функционирование. Скорость проистекания БР через клапан до его закрытия также невелика, чтобы вызвать эрозионный износ деталей клапана (что является основной причиной выхода из строя противопоставляемых аналогов).
В результате создан совмещенный переливной-обратный клапан компактный, простой и надежный в изготовлении и эксплуатации, не создающий дополнительного сопротивления для протекающей рабочей жидкости и не удлиняющий компоновку низа бурильной колонны (КНБК).