КЛАПАН ДЛЯ ВЕДУЩЕЙ БУРИЛЬНОЙ ТРУБЫ
VALVE FOR MAIN DRILL PIPE

Предлагаемые техническое решение относится к нефтяной промышленности, а именно к бурению нефтяных и газовых скважин и направлено на предупреждение розлива бурового раствора на рабочую площадку в процессе наращивания бурильных труб при проводке скважин в различных климатических зонах.
В практике буровых работ процесс углубления забоя скважин осуществляют при периодическом наращивании бурильных труб после погружения ведущей буровой трубы в основание ротора буровой установки. После этого ведущую бурильную трубу (квадрат) и вертлюг талевой системой поднимают на 13-15 м над ротором, буровой насос, обеспечивающий циркуляцию в скважине, останавливают, и избыточное давление из системы нагнетания бурового раствора снижают (сбрасывают) в дренаж. Далее развинчивают (отсоединяют) ведущую трубу по замковому резьбовому соединению от компоновки бурильных труб, участвующих в проводке скважины. При отсоединении ведущей трубы от бурильных труб из наземной нагнетательной линии, включающей манифольд, вертлюг и бронированный шланг, под действием гидростатического давления столба бурового раствора, из ведущей трубы выплескивается с «сифоном» порция бурового раствора (70…100 литров). При этом происходит загрязнение рабочей площадки вокруг устья скважины, а в зимнее время приводит к оледенению устьевого оборудования.
Известно устройство, защищенное патентом RU №2470138 «Коллектор для бурового раствора», предназначенное для сбора бурового раствора при отсоединении труб при строительстве скважины. При этом резьбовое соединение труб охватывается боковыми частями коллектора, в которых размещен пористый материал. Громоздкость коллектора и необходимость его присоединения к резьбовому соединению труб замедляет работу по проведению операции по наращиванию трубы и снижает производительность буровых работ.
Известно устройство для предотвращения утечек бурового раствора из ведущей буровой трубы по авторскому свидетельству СССР №592952, 1975 г., в котором, в процессе свинчивания и развинчивания резьбовых соединений необходимо дополнительно устанавливать толкатель, который при эксплуатации требует регулярной очистке и замене.
Наиболее близкое по конструктивному и функциональному исполнению выявлено техническое решение «Обратный клапан для бурильной колонны», защищенное патентом РФ №2107805 Е21Б 34/06, 1998 г, принятое за прототип. Прототип представляет собой цилиндрический корпус, состоящий из ниппеля и переводника, соединенных между собой с помощью резьбы, составное седло с упруго-эластичной втулкой, тарельчатое седло, установленное на стержне с продольными ребрами, пружину, размещенную в кольцевом пространстве между корпусом и втулкой. В хвостовой части штока размещена обечайка, которая имеет цилиндрический кольцевой выступ с размещенными в ней защелками, а в корпусе выполнена кольцевая проточка для взаимодействия с защелками.
Недостатком прототипа является недостаточная его работоспособность в среде бурового раствора с твердыми механическими примесями, сложное конструктивное исполнение защелок и эрозионное разрушение (размыв) уплотняющих поверхностей седла и тарелки клапана буровым раствором.
Цель изобретения - повышение надежности работы клапана и эффективности предупреждения розлива бурового раствора из ведущей бурильной трубы, загрязняющего рабочую площадку при работе в различных климатических зонах ведения буровых работ.
Указанная цель достигается тем, что запорный орган-клапана выполнен в виде конуса и цилиндрическим штоком с уплотнительными элементами. Седло клапана из износостойкого материала размещено в верхней части корпуса устройства. Шток, с возможностью продольного осевого перемещения, расположен в цилиндре, составляющего верхнюю часть фонаря, который, в свою очередь, установлен соосно в корпусе устройства. Корпус фонаря в нижней своей части снабжен окнами для прохода бурового раствора и опорным кольцом, обеспечивающим соосное и неподвижное расположение фонаря в корпусе клапанного устройства. Нижняя часть цилиндра, расположенная под штоком, имеет полость, которая снабжена радиальными каналами, не менее 3-х, а внешняя часть цилиндрических каналов коническими лунками. Упругий элемент - пружина с внешней стороны защищен перфорированным патрубком, закрепленным с помощью резьбы на цилиндре. На внешней поверхности корпуса устройства образованы радиальные сквозные отверстия, оснащенные резьбой, в которые ввинчены резьбовые вкладыши с внутренними отверстиями для сообщения полости цилиндра с внешней средой. Резьбовые вкладыши в головной части снабжены наружными конусами, конгруэнтность которых отвечает лункам, выполненным на внешней стороне цилиндра. В верхней внутренней части цилиндра, в кольцевых расточках, установлены уплотнительные кольца. Поверхность конусного клапана, обращенная в сторону набегающего потока промывочного раствора, облицована износостойким материалом. На обратной стороне запорного органа клапана и на торцовой поверхности цилиндра выполнены конические посадочные поверхности [1], смыкающиеся, при крайнем нижнем положении запорного клапана, без зазора, что исключает автоколебательные процессы запорного клапана.
Сущность предлагаемого клапана для предупреждения розлива бурового раствора из ведущей трубы при бурении скважин поясняется на чертежах.
На фиг. 1 изображен предлагаемый клапан для ведущей бурильной трубы в исходном (закрытом) состоянии; на фиг. 2 изображен фрагмент клапана, находящегося в режиме нагнетания бурового раствора в скважину; на фиг. 3 показано сечение клапана по резьбовым вкладышам; на фиг. 4 показано сечение клапана в плоскости А-А, дающее представление о наличие «окон» для прохода бурового раствора;
Клапан для ведущей бурильной трубы с функцией устройства предупреждающего розлив бурового раствора при бурении скважин (фиг. 1) включает корпус 1, с внутренней 2 и наружной 3 резьбой. Во внутренней полости корпуса 1 и соосно с ним размещен фонарь 4, который в верхней части имеет цилиндр 5, с размещенными в кольцевых канавках цилиндра 5 уплотнительными кольцами 6, и шток 7. В нижней части штока 7 размещено уплотнительное кольцо 8. Шток 7 в верхней части снабжен запорным элементом - головкой клапана 9 конусообразной «обтекаемой» формы, который вступает в контакт с седлом 10 под действием упругого элемента (пружины) 11. Пружина 11, от прямого воздействия бурового раствора, защищена втулкой 12, на которой предусмотрены промывочные отверстия 13. Фонарь 4 в нижней части заканчивается цилиндрическим кольцом 14, которое в собранном состоянии опирается в бурт корпуса 1, а в нижней части цилиндра 5 выполнены проникающие во внутреннюю его часть радиальные отверстия 15 (не менее 3-х). С внешней стороны цилиндра 5 радиальные отверстия 15 расширены конической расточкой - лункой 16. В корпусе 1, в плоскости размещения радиальных каналов 15 на цилиндре 5, образованы сквозные радиальные отверстия, снабженные резьбой, в которые ввинчены вкладыши 17, с коническими головными частями на них, до упора с коническими лунками 16 на цилиндре 5. Наружная поверхность 18 головки клапана 9 облицована износостойким материалом, например, хромом. В верхней части цилиндра 5 предусмотрена коническая посадочная поверхность 19, конгруэнтная с предусмотренной для этих целей посадочной поверхностью 20 на шейке головки клапана 9. Конусность посадочных поверхностей 19 и 20 принимается в пределах 30°-60°.
Устройство для предупреждения розлива бурового раствора из ведущей трубы при бурении скважин (клапан) работает следующим образом.
2
Процесс углубления скважины продолжают после наращивания очередной бурильной трубы и соединения ее с ведущей бурильной трубой, предварительно оснащенной предлагаемым устройством (фиг. 1). С помощью резьбы 2 клапан соединяют с ответной резьбой (ниппелем) ведущей бурильной трубы, а ниппельную часть 3 корпуса клапана присоединяют к бурильной трубе, спущенной в скважину. После включения насоса в работу и увеличения давления в манифольдной линии и в полости ведущей бурильной трубы, головка конического клапана 9, вместе со штоком 7, от действия перепада давления на штоке 7 и внешним давлением за корпусом 1 устройства, смещается вниз. Это смещение происходит до упора конических поверхностей на заплечиках 20 головки клапана 9 с конической поверхностью 19 цилиндра 5. В таком «устойчивом» состоянии (фиг. 2), с максимально открытым внутренним диаметром d у седла 10 проходит бурение (углубление) и промывка ствола скважины. При этом подвижные элементы устройства: шток 7, головка клапана 9, и упругий элемент 11 лишены возможности относительного перемещения и не вызывают негативных автоколебательных процессов, а покрытие наружной поверхности головки клапана 9 и седла 10 износостойким материалом противостоит эрозионному разрушению устройства и обеспечивают длительную работу клапана. При развинчивании резьбового соединения 3 (в процессе наращивание очередной бурильной трубы) головка клапана 9, под действием упругого элемента (пружины) 11, прижата к седлу 10, с усилием, превышающем гидростатическую нагрузку от столба бурового раствора в ведущей буровой трубе, предупреждая при этом излив и загрязнение рабочей буровой площадки.
р
г
н
1
2
Используя в процессе конструирования такие параметры буровой промывочной жидкости и скважины, как: рабочее (Р) и гидростатическое давление (Р) в манифольдной линии, габаритные размеры клапана (D), можно расчетным путем подобрать оптимальные размеры наружного диаметра (d) штока 7, внутреннего диаметра (d) седла 10, а также параметры жесткости для упругого элемента (пружины) 11.
Список литературы
1. ГОСТ 8593-81. Нормальные конусности и углы конусов.