КЛАПАН РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к скважинным клапанам управления потока жидкости, в частности, но не исключительно, для ориентации и последующей работы гидравлического клин-отклонителя с фрезерным инструментом в компоновке с телеметрической системой MWD с гидравлическим каналом связи.
Известно устройство - клапан перепускной управляемый (пат. №2610953, МПК Е21В 34/10, Е21В 21/10 от 26.11.2015), содержащее верхний и нижний переводники с цилиндрической полостью, полый корпус, размещенный между переводниками, выполнен с радиальным сквозным отверстием, подпружиненный поршень, на поверхности которого выполнен фигурный управляемый паз, штифт управляющий, сопло, размещенное в поршне под верхним переводником, стакан, заглушку сливную, подшипник, уплотнительные кольца и соответствующие им пазы в стакане, верхнем и нижнем переводниках, пружину спиральную, подпружинивающую поршень. При этом верхний переводник выполнен с полостью переменного сечения: коническая часть переходит в цилиндрическую. Полый корпус в верхней части выполнен с продольными пазами на внутренней поверхности, поршень подпружинен в стакане и выполнен Т-образной формы, горизонтальная составляющая, ограничивающая перемещение поршня, выполнена с выступами, соответствующими продольным пазам на внутренней поверхности корпуса, вертикальная составляющая выполнена с управляемым кодовым фигурным пазом с конечной проекцией на плоскость. Штифт, управляющий для фигурного кодового паза, выполнен переменного сечения: большее сечение выполнено резьбовым и закреплено резьбой в стакане, меньшее сечение штифта выполнено с гладкой поверхностью и размещено в нижней части управляемого кодового фигурного паза. Пружина нижним торцом закреплена жестко в стакане, стакан выполнен цилиндрической формы постоянного сечения с радиальным отверстием соосно радиальному отверстию в нижней части корпуса, с заглушкой перепускной, жестко соединенной на нижнем торце стакана, выполненной с радиальным сквозным отверстием, соосным радиальным отверстиям корпуса и стакана. Стакан с заглушкой перепускной и пружиной в нем установлен над нижним переводником на заглушке сливной с возможностью вращения на ней. Заглушка сливная выполнена с эксцентрично размещенным в ней вертикальным сквозным отверстием соосно вертикальному сквозному отверстию, эксцентрично выполненному в заглушке перепускной. Заглушка сливная имеет выступы, которыми жестко закреплена в корпусе. Поверхности заглушек, контактирующие между собой, выполнены с коэффициентом трения, обеспечивающим антифрикционные свойства.
Недостатки устройства:
- Отсутствие много цикличности. В описании работы клапана явно не объяснено, но в описании прототипа указано - на бесконечное циклическое зигзагообразное движение штифта - как недостаток, но на практике - не редки случаи аварийной остановкой бурового насоса. Вследствие чего, необходимо проводить повторное исследование с помощью телеметрической системы. Что снижает эффективность работы устройства.
- Пружина установлена непосредственно после поршня во входном канале, соответственно витки пружины напрямую взаимодействуют с входным потоком жидкости. А это приводит к увеличению потери давления, а также может повлиять на искажение гидравлического сигнала, передаваемого от телеметрической системы к наземной системе датчиков. Что снижает эффективности и надежности работы устройства.
- Пружина не защищена от попадания шлама со стороны затрубного пространства, тем самым возможно заклинивание пружины. Что снижает надежность работы устройства.
- Движение перепускной заглушки ограничено только поворотом, т.е. скольжением по плоской поверхности сливной заглушки. При этом, входной поток действует на прижатие перепускной заглушки к заглушке сливной, тем самым, увеличивая силу трения, возникающую между смежными поверхностями. Причем этот эффект усугублен возможностью попадания шлама со стороны затрубного пространства, и возникновения заклинивания поворота перепускной заглушки. Что ведет к повышенному износу и как следствие к снижению эффективности работы устройства.
- Создание внутренних продольных пазов в корпусе, как для обеспечения продольного перемещения поршня, так и для ориентирования заглушки сливной относительно первоначального положения заглушки перепускной, ведет к снижению технологичности изготовления устройства.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности признаков является - скважинный прибор (пат. США №20060225885, №7357198, МПК Е21В 34/10, опубл. 12.11.2006 г.).
Устройство содержит верхний и нижний переводники, между которыми установлен корпус, поршень, расположенный внутри корпуса, пружину, стаканы и заглушки в поршне, сквозные отверстия в корпусе, стакане и поршне в радиальном и осевом направлениях, фигурный паз на наружной поверхности поршня и штифты, установленные в фигурном пазу и закрепленные в корпусе, подшипники, форсунка, размещенная в поршне, штифты и пазы в корпусе, удерживающие штифты, закрепляющие стакан в корпусе.
Недостатки устройства:
- Пружина сжатия незащищена от попадания шлама из затрубного пространства, через радиальные отверстия в корпусе, что снижает надежность работы устройства.
- Поршень сконструирован таким образом, что должен учитывать размещение направляющего паза в верхней части корпуса, пружины сжатия, размещенной между корпусом и поршнем, в средней части вдоль поршня, и ниже, фигурного паза и выходных отверстий в самой нижней части. Все вместе ведет к усложнению конфигурации и излишнему удлинению поршня и, как следствие, к повышенным требованиям к изготовлению основного элемента устройства и сборки всего устройства.
- В конструкции поршня выполнены два типа выходных отверстий - в затрубное пространство и к нижерасположенному оборудованию. Что ведет к усложнению конфигурации и излишнему удлинению поршня и всего устройства, как следствие, к повышенным требованиям к изготовлению основных элементов устройства.
- Наличие в конструкции фиксирующих штифтов, для закрепления стакана в корпусе, обусловлено требованиями к взаиморасположению отверстий в корпусе и стакане, что ведет к повышенным требованиям к сборке устройства.
- Выходное отверстие из устройства в затрубное пространство не защищено от попадания шлама во внутренний центральный канал, что снижает надежность работы устройства.
- Поршень может находиться в одном из двух положений, либо открыт проход к нижерасположенному оборудованию, либо открыт проход в затрубное пространство. Не предусмотрено положение поршня, в котором все выходные канала перекрыты. Что снижает надежность работы устройства, особенно в момент включения подачи промывочной жидкости, за счет возможного возникновения гидроудара.
- Внутренний объем устройства изолирован от затрубного пространства скважины, т.е. внутренний объем всей спускаемой колонны остается не заполненным. Это особенно негативно проявляется во время спуска колонны на требуемую глубину. Для заполнения внутреннего объема всей колонны требуется дополнительные действия. Одно из решений, постоянная подача промывочной жидкости во время спуска, которая может привести к преждевременной активации нижерасположенного оборудования. Другой решение, подача жидкости в конце процесса спуска, что увеличивает время активации и возможность возникновения гидроудара. Что снижает эффективность и надежность работы устройства.
Задача полезной модели - повышения эффективности и надежности работы устройства, с упрощением требований к изготовлению основных элементов клапана и сборки всего устройства.
Технический результат достигается тем, что клапан распределительный гидравлический, содержащий верхний и нижний переводники, корпус, размещенный между переводниками и жестко закрепленный с ними, поршень, размещенный в корпусе, замкнутый фигурный паз на наружной поверхности поршня, который контролируют перемещение поршня по симметрично расположенным направляющим штифтам, установленными в корпусе, поршень, подпружиненный пружиной сжатия, опирающейся на упорный подшипник, дренажные сквозные радиальные отверстия в корпусе, полую втулку, размещенную над нижним переводником, уплотнители, согласно изобретению верхний переводник выполнен с радиальным сквозным отверстием с обратным клапаном, в корпусе устройства над упорной втулкой выполнены радиальные соосно друг другу расположенные сквозные отверстия, в одном из них размещен обратный клапан, другое - совмещено с продольно выполненном каналом, образуя систему выхода жидкости из корпуса в нижний переводник, через кольцевой паз, наклонные сквозные отверстия и центральный канал в нем, в корпусе ниже обратного клапана на уровне размещения упорной втулки, выполнено сквозное дренажное отверстие, пружина сжатия, размещена в центральном канале в корпусе под поршнем и опирается внизу на упорный подшипник, который размещен на торцевой поверхности нижнего переводника, упорная втулка выполнена в виде фильтра - со сквозными радиальными отверстиями, положение упорной втулки зафиксировано упором буртика в торец цилиндрической расточки в корпусе и поджатием нижним переводником.
Сопоставительный анализ с прототипом заявляемого устройства показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых существенных признаков и новой взаимосвязью элементов:
В отличие от прототипа:
Упорная втулка, в которой частично расположена пружина сжатия, помимо основной своей задачи - ограничить ход поршня, и также выполняет роль фильтра, предотвращая попадание шлама из затрубного пространства во внутрь устройства. Что, повышает надежность работы устройства.
Пружина сжатия расположена под поршнем. Таким образом, длина поршня значительно сокращена и обусловлена только размещением фигурного паза на наружной поверхности и радиально выполненным выходным сквозным отверстием под фигурным пазом. В прототипе же пружина, установленная вдоль поршня с внешней его стороны, что приводит к увеличению его длины - усложняет изготовление и предъявляет повышенные требования к качеству изготовления, как поршня и так корпуса. Что, упрощает конструкцию поршня и требования к его изготовлению и сборке всего устройства.
В поршне выполнено одно выходное отверстие, а в корпусе выполнены радиальные соосно друг другу расположенные сквозные отверстия, в одном из них размещен обратный клапан, другое - совмещено с продольно выполненном каналом, образуя систему выхода жидкости из корпуса в нижний переводник, через кольцевой паз, наклонные сквозные отверстия и центральный канал в нем. За счет этого, длина поршня и всего устройства значительно укорочена, в отличие от прототипа. Что, упрощает конструкцию поршня и требования к его изготовлению.
Упорной втулка зафиксирована, за счет упора своим буртиком в торец цилиндрической расточки в корпусе и поджатием нижним переводником. Что устраняет в необходимости дополнительных деталей и операций при сборке для фиксации ее положения. Что упрощает сборку всего устройства.
На выходном отверстии из клапана в затрубное пространство установлен обратный клапан, что исключает попадание шлама во внутреннюю полость клапана. В отличие от прототипа, где оно открыто постоянно. Это становиться особенно актуально в момент работы фрезерного инструмента, например, зарезки бокового ствола, когда появляется много шлама в восходящем затрубном потоке. Что, повышает надежность работы устройства.
В конструкции устройства выполнены: в верхнем переводнике - обратный клапан, а в нижней части корпуса - дренажное отверстие, которые обеспечивают равновесное положение поршня, в момент спуска клапана в скважину. В момент спуска через верхний обратный клапан и нижнее дренажное отверстие происходит заполнение внутренней полости устройства выше и ниже поршня, с учетом усилия пружины сжатия под поршнем - это обеспечивает первоначальное положения поршня в верхнем положении, в котором перекрыты все выходные отверстия. Что повышает надежность работы устройства.
Внутренний объем устройства соединен с затрубным пространства скважины, через верхний обратный клапан, что позволяет, в момент спуска колонны производить заполнение внутреннего объема устройства до уровня жидкости в затрубном пространстве. Во-первых, это исключает необходимость в постоянной подаче жидкости во время спуска колонны. Во-вторых, значительно снижает время первой активации устройства и существенно снижает риск возникновения гидроудара в момент подачи промывочной жидкости. Что, повышает эффективность работы устройства.
На фиг. 1. Показано схематично устройство в исходном положении, разрез.
На фиг. 2. Показан схематично поршень устройства:
а) Вид сбоку, разрез.
б) Главный вид.
в) Фигурный паз, в развернутом на плоскость виде (условно).
На фиг. 3. Показана упорная втулка-фильтр:
а) Вид сбоку, разрез.
б) Главный вид.
На фиг. 4. Показано условное графическое обозначение гидравлического устройства.
На фиг. 5. Показано схематично устройство, в 4-х положения, в разрезе:
а) Исходное положение устройства, перекрыты все выходные отверстия.
б) Направление входного потока жидкости в затрубное пространство.
в) Исходное положение устройства, перекрыты все выходные отверстия.
г) Направление входного потока жидкости к нижерасположенному оборудованию.
Клапан распределительный гидравлический (Фиг. 1) содержит: верхний переводник (1), с центральным отверстием (2). В средней части переводника (1) установлен обратный клапан (3) в проходном отверстии (4). К верхнему переводнику (1) жестко крепиться корпус (5), в котором размещен поршень (6), на наружной поверхности которого выполнен замкнутый фигурный паз (7) (Фиг. 2б, в), который контролирует перемещение поршня (6) по симметрично расположенным направляющим штифтам (8) и (9), установленным в корпусе (5). В поршне (6) (Фиг. 2а) выполнено глухое центральное отверстие (10), соединенное с радиальным выходным отверстием (11), выполненным под фигурным пазом (7). Поршень (6) поджат пружиной (12), которая противоположным концом опирается на подшипник упорный (13), который предотвращает закручивание витков пружины (12), при движении вниз с поворотом поршня (6). Ограничение хода поршня (6) обеспечивается полой упорной втулкой (14) (Фиг. 3), установленной внутри корпуса (5). Положение упорной втулки (14) (Фиг. 3а) зафиксировано упором буртика (15) в торец цилиндрической расточки (16) в корпусе (5) и поджатием нижним переводником (17). Упорная втулка (14) (Фиг. 3б) дополнительно выполняет функцию фильтра, так как в ней выполнены радиальные сквозные отверстия (18) малого диаметра. В корпусе (5) над упорной втулкой-фильтром (14) установлен обратный клапан (19) в проходном отверстии (20). Соосно этому радиальному отверстию (20) выполнено отверстие (21) в корпусе, соединенное с продольным отверстием (22). Продольное отверстие (22) сообщается с нижним переводником (17) через кольцевой паз (23), наклонными отверстиями (24) и центральным отверстием (25). В корпусе (5) ниже обратного клапана (19) расположено дренажное отверстие (26). Для обеспечения герметичности поршня (6) установлены уплотнения (27), (28) и (29) (Фиг. 2а).
Устройство работает следующим образом.
Собирается КНБК (компоновка низа буровой колонны). КНБК, к примеру, может состоять из телеметрической системы MWD с гидравлическим каналом связи (не показана), клапана распределительного гидравлического и ниже клин-отклонитель гидравлический с фрезерующим инструментом (не показан).
Производится спуск в скважину КНБК на бурильных трубах до требуемой глубины. (Фиг. 4, 5а, положение I)
Во время спуска происходит заполнение жидкостью из затрубного пространства во внутренний объем всей компоновки выше поршня (6) через проходное отверстие (4) обратного клапан (3) и центрального отверстия (2) верхнего переводника (1). Через дренажное отверстие (26) происходит заполнение жидкостью из затрубного пространства во внутренний объем устройства ниже поршня (6), который остается в исходном положении, за счет практически равных гидравлических уровней выше и ниже поршня (6) и поджимающего действия усилия пружины (12). При этом упорная втулка-фильтр (14) препятствует попаданию шлама из затрубного пространства во внутренний объем устройства ниже поршня (6).
Для направления входного потока жидкости в затрубное пространство, например, для считывания гидравлических сигналов, передаваемых от телеметрической системы MWD к наземной системе датчиков, необходимо (Фиг. 4, 5б; положение II):
Включить буровой насос (не показан) и при возникновении давления промывочной жидкости на поршень (6), который двигается вниз и проворачивается, благодаря наличию фигурного паза (7), который входит во взаимодействии со штифтами (8, 9), доходит до соприкосновения с упорной втулкой-фильтром (14). В крайнем нижнем положении поршня (6) открывается отверстие (11) для циркуляции жидкости в затрубное пространство через отверстие (20) обратного клапана (19). Затем, к примеру, производим операции по ориентированию КНБК, основываясь на показаниях телеметрической системы MWD с гидравлическим каналом связи.
При прекращении циркуляции жидкости и выравнивании давления внутри бурильной колонны и в затрубном пространстве поршень (6) под действием пружины сжатия (12) перемещается вверх и проворачивается по фигурному пазу (7). (Фиг. 4, 5в; положение III).
Для направления входного потока жидкости к нижерасположенному оборудованию, например, для активации и последующей работы клин-отклонителя гидравлического с фрезерным инструментом, необходимо: (Фиг. 4, 5 г; положение IV)
Включить вновь буровой насос (не показан) и при возникновении давления промывочной жидкости на поршень (6), который переместиться в крайнее нижнее положение, открывает отверстие (11) для подачи жидкости к нижерасположенному оборудованию через систему связанных отверстий клапана: (21), (22), (23), (24) и (25). Затем, к примеру, производим операции по зарезки бокового ствола фрезерным инструментом с помощью клин-отклонителя гидравлического.
После прекращения циркуляции жидкости и выравнивания давления внутри бурильной колонны и в затрубном пространстве, поршень (6), под действием пружины (12), перемещается вверх, таким образом, возвращаясь в свое первоначальное положение (Фиг. 4, 5а; положение I). При следующей подаче жидкости клапан снова оказывается в режиме циркуляции в затрубное пространство. Благодаря такой конструкции можно повторно вернуться к режиму циркуляции в затрубное пространство, в случае, если эта операция оказалась незавершенной (например, аварийная остановка насоса до завершения процесса ориентирования).
Заявленная полезная модель - клапан распределительный гидравлический по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- Заявляемое устройство значительно менее металлоемко, что повышает ремонтопригодность, удешевляет его, повышает долговечность, работоспособность, при этом упрощая сборку устройства и технологичность процесса изготовления.
- Заявляемое устройство повышает надежность процесса эксплуатации, за счет четкой обоснованности наличия элементов и оптимизации их взаиморасположения. Наличие фильтра и обратного клапан, не допускает засорение внутреннего объема устройства.
- Заявляемое устройство упрощает конструкцию, взаимодействие элементов и процесс перетока жидкости к нижерасположенному оборудованию или в затрубное пространство, уменьшает количество сквозных отверстий.
- Заявляемое устройство повышает надежность эксплуатации, за счет первоначально закрытого положение поршня.
- Заявляемое устройство повышает эффективность, за счет создание свободного перетока жидкости из затрубного пространства во внутренний объем колонны в момент спуска и перекрытия перетока в момент подачи промывочной жидкости.