Переливной клапан бурильной колонны с винтовым забойным двигателем
DRILL STRING OVERFLOW VALVE WITH SCREW WELL BOTTOM ENGINE

Данное изобретение относится к компонентам устройств для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к переливным клапанам бурильной колонны для сообщения внутренней полости колонны с затрубным пространством при спускоподъемных операциях для заполнения и опорожнения колонны буровым раствором. Переливной клапан используется с винтовым забойным двигателем и служит для уменьшения трудоемкости бурильных работ путем снижения потерь бурового раствора при спуско-подъемных операциях.
Переливной клапан присоединяется к верхнему переводнику двигателя с целью уменьшения излива бурового раствора при подъеме бурильной колонны и сокращения долива бурового раствора при спуске бурильной колонны.
Известен переливной обратный клапан, который содержит полый корпус клапана с верхним и нижним переводниками, внутри которого расположен корпус плунжера, внутри которого расположен полый плунжер, выполненный заглушенным снизу и подпружиненный соосным упругим элементом, полость верхнего переводника выполнена с возможностью гидравлической связи в верхнем положении плунжера с верхними радиальными отверстиями плунжера, отверстиями корпуса плунжера и радиальными отверстиями корпуса клапана, возможностью гидравлической связи в нижнем положении плунжера с нижними радиальными отверстиями плунжера и полостью нижнего переводника, ступенчатую втулку, расположенную в выточке корпуса клапана, отличающийся тем, что корпус плунжера расположен в выточке корпуса клапана над втулкой, плунжер выполнен сложенным из верхней и нижней частей, которые связаны между собой элементами связи, которые выполнены с созданием между ними нижних радиальных отверстий плунжера, внутренняя поверхность втулки выполнена с круговой выточкой с плавным и/или многоступенчатым увеличением диаметра от верха к низу и расположена на уровне нижних радиальных отверстий плунжера в нижнем его положении, упругий элемент и плунжер расположены разнесенными вдоль общей оси (RU 2373363 C1, E21B 4/00, 27.09.2008).
Известен переливной клапан, включающий полый корпус с боковыми каналами, подпружиненную относительно корпуса тарелку, взаимодействующую с седлом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе, он снабжен направляющей втулкой, заглушенной сверху, выполненной с проточными боковыми окнами и жестко установленной на корпусе, выполненном с дополнительным седлом над боковыми каналами, причем седло размещено на верхней части втулки, а тарелка выполнена с дополнительной рабочей поверхностью и размещена на втулке с возможность взаимодействия с седлом и перекрытия проточных боковых окон в верхнем крайнем положении и с возможностью взаимодействия с дополнительным седлом в крайнем нижнем положении (SU 1380329, E21B 4/00, 10.12.1999).
Известен переливной клапан, включающий полый корпус с боковыми каналами, подпружиненную относительно корпуса тарелку, взаимодействующую с верхним седлом, с направляющей втулкой, заглушенной сверху, выполненной с окнами и жестко установленной на корпусе, выполненном с дополнительным седлом над боковыми каналами, причем верхнее седло размещено на верхней части втулки, а тарелка выполнена с дополнительной рабочей поверхностью и размещена на втулке с возможностью взаимодействия с верхним седлом и перекрытия окон в верхнем крайнем положении и с возможностью взаимодействия с дополнительным седлом в крайнем нижнем положении, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности клапана в работе за счет улучшения степени очистки его внутренней полости от шлама путем увеличения времени на закрытие дополнительного седла тарелкой клапана, он снабжен стаканом, жестко установленным на верхнем седле и образующим маслонаполненную камеру с расположенной внутри и подпружиненной упорной шайбой, установленной с зазором относительно стакана и жестко закрепленной на верхнем конце штока направляющей втулки, выполненной совместно с тарелкой и с возможностью осевого перемещения относительно корпуса (SU 1429632, E21B 4/00, 20.08.2000).
Известен переливной клапан, содержащий корпус с радиальными отверстиями, закрепленное в корпусе седло с конической поверхностью с отверстиями, эластичную манжету, взаимодействующую с конической поверхностью седла, отличающийся тем, что он снабжен обратным клапаном, размещенным в корпусе и установленным под седлом с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем запорный элемент обратного клапана выполнен в виде сердечника с конической упорной поверхностью в верхней части и эластичной манжеты, закрепленной на сердечнике с возможностью перекрытия проходного сечения между корпусом и сердечником, а наружная поверхность сердечника и внутренняя поверхность корпуса образуют кольцевое сопло, при этом минимальное проходное сечение сопла лежит в плоскости, перпендикулярной к оси клапана и проходящей через нижний торец сердечника в его крайнем нижнем положении (RU 2030536 C1, E21B 4/00, 10.03.1995).
Известен переливной клапан забойного двигателя, содержащий корпус, клапанную пару, выполненную с поясом скольжения, включающую седло, установленное в корпусе, и полый плунжер, размещенный внутри седла, в которых выполнены радиальные отверстия, пружину, расположенную на полом плунжере, и уплотнения, отличающийся тем, что клапанная пара выполнена золотникового типа, в которой диаметр проточного канала в полом плунжере составляет 0,10-0,12 от длины полого плунжера, а площадь всех радиальных перепускных отверстий в полом плунжере равна площади проточного канала в поперечном сечении полого плунжера, при этом полый плунжер выполнен цилиндрической формы с поясом скольжения и кольцевым буртом, расположенным в нижней части пояса скольжения, и подпружинен до упора верхним торцом кольцевого бурта к нижнему торцу седла, причем радиальные перепускные отверстия в полом плунжере и радиальные отверстия в седле и корпусе расположены на одном уровне, а пружина размещена между уступом в корпусе и нижним торцом кольцевого бурта полого плунжера (RU 2333334 C1, E21B 4/02, 10.09.2008).
Известен переливной клапан бурильной колонны, включающий корпус с боковыми отверстиями, подпружиненный полый плунжер, содержащий радиальные каналы, седло, контактирующее с плунжером, и уплотнения, отличающийся тем, что в нижней части плунжера установлена заглушка, торец заглушки выполнен коническим, поверхность торца заглушки выполнена сопряженной с боковыми стенками радиальных каналов плунжера, а оси радиальных каналов плунжера выполнены параллельными конической поверхности торца заглушки (RU 69560 U1, E21B 34/06, 27.12.2007).
Близким аналогом является переливной клапан бурильной колонны с героторным двигателем, содержащий корпус с резьбами на его краях, радиальными отверстиями, размещенный с возможностью скольжения поршень, а также седло и пружину между ними, отличающийся тем, что поршень размещен внутри седла и образует с ним клапанную ступенчатую пару, причем верхний торец седла и верхняя часть поршня ограничены от перемещения вверх закрепленным в корпусе направляющим кольцом, седло содержит уменьшенный пояс скольжения с нижней частью поршня по сравнению с увеличенным поясом скольжения с верхней частью поршня, периметр пояса скольжения седла с нижней частью поршня составляет 0,33-0,77 от периметра пояса скольжения седла с верхней частью поршня, а пружина размещена в полости между верхней частью поршня и нижней частью седла, при этом поршень выполнен с рядом радиальных каналов, расположенных ниже от радиальных отверстий в корпусе, а корпус образует с седлом тупиковую кольцевую щель, которая сообщена с полостью между седлом и поршнем радиальными окнами (RU 2204688 C2, E21B 21/10, 20.05.2003).
Прототипом является известный переливной клапан забойного двигателя нормально открытого типа, включающий соосные между собой системы корпуса и поршня, первая из которых содержит скрепленные между собой патрубок с присоединительными резьбами и каналами, гидравлически сообщающими полость внутри системы корпуса и затрубное пространство, гильзу гидроцилиндра, замыкатель клапана с уплотнением, верхний и нижний ограничители хода поршня, а вторая содержит поршень гидроцилиндра с центральным проточным каналом и уплотнением, переключатель клапана с перепускными каналами, гидравлически сообщающими центральный проточный канал с полостью внутри системы корпуса, пружину сжатия с упорными регулировочными кольцами, удерживающую поршень гидроцилиндра с переключателем в верхнем положении, отличающийся тем, что пружина сжатия расположена ниже по ходу потока относительно перепускных каналов переключателя и замыкателя клапана (RU 2407876 C1, E21B 4/02, 27.12.2010).
Существенными недостатками прототипа являются быстрый износ клапана, связанный с открытостью пружины, на витки которой прямо и фронтально воздействует поток бурового раствора, подверженность корпуса износу вследствие того, что в корпусе выполнены кольцевые канавки под кольцевые уплотнители, что приводит к практической невозможности ремонтного восстановления корпуса вследствие его износа и овальности рабочей поверхности. При этом клапан прототипа имеет неудовлетворительную компоновку, отрицательно влияющую на взаимодействие его частей в процессе их взаимного перемещения, что также связано с преждевременным износом трущихся поверхностей.
Общими признаками с прототипом изобретение имеет такие признаки, что оба переливных клапана содержат корпус с резьбовым выступом в его нижней части и внутренней резьбой в верхней части, а также радиальными отверстиями в средней части, размещенный в корпусе полый ступенчатый поршень, нижняя ступень которого имеет наименьший внешний диаметр и сопряжена с верхней ступенью большего диаметра с образованием кольцевого уступа, при этом на нижнюю ступень поршня надета пружина, при этом в стенке нижней ступени поршня выполнены первые радиальные отверстия, в стенке средней ступени поршня выполнены вторые радиальные отверстия.
Техническим результатом изобретения является уменьшение износа клапана.
Технический результат достигается тем, что в переливном клапане бурильной колонны с винтовым забойным двигателем, содержащем корпус с резьбовым выступом в его нижней части и внутренней резьбой в верхней части, а также с радиальными отверстиями в средней части, размещенный в корпусе полый ступенчатый поршень, нижняя ступень которого, имеющая меньший внешний диаметр, сопряжена с верхней ступенью большего диаметра с образованием кольцевого уступа, при этом на нижнюю ступень поршня надета пружина, согласно изобретению поршень выполнен со средней ступенью, в стенке нижней ступени поршня выполнены первые радиальные отверстия, в стенке средней ступени поршня выполнены вторые радиальные отверстия, между поршнем и корпусом установлена втулка, верхняя часть втулки охватывает верхнюю ступень поршня, в средней части втулки выполнен внутренний кольцевой пояс, который охватывает среднюю ступень поршня, над кольцевым поясом втулки в ее стенке выполнены радиальные отверстия, сообщающиеся с радиальными отверстиями в корпусе и вторыми радиальными отверстиями поршня, в верхней ступени поршня выполнена коническая расточка, внутренний диаметр которой расширяется к торцу верхней ступени поршня, втулка и поршень зафиксированы в корпусе в рабочем положении гайкой, внутренняя поверхность которой выполнена конической заподлицо с конической расточкой верхней ступени поршня, а нижний конец пружины расположен в нижней кольцевой проточке, которая выполнена в корпусе клапана. Втулка выполнена из корозионно-стойкого материала и в ней выполнены верхние и нижние внешние кольцевые канавки, в которых установлены кольцевые уплотнители.
Пружина имеет многослойное антикорозионное покрытие.
В кольцевом поясе средней части втулки выполнена кольцевая канавка, в которой размещен кольцевой уплотнитель.
В верхней ступени поршня выполнена кольцевая канавка, в которой размещен кольцевой уплотнитель.
Гайка имеет торцевые пазы под инструмент и внешнюю резьбу в зоне торцевых пазов, завинченную в резьбу корпуса.
Поверхность внутреннего кольцевого пояса втулки, взаимодействующей со средней ступенью поршня, имеет меньшую площадь скольжения в сравнении с площадью скольжения внутренней поверхности втулки, взаимодействующей с верхней ступенью поршня.
Площадь скольжения кольцевого пояса втулки, взаимодействующей со средней ступенью поршня, составляет 0,78-0,85 от площади скольжения втулки, взаимодействующей с верхней ступенью поршня.
Пружина расположена в полости, ограниченной с одной стороны частями нижней и средней ступеней поршня, с другой стороны - кольцевым выступом и стенкой втулки, находящейся ниже кольцевого выступа, а снизу полость ограничена уступом, который выполнен в корпусе клапана и в который упирается нижний торец пружины.
На Фиг. 1 изображен переливной клапан в продольном разрезе.
Переливной клапан бурильной колонны с винтовым забойным двигателем включает корпус 1 с резьбовым выступом 2 в нижней части и внутренней резьбой 3 в верхней части, а также радиальными отверстиями 4 в средней части корпуса. Внутри корпуса размещен полый поршень 5, который выполнен трехступенчатым. Нижняя ступень 6 поршня 5 имеет наименьший внешний диаметр, средняя ступень 7 поршня имеет больший по сравнению с нижней ступенью 6 внешний диаметр и сопряжена с нижней ступенью с образованием первого кольцевого уступа 8. Верхняя ступень 9 поршня имеет больший по сравнению со средней ступенью 7 поршня внешний диаметр и сопряжена со средней ступенью 7 поршня с образованием второго кольцевого уступа 10.
На нижнюю ступень поршня 5 снизу надета пружина 11 так, что она охватывает нижнюю ступень 6 поршня, при этом нижний конец пружины расположен в нижней кольцевой проточке корпуса 1 и упирается в торец проточки. Пружина имеет многослойное антикорозионное покрытие и при этом она изолирована от действия бурового раствора.
В стенке нижней ступени 6 поршня выполнены первые отверстия 12, в стенке средней ступени 7 выполнены вторые отверстия 13, между поршнем и корпусом установлена втулка 14, выполняющая функции седла поршня. Втулка зафиксирована в корпусе и выполнена из корозионно-стойкого материала. Верхняя часть втулки 14 охватывает верхнюю ступень 9 поршня 5, в средней части втулки выполнен внутренний кольцевой пояс 15, который охватывает среднюю ступень 7 поршня. Над кольцевым поясом 15 в стенке втулки выполнены радиальные отверстия 16, сообщающиеся с радиальными отверстиями 4 корпуса и со вторыми радиальными отверстиями 13 средней ступени 7 поршня.
В верхней ступени 9 поршня выполнена коническая расточка 17, внутренний диаметр которой расширяется к торцу 18 верхней ступени поршня. Расположенный в корпусе 1 поршень 5 сверху ограничен гайкой 19, внутренний диаметр которой увеличивается вверх за счет того, что гладкая внутренняя поверхность 20 гайки выполнена конической. Гайка 19 имеет также внешнюю резьбу, завинченную в корпус 1, и торцевые пазы 25 под инструмент для завинчивания и отвинчивания гайки. В рабочем положении гайка имеет средство ее фиксации от отвинчивания (не показаны).
Втулка 14 выполнена с верхними и нижними внешними кольцевыми канавками, в которых установлены кольцевые уплотнители 21. В кольцевом поясе 15 средней части втулки 14 выполнена внутренняя кольцевая канавка, в которой размещен кольцевой уплотнитель 21. В верхней ступени 9 поршня выполнена кольцевая канавка, в которой размещен кольцевой уплотнитель 22.
Рабочая поверхность внутреннего кольцевого пояса 15 втулки 14, взаимодействующей со средней ступенью 7 поршня, имеет меньшую площадь скольжения по сравнению с площадью скольжения внутренней поверхности втулки, взаимодействующей с верхней ступенью 9 поршня. Взаимодействующая со средней ступенью 7 поршня площадь скольжения кольцевого пояса 15 втулки (зависящая от периметра скольжения) составляет 0,78-0,85 от площади скольжения втулки, взаимодействующей с верхней ступенью 9 поршня.
Пружина 11 находится в полости 23, которая ограничена с одной стороны нижней и средней ступенями 6 и 7 поршня, с другой стороны - кольцевым выступом 15 и стенкой втулки 14, находящейся ниже кольцевого выступа 15, а снизу полость 23 ограничена уступом 24, выполненным в корпусе 1 клапана.
Торцевые пазы 25 гайки 19 под инструмент для завинчивания и отвинчивания гайки расположены в полости 26 корпуса 1 так, что инструмент имеет возможность его ввода в зацепление с пазами 25 гайки через полость 26. Внешняя резьба гайки 19 расположена в зоне ее торцевых пазов 25. Гайка завинчена в резьбу корпуса 1.
На фиг. 1 показаны также центральный канал 27 поршня и центральный канал 28 корпуса, расположенные на одной продольной оси клапана. Изнутри корпуса 1 в зоне каждого радиального отверстия 4 выполнено углубление 29 с фаской по ее контуру, причем углубление образует внутри корпуса коническую по краю кольцевую полость 30.
Работает клапан следующим образом. Когда давление бурового раствора в полости 26, сообщенной с внутренней полостью бурильных труб, выше давления в затрубном пространстве, - буровой раствор свободно перетекает через отверстия 4,13 и 16 из полости 26 клапана в затрубное пространство, при этом пружина 11 не сжата.
В случае возрастания давления в затрубном пространстве подают рабочий расход бурового раствора в полость 26, который действует на коническую расточку 17 поршня и коническую поверхность 20 гайки, при этом поршень 5 перемещается вниз, сжимает пружину 11 и перекрывает своей средней ступенью 7 отверстия 16 и 4. В этом положении поршня истечение бурового раствора в затрубное пространство прекращается, и он через центральный канал 27 поршня и центральный канал 28 корпуса 1 поступает через внутреннюю полость бурильных труб в винтовой забойный двигатель (не показан).
В случае возрастания давления бурового раствора в винтовом забойном двигателе подача в него бурового раствора прекращается, и поршень 5 от действия сжатой пружины 11 возвращается в исходное положение. При этом отверстия 13 совмещаются с отверстиями 4 и 16, полость 26 корпуса 1, а также каналы 27 и 28 сообщаются с внутренней полостью бурильных труб через боковые отверстия 4 корпуса и затрубным пространством. При этом буровой раствор подается под давлением в затрубное пространство.
При работе клапана в полость 23 через отверстия 12 поступает буровой раствор, когда его давление в полости 26 и каналах 27 и 28 начинает возрастать и превышает допустимое. При уменьшении давления, в случаях его отрицательного значения, буровой раствор через отверстия 12 выходит из полости 23, что в результате обеспечивает плавность возрастания и падение давления в полости 26 и каналах 27 и 28. В результате снижаются ударные нагрузки на поршне от резких перепадов давления. При работе клапана в зоне каждого радиального отверстия 4 изнутри корпуса в кольцевой полости 30, образованной углублением 29 в корпусе, создается давление бурового раствора, которое действует на стенку втулки 14 и поджимает стенку и кольцевой уплотнитель 22 в этой зоне к поршню 5, что повышает надежность работы клапана путем исключения перекосов поршня и неравномерного износа кольцевых уплотнителей втулки и поршня.
При работе клапана его пружина 11 находится вне потока бурового раствора, поскольку она защищена от контакта с ним полостью 23, в которой она расположена. Защищенность пружины от прямого контакта с потоком бурового раствора исключает ее изгиб, забивание крупными фракциями бурового раствора, что существенно уменьшает износ ее многослойного антикорозионного покрытия и увеличивает ресурс надежной работы клапана.
Поскольку площадь скольжения кольцевого пояса 15 втулки, взаимодействующей со средней ступенью 7 поршня, составляет 0,78-0,85 от площади скольжения втулки, взаимодействующей с верхней ступенью поршня, то сопротивление перемещению втулки в средней ее части меньше сопротивления перемещения поршня, что перераспределяет усилия с поршня на втулку, исключает заклинивания поршня и его износ в наиболее нагруженной зоне.
В результате компоновки клапана и его конструктивных особенностей, описанных выше, а также существенного повышения износостойкости пружины, поршня и втулки повышена надежность работы клапана в любых агрессивных средах в течение более длительного времени по сравнению с прототипом и другими аналогами. Причем в данной конструкции на истирание рабочих поверхностей работает в основном втулка, имеющая верхние и нижние внешние кольцевые канавки, в которых установлены кольцевые уплотнители. В этой связи втулка выполнена из корозионно-стойкого материала, износ которого рассчитан на число циклов нагружения в зависимости от циклов нагружения на других частях клапана. Это позволило создать конструкцию, части которой равнопрочны по отношению к расчетному ресурсу работы клапана. При этом после выработки ресурса корпус клапана и его поршень не требуют ремонта, производится замена втулки на новую втулку и замена кольцевых уплотнителей.