Гидравлический циркуляционный клапан
HYDRAULIC CIRCULATION VALVE

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно, к устройствам для избирательной подачи промывочной жидкости в боковой канал сообщения с затрубным пространством (для проведения промежуточных промывок, замеров телеметрической системы, кольматации стенок скважины и других работ) и в центральный канал сообщения для активации скважинного оборудования без применения бросовых шаров.
Общеизвестно, что при спуске оборудования для вырезания «окна» в обсадной колонне с применением клин-отклонителя с гидравлическим якорем остро стоит вопрос проведения промежуточной промывки и активации якоря. Произвести прямую промывку через центральный канал гидравлического сообщения (через бурильные трубы) нельзя из-за преждевременной активация гидравлического якоря, который, вследствие конструктивных особенностей, имеет прямое гидравлическое сообщение с внутритрубным пространством. Применение бросового шара для переключения направления потока жидкости из внутритрубного пространства в затрубное и наоборот невозможно из-за наличия телесистемы в составе КНБК (компоновка низа бурильной колонны), которая имеет меньший размер проходного отверстия, чем шар. Поэтому применяют способы и приемы, нарушающие технологический режим процесса, например, спуск оборудования без проведения промежуточных промывок, что повышает риск осложнений в скважине.
Известен циркуляционный переводник бурильной колонны (патент RU 194670, МПК Е21В21/10, опубл. 18.12.2019 г.), содержащий корпус с циркуляционными портами, подпружиненный золотник с радиальными каналами, установленный в корпусе с возможностью продольного перемещения из неактивированного положения в активированное, нижний и верхний узлы уплотнения золотника в корпусе. Циркуляционный переводник снабжен узлом радиальной фиксации золотника в неактивированном положении в виде контактирующих конических поверхностей: охватывающей, расположенной в корпусе, и охватываемой - на золотнике.
Недостатком аналога является то, что переключение потока жидкости из внутритрубного пространства бурильной колонны в затрубное через боковые порты производится посредством бросовых шаров: одного шара для активации (открытие канала гидравлического сообщения между бурильной колонны с затрубным пространством) и 2-х шаров для деактивации (закрытие канала сообщения с затрубным пространством и открытия канала сообщения с низом бурильной колонны (КНБК), что невозможно произвести в случае применения телесистемы в составе КНБК.
Известен многоразовый циркуляционный клапан (патент RU166931, МПК Е21В21/10, опубл. 20.12.2016 г.), который включает полый корпус с наружными отверстиями, кольцевой поршень с седлом для сбросового шара и внутренними отверстиями, соединенный с механизмом переключения направления подачи промывочной жидкости. Внутри кольцевого поршня установлена вставка, на кольцевой выступ которой опирается возвратная пружина, а под ней между корпусом и вставкой установлен поршень компенсатора давления. Механизм переключения направления подачи промывочной жидкости представляет собой втулку, на наружной поверхности которой выполнен фигурный паз, входящий во взаимодействие с выступающими внутрь корпуса штифтами, штифты закреплены неподвижно в корпусе напротив друг друга, фигурный паз включает три парных рабочих участка: короткий, длинный и средний, расположенные параллельно оси клапана, определяющие осевое положение втулки и кольцевого поршня, три расположенных параллельно оси клапана парных участка переключения, расположенных между ними, причем парные пазы с одинаковой длиной находятся напротив друг друга, а с двух сторон рабочие участки и участки переключения соединены наклонными пазами.
Недостатком аналога является необходимость применения бросового шара для активации клапанного узла, что невозможно реализовать при наличии телесистемы в составе КНБК. Кроме того, в описании не указано, в какую сторону относительно оси поворачивается втулка с фигурным пазом, и каким образом создается крутящий момент, способствующий его повороту, что вызывает сомнение в работоспособности устройства.
Наиболее близким по совокупности общих признаков является клапан распределительный (патент RU185988, МПК Е21В 34/10, опубл. 26.12.2018 г.), 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 контролирует перемещение поршня по симметрично расположенным направляющим штифтам, установленным в корпусе. Поршень подпружинен пружиной сжатия, опирающейся на упорный подшипник. Дренажные сквозные радиальные отверстия выполнены в корпусе. Клапан содержит полую втулку, размещенную над нижним переводником, уплотнители. 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 выполненным 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. Принято за прототип.
Недостатком прототипа является недостаточное проходное сечение каналов сообщения. Так, выход промывочной жидкости из корпуса в затрубное пространство производится через одно выходное отверстие, а выход в центральный канал производится через кольцевой паз и наклонные сквозные отверстия, что значительно увеличивает гидравлическое сопротивление при прокачке промывочной жидкости и приводит к большим гидравлическим потерям. Данное обстоятельство приводит к недостаточной подаче промывочной жидкости в процессе проведения работ и не обеспечивает достаточную очистку скважины от металлической стружки и выбуренной породы, что в свою очередь приводит к проведению дополнительной СПО (спуско-подъемной операции) и смене КНБК. Кроме того, из описания не ясно, каким образом и в каком направлении будет поворачиваться поршень с фигурным пазом относительно оси. Данная неопределенность может быть причиной неработоспособности устройства.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей и повышение надежности работы устройства.
Технический результат - повышение надежности устройства с обеспечением полноценной промывки в скважине при подаче промывочной жидкости буровым насосом.
отличие от прототипа
Проблема решается, а технический результат достигается гидравлическим циркуляционным клапаном, содержащим корпус с соединительными переводниками, поршень, имеющий на наружной поверхности продольно выполненный несквозной паз под направляющие пальцы, симметрично расположенные относительно друг друга и неподвижно закрепленные на корпусе устройства напротив поршня с возможностью ограничения перемещения поршня в пределах паза, поворотную втулку с выполненным на наружной поверхности несквозным фигурным замкнутым пазом под направляющие пальцы, симметрично расположенные относительно друг друга и неподвижно закрепленные на корпусе устройства напротив втулки, ограничивающие перемещение поворотной втулки в пределах указанного фигурного паза, а также жестко соединенный с поворотной втулкой полый шток, в нижней части которого выполнены радиальные промывочные отверстия с возможностью их соосного расположения с радиальными промывочными отверстиями на корпусе устройства при перемещении штока, при этом клапан содержит возвратную пружину со свободно установленными сверху и снизу опорными кольцами и уплотнители. В  поршень и поворотная втулка выполнены раздельными элементами, причем нижняя часть поршня имеет зубчатое окончание с конусообразными зубьями для нежесткого зубчатого соединения с поворотной втулкой с возможностью совместного продольно-поступательного перемещения поршня и поворотной втулки и углового перемещения поворотной втулки относительно поршня на величину шага зубьев поршня, при этом на корпусе ниже поворотной втулки на расстоянии не менее длины L хода полого штока неподвижно закреплены уплотнительные манжеты c обеспечением гидравлического сообщения между внутритрубным и затрубным пространством при длине L хода штока, а также между внутритрубным пространством и центральным проходным отверстием устройства при длине 2L хода штока, причем направляющие пальцы, ограничивающие перемещение поворотной втулки в пределах фигурного паза, имеют сопряжение с последним, а указанная втулка снизу поджата возвратной пружиной, опорными кольцами, опирающимися на обойму с уплотнительными манжетами, и нижним соединительным переводником с центральным проходным отверстием, кроме того, на цилиндрической наружной поверхности поршня и поворотной втулки установлены центрирующие кольца.
Технический результат достигается следующим.
В заявляемом устройстве поршень и поворотная втулка выполнены раздельными элементами и имеют нежесткое зубчатое соединение (зацепление), позволяющее их совместное продольно-поступательное и угловое перемещение поворотной втулки относительно поршня на величину шага зубьев поршня под действием динамического давления поршня, образованного гидравлическим давлением жидкости подаваемой буровым насосом, и возвратной пружины. При этом динамическое давление F зубьев поршня, действуя в точке сопряжения с зубьями поворотной втулки, распределяется на вертикальную составляющую F1, способствующую ее продольному перемещению (движению вниз), и горизонтальную составляющую F2, способствующую созданию и передаче крутящего момента правого направления вращения поворотной втулке и ее стремлению повернуться вправо относительно оси по аналогии с известным «правилом буравчика». Переключение на следующий шаг фигурного паза производится путем прекращения подачи промывочной жидкости буровым насосом (динамическое давление со стороны поршня отсутствует), при этом возвратная пружина, имеющая большую кинетическую энергию, чем энергия сопротивления элементов с сопряженными поверхностями, разжимается и возвращает поворотную втулку с поршнем в исходное положение. При этом, возврат поворотной втулки в верхнее положение происходит одновременно с ее продольным (движение вверх) и угловым перемещением (поворотом вправо относительно оси вращения) на величину шага зубьев поршня (зубья поворотной втулки проскальзывают через зубья поршня на величину одного зуба). Создание и передача крутящего момента от поршня поворотной втулке является необходимым условием для последовательного выполнения шагов операций и цикла работы устройства в соответствии с заданными параметрами фигурного паза, и исключает возможность стопорения или левого направления вращения поворотной втулки относительно поршня, которое может нарушить работу устройства в целом. Вышесказанные особенности ведут к повышению надежности работы устройства.
Для обеспечения гидравлической изоляции каналов гидравлического сообщения при продольном перемещении полого штока с радиальными промывочными отверстиями при ходе штока L относительно радиальных отверстий, ответно расположенных на корпусе устройства, клапан содержит уплотнительные манжеты. Причем, при перемещении полого штока на длину L (ход штока L) образуется канал гидравлического сообщения между внутритрубным и затрубным пространством, при перемещении полого штока на длину 2L (ход штока 2L) обеспечивается канал гидравлического сообщения между внутритрубным пространством и центральным проходным отверстием устройства. Продольно-поступательное и угловое перемещение полого штока совместно с поворотной втулкой, к которой он прикреплен, производится путем подачи промывочной жидкости буровым насосом, при котором поршень воздействует (динамическое давление) на поворотную втулку с полым штоком. При этом направляющие пальцы, неподвижно закрепленные на корпусе устройства и имеющие сопряжение с пазом поворотной втулки, контролируют продольное и угловое перемещение поворотной втулки в соответствии с параметрами фигурного паза. Таким образом, канал гидравлического сообщения образуется не в результате углового перемещения (поворота) поворотной втулки и совмещения ее одного промывочного отверстия с ответным отверстием в корпуса устройства (как в прототипе), а посредством продольного перемещения полого штока с большим количеством промывочных отверстий и совмещения их с радиальными промывочными отверстиями в корпусе устройства, что позволяет существенно увеличить площадь сечения промывочного канала, исключить его локальные изгибы и обеспечить полноценную промывку с подачей промывочной жидкости. Путем изменения конструкции клапанного узла, формы, размеров промывочных каналов и исключения локальных изгибов обеспечивается полноценная промывка в скважине с подачей промывочной жидкости буровым насосом (обычно в пределах 6-11л/сек), необходимая для выноса металлической стружки при фрезеровании обсадной колонны и шлама горной породы при бурении «кармана» в открытом стволе.
Сравнительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает наличие существенных отличительных признаков от прототипа и аналогов и новой взаимосвязи в работе элементов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано:
Фиг. 1 а, б, в) - общий вид устройства в исходном положении,
а) поперечный разрез,
б) кулачковое зацепление поршня и поворотной втулки (укрупненно), сечение А-А,
в) схема распределения продольной (осевой) силы F на две составляющие F1 и F2;
Фиг. 2 а, б, в, г) - положение устройства в скважине,
а) исходное, не активированное положение устройства в скважине,
б) активированное положение устройства при промежуточной промывке (поток жидкости направлен в боковой промывочный канал),
в) положение устройства при активации якоря (поток жидкости направлен в центральный канал сообщения),
г) возврат устройства в исходное положение после выключения насоса под действием возвратной пружины;
Фиг. 3 - развертка в плоскости фигурного паза поворотной втулки с направляющим пальцем для цикла работы поворотной втулки, состоящего из восьми шагов (по числу зубьев устройства), соответствующих трем позициям устройства.
На фигурах показано:
1 - соединительный переводник верхний;
2 - корпус;
3 - поршень;
4 - втулка поршня;
5 - фиксирующий винт втулки поршня;
6 - продольный паз поршня;
7 - направляющий палец паза поршня;
8 - зубья поршня;
9 - зубья поворотной втулки;
10 - поворотная втулка;
11 - фигурный паз поворотной втулки;
12 - направляющий палец поворотной втулки;
13 - полый шток;
14 - возвратная пружина;
15 - опорное кольцо;
16 - радиальные отверстия полого штока;
17 - радиальные отверстия корпуса устройства;
18 - обойма с уплотнительными манжетами;
19 - соединительный переводник нижний;
20 - центральное проходное отверстие устройства;
21 - центрирующее кольцо.
Гидравлический циркуляционный клапан (фиг. 1) содержит верхний соединительный переводник 1, корпус 2, в котором размещен поршень 3 с втулкой 4, зафиксированной в корпусе винтами 5. На наружной поверхности поршня 3 выполнен несквозной продольный паз 6 для установки направляющего штифта (пальца) 7, неподвижно закрепленного на корпусе 2 и ограничивающего перемещение поршня в пределах продольного паза 6. Нижняя часть поршня 3 имеет зубчатое окончание с конусообразными зубьями 8 для нежесткого зацепления с зубьями 9 поворотной втулки 10, имеющей замкнутый несквозной фигурный паз 11, выполненный на ее наружной поверхности. Продольно-поступательное и угловое перемещение поворотной втулки 10 обеспечивается установкой направляющего пальца 12, неподвижно закрепленного на корпусе 2 и ограничивающего перемещение поворотной втулки 10 в пределах фигурного паза. К нижнему концу поворотной втулки 10 присоединен полый шток 13 с радиальными отверстиями 16, расположенными в его нижней части с возможностью их совместного перемещения относительно радиальных отверстий 17 в корпусе 2. Поворотная втулка 10 снизу поджата возвратной пружиной 14 и опорными кольцами 15, опирающимися на обойму с уплотнительными манжетами 18, закрепленными на корпусе устройства 2, и нижним соединительным переводником 19 с центральным проходным отверстием 20. Для обеспечения соосности зубьев зубчатого зацепления на цилиндрической наружной поверхности поршня 3 и поворотной втулки 10 установлены центрирующие кольца 21 (фиг.1).
Работа устройства показана на примере его применения при реконструкции скважин методом зарезки бокового ствола (ЗБС), где необходимо провести следующие виды операций (в данном примере полый шток устройства имеет восемь радиальных промывочных отверстий, а цикл работы поворотной втулки состоит из восьми шагов по числу зубьев устройства, соответствующих трем позициям устройства):
1. Спуск компоновки для вырезания «окна» с обеспечением самозаполнения внутренней полости компоновки и бурильных труб скважинной жидкостью. При этом устройство находится в неактивированном положении (L=0), и самозаполнение происходит через четыре (в плоскости рисунка одно) отверстия полого штока (фиг.2, а), а направляющий палец находится в нижнем положении (фиг.3).
2. Проведение промежуточной промывки, измерение положения ствола и ориентирование клин-отклонителя телесистемой. Устройство активируется (включение насоса), при этом полый шток перемещается на длину L, и промывка идет через восемь отверстий полого штока (фиг.2, б), боковой канал сообщения открыт. Направляющий палец перемещается в верхнее положение первого шага (фиг.3). Для выполнения этих операций программой предусмотрено (зарезервировано) 5 шагов (3 шага на промежуточные промывки и 2 шага - на ориентирование клин-отклонителя).
3. Активация якоря клин-отклонителя (фиксация скважинного оборудования в скважине), фрезерование колонны (вырезание «окна»), бурение бокового кармана. Эти операции производятся при перемещении полого штока на длину 2L (при этом открыт центральный канал сообщения). Для выполнения этих операций программой предусмотрено (зарезервировано) 3 шага (фиг.3).
Далее, после 8 шагов программы (одного оборота вращения поворотной втулки), цикл работы устройства повторится в той же последовательности. В случае невыполнения какой-либо операции (вследствие отказа оборудования или по другим причинам) и необходимости его проведения для установки требуемой позиции устройства необходимо пройти «ненужные» шаги программы путем регулирования подачи промывочной жидкости буровым насосом (снижения подачи с последующим ее восстановлением), или переключением бурового насоса (включением/выключением).
Сборку и спуск в скважину компоновки для вырезки «окна» производят в следующей последовательности: гидравлический или гидромеханический якорь, клин-отклонитель, фрезерующий инструмент (фрезер оконный, фрезер-райбер), заявляемое устройство, телеметрическая система любого типа (на фиг. не показано). В процессе спуска компоновки через радиальные отверстия 16 полого штока и отверстия 17 корпуса устройства происходит самозаполнение внутренней полости транспортной колонны промывочной жидкостью, находящейся в затрубном пространстве, при этом устройство находится в транспортном не активированном положении, когда полый шток с отверстиями утоплен, L=0 (фиг. 2, поз.1). Для проведения промежуточной промывки включают буровой насос и подают промывочную жидкость в бурильные трубы. При этом гидравлическое давление во внутритрубном пространстве превышает затрубное давление, и образуется перепад давлений, под действием которого поршень 3 совершает продольно-поступательное перемещение относительно корпуса 2 совместно с поворотной втулкой 10 посредством не жесткого их соединения зубьями 8 и 9. При этом возвратная пружина 14 сжимается на величину L высоты фигурного паза поворотной втулки 11, контролируемую направляющими пальцами 12 поворотной втулки (фиг. 2, поз. II).
В исходном не активированном положении устройства, когда выдвижение штока отсутствует (ход штока L=0), боковой канал сообщения внутритрубного пространства с затрубным пространством открыт наполовину (в данном примере открыты четыре радиальных отверстия полого штока). Этого хватает для самозаполнения внутренней полости бурильных труб, что позволяет перепускать скважинную жидкость во внутритрубное пространство бурильных труб в процессе их спуска. При выдвижении полого штока на длину L (ход штока L) боковой канал сообщения открыт полностью (открыто восемь радиальных промывочных отверстий), в этом положении производится промежуточная промывка в скважине с подачей бурового насоса (обычно 6-11л/сек) через боковые промывочные отверстия в корпусе устройства. При выдвижении полого штока на длину 2L (ход штока 2L) боковой канал сообщения перекрывается, и открывается центральный канал сообщения - внутритрубного пространства с центральным проходным отверстием устройства. В этом положении производится активация нижерасположенного скважинного оборудования, имеющего прямую гидравлическую связь с центральным каналом сообщения, затем фрезерование колонны (вырезание «окна») и последующее бурение «кармана» в открытом стволе.
Схема распределения динамической (продольной) силы F поршня 3 и ее разделение на две составляющие силы - продольную F1 и радиальную F2 показана на фиг. 1 в). Осевая (продольная) сила F, передающаяся от конусообразных зубьев 8 поршня зубьям 9 поворотной втулки 10, способствует продольному ее перемещению совместно с полым штоком 13 вниз под действием силы F1 на длину L (например, L=50мм), ограниченную высотой развертки фигурного паза 11 (фиг. 2, поз II, фиг. 3). Кроме этого, передается радиальная сила F2, направленная вправо по оси вращения (по «правилу буравчика»), способствующая созданию и передаче правого крутящего момента поворотной втулке 10. Последняя, при шаговом перемещении в пределах фигурного паза 11, всегда будет стремиться повернуться вправо относительно оси вращения поршня 3 и направляющего пальца 12, неподвижно закрепленного на корпусе 2 (фиг. 1, б).
Активация гидравлического или гидромеханического якоря (фиг. 2, поз.II) производится путем изменения направления потока промывочной жидкости из бокового (радиального) в центральный канал сообщения. При этом боковой канал сообщения внутритрубного пространства с затрубным закрывается, а центральный канал сообщения, имеющий гидравлическое сообщение с нижерасположенным скважинным оборудованием, в том числе и гидравлическим якорем, открывается. В этом положении устройства предусмотрено три шага, при которых производится активация якоря, фрезерование колонны, бурение бокового «кармана» в открытом стволе. Далее производится подъем компоновки на поверхность и его разборка.
В заявляемом устройстве увеличено проходное промывочное отверстие каналов сообщения с боковым и центральным выходом за счет изменения конструкции и исключения элементов, оказывающих дополнительное сопротивление движению потоку жидкости. Например, конструктивно исключены локальные изгибы проточных каналов, выполненных на элементах устройства с сопряженными поверхностями, обратный клапан на выходе устройства и др., которые способствуют увеличению гидравлического давления при прокачке промывочной жидкости буровым насосом и не позволяют произвести полноценную промывку в скважине с обеспечением подачи промывочной жидкости.
Переключение на следующий шаг программы, в соответствии с разверткой поворотной втулки, производится путем прекращения подачи промывочной жидкости буровым насосом, при этом возвратная пружина 14, имеющая большую кинетическую энергию, чем энергия сопротивления элементов с сопряженными трущимися поверхностями, разжимается и возвращает их вверх в исходное положение. Причем возврат поворотной втулки 10 происходит одновременно с продольным (движение вверх) и угловым перемещением (поворотом вправо относительно оси вращения) на величину шага развертки (фиг. 3). При этом зубья 9 поворотной втулки 10, вследствие нежесткого зацепления, проскальзывают относительно зубьев 8 поршня 3 на величину углового поворота (через 1 зуб) и занимают исходное положение. Точка касания зубьев при этом соответствует исходному положению зубьев 8, 9 (фиг. 1, б).
Количество шагов, определенных для каждого положения (каждой позиции) устройства, программируется заранее до начала работ путем формирования фигурного паза соответствующей формы на поворотной втулке. Например, для позиции II (фиг. 2), показанной на развертке (фиг. 3), при которой проводятся технологические операции, такие как промежуточные промывки, замеры телеметрических систем, кольматация стенок скважины и др., шагов может быть несколько в зависимости от производственной необходимости их проведения. В представленной на фиг. 3 развертке поворотной втулки 10 для выполнения вышеуказанных работ предусмотрено пять шагов, т.е. возможно их последовательное проведение в течении пяти раз.
Необходимо отметить, что цикл работы поворотной втулки, в предлагаемом примере выполнения состоящий из восьми шагов (по числу зубьев устройства), соответствующих трем позициям устройства, после одного оборота поворотной втулки 10 повторяется заново, т.е. контур фигурного паза замкнут по кругу, то есть переключение шагов, и, соответственно, позиций устройства может повторяться множество раз. В случае невыполнения каких-либо работ в связи с отказом оборудования (насоса, телеметрической системы, необходимости повторной проработки «окна» или открытого ствола и др.) устройство позволяет вернуться к необходимой операции (позиции) путем расчетного числа включений/выключений бурового насоса и в соответствии с разверткой фигурного паза.