ПЕРЕЛИВНОЙ КЛАПАН ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ
OVERFLOW VALVE OF DOWNHOLE MOTOR

Изобретение относится к буровой технике, к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин забойными двигателями, а именно для заполнения и опорожнения бурильной колонны при спускоподъемных операциях.
Известен переливной клапан двигателя фирмы Dyna Drill (см. Балденко Д.Ф. и другие. Винтовые забойные двигатели, «Недра», 1999, стр.72, 73, рис.3.19). Недостатками клапана являются быстрый износ и нестабильное закрытие, особенно при применении утяжеленных буровых растворов из-за попадания при бурении шлама в зону расположения нажимной пружины поршня.
Известен переливной клапан (см. патент США №3,005,507, фиг.1, 2, 10, 11). Недостатками клапана являются ненадежность и нестойкость торцовой клапанной пары, малая площадь сечения центрального канала поршня, вызывающая повышение давления при бурении.
Известно также клапанное устройство забойного двигателя (см. патент РФ №2224866). Недостатками этого устройства также являются износ и засорение при бурении пружины клапана мелким шламом и соответственно ненадежная его работа.
Переливной клапан бурильной колонны (см. патент РФ №2204688) имеет такие же недостатки, усугубленные наличием кольцевой тупиковой щели, в которой возможно накопление шлама и его неконтролируемый выброс в рабочую зону пружины, что приводит к нестабильному закрытию клапана. Кроме того, заявленное отношение периметров поверхностей скольжения поршня, нижний предел которого составляет 0,33, приводит к чрезмерному сужению проточного канала поршня, что вызывает повышенные потери давления при промывке и бурении (прототип).
Причем вследствие того, что в суженном центральном канале поршня срабатывается повышенный перепад давлений при подъеме бурильных труб, возможно срабатывание клапана на закрытие, то есть неисполнение его основной функции: перепуска жидкости.
Основная техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности переключения и срока службы клапана при установке его над забойным двигателем.
Это достигается тем, что 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, радиальными каналами, гидравлически сообщающими полость внутри системы корпуса с затрубным пространством, гильзу гидроцилиндра дифференциального типа, замыкатель клапана золотникового типа с уплотнением, верхний и нижний ограничители хода поршня, а вторая содержит поршень гидроцилиндра с центральным проточным каналом и уплотнением, переключатель клапана с радиальными перепускными каналами, сообщающими центральный проточный канал с полостью внутри системы корпуса, пружину сжатия с упорными регулировочными кольцами, удерживающую систему поршня в верхнем положении, при этом пружина сжатия расположена ниже по ходу потока относительно замыкателя и перепускных каналов переключателя клапана, причем пружина сжатия расположена в расточке патрубка корпуса между уступом системы корпуса и торцом системы поршня.
Кроме того, целесообразно для повышения надежности переключения клапана и ускорения спуска бурильной колонны, чтобы радиальные перепускные каналы системы поршня имели повышенный коэффициент расхода при движении жидкости из затрубного пространства вовнутрь бурильной колонны и наоборот, пониженный коэффициент расхода при движении жидкости в противоположном направлении. Например, эти каналы целесообразно выполнять сужающимися от полости внутри системы корпуса к центральному проточному каналу.
Кроме того, для повышения износостойкости клапана при одновременном повышении надежности его переключения, а также для повышения энергетической эффективности, целесообразно снизить затраты давления, срабатываемого в клапане при прокачке через него буровой жидкости. Для чего целесообразно увеличение соотношения диаметра центрального проточного канала поршня гидроцилиндра по отношению к его наружному диаметру на входе, выражаемое заявленным диапазоном соотношений 0,45…0,75.
На фиг.1 показан продольный разрез варианта конструкции клапана согласно изобретению в нормально открытом положении.
На фиг.2 показан продольный разрез другого варианта конструкции клапана с выполнением некоторых его элементов отдельными деталями в закрытом положении.
На фиг.3 показан вариант клапана с перепускными каналами переключателя, обеспечивающими различный коэффициент расхода в зависимости от направления потока буровой жидкости.
Конструктивно клапан включает соосные между собой систему корпуса и систему поршня.
В варианте, указанном на фиг.1, система корпуса включает патрубок 1 корпуса с присоединительными резьбами 2 и 3 на концах и радиальными каналами 4 с фильтрами 5, сообщающими полость 16 внутри системы корпуса с затрубным пространством 27, гильзу 6 (как часть патрубка 1 корпуса) дифференциального гидроцилиндра, нижний и верхний ограничители осевого хода системы поршня соответственно 7 (уступ 7) и 8 (упорное кольцо 8), замыкатель клапана 9 (часть патрубка 1) с уплотнением 10, расположенным в канавке 11.
Система поршня включает поршень 12 гидроцилиндра с уплотнением 14, имеющий наружный диаметр на входе D и центральный проточный канал 13 диаметром d, нижерасположенный, скрепленный с поршнем 12 переключатель 25 клапана с радиальными перепускными каналами 15, сообщающими центральный проточный канал 13 с полостью 16 внутри системы корпуса и, следовательно, с радиальными отверстиями 4 и затрубным пространством 27, пружину сжатия 17 с упорными регулировочными кольцами 18 и 19, удерживающую поршень в верхнем положении с упором в верхний ограничитель 8 осевого хода системы поршня.
Пружина сжатия 17 с регулировочными кольцами 18 и 19 расположена в расточке 20 патрубка 1 корпуса между уступом 21 системы корпуса и торцом 22 системы поршня. Система поршня может быть снабжена стабилизатором устойчивости 23 пружины. Гильза 6 и поршень 12 образуют силовой гидроцилиндр с функциональной возможностью перемещения системы поршня вниз по ходу потока под действием на поршень 12 перепада давлений 28-29 (см. фиг.2). Преодолев сопротивление пружины 17, клапан золотникового типа перейдет в положение, когда переключатель клапана 25 расположится в его замыкателе 9, перепускные каналы 15 будут гидравлически заблокированы.
На фиг.2 показан продольный разрез другого варианта конструкции клапана, в котором гильза 6, нижний ограничитель хода 7 и цилиндрический замыкатель клапана 9 с канавкой 11 уплотнения 10 выполнены в виде отдельной вставки, плотно скрепленной с патрубком 1 корпуса, например, на прессовой посадке. Причем часть радиальных каналов 4 выполнена во вставке. Дополнительным фиксирующим средством упомянутой вставки в патрубке 1 является ограничитель хода 8 вверх. Отличие вариантов обусловлено оптимизацией технологии изготовления элементов системы корпуса, а именно наличием заготовок стандартизованного проката, металлообрабатывающего оборудования, не изменяет сущности изобретения и поэтому не может являться отдельным изобретением.
На фиг.2 изображен клапан в закрытом положении. Поршень 12 с переключателем 25 и стабилизатором 23 находятся в нижнем положении с упором в нижний ограничитель 7, при этом перепускные каналы 15 заблокированы (перекрыты) замыкателем 9. Кроме того, пружина 17 дополнительно защищена (экранирована от внутритрубного пространства) стабилизатором 23.
На фиг.3 показан целесообразный вариант исполнения формы радиального перепускного канала 15 переключателя 25 клапана. Канал сужается вдоль его оси 24 в направлении от кольцевой полости 16 к центральному проточному каналу 13 системы поршня. Такая форма канала позволяет иметь повышенный коэффициент расхода при движении жидкости в направлении к центральному проточному каналу 13.
Переливной клапан устанавливается над двигателем. Обычно применяется следующая компоновка низа бурильной колонны: долото - забойный двигатель - шламоуловитель - обратный клапан - переливной клапан нормально открытого типа - бурильные трубы.
Работает клапан следующим образом.
При спуске бурильной колонны буровая жидкость перетекает из затрубного пространства 27 через радиальные каналы 4 (см. фиг.1), полость 16 внутри системы корпуса, радиальные перепускные каналы 15 переключателя 25 клапана, центральный проточный канал 13 в вышерасположенные бурильные трубы (не показаны) и заполняет внутритрубное пространство 30. Ускорению процесса перетекания способствует сужающаяся форма каналов 15 (см. фиг.3), что исключает «всплывание» (отставание заполнения буровой жидкостью бурильных труб) и способствует увеличению скорости спуска.
При включении насосов и подаче бурового раствора в колонну бурильных труб буровая жидкость интенсивно протекает через каналы 15, вследствие чего возникает перепад давлений 28-29 (см. фиг.2). Указанный перепад давлений на поршне 12 создает соответствующее усилие, действующее вниз, которое преодолевает сопротивление пружины и сдвигает систему поршня вниз до упора в ограничитель 7. Переключатель 25 клапана входит в замыкатель 9 клапана, который блокирует перепускные каналы 15. То есть клапан закрывается. Буровая жидкость далее направляется в двигатель, долото (не показаны) и далее в затрубное пространство 27.
Для описанного закрытия клапана не требуется уменьшения диаметра d центрального канала 13 (усилие на поршень 12 создается за счет перепада в перепускных каналах 15). Как следствие этого, снижаются затраты давления на прохождение жидкости через клапан при бурении.
Пока имеет место циркуляция, давление 28 на поршень 12 сверху превышает давление 29 на поршень снизу (см. фиг.2) на величину давления, срабатываемого в двигателе и долоте, вследствие чего возникает гарантированное усилие, направленное вниз и удерживающее клапан в закрытом положении.
Основным отличием работы клапана согласно изобретению является то, что пружина 17 при бурении (циркуляции) сохраняет свои упругие свойства благодаря ее изоляции от воздействия потока буровой жидкости, содержащей абразивные частицы выбуренной породы.
По окончании циркуляции, при смене долота или наращивании бурильной колонны усилие пружины 17 сдвигает систему поршня вверх до ограничителя 8, происходит открытие клапана и соответственно сообщение затрубного и внутритрубного пространств (см. фиг.1). Так как место расположения пружины 17 свободно от шлама, ее заклинивание шламом исключено, и открытие клапана не осложнено.
При подъеме бурильной колонны, заполненной жидкостью, благодаря надежному открытию клапана обеспечивается своевременное опорожнение той части бурильных труб, которая отсоединяется от бурильной колонны, то есть предотвращается сифон (выброс буровой жидкости при отсоединении труб в буровой).
Клапан согласно изобретению имеет высокий срок службы, обеспечивается долговечность его пружины, что позволяет уменьшить затраты на ремонт, гарантировать надежное открытие и закрытие переливного клапана в процессе бурения и, как следствие, повысить показатели бурения в целом.