СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОШИБОЧНОГО ОТКРЫТИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА ДЛЯ БУРОВОГО РАСТВОРА
METHOD AND DEVICE FOR PREVENTING ERRONEOUS SAFETY VALVE OPENING FOR DRILLING FLUID

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения ошибочного открытия основного предохранительного клапана для бурового раствора. Точнее говоря, обеспечен способ предотвращения ошибочного открытия основного предохранительного клапана в системе циркуляции бурового раствора, причем данная система циркуляции бурового раствора включает в себя буровой насос.
Изобретение относится также к устройству для реализации данного способа.
Как известно, в буровых установках системы циркуляции бурового раствора обычно содержат буровой насос, демпфер пульсаций и предохранительный клапан, называемый в дальнейшем «основным предохранительным клапаном». Главный насос обычно представляет собой трехцилиндровый насос. Насос этого типа подает поток с расходом, который далек от постоянного и колеблется в результате: i) переменной скорости поршня, так как насос приводится в действие коленчатым валом, ii) сжимаемости бурового раствора и iii) инерции клапана и текучей среды. Поэтому в систему входит демпфер пульсаций для выравнивания расхода потока и сглаживания получаемых флуктуации давления. Основной предохранительный клапан может представлять собой конструкцию, известную в данной отрасли под названием «выпускной клапан», или разрывную мембрану. Известны также другие типы предохранительных клапанов.
Основной предохранительный клапан является предохранительным клапаном, который предназначен для предотвращения создания избыточного давления и возможных опасностей в том случае, когда давление насоса превышает допустимый предел давления для системы. Обычно так называемое давление срабатывания, при котором основной предохранительный клапан переключается из закрытого состояния в открытое, устанавливают немного выше, чем давление в системе, которое обычно составляет 5000 фунтов на квадратный дюйм (345 бар).
В данной отрасли хорошо известна проблема, заключающаяся в том, что основной предохранительный клапан часто срабатывает, хотя зарегистрированный уровень давления не достигает номинального уровня давления для срабатывания.
Срабатывание основного предохранительного клапана вызывает дорогостоящее и крайне нежелательное нарушение бурового процесса, как из-за того, что требуется время на установку новой разрывной мембраны или перенастройку предохранительного клапана, который может перенастраиваться, так и из-за того, что скважина может быть повреждена за длительные периоды времени без циркуляции бурового раствора. Для снижения риска срабатывания основного предохранительного клапана можно снизить максимальное рабочее давление, например, до 80% от предельного давления в системе. Это также дорогостоящее решение, поскольку расход и давление потока часто являются ограничивающим фактором, который может приводить к более медленному бурению и даже создавать проблемы устойчивости скважины. Противоположное решение по повышению номинального давления срабатывания для компенсации эффекта динамики также крайне нежелательно, так как может приводить к повреждению других компонентов системы циркуляции бурового раствора. Может быть даже незаконным повышение номинального давления срабатывания предохранительного клапана больше, чем на несколько процентов выше допустимого давления в системе.
Целью настоящего изобретения является устранение или снижение, по меньшей мере, одного из недостатков технических решений, известных из уровня техники.
Данная цель заявленного изобретения достигается за счет признаков, раскрытых в нижеследующем описании и в пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту заявленного изобретения обеспечен способ предотвращения открытия основного предохранительного клапана в системе циркуляции бурового раствора при давлении, которое ниже номинального давления открытия, причем система циркуляции бурового раствора содержит буровой насос, при этом способ включает в себя следующие действия:
- устанавливают дроссель между буровым насосом и основным предохранительным клапаном; и
- обеспечивают полость между дросселем и основным предохранительным клапаном.
Изучение указанной проблемы в полевых условиях показало, что причиной срабатывания основного предохранительного клапана при давлении, которое ниже номинального давления открытия, наиболее вероятно являются относительно большие флуктуации давления в сбросной линии. Несмотря на демпфирующее действие демпфера пульсаций, в напорной трубе между насосом и демпфером существуют значительные остаточные флуктуации давления. Сама сбросная линия представляет собой гидравлический резонатор, который может значительно усиливать эти остаточные флуктуации на частотах, близких к резонансным частотам. Это объяснение подтверждается специальными измерениями давления непосредственно перед основным предохранительным клапаном, которые показывают, что пиковое динамическое давление может иногда превышать 115% среднего давления.
Эти флуктуации давления могут приводить к нежелательным срабатываниям основного предохранительного клапана, как из-за того, что пиковое давление в действительности выше, чем это видно на стандартных датчиках давления, так и потому, что они могут приводить к усталости и снижению реального давления срабатывания. Это явление усталости особенно существенно, если основной предохранительный клапан выполнен в виде разрывной мембраны.
Так, было установлено, что открытие основного предохранительного клапана связано с изменением давления на высоких частотах, обычно - в области 40 Гц. Как показали измерения, флуктуации давления на этой частоте составляют до 40 бар. Такие флуктуации накладываются на среднее давление, и похоже, что это они вызывают срабатывание основного предохранительного клапана при давлении ниже, чем номинальное давление открытия.
Представляется, что высокочастотные компоненты флуктуации создаются буровыми насосами и связаны с действием насосного клапана. Как сжимаемость бурового раствора, так и инерция насосного клапана имеют тенденцию вызывать внезапные изменения расхода потока насоса, когда выпускные насосные клапаны открываются и закрываются. Изменения порождают импульс давления, который усиливается на частотах, близких к резонансным частотам закрытой линии основного предохранительного клапана.
Благодаря установке дросселя между буровым насосом и основным предохранительным клапаном в комбинации с полостью между дросселем и основным предохранительным клапаном эти высокочастотные флуктуации давления демпфируются. Теперь действующее на основной предохранительный клапан давление является средним рабочим давлением в системе циркуляции бурового раствора. Соотношение между размером дросселя и объемом полости должно быть рассчитано в соответствии с известными принципами, или оно должно быть найдено экспериментальным путем при испытаниях различных соотношений размер/объем.
Дроссель может быть выполнен в виде трубки, имеющей диаметр намного меньше, чем, так называемый, определяющий размер полости, - например, меньше кубического корня от полости, - и длину намного больше данного диаметра дросселя.
Этот дроссель может быть выполнен в виде отверстия в пластине, причем диаметр отверстия намного меньше, чем определяющий размер полости.
Способ может содержать установку второго предохранительного клапана параллельно дросселю, причем, предпочтительно, второй предохранительный клапан имеет более низкое номинальное давление срабатывания, чем основной предохранительный клапан.
В нормальном режиме этот второй предохранительный клапан подвергается воздействию только динамической разности давлений, так как с одной стороны на него действует давление от бурового насоса, а с другой стороны - сглаженное давление от полости.
Если основной предохранительный клапан срабатывает, то второй предохранительный клапан испытывает воздействие полной разности давлений и также срабатывает, если давление все еще слишком велико.
Согласно второму аспекту заявленного изобретения, обеспечено устройство для предотвращения открытия основного предохранительного клапана в системе циркуляции бурового раствора при давлении ниже, чем номинальное давления открытия, причем система циркуляции бурового раствора содержит буровой насос, в котором между буровым насосом и основным предохранительным клапаном установлен дроссель и предусмотрена полость между данным дросселем и основным предохранительным клапаном.
Второй предохранительный клапан может быть установлен параллельно дросселю.
Дроссель может быть предусмотрен во втором предохранительном клапане. Таким образом, дроссель и второй предохранительный клапан могут образовывать единый блок.
Второй предохранительный клапан может быть выполнен в виде разрывной мембраны. Разрывная мембрана может быть оснащена одним или более дросселями.
В реализации изобретения на практике основной предохранительный клапан, дроссель, второй предохранительный клапан и полость могут быть выполнены в виде единого компактного блока, пригодного для установки в системе циркуляции бурового раствора.
Способ и устройство согласно заявленному изобретению позволяют решить давно назревшую проблему ошибочного открытия основного предохранительного клапана в системе циркуляции бурового раствора.
Далее поясняется пример предпочтительного способа и устройства со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 показана принципиальная схема части системы циркуляции бурового раствора, в которой расположен дроссель согласно заявленному изобретению;
на фиг.2 показан пример исполнения, в котором дроссель расположен во втором предохранительном клапане; и
на фиг.3 в увеличенном масштабе представлен фрагмент фиг.2.
На чертежах номером позиции 1 обозначена часть системы циркуляции бурового раствора, содержащая буровой насос 2, который всасывает буровой раствор из резервуара 4 и подает его через напорную трубу 6 в так называемый буровой стояк 8. С напорной трубой 6 соединен демпфер 10 пульсаций. Основной предохранительный клапан 12 соединен с напорной трубой 6 посредством так называемой сбросной линии 14. В данном примере выполнения основной предохранительный клапан является выпускным клапаном. Однако в других вариантах реализации предохранительный клапан 12 может представлять собой разрывную мембрану или другой подходящий клапан.
Согласно настоящему изобретению между буровым насосом 2 и основным предохранительным клапаном 12 или, более точно, между напорной трубой 6 и основным предохранительным клапаном 12 предусмотрен дроссель 16.
Второй предохранительный клапан 18, который может быть такого же типа, как и основной предохранительный клапан 12, установлен параллельно дросселю 16. Полость 20 в сбросной линии 14 ограничена между основным предохранительным клапаном 12 и вторым предохранительным клапаном 18. Полость 20 сообщается с напорной трубой 6 через дроссель 16.
Второй предохранительный клапан 18, предпочтительно, установлен на открытие при приблизительно таком же или немного более низком давлении, чем основной предохранительный клапан 12.
Как было указано в обобщающей части описания, полость 20 должна быть определена по отношению к размеру дросселя 16 в соответствии с хорошо известными принципами, чтобы демпфировать динамическое частотное давление на действующих частотах.
При выполнении этого условия при работе бурового насоса 2 высокочастотные компоненты флуктуации давления демпфируются в демпфирующей системе дроссель 16/полость 20. Таким образом, основной предохранительный клапан 12 подвергается только среднему давлению, присутствующему в полости 20.
Второй предохранительный клапан 18 получает давление от бурового насоса 2, действующее со стороны, обращенной к напорной трубе 6, тогда как среднее давление действует со стороны второго предохранительного клапана 18, обращенной к полости 20. В результате давление на втором предохранительном клапане 18 равно динамическим флуктуациям давления в напорной трубе 6 в нормальном режиме с нулевой средней величиной.
Если среднее давление превышает давление срабатывания основного предохранительного клапана 12, то он открывается. После этого, поскольку поток через дроссель 16 мал по сравнению с потоком через основной предохранительный клапан 12, давление на втором предохранительном клапане 18 будет равно полному давлению от бурового насоса 2. При этом второй предохранительный клапан 18 также откроется, если высокое среднее давление все еще присутствует. Для обеспечения срабатывания второго предохранительного клапана 18 давление его срабатывания может быть немного ниже, чем давление срабатывания основного предохранительного клапана 12.
В альтернативном варианте реализации, показанном на фиг.2, чувствительный к давлению элемент второго предохранительного клапана 18 выполнен в виде разрывной мембраны 22. Дроссель 16 встроен в разрывную мембрану 22, как показано на фиг.3. За исключением того, что в этом варианте реализации второй предохранительный клапан 18 выполнен в виде разрывной мембраны, а не выпускного клапана, система 1 циркуляции бурового раствора и ее действие такие же, как было раскрыто выше.