КЛАПАН ПЕРЕПУСКНОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ
CONTROLLED BYPASS VALVE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к перепускным клапанам для управления системой включения якоря клина-отклонителя гидравлического.
Оно может быть использовано в системе клина-отклонителя, закрепляемого постоянно или временно на стенках обсадных труб, при бурении вторых (боковых) стволов или многоствольных скважин.
Известно устройство - клапан (а.с. №571649, МПК F16K 17/04 от 13.03.75 г.), содержащее корпус с входной и выходной полостями сливными, в котором размещен запорный орган, выполненный в виде плунжера, один торец которого посредством тарелки, гайки и регулировочного винта нагружен пружиной, а другой снабжен штоком с буртом. Бурт штока взаимодействует с шайбой, имеющей амортизатор, свободно насаженной на шток и нагруженной пружиной, помещенной в стакан, ввинченный в корпус клапана. Упор снабжен амортизатором и размещен в стакане, ввинченном в другой стакан. Ввинчиванием стакана осуществляется изменение затяжки пружины, второго стакана, регулировка зазора между буртом и шайбой. Упором регулируется величина перекрытия прохода рабочей кромкой запорного органа. Входная полость и полость упругого ограничения хода сообщены каналом с регулируемым дросселем.
Недостатки устройства:
- отсутствует возможность перепуска жидкости в закорпусное пространство;
- конструкция ограничена однонаправленностью потока жидкости, что существенно сужает возможности ее применения;
- усложнение конструкции дополнительно упругим элементом (второй пружиной), стаканом (вторым) с плавающей шайбой значительно повышает ее стоимость при малом техническом эффекте.
В качестве прототипа выбрано устройство - клапан переливной управляемый (пат. США №20060225885, №7357198, МПК Е21В 34/10, опубл. 12.11.2006 г.) как наиболее близкое заявляемому по назначению и положительному эффекту. Оно содержит корпус, поршень, пружину, стаканы и заглушки в поршне, верхний и нижний переводники, сквозные отверстия в корпусе, в стакане и в поршне в радиальном и осевом направлениях, фигурный паз управляемый вокруг оси поршня и штифт, установленный в фигурном пазу управляемом на поверхности поршня, подшипник и форсунка, размещенная в поршне, штифты и пазы в корпусе, удерживающие штифты, закрепляющие стакан в корпусе.
Размещение поршня большой протяженности усложняет конструкцию устройства, т.к. размещение потребовало более жесткого закрепления стаканов (нижнего и верхнего) и в связи с этим - использование дополнительно закрепляющих стаканы элементов - нескольких штифтов и сквозных пазов в корпусе под штифты, что усложнило конструкцию элементов и их связь, что снизило прочность корпуса и срок службы штифтов из-за агрессивного стравливающего воздействия бурового раствора на штифты в процессе эксплуатации устройства и угрозы срезания их под нагрузкой. Что, в свою очередь, снижает надежность управления клапаном перепускным. Установка пружины между корпусом и поршнем усложняет работу поршня, т.к. в процессе сжатия пружина давит на стенки полого поршня и деформирует поршень внутрь полости, создавая непрогнозируемые условия перепада давления жидкости в поршне, снижая надежность работы клапана.
Верхний переводник выполнен с полостью цилиндрической формы и диаметра, равного диаметру верхней части форсунки, что не гарантирует отсутствие возникновения гидравлического удара на форсунку, разрушения ее и усложняет регулирование заданного перепада давления в форсунке и в поршне. Размещение поршня для бесперебойной работы клапана большой протяженности в длине корпуса и фигурного паза управляемого, сосредоточенного в его центральной части, а также подпружинивание поршня, опирающегося на стаканы, имеющие в боковой нижней части малое сечение, ослабляет систему и не гарантирует незапланированное смятие нижнего стакана в процессе нагружения пружины при перемещении поршня вниз. Что может прервать работу клапана и нижней части компоновки (клина-отклонителя гидравлического, системы управления гидравлическим якорем) и следовательно снизить надежность работы клапана перепускного, его управляемость. Из-за наличия нескольких подшипников под пружиной в стакане повышается степень подвижности стакана, поршня и пружины в стакане, что усложняет процесс управления элементами клапана и системой якорения на стенках обсадной трубы. Поршень выполнен внизу с заглушкой, выполненной с двенадцатью отверстиями, что усложняет его конструкцию и ослабляет ее в связи с тем, что кроме этих отверстий в заглушке имеется несколько (семь) сквозных отверстий в нем в радиальном направлении. Что в значительной степени снижает надежность системы перепуска рабочей жидкости с заданным давлением. Выполнение фигурного паза по замкнутому контуру вокруг оси поршня и выполняющего чисто механическую функцию - бесконечное циклическое зигзагообразное движение штифта, возвратно-поступательное движение под действием нагрузки на поршень, а штифта как ограничителя перемещения поршня, значительно снижает надежность управления системой клапана из-за сложности соблюдения создания условий перепуска бурового раствора в заданном временном интервале и создании заданного уровня давления при этом, т.к. сложно обеспечить фиксацию требуемого положения отверстий в процессе эксплуатации клапана.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности управления клапаном перепускным, находящимся в составе скважинной компоновки с клином-отклонителем гидравлическим и якорной системой закрепления на стенках обсадной трубы.
Технический результат направлен на разработку клапана перепускного управляемого с повышенной надежностью в эксплуатации при работе буровой компоновки с использованием клина-отклонителя гидравлического, закрепляемого на стенках обсадной трубы.
Технический результат достигается тем, что клапан перепускной управляемый, содержащий 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, согласно изобретению верхний переводник выполнен с полостью переменного сечения: коническая часть переходит в цилиндрическую, полый корпус 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, соответствующим 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 закреплен 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.
Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показал, что заявляемое устройство существенно отличается наличием новых элементов, взаимосвязанностью элементов и их размещением относительно друг друга. Поршень в заявляемом устройстве клапана размещен компактно в корпусе в верхней части и частично - в стакане - в верхней его части и выполнен Т-образной формы, горизонтальная составляющая, которая имея выступы, перемещает поршень по продольным пазам выполненным на внутренней поверхности корпуса, как направляющая и упор, что усиливает надежность срабатывания его перемещения в начальный период времени. Усилен этот эффект тем, что верхний переходник имеет полость переменного сечения - коническая часть переходит в цилиндрическую, не позволяя за счет этого допускать гидравлический удар на форсунку, разрушительно действующий на форсунку и снижающий управляемость заданной величиной перепада давления в форсунке и в поршне. Пружина и поршень размещены в стакане по протяженности таким образом, чтобы обеспечить надежное воздействие на них стакана (а не стаканов - как в прототипе), как направляющего, усиленного, к тому же, по прочности тем, что он имеет толщину одинаковую по всей длине, входит плотно в корпус, и тем самым «удваивая» свою толщину, с минимально допустимым зазором, что обеспечивает возможность его вращения. За счет выступов в горизонтальной составляющей Т-образного поршня теряется актуальность наличия отдельного элемента (штифта - в прототипе) для ограничения перемещения поршня в корпусе. К тому же выступы опираются на верхнюю торцевую поверхность стакана в крайнем нижнем положении поршня в процессе эксплуатации клапана, не ослабляя наличием сквозных пазов в корпусе как в прототипе. В отличие от прототипа, выполненного с многочисленными отверстиями и заглушкой, заявляемый поршень выполнен со сквозной полостью вдоль оси под сопла. Фигурный паз управляемый в заявляемом устройстве выполнен кодовым, т.е. управляемым автоматически, что повышает надежность клапаном. Он имеет конечную проекцию паза на плоскость, тем самым исключается самопроизвольное перекрытие истечения бурового раствора через вертикальные эксцентричные отверстия, позволяя тем самым повысить надежность управления клапаном и компоновкой в целом для фиксации якоря клина-отклонителя на обсадной трубе и охлаждения фрезерующего инструмента, Это необходимо и для реализации соответствия соосности и открытия всех радиальных сквозных отверстий или эксцентричных отверстий (в корпусе, в стакане, в заглушках) в заданный момент времени или их закрытия, что определяется работой телесистемы ориентирования компоновки (не показано), размещенной в верхней части компоновки - над клапаном. При этом штифт, входящий в фигурный кодовый паз, надежно закреплен в стакане резьбой и легко, без заеданий, перемещается по пазу в процессе эксплуатации клапана, согласно коду, за счет его гладкой поверхности, снижающей коэффициент трения. При заявленном размещении поршня и пружины в стакане значительно повышается надежность эксплуатации клапана в целом при значительно меньшем количестве элементов. Достаточно одного подшипника, установленного между нижним торцом поршня и верхним торцом пружины, и вращающегося стакана со штифтом в нем, чтобы обеспечить соосность отверстий и гарантированно обеспечить прохождение рабочей жидкости через радиальные отверстия корпуса - стакана перепускной (первой) заглушки, или через эксцентрично размещенное сквозное отверстие в перепускной заглушке, жестко связанной с перемещающимся стаканом, и в заглушке (второй) сливной, размещенной под перепускной заглушкой, жестко закрепленной в корпусе над нижним переходником. Заглушки и сквозные отверстия в них повышают надежность срабатывания системы «открыто-закрыто» и повышают управляемость перепускного клапана. При этом они усиливают конструкцию и повышают ремонтопригодность тем, что размещены внизу в стакане и под ним, и в виде элементов, легко заменяемых в случае необходимости, а также сохраняют целостность (опосредованно) вышерасположенных элементов. В отличие от прототипа, который использует многочисленные штифты для закрепления элементов и многочисленные пазы, что ослабляет систему контроля и управления работой клапана, усложняя конструкцию.
На фиг. 1 схематично показано устройство, разрез.
На фиг. 2 представлена заглушка перепускная, аксонометрия.
На фиг. 3 представлена заглушка сливная, аксонометрия.
На фиг. 4 представлено сечение А-А фиг. 1 в исходном положении.
На фиг. 5 представлено сечение А-А фиг. 1 в завершающей стадии работы клапана.
Устройство содержит: полый корпус 1 цилиндрической формы со сквозным радиальным отверстием 2 в нижней части; кольцевой упор 3 для удержания верхнего переводника; кольцевой упор 4 для ограничения перемещения поршня; продольные пазы 5, 6; кольцевой упор 7 для посадки заглушки сливной и удержания ее над нижним переводником в нижней части корпуса; верхний переводник 8 выполнен с полостью вдоль оси переменного сечения: верхняя часть полости 9 - усеченный конус, меньшим основанием вниз, переходящий в цилиндр 10. Внешняя поверхность переводника 8 цилиндрической формы выполнена с ответным выступом 11, соответственно кольцевому упору 3 и с кольцевой канавкой 12 для установки уплотнительного кольца 13; в корпусе вдоль оси размещен направляющий элемент 14 в виде стакана для соблюдения соосности перемещения поршня и пружины в корпусе и ограничения перемещения поршня. Стакан выполнен внизу со сквозным радиальным отверстием 15, диаметр которого равен диаметру сквозного радиального отверстия 2 в корпусе и соосен ему. Направляющий элемент 14 - стакан в нижней части жестко закреплен с полым элементом 16, выполняющим функции: заглушки первой - в стакане 14 - как перепускного элемента для бурового раствора из основной осевой полости 17, выполненной вдоль оси по центру, в радиальное (боковое) сквозное отверстие 18 при подаче раствора из корпуса наружу или из сквозного вертикального отверстия 19, эксцентрично размещенного в этой заглушке, относительно сквозного отверстия 20 в заглушке второй 21, выполняющей функцию как элемента для слива (заглушка сливная) бурового раствора из полости корпуса вниз через сквозные отверстия 19 и 20, когда они соосны. Вторая заглушка выполнена с двумя выступами на ней 22 для предотвращения проворота. В верхней части стакана выполнено сквозное резьбовое отверстие 23, в которое вставлен штифт направляющий 24 цилиндрической формы переменного сечения: с большим сечением 25, выполненным с резьбой, а с меньшим сечением 26 - с гладкой поверхностью. Полый поршень 27 выполнен Т-образной формы, горизонтальная составляющая 28 выполнена вверху с двумя выступами 29, 30 с внешней стороны, а вертикальная составляющая выполнена с пазом 31 для уплотнительного кольца 32 и фигурным кодовым управляемым пазом 33 с конечной проекцией паза на плоскость. В полости поршня закреплено резьбовым соединением (не показано) сопло 34. Пружину 35 спиральную закрепляют на элементе 16 внизу, а на верхнем торце размещен подшипник 36, на который опирается поршень 14. Полый нижний переводник 37, закрепленный в корпусе 1, плотно установлен под элементом 21 (фиг. 3) - заглушкой сливной.
Устройство работает следующим образом.
Устанавливают клапан перепускной управляемый в колонну труб согласно скважинной компоновки на поверхности скважины. Клапан перепускной (фиг. 1) крепится к верхней части компоновки колонны с помощью резьбового переводника верхнего 8, а к нижней части компоновки колонны - с помощью переводника нижнего 37. Внутрь стакана 14 устанавливают первую заглушку - перепускную 16 (фиг. 2), которую приваривают по наружному диаметру бурта этой заглушки к торцу стакана 14. В заглушке перепускной 16 выполнены осевое отверстие 17, радиальное отверстие 18 и вертикальное сквозное эксцентричное отверстие 19. Внутри стакана устанавливают пружину 35, которая затем имеет контакт без скольжения по верхнему торцу заглушки 16 и скользящий контакт относительно поршня 27 по поверхности подшипника 36. Контакт с подшипником торцевым сферическим снижает возможность заедания или затирания в зоне контакта торца пружины 35 с поршнем 27, обеспечивая плавное и качественное скольжение за счет торцевого подшипника. Внутрь стакана с открытого торца вводят поршень 27, который фиксируется штифтом направляющим 24 через стенку стакана 14 в фигурном кодовом пазу 33, выполненном на наружной поверхности вдоль поршня 27. При этом фигурный кодовый паз 33 является кодовым направлением с конечной прокцией паза на плоскость для штифта направляющего 24. Штифт направляющий 24, имея две цилиндрические наружные поверхности 25, 26, одну из которых с резьбой 25 вкручивают в стенку стакана 14, а вторую - гладкую 26, располагают внутри фигурного кодового паза 24 поршня 27. На гладкую цилиндрическую поверхность 26 наносят при необходимости противозадирное покрытие, например дисульфида молибдена. Предварительно в поршень 27 вкручивают сопло 34 с внутренним диаметром, соответствующим расчетному расходу бурового раствора (рабочей жидкости), требуемого для переключения клапана. В канавку заглушки сливной 21 устанавливают уплотнительное кольцо, затем устанавливают заглушку 21 в корпус 1. На переводник нижний 37 устанавливают в канавку уплотнительное кольцо (не показано) и прикручивают корпус 1 с установленной заглушкой сливной. В канавку на наружной поверхности стакана 14 устанавливают уплотнительное кольцо (не показаны). Затем внутрь корпуса 1 устанавливают собранные вместе стакан 14 с пружиной 35 и поршнем 37. При установке выступы 29, 30 поршня располагаются в продольных пазах 5, 6 корпуса 1. После этого в канавку 12 переводника верхнего 8 устанавливают уплотнительное кольцо 13, затем его вкручивают в верхнюю часть корпуса 1, тем самым ограничивая выход вверх поршня 27. В стакане 14 выполнено отверстие с резьбой 23 для установки в нем штифта управляющего 24 таким образом, что оно находится в одной плоскости с отверстием 2. В этой же плоскости открыто совместное отверстие 15 в стакане 14 и заглушке перепускной 16. В торце перепускной заглушки 16 выполнено сквозное вертикальное эксцентричное отверстие 19. В исходном положении (фиг. 4) отверстие 19 не совпадает с отверстием 20 второй заглушки - сливной 21 на величину расчетного угла α. Таким образом перекрыт прямой (эксцентричный) проход для бурового раствора (рабочей жидкости). Заглушка сливная 21 имеет два выступа 22 (фиг. 3), которые входят в соответствующие два паза (не показаны) корпуса 1, что определяет фиксированное угловое положение отверстия 20 относительно корпуса 1 клапана на угол β. В процессе работы клапана осуществляется скольжение заглушки перепускной 16 по заглушке сливной 21 торцевыми поверхностями, при этом скольжение может выполняться как без нанесения специальных покрытий (с полированной поверхностью например), так и с нанесением покрытия, например дисульфида молибдена, на контактную поверхность заглушки сливной 21. Нанесение покрытия повышает качество скольжения за счет малого коэффициента трения поверхности, обеспечивающего ей антифрикционные свойства и гарантирует отсутствие заедания в паре трения металл по металлу.
Переключение клапана осуществляют подачей расчетного расхода бурового раствора (рабочей жидкости) на поршень 27 с соплом 34 за счет создания разности давления, действующего на поршень 27 и давления внутри стакана 14 с учетом бокового истечения жидкости через отверстие 2. В заданный момент времени расход повышают до расчетного значения. Поршень перемещается вниз в результате разности давлений. При этом происходит вращение стакана 14 за счет перемещения штифта направляющего 24 по фигурному кодовому пазу 33 управляемому. При этом боковое отверстие 2 занимает промежуточное положение относительно паза, а отверстие 15 занимает промежуточное положение на угол γ относительно отверстия 19 (фиг. 4). Затем подачу бурового раствора в клапан останавливают. Под действием силы сжатой пружины 35 поршень 27 перемещается в верхнее положение. Одновременно завершается вращательное движение стакана 14. Боковое отверстие 15 выходит за пределы длины паза 2, оказываясь закрытым для бокового истечения бурового раствора. При этом вертикальное сквозное эксцентричное отверстие 19 располагается напротив вертикального сквозного эксцентричного отверстия 20 соосно (фиг. 5), открывая проход для прямого течения бурового раствора вниз. При последующей подаче буровой раствор проходит через клапан 1-37 и активирует систему якорения клина-отклонителя гидравлического (не показано) для последующего фрезерования бокового окна в обсадной колонне.
Затем с помощью телесистемы (не показано) выполняют ориентацию подвески нецементируемого хвостовика или клинового отклонителя гидравлического многоствольного. Клапаном переключают направление потока промывочной жидкости (бурового раствора) в нижерасположенное оборудование. Производят крепление хвостовика или клинового отклонителя гидравлического на стенках обсадной трубы. Причем вначале перед запуском бурового раствора радиальные отверстия должны быть открыты для того, чтобы избежать наличие воздушной пробки после запуска в компоновку бурового раствора.
Преимущества заявляемого устройства по сравнению с прототипом:
- устройство более просто в компоновке и следовательно менее металлоемко;
- устройство позволяет повысить надежность управления системой клапана и заякоривания нижерасположенных составляющих компоновки для многоствольного бурения с использованием клина-отклонителя за счет оптимизации взаимосвязи элементов и их взаимодействия в процессе эксплуатации клапана перепускного.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №571649, МПК F16K 17/04 от 13.03.75 г.
2. Патент США №20060225885, №7357198, МПК Е21В 34/10, опубл. 12.11.2006 г.