КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ
VALVE UNIT OF DRILLING COLUMN

Изобретение относится к области буровой техники и предназначено для гидравлического сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спускоподъемных операциях и для разобщения этих пространств в условиях бурения, в том числе и на пониженном расходе бурового раствора (жидкости). При пониженных расходах бурового раствора и в случае промывки скважины в начальный период на малом расходе бурового раствора, что иногда требуется по регламенту ведения буровых работ, клапан переливной не закрывается, и раствор поступает через радиальные каналы в затрубье, приводя к промыву деталей и выходу устройства из строя.
Известно скважинное клапанное устройство (Патент RU №2150575, МПК E21B 34/06, опубл. 10.06.2000), включающее корпус с седлом и радиальными отверстиями, подвижную втулку с обратным клапаном, наружная поверхность верхней части подвижной втулки выполнена в виде усеченного конуса, которая с седлом корпуса образует клапанную пару, а обратный клапан в виде клапана золотникового типа с радиальными отверстиями и пробкой размещен во внутренней полости подвижной втулки и подпружинен относительно подвижной втулки, при этом подвижная втулка и обратный клапан выполнены с возможностью их перемещения до посадки подвижной втулки на седло корпуса и последующего открытия радиальных отверстий обратного клапана при повышении давления жидкости. После пуска в работу электронасоса под клапаном и подвижной втулкой повышается давление, обусловленное начальной нагрузкой сжатия пружины. После достижения необходимого перепада давления подвижная втулка с обратным клапаном перемещается вверх и садится кромку седла. Дальнейшее возрастание давления жидкости приводит к дополнительному сжатию пружины и открытию радиальных отверстий обратного клапана. После этого жидкость через радиальные отверстия поступает в колонну НКТ. Втулка с конической частью обеспечивает герметичность. Кроме того, по мере возрастания напора для подъема жидкости в колонне НКТ (что сопровождается снижением уровня жидкости в затрубном пространстве скважины) повышается восходящая осевая нагрузка, действующая на втулку в результате увеличения разности давлений под втулкой и над ее конической поверхностью, находящейся под седлом. После остановки электронасоса давление под обратный клапан снизится, пружина опустит пробку до втулки и закроются радиальные отверстия. Под действием обратного потока жидкости втулка с обратным клапаном опустится в нижнее положение до ограничителя наконечника. При этом втулка и пробка обратного клапана находится ниже радиальных отверстий корпуса и тем самым обеспечивается максимальная сообщаемость центрального проходного сечения клапана с радиальными отверстиями.
Недостатком известной конструкции является быстрый износ и нестабильное закрытие клапана при циркуляции промывочной жидкости при заторможенном роторе, при шламовании двигателя или в случае его "прихвата" в скважине.
Известен переливной клапан фирмы «Dyna-Drill» (см. книгу Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. «Винтовые забойные двигатели», том 2, М., ООО «ИРЦ Газпром» 2007 г., стр. 95, рис. 3.34). Переливной клапан содержит полый корпус с боковыми отверстиями, поршень, перемещающийся в корпусе, пружину, седло, упор, уплотнения и манжету, установленную на наружной поверхности поршня.
При спускоподъемных операциях перепад давления между затрубным пространством и внутренней полостью бурильных труб небольшой, поэтому поршень при помощи пружины удерживается в верхнем положении. Затрубное пространство через радиальные отверстия в корпусе и седле сообщается с внутренней полостью бурильной колонны. Происходит заполнение или опорожнение бурильной колонны. При наличии циркуляции бурового раствора внутри бурильной колонны поршень под давлением жидкости перемещается в нижнее положение и закрывает радиальные отверстия в седле, разделяя затрубное пространство от внутренней полости бурильных труб. Промывочная жидкость поступает в забойный механизм.
Недостатком известного клапана является то, что манжета установлена на наружной поверхности поршня, а поршень не имеет радиальных отверстий. Поэтому при спускоподъемных операциях манжета не находится в постоянном контакте и подвергается воздействию бурового раствора. Тем самым буровой раствор, перетекая из затрубного пространства вовнутрь бурильной колонны и обратно, засоряет посадочные поверхности седла и манжеты. Вследствие этого повышается абразивный износ манжеты, установленной на наружной поверхности поршня, и увеличивается размыв посадочных поверхностей поршня и седла.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является клапан переливной бурильной колонны (Патент RU №2204688, МПК E21B 21/10, опубл. 20.05.2003), который выбран в качестве прототипа. Он содержит корпус с резьбой на краях, полый поршень, седло и установленную между ними пружину, причем поршень размещен внутри седла и образует с ним клапанную ступенчатую пару, имеющую два пояса скольжения, при этом периметр уменьшенного пояса скольжения седла с нижней частью поршня составляет 0,33-0,77 от периметра увеличенного пояса скольжения седла с верхней частью поршня, а между корпусом и седлом имеется кольцевая щель, которая сообщена с полостью между седлом и поршнем радиальными отверстиями, верхний и нижний элементы бурильной колонны.
Недостатком и аналогов, и прототипа является неспособность их перекрывать внутреннее пространство от затрубного при пониженных расходах бурового раствора, и в случае промывки скважины на малом расходе бурового раствора, что иногда требуется по регламенту ведения буровых работ или другим причинам, клапан переливной не закрывается, и буровой раствор поступает через радиальные каналы в затрубное пространство, приводя к промыву деталей и выходу устройства из строя. Кроме того, при промывке скважины с открытым клапаном плохо очищается или совсем не очищается ствол скважины, находящийся ниже клапана, так как жидкость проходит через отверстия в клапане, а не через долото.
Технической задачей заявленного изобретения является создание клапанного устройства бурильной колонны для обеспечения надежного срабатывания его, быстрого и надежного разобщения внутреннего пространства с затрубным пространством при работе на малом расходе бурового раствора.
Техническая задача решается тем, что в клапанном устройстве бурильной колонны, содержащем элементы бурильной колонны и клапан переливной, включающий корпус, клапанную пару, состоящую из седла, установленного в корпусе, полого поршня, размещенного внутри седла, в которых выполнены радиальные отверстия, пружину, уплотнения, согласно изобретению в клапане переливном или элементах бурильной колонны, соединяющихся с клапаном переливным, установлен модуль, взаимодействующий с полым поршнем и уменьшающий или полностью перекрывающий проходное сечение полого поршня при подаче бурового раствора, когда внутренняя полость бурильной колонны сообщается с затрубным пространством.
Кроме того, согласно изобретению модуль выполнен с переменным сечением по оси.
Кроме того, согласно изобретению модуль выполнен подвижным.
Кроме того, согласно изобретению модуль выполнен плавающим в буровом растворе.
Кроме того, согласно изобретению модуль выполнен в полом поршне клапана переливного.
В предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, клапанное устройство бурильной колонны дополнительно содержит модуль, с возможностью фиксации модуля так, что обеспечивается надежное срабатывание клапанного устройства бурильной колонны при работе на малом расходе бурового раствора. Наличие модуля, перекрывающего большую часть центрального канала поршня, обеспечивает возникновение дополнительного избыточного перепада давления бурового раствора при подаче его в бурильную колонну, что приводит к перемещению поршня и перекрытию радиальных каналов в поршне даже при пониженном расходе. Снижается (исключается) вероятность несрабатывания клапана и промыва деталей, повышается надежность и продлевается срок службы устройства.
В предлагаемом изобретении модуль может быть выполнен с переменным сечением по оси, что обеспечивает снижение потерь при повышенном расходе. В отличие от прототипа, в устройстве установлен модуль, который может быть выполнен закрепленным не только в клапане переливном, но и в элементах бурильной колонны - нижнем или верхнем элементах, что обеспечивает возможность применения и существующих клапанов в новых условиях - условиях пониженного расхода жидкости. Модуль может быть изготовлен в элементах бурильной колонны - верхнем или нижнем, например, в частности, на расположенном в нижнем элементе фильтре, и присоединяться к клапану по нижней резьбе, соответственно, или верхней резьбе, при расположении модуля на верхнем элементе, что расширяет границу и позволяет выбрать вариант с наименьшими затратами, в зависимости от конкретных условий.
В предлагаемом изобретении модуль может быть выполнен подвижным, что обеспечивает снижение сопротивления жидкости при спуске бурильной колонны.
В предлагаемом изобретении модуль может быть выполнен плавающим в буровом растворе в случае неудовлетворительного опорожнения колонны бурильных труб при подъеме по причине, например, большой вязкости раствора.
В предлагаемом изобретении модуль может быть выполнен в полом поршне, что снижает вероятность шламования ГЗД.
Выполнение клапанного устройства бурильной колонны с модулем обеспечивает надежное срабатывание (закрытие) с герметичным разъединением внутреннего пространства бурильной колонны с затрубным пространством при работе на малом расходе жидкости.
На фиг. 1 представлен общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с модулем 15, установленным в корпусе 3 на резьбе 13 клапана переливного, с переменным сечением по оси, в транспортном положении.
На фиг. 2 представлен общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с модулем 15, установленным в корпусе 3 на резьбе 13 клапана переливного, с переменным сечением по оси, в рабочем положении.
На фиг. 3 представлен общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с модулем 15, расположенном в верхнем элементе 1 бурильной колонны, в транспортном положении.
На фиг. 4 показан общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с модулем 15, установленным в нижнем элементе 2 бурильной колонны, например на фильтре 19, в транспортном положении.
На фиг. 5 показан общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с подвижным модулем 15, установленным в верхнем элементе бурильной колонны 1, в транспортном положении.
На фиг. 6 представлен общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с плавающим модулем 15, в транспортном положении.
На фиг. 7 показан общий вид клапанного устройства бурильной колонны в продольном разрезе с модулем 15 в полом поршне 7 клапана.
Клапанное устройство бурильной колонны на фиг. 1 содержит верхний элемент 1 и нижний элемент 2 бурильной колонны, клапан переливной с корпусом 3 с радиальными отверстиями 4, седло 5 с радиальными отверстиями 6, установленное в корпусе 3, и полый поршень 7 с внутренним проходным сечением 8 и радиальными отверстиями 9, который размещен внутри седла 5, пружину 10, расположенную в полом канале между полым поршнем 7 и седлом 5, уплотнения 11, 12, 14, модуль 15. Модуль 15 закреплен к корпусу 3 клапана переливного по резьбе 13. Центральный внутренний проходной канал 8 полого поршня 7 соединяет вход клапана A с затрубным пространством 17 через радиальные отверстия 9, 6, 4 и выход клапана Б. Корпус 3 имеет концевые верхнюю и нижнюю резьбы 16, 18. На участке B создается дополнительное местное гидравлическое сопротивление. Формы выполнения модуля 15 и расположение в клапанном устройстве бурильной колонны, представленные на фиг. 1-7, могут быть различными. Модуль 15 может быть установлен в верхнем элементе 1 бурильной колонны фиг. 3, фиг. 5, фиг. 6, который присоединен к корпусу 3 клапанного устройства по верхней резьбе 16. На фиг. 4 показано клапанное устройство с модулем 15, выполненным на фильтре 19 нижнего элемента 2 бурильной колонны, который присоединяется с корпусом 3 по нижней резьбе 18. На фиг. 5 представлена конструкция устройства с подвижным модулем 15, который находится в направляющей фиксатора 20, закрепленного в верхнем элементе 1 бурильной колонны. На фиг. 6 представлен вариант, аналогичный фиг. 5, но модуль 15 выполнен плавающим в буровом растворе, в момент включения промывки скважины. На фиг. 7 показан вариант выполнения модуля 15 на полом поршне 7 клапана переливного в транспортном положении. В радиальные отверстия 4 может устанавливаться пробка 21 для защиты от крупных инородных предметов.
Клапанное устройство бурильной колонны работает следующим образом (фиг. 1, 2). При транспортном положении, а также во время спускоподъемных операций (далее СПО) модуль 15 перекрывает большую часть В внутреннего проходного сечения 8 в полом поршне 7 (фиг. 1). При небольшой разнице давления между затрубным пространством 17 и внутренней полостью бурильной колонны Б промывочная жидкость свободно перетекает через радиальные отверстия 4 в корпусе 3 и радиальные отверстия 6 седла 5, радиальные отверстия 9 полого поршня 7. Во время подачи бурового раствора даже при относительно малом расходе за счет перекрытого модулем 15 проходного сечения 8 в полом поршне 7 над полым поршнем 7 возникает и резко растет избыточное давление, которое передвигает полый поршень 7 в нижнее положение (фиг. 2). Между модулем 15 и полым поршнем 7 в таком положении больше нет перекрытия внутреннего проходного сечения 8, а полый поршень 7 удерживается в закрытом (рабочем) положении за счет перепада давления между внутритрубным Б и затрубным пространством 17. Теперь расход бурового раствора может изменяться в большом диапазоне и клапан не откроется, а при работе на максимальном расходе сопротивление в клапане будет незначительным, так как между полым поршнем 7 и модулем 15 образовалось пространство Г (фиг. 2). При использовании существующих клапанов и установленном модуле 15 в верхнем элементе 1 бурильной колонны (фиг. 3) клапанное устройство работает так же, как написано выше (фиг. 1, 2). Клапан с модулем 15 на фильтре 19, в нижнем элементе 2 (фиг. 4), например, работает аналогично клапанному устройству бурильной колонны, представленному на фиг. 1, 2, но в рабочем положении потеря давления в такой компоновке будет выше, чем в других за счет уменьшенного внутреннего проходного сечения в поршне клапана переливного, поэтому такая конструкция может успешно работать только на небольших расходах.
В том случае, если внутреннее проходное сечение между модулем 15 и полым поршнем 7 недостаточно для свободного прохождения бурового раствора для заполнения бурильной колонны при спуске, предусмотрен подвижный модуль 15 (фиг. 5), например, в верхнем элементе 1 бурильной колонны. Подвижный модуль 15 (фиг. 5) свободно перемещается в направляющей фиксатора 20 в верхнее положение (не показано) при спуске бурильной колонны и свободно пропускает жидкость в спускаемые трубы. При включении циркуляции модуль 15 с верхнего положения перемещается вниз, перекрывает проходное сечение 8 в полом поршне 7, создается дополнительное давление и полый поршень 7 опускается вниз и так же, как и при закрепленном модуле 15 (фиг. 1, 2), сопротивление в клапане снижается.
В случае неудовлетворительного освобождения колонны бурильных труб от раствора при подъеме по причине, например большой вязкости раствора, предусмотрена конструкция с пустотелым плавающим в растворе модулем 15 (фиг. 6). После включения циркуляции потоком бурового раствора модуль 15 передвинется в нижнее положение (фиг. 6), проходное сечение 8 в полом поршне 7 перекроется, что приведет к быстрому росту избыточного давления над полым поршнем 7 и он переместится в нижнее положение. От того, что полый поршень 7 переместился, перекрытие внутреннего проходного сечения 8 в полом поршне 7 больше нет, сопротивление движению жидкости в клапане падает. В зависимости от конкретных условий возможно применение от самых простых неподвижно установленного (фиг. 1) и подвижного модуля 15 (фиг. 6) до более сложного с имеющим переменное сечение по оси (фиг. 1).
Модуль 15, выполненный в нижней части полого поршня 7 в виде подвижных лепестков (фиг. 7), работает следующим образом. В транспортном положении при СПО под действием пружины 10 полый поршень 7 удерживается в верхнем положении, а лепестки модуля 15 в закрытом состоянии, внутреннее проходное сечение 8 в полом поршне 7 перекрыто. При включении циркуляции на полый поршень 7 и лепестки модуля 15 давит избыточное давление, лепестки модуля 15 удерживаются в закрытом положении седлом 5. От создавшегося перепада давления полый поршень 7 с модулем 15 переместится в нижнее положение. В этом положении лепестки выйдут из контакта с цилиндрической частью седла 5 и откроются, тем самым лепестки модуля 15 больше не создают сопротивления.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет обеспечить высокую надежность срабатывания клапанного устройства бурильной колонны за счет содержащегося в нем модуля, создающего дополнительное избыточное давление жидкости при включения циркуляции, в том числе и на малом расходе бурового раствора, а после срабатывания (закрытия) клапанного устройства дополнительное избыточное сопротивление в устройстве падает, что позволяет увеличить долговечность и надежность работы клапанного устройства.