ЗАПОРНЫЙ ОРГАН КЛАПАНА БУРОВОГО ПЕРЕЛИВНОГО
DRILLING OVERFLOW VALVE SHUT-OFF DEVICE

Изобретение относится к запорным устройствам и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в буровом оборудовании, например в переливных обратных клапанах при бурении скважин.
Известен запорный орган клапана бурового переливного шарикового (патент РФ №2424416, МПК E21B 21/10, дата публикации 20.07.2011), выполненный в виде шара, установленного в ограничителе, который закреплен в обойме, размещенной в корпусе клапана, и имеет возвратную пружину для отвода запорного элемента от седла в случае прекращения подачи бурового раствора в забойный двигатель.
Недостатками известного запорного органа являются:
- при открытом положении клапана и прохождении потока жидкости через переливное отверстие возвратная пружина подвержена гидроабразивному износу от действия потока жидкости с содержащимися в ней абразивными частицами, что снижает надежность работы запорного органа и клапана в целом;
- возможность заклинивания запорного органа в случае поломки возвратной пружины, подверженной при работе значительной вибрации, что приводит к отказу работы клапана.
Известен запорный орган клапана (патент РФ №2544351, МПК E21B 34/06, дата публикации 20.03.2015), взятый в качестве прототипа, выполненный в виде поджимаемого к седлу сферического запорного элемента в виде шарового сегмента, с возможностью его перемещения, снабженного опорными элементами, выполненными в виде криволинейных ножек, соединенных с запорным элементом и опорой с отверстием для прохода жидкости, при этом запорный орган выполнен в виде отдельной детали.
Недостатками известного запорного органа являются:
- низкие функциональные возможности ввиду невозможности его использования в переливном буровом клапане, так как в исходном положении запорный элемент находится в нормально-закрытом состоянии. При подъеме колонны бурильных труб из скважины и раскручивании труб не происходит слива жидкости из внутритрубного пространства в скважину, что приведет к неконтролируемому изливу жидкости на устье скважины;
- увеличенный габарит вдоль вертикальной оси запорного органа.
Задача изобретения - разработка конструкции запорного органа клапана бурового переливного, устраняющего его заклинивание в клапане, не требующего дополнительного привода запорного элемента при работе клапана.
Технический результат, получаемый в результате реализации предложенной конструкции, состоит в упрощении устройства, повышении надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что запорный орган клапана бурового переливного, выполненный в виде поджимаемого к седлу сферического запорного элемента, выполненного в виде шарового сегмента с возможностью его перемещения, снабженный опорными элементами, выполненными в виде криволинейных ножек, соединенных с запорным элементом и опорой с отверстием для прохода жидкости, при этом запорный орган выполнен в виде одной детали, согласно изобретению запорный элемент расположен в запорном органе основанием вверх, а криволинейные ножки в месте соединения с основанием шарового сегмента изогнуты и направлены к вершине шарового сегмента, при этом опора расположена выше вершины шарового сегмента запорного органа.
Выполнение опорных элементов в виде криволинейных ножек, изогнутых и направленных к вершине шарового сегмента, позволяет улучшить условия эксплуатации запорного органа, а именно уменьшить величину угловой деформации с меньшими изгибающими напряжениями по длине ножек при перемещении сферического запорного элемента вдоль центральной оси запорного органа к седлу клапана, что позволяет повысить надежность. Кроме того, заявленное техническое решение запорного органа имеет уменьшенный по сравнению с прототипом габарит, что позволяет использовать запорный орган в устройствах, требующих компактности расположения вдоль оси клапана.
Технический результат достигается тем, что опорные элементы выполнены в виде пластин, имеющих прямолинейные участки, примыкающие к опоре, параллельные оси запорного органа, что создает при перемещении шарового сегмента в месте примыкания прямолинейного участка ножек к криволинейному, зону, подверженную одинаковому упругому деформированию. Это обеспечивает высокую надежность при посадке сферического запорного элемента на седло клапана при подаче бурового раствора. После прекращения подачи жидкости обеспечивает надежный отвод запорного элемента от седла силой упругодеформированных ножек, обеспечивая его центрирование и исключая заклинивание.
Расположение опоры запорного органа выше вершины шарового сегмента позволяет уменьшить высоту криволинейных ножек, снизив расход материала, улучшить устойчивость запорного элемента, что позволяет повысить надежность работы изделия.
Выполнение опоры в виде кольца с центральным отверстием, имеющим радиус больший, чем радиус шарового сегмента, позволяет увеличить площадь пропускного сечения выходного отверстия, соединяющего затрубное пространство с полостью труб. А также уменьшить скорость потока и снизить гидравлическое сопротивление потоку жидкости.
Выполнение на опоре наружного кольцевого пояска позволяет повысить удобство установки и надежность закрепления запорного органа в корпусе клапана.
Технический результат достигается также тем, что выполнение запорного органа из упругоэластичного материала позволяет уменьшить уровень вибрации за счет снижения силы удара сферического запорного элемента о входное отверстие клапана, повысить долговечность запорного органа.
Выполнение запорного органа из износостойкого материала, например полиуретана, позволяет увеличить срок службы устройства при работе в сложных условиях, например в агрессивных средах.
Выполнение запорного органа в виде одной детали позволяет упростить устройство, повысить технологичность изготовления, ремонтопригодность, позволяет осуществлять быструю установку/замену запорного органа в корпус клапана.
Наличие указанных признаков позволяет сделать вывод о новизне технического решения. При сравнении заявленного решения с другими техническими решениями в данной области техники не выявлена совокупность признаков, отличающих заявленное решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
Таким образом, заявленное решение является новым, имеет изобретательский уровень.
Соответствие заявленного изобретения критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения запорного органа.
На фиг. 1 приведен общий вид запорного органа клапана бурового переливного, на фиг. 2 - пример установки запорного органа в корпусе клапана, на фиг. 3 - пример работы запорного органа клапана при подаче бурового раствора в колонну бурильных труб.
Запорный орган клапана содержит сферический запорный элемент 1, выполненный в виде шарового сегмента, размещенного в запорном органе основанием вверх, соединенные с ним опорные элементы, выполненные в виде криволинейных ножек 2, например в виде изогнутых пластин, направленных к вершине шарового сегмента (фиг. 1). Концы ножек 2 закреплены на опоре 3, выполненной в виде, например, кольца с центральным отверстием 4 для прохода жидкости, радиус которого больше радиуса шарового сегмента. Криволинейные ножки 2 имеют прямолинейные участки 5, соединенные с опорой 3, и радиусные участки 6, соединенные с основанием шарового сегмента 1. Радиусные участки 6 выполнены с противоположно направленной кривизной на концах, прилегающих к запорному элементу 1 и опоре 3. При этом опора 3 размещена выше вершины шарового сегмента 1 запорного органа.
Опора 3 снабжена наружным кольцевым пояском 7 для закрепления запорного органа в клапане (фиг. 2). Опорные ножки 2 и радиусные участки 6, соединяющие сферический запорный элемент 1 с опорой 3 образуют радиальные отверстия 8 для протока среды. Запорный орган выполнен в виде одной детали из упругоэластичного износостойкого материала, например полиуретана, методом литья.
Запорный орган устанавливают в переливном отверстии 9 корпуса 10 клапана без упора сферического запорного элемента 1 в седло 11 и фиксируют (закрепляют) опору 3 запорного органа с помощью кольцевого пояска 7 в выступе 12 корпуса 10 клапана, например, с помощью ограничителя 13 (фиг. 2).
Запорный орган клапана бурового переливного работает следующим образом.
При спуске колонны бурильных труб в скважину в компоновке с буровым переливным клапаном, жидкость (нефть, буровой раствор, грунтовые воды), находящаяся в скважине, поступает в колонну бурильных труб, проходя через переливное отверстие 9, нормально-открытый запорный элемент 1, через радиальные отверстия 8 запорного органа, заполняя колонну бурильных труб.
При подаче бурового раствора в колонну бурильных труб под давлением вниз (фиг. 3) из-за перепада давления и гидравлического сопротивления запорный элемент 1, деформируя упругие ножки 2 в радиусной части 6, садится на седло 11, надежно перекрывая ход жидкости через переливное отверстие 9 корпуса 10, тем самым разобщает затрубное пространство и внутреннюю полость колонны бурильных труб.
При прекращении подачи бурового раствора и подъеме колонны бурильных труб происходит снижение давления в колонне, в результате усилием сжатия упругих ножек 2 запорный элемент 1 возвращается в исходное положение. Клапан открывается и жидкость из поднятых над устьем скважины труб поступает через переливные отверстия 9 в затрубное пространство с выравниванием уровня жидкости в трубах и скважине.
Таким образом, заявленный запорный орган клапана бурового переливного позволяет обеспечить высокую надежность срабатывания клапана, увеличить срок службы клапана.