КЛАПАН БУРОВОЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к переливным и обратным клапанам для гидравлических забойных двигателей, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин.
Известен универсальный клапан забойного двигателя (патент РФ 2303116, Е21В 4/02, дата публикации 20.07.2007), содержащий полый корпус, гильзу и плунжер с радиально выполненными в них перепускными отверстиями, золотник, пружину и уплотнения, установленные на плунжере, золотнике и гильзе, демпфер и наконечник.
Недостатком известного клапана является низкая надежность работы клапана ввиду заклинивания плунжера в седле из-за постоянных вибраций забойного двигателя, а также быстрого абразивного и эрозионного износа полого плунжера из-за постоянного воздействия, проходящего через плунжер рабочего потока бурового раствора, который обладает абразивными свойствами. Вследствие чего происходит полная разгерметизация клапанной пары плунжер-седло и клапан становится неработоспособным.
Также недостатком известного клапана является низкая работоспособность клапана в виду постепенного нарушения герметичности клапанной пары, из-за использования резиновых уплотнений, установленных в седле, которые ввиду неблагоприятных условий работы клапана быстро изнашиваются, что приводит к отказу работы клапана и необходимости его ремонта в части замены уплотнений. Все это приводит к временной приостановке спускоподъемных работ на скважине, и в конечном итоге снижению производительности работы скважины.
Известен переливной клапан забойного двигателя (патент РФ 2333334, Е21В 4/02, Е21В 21/10, опубликовано 10.09.2008), содержащий корпус, клапанную пару, выполненную с поясом скольжения, включающую седло, установленное в корпусе, и полый плунжер, размещенный внутри седла с радиальными отверстиями в них, пружину, расположенную на полом плунжере, и уплотнения.
Недостатком известного клапана является низкая надежность работы клапана в виду возможности заклинивания полого плунжера в седле из-за сильных вибраций при работе забойного двигателя, а также из-за попадания песка из бурового раствора на трущиеся поверхности клапанной пары. При заклинивании плунжера клапан закрыт не полностью, из-за чего часть бурового раствора переливается в затрубное пространство, при этом, ниже клапана, возникает потеря напора бурового раствора, вследствие чего уменьшается КПД забойного двигателя. В случае подъема колонны бурильных труб, заклинивший, не до конца открытый клапан не позволяет буровой жидкости свободно выливаться в скважину, что приводит к уменьшению скорости подъема бурильной колонны и снижению производительности работы скважины.
Известен переливной - обратный клапан (патент РФ №2466265, Е21В 21/10, опубликовано 10.11.2012), состоящий из подпружиненного запорного элемента, выполненного в виде шара, эластомерного гнезда с направляющими ребрами, манжет с центральными отверстиями и седел. Клапан размещен в ниппеле шарнира или торсиона шпинделя винтового забойного двигателя, в котором выполнены отверстия для возможного прохода рабочей жидкости.
Недостатками известного переливного - обратного клапана являются:
- сложность конструкции клапана ввиду исполнения его из отдельных деталей, сборка которых осуществляется непосредственно в рабочем узле винтового забойного двигателя;
- необходимость перед установкой (сборкой) клапана предварительной доработки исходной конструкции металлического ротора, в который устанавливается седло клапана, а также ниппеля шарнира (торсиона) шпинделя двигателя, в котором размещается сам клапан;
- неудобство сборки-разборки клапана по отдельным деталям непосредственно в ниппеле шарнира (торсиона) шпинделя винтового забойного двигателя (ВЗД), что снижает ремонтопригодность изделия;
- наличие на манжетах ряда концентрических отверстий различного диаметра способствует забиванию более крупными частицами отверстий меньшего диаметра, что приводит к засорению клапана и выходу его из строя;
- выполнение седла в корпусе шарнира в виде конструктивного элемента (без установки отдельной деталью) снижает ремонтопригодность изделия, в условиях высоких вибраций приводит к ускоренному износу седла, и отказу работы клапана в целом.
Перечисленные недостатки известного переливного - обратного клапана приводят к низкой эксплуатационной надежности клапана, и, как следствие, приостановке спускоподъемных работ на скважине и в конечном итоге снижению производительности работы скважины.
Известен клапан буровой переливной шариковый (патент на изобретение №2424416, МПК Е21В 21/10, дата публ. 20.07.2011), взятый в качестве прототипа, который содержит цилиндрический корпус, в ступенчатом отверстии которого установлена обойма, выполненная в виде сегмента. В обойме выполнена цилиндрическая полость, в которой установлено седло, подпружиненный запорный элемент, выполненный в виде шара, ограничитель с отверстиями для прохода жидкости. Корпус клапана и обойма снабжены одним или более радиальными отверстиями, расположенными ниже седла и выполненными соосно относительно друг друга. Обойма закреплена в корпусе при помощи винтов с фильтрующими отверстиями для прохода жидкости, установленных в радиальных отверстиях корпуса и обоймы.
Недостатком известного переливного клапана является отсутствие возможности автоматического перекрывания трубного канала бурильного инструмента при отсутствии подачи рабочей жидкости. Кроме того, выполнение обоймы в виде сегмента способствует неравномерному проходу бурового раствора через полость, образованную внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью обоймы, неравномерному износу корпуса и обоймы, повышенному гидродинамическому сопротивлению жидкости, что снижает скорость подачи жидкости к забойному двигателю. Отсутствие уплотнительных элементов между обоймой и корпусом клапана приводит к попаданию абразивных частиц между внутренней поверхностью корпуса клапана и наружной поверхностью обоймы, что в условиях высоких вибраций приводит к трению и износу прикасающихся поверхностей, что снижает ресурс работы клапана.
Задача полезной модели - создание универсального бурового клапана надежной конструкции, обладающего функциями переливного и обратного клапанов и устраняющего недостатки аналогов.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении эксплуатационной надежности работы клапана, упрощении конструкции, исключения заклинивания клапанных пар, в повышении ресурса работы клапана, удобства сборки/разборки клапана, повышение ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается тем, что клапан буровой универсальный, содержащий цилиндрический корпус с ступенчатым отверстием, в котором размещена обойма с установленной в ней клапанной парой переливного действия, включающей седло и подпружиненный запорный элемент, выполненный в виде шара, ограничитель с отверстиями для прохода жидкости, закрепленный в обойме, при этом корпус клапана и обойма снабжены соосными радиальными переливными отверстиями, согласно полезной модели, снабжен клапанной парой обратного действия, включающей седло и подпружиненный запорный элемент, размещенные в клетке, соединенной с нижней частью обоймы, при этом обойма выполнена в виде цилиндрической детали с радиальными выступами, образующими с внутренней поверхностью корпуса клапана каналы для прохода жидкости, соединенные с проходными отверстиями обоймы, в верхней части обоймы выполнена центральная полость для размещения клапанной пары переливного действия, соединенная с переливными отверстиями, выполненными в выступах обоймы, при этом нижняя часть обоймы соединена с клеткой клапанной пары обратного действия разъемным соединением с образованием единой сборки - модуля, установленного в ступенчатое отверстие корпуса клапана.
Выполнение деталей клапана в виде единой сборки - модуля позволяет упростить конструкцию, повысить надежность, повысить удобство сборки/разборки клапана и его ремонтопригодность за счет взаимозаменяемости модуля.
Соединение обоймы и клетки в модуле при помощи разъемного соединения, например, резьбового, позволяет при износе комплектующих, свободно открутив обойму, произвести их замену, что повышает удобство сборки/разборки модуля и его ремонтопригодность.
Выполнение обоймы в виде цилиндрической детали с радиальными выступами позволяет буровому раствору при работе забойного двигателя проходить через каналы клапана и проходные отверстия обоймы, минуя клапанную пару переливного действия, что увеличивает стойкость рабочих органов клапана к абразивному износу, повышает надежность и увеличивает ресурс работы клапана в целом.
Выполнение обоймы в виде цилиндрической детали с радиальными выступами и центральным расположением полости для размещения клапанной пары переливного действия, способствует прохождению бурового раствора с меньшим гидродинамическим сопротивлением и равномерным распределением прохода раствора через продольные каналы и проходные отверстия обоймы, что повышает производительность работы клапана.
Выполнение запорных элементов в виде шара в клапанных парах переливного и обратного действия позволяет центрировать шар относительно седла в полости ограничителя (клетки), обеспечивая герметичность клапана, а также не позволяет запорному элементу заклинивать во время работы клапана, что повышает надежность его работы.
На фиг.1 приведен общий вид клапана бурового универсального в открытом положении при спуске забойного двигателя в скважину, на фиг.2 - вид клапана при подаче раствора в скважину, на фиг.3 - разрез А-А клапана.
Клапан буровой универсальный содержит цилиндрический корпус 1 (фиг.1) со ступенчатым отверстием, в котором установлен модуль 2 клапана бурового универсального, закрепленный, например, стопорным кольцом 3. Модуль 2 клапана состоит из клетки 4 и обоймы 5, соединенных между собой разъемным соединением, например, резьбовым. В ступенчатом отверстии клетки 4 установлено седло 6, закрепленное цилиндрической втулкой 7 с отверстием 8 для протока жидкости. В клетке 4 установлен запорный элемент, выполненный в виде шара 9, подпружиненный возвратной пружиной 10, прижимающей шар 9 к седлу 6, образующих клапанную пару обратного действия. В клетке 4 выполнены радиальные отверстия 11 для прохода жидкости. Обойма 5 выполнена в виде цилиндрической детали с радиальными выступами 12, образующими с корпусом 1 клапана продольные полости (каналы) 13 для прохода жидкости, соединенные с проходными отверстиями 14 обоймы 5. В верхней части обоймы 5 выполнена цилиндрическая полость 15, в которой установлено седло 16 и запорный элемент, выполненный в виде шара 17, образующие клапанную пару переливного действия. В цилиндрической полости 15 установлена возвратная пружина 18, поджимающая шар 17 к ограничителю 19, выполненному с продольными отверстиями 20 для протока жидкости. Седло 16 установлено в ступенчатом отверстии цилиндрической полости 15 и зажато ограничителем 19, который установлен в обойме 5 с помощью, например, резьбового соединения. В корпусе 1 клапана бурового универсального, а также в выступах 12 обоймы 5 выполнены переливные радиальные отверстия 21 и 22 соответственно, расположенные ниже седла 16 и выполненные соосно относительно друг друга. В обойму 5 через каждое радиальное отверстие 21 корпуса 1 ввинчен винт 23 с фильтрующими отверстиями 24 и отверстием 25 для протока жидкости. Винты 23 удерживают обойму 5 в корпусе 1 клапана в радиальном и осевом направлении. Между корпусом 1 и клеткой 4, установлено уплотнительное кольцо 26 для обеспечения герметичности деталей.
Устройство работает следующим образом.
При спуске забойного двигателя в скважину в компоновке с клапаном буровым универсальным жидкость (нефть, буровой раствор, грунтовые воды), находящаяся в скважине, поступает в колонну бурильных труб, проходя через фильтрующие отверстия 24, проточное отверстие 25 винта 23. Далее жидкость проходит через переливное отверстие 22 обоймы 5, отверстие седла 16, через отверстия 20 ограничителя 19 и заполняет колонну бурильных труб, вследствие чего происходит выравнивание затрубного и внутриколонного давления жидкости.
При подаче бурового раствора в колонну бурильных труб под давлением вниз (фиг.2) из-за перепада давления и гидравлического сопротивления шар 17, сжимая пружину 18, садится на седло 16, надежно перекрывая ход жидкости через переливные отверстия 21 корпуса 1, тем самым разобщает затрубное пространство и внутреннюю полость колонны бурильных труб. При этом, буровой раствор (направление которого показано стрелками на фиг.2), проходя через каналы 13 (фиг.3), проходные отверстия 14 обоймы 5, отверстие 8 втулки 7, смещает шар 9 от седла 6 внутрь клетки 4, сжимая пружину 10, при этом открываются радиальные отверстия 11 клетки 4, через которые буровой раствор, минуя пружину 10, выходит из клапана, поступает в забойный двигатель (не показан) и приводит его в действие.
При прекращении подачи бурового раствора и подъеме колонны бурильных труб происходит снижение давления в колонне, шар 9 под действием силы упругости сжатой пружины 10 прижимается к седлу 6, надежно перекрывая входное отверстие 8 втулки 7, предотвращая возможные выбросы газа и нефти, растворов через бурильные трубы и зашламовывание забойного двигателя. При этом под действием возвратной пружины 18 шар 17 перемещается вверх и упирается в ограничитель 19 и жидкость через отверстия 20 ограничителя 19 из поднятых над устьем скважины труб поступает через переливные отверстия 22 и 21 клапана в затрубное пространство с выравниванием уровня жидкости в трубах и скважине.
Использование клапана универсального бурового предложенной конструкции позволяет повысить функциональность, надежность работы клапана, улучшить удобство эксплуатации, повысить ремонтопригодность, увеличить срок службы клапана.