Обратный клапан для бурильной колонны

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для перекрытия бурильных труб и может быть использовано при бурении, смене инструмента и ремонте скважин без их глушения. Корпус обратного клапана состоит из ниппеля и переводника. Между ними установлено составное седло в виде втулки и упругого эластомерного элемента. Со стороны ниппеля расположен и контактирует с седлом тарельчатый запорный орган. Он содержит проходящий по оси переводника шток. В хвостовой части штока установлена пружина. Она поджимает запорный орган к седлу. В проходном канале переводника выполнены ребра. Шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки. Ребра связывают их между собой. Пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником. В хвостовой части штока обечайка имеет цилиндрический кольцевой выступ. В пазах кольцевого выступа установлены защелки. На внутренней поверхности переводника для ввода защелок выполнена кольцевая проточка. Каждая из защелок выполнена в виде кулачка, установленного в пазах кольцевого выступа обечайки заподлицо на оси с возможностью отклонения в сторону кольцевой проточки переводника. Кулачок дополнительно подпружинен пружиной от переводника к стенке паза обечайки. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для перекрытия бурильных труб, выполненных в виде обратного клапана, и может быть использовано при бурении, смене инструмента и ремонте скважин без их глушения, для предотвращения фонтанирования скважин, зашламления турбобура и перелива жидкости через бурильную колонну при наращивании бурильных труб в процессе бурения.

Известны устройства для перекрытия колонны, содержащие корпус, установленные в нем седло с запорным элементом, а также узел фиксации положения последнего относительно корпуса, имеющий различное конструктивное исполнение [1 - 4].

Недостатками известных устройств для перекрытия колонны являются низкая герметичность седла с запорным элементом, а также конструктивная сложность узла фиксации запорного элемента относительно корпуса, что снижает надежность работы устройства в условиях эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому и принятым в качестве прототипа является обратный клапан для бурильной колонны, включающий корпус, состоящий из ниппеля и переводника, связанных резьбовым соединением, установленное между ними составное седло в виде втулки, образующей с переводником кольцевую полость, и упругого эластомерного элемента, размещенного в полости с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом цилиндрической втулки ниппеля, а также расположенный со стороны последнего и контактирующий с седлом тарельчатый запорный орган, содержащий проходящий по оси переводника шток, в хвостовой части которого установлена пружина, поджимающая запорный орган к седлу, причем проходной канал выполнен во втулке седла, образованной наружной и внутренней втулками, связанными между собой ребрами, первая из которых образует с переводником полость для размещения упругого эластомерного материала, а во второй расположен с возможностью перемещения подпружиненный шток запорного органа [5].

Недостатками данного обратного клапана являются: низкая надежность, обусловленная расположением пружины запорного органа непосредственно в гидравлическом тракте, где она подвергается скоростному воздействию жидкости, приводящему к абразивному и эрозионному износу и, следовательно, к ее быстрому разрушению при эксплуатации; конструктивная и технологическая сложность пружины, обеспечивающей упругое поджатие запорного органа к седлу с заданным усилием, что связано с оптимальными значениями индекса пружины при ограничении ее наружного диаметра и диаметра проволоки, так как пружина расположена в гидравлическом тракте по оси обратного клапана, затеняет проходное сечение и создает дополнительное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, а также подвержена размыву буровым раствором, проходящим через клапан; неустойчивость работы насоса и в связи с тем, что при спуске колонны с данной нормально закрытой конструкцией обратного клапана в скважину внутренняя полость колонны не заполняется буровым раствором, в колонне имеется воздушная полость, которая при работе насоса является источником создания двухфазных потоков и неустойчивых режимов течения жидкости.

Кроме того, при спуске колонны в скважину с нормально закрытым обратным клапаном она своим объемом вытесняет жидкость из скважины на поверхность, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Задачей изобретения является защита пружины запорного органа от абразивного и эрозионного разрушения, расширение конструктивных возможностей выбора параметров пружины запорного органа при исключении ее влияния на гидравлическое сопротивление обратного клапана, а также обеспечение заполнения скважинной жидкостью внутренней полости НКТ при ее спуске в скважину, что приводит к повышению надежности работы обратного клапана и эффективности эксплуатации скважины.

Поставленная задача решается за счет того, что шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки, связанных между собой продольными ребрами, а пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником. В хвостовой части штока обечайка может иметь цилиндрический кольцевой выступ, в пазах которого установлены по крайней мере две равномерно расположенные по окружности защелки, а на внутренней поверхности переводника для ввода защелок выполнена кольцевая проточка, расположенная от посадочных мест седла на расстоянии меньше, чем от посадочных мест тарельчатого запорного органа до защелок. Каждая из защелок может быть выполнена в виде кулачка, установленного в пазах кольцевого выступа обечайки заподлицо на оси с возможностью отклонения в сторону кольцевой проточки переводника и дополнительно подпружиненного от последнего к стенке паза обечайки.

На фиг. 1 изображен предлагаемый обратный клапан для бурильной колонны продольной разрез; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Обратный клапан (фиг. 1) для бурильной колонны, включающий корпус, состоящий из ниппеля 1 и переводника 2, связанных герметичным резьбовым соединением 3, установленное между ними составное седло в виде втулки 4, образующей с переводником 2 кольцевую полость, и упругого эластомерного элемента 5, размещенного в этой полости с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом 6 цилиндрической втулки 7 ниппеля 1, а также расположенный со стороны последнего и контактирующий с седлом тарельчатый запорный орган 8, содержащий проходящий по оси 9 переводника 2 шток 10, в хвостовой части установлена пружина 11, поджимающая запорный орган 8 к седлу, причем в проходном канале 12 переводника 2 выполнены ребра 13. Шток 10 выполнен в виде центрального стержня 14 и обечайки 15, связанных между собой продольными ребрами 13, а пружина 11 размещена в цилиндрической кольцевой полости 16 между обечайкой 15 штока 10 и переводником 2. В хвостовой части штока 10 (фиг. 2) обечайка 15 может иметь цилиндрический кольцевой выступ 17, в пазах 18 которого установлены по крайней мере две равномерно расположенные по окружности защелки 19, а на внутренней поверхности переводника 2 для ввода защелок 19 выполнена кольцевая проточка 20, расположенная от посадочных мест седла на расстоянии А меньше, чем расстояние Б от посадочных мест тарельчатого запорного органа 8 до защелок 19. Каждая из защелок 19 может быть выполнена в виду кулачка 21, установленного в пазах 18 кольцевого выступа 17 обечайки 15 заподлицо на оси 22 с возможностью отклонения в сторону кольцевой проточки 20 переводника 2 и дополнительно подпружиненного пружиной 23 от последнего к стенке 24 паза 18 обечайки 15.

При сборке клапана и свинчивании по резьбе 3 ниппеля 1 и переводника 2 втулка 7 своим выступом 6 обеспечивает сжатие упругого эластомерного материала 5 и образование кольцевой поверхности, являющейся посадочной для тарельчатого запорного органа 8.

Обратный клапан для бурильной колонны работает следующим образом.

В зависимости от технологической необходимости конструкция обратного клапана позволяет использовать его в трех вариантах применения.

В первом варианте обратный клапан опускают в скважину в положении, изображенном на фиг. 1. Тарельчатый запорный орган 8 лежит на одной части седла и, в частности, поджимается пружиной 11 к упругому эластомерному материалу 5, что обеспечивает его герметичность.

При работе обратного клапана промывочная жидкость из бурильной колонны поступает в проходной канал 12 обратного клапана со стороны переводника 2 между центральным стержнем 14 и обечайкой 15, омывая ребра 13, отжимает тарельчатый запорный орган 8 от седла, поступает в полость ниппеля 1 и проходит в колонну труб (не показано). За счет расположения пружины 11 в цилиндрической кольцевой полости 16 между обечайкой 15 штока 10 и переводником 2 обеспечивается ее защита от скоростного потока промывочной жидкости, при этом габаритные размеры пружины 11 не загромождают проходной канал 12 и не влияют на гидравлическое сопротивление обратного клапана. В то же время конструктивные параметры пружины не ограничены гидравлическим трактом обратного клапана. При прекращении циркуляции жидкости тарельчатый запорный орган 8 поджимается к седлу и запирает клапан, предотвращая перетекание жидкости из затрубного пространства. В зависимости от перепада давления на обратном клапане работают разные части составного седла. При малых перепадах герметичность обеспечивает упругий эластомерный элемент 5, при больших - последний деформируется, тарельчатый запорный орган 8 продвигается в сторону переводника 2 и садится на коническую поверхность втулки 4, обеспечивая надежное уплотнение. Таким образом, обратный клапан за счет надежной герметизации затрубного пространства позволяет осуществлять ремонтные работы, связанные, например, со сменой или ремонтом насоса. При спуске обратного клапана и при прекращении циркуляции промывочной жидкости, когда запорный орган 8 лежит на седле, а также во время работы и прокачке промывочной жидкости, когда запорный орган 8 отведен от седла, защелки 19, установленные в пазах 18 кольцевого выступа 17 обечайки 15, расположены в пазах 18 заподлицо за счет подпружинивания кулачков 21 пружинами 23 от переводника 2 к стенке 24 паза 18 обечайки 15, что обеспечивает перемещение запорного органа 8 со штоком 10 без заеданий, обусловленных возможным контактом кулачков 21 с кольцевой проточкой 20 переводника 2.

При втором варианте использования обратного клапана применяются защелки 19, конструкции которых могут быть различными, при этом наиболее просто их выполнить в виде соответствующих кулачков 21 (фиг. 2).

Перед спуском в скважину запорный орган 8 (фиг. 1) путем воздействия на шток 10 и сжатия пружины 11 перемещают в осевом направлении, отводят его от упругого эластомерного элемента 5 седла, открывая проходной канал (это положение запорного органа показано на фиг. 1 штрих-пунктирными линиями), при этом кулачки 21 (фиг. 2) поворачиваются на осях 22, преодолевая усилие пружин 23, и вводятся в кольцевую проточку 20 переводника 2, что позволяет обеспечивать осевую фиксацию запорного органа 8 относительно седла, так как усилием пружины 11 кулачки 21 в кольцевой проточке 20 устанавливаются враспор. Минимальное количество защелок 19 - две, причем при любом количестве они должны быть равномерно расположены по окружности, чтобы исключить перекос и заклинивание запорного органа 8 со штоком 10 в корпусе обратного клапана. Во время спуска обратного клапана в скважину за счет того, что запорный орган 8 отведен от седла и проходной канал открыт, скважинная жидкость не вытесняется объемом колонны на поверхность, а заполняет ее внутреннюю полость.

Гидравлическое сопротивление, возникающее на запорном органе 8 при спуске в скважину, приводит к созданию дополнительного осевого усилия на штоке 10, направленного в сторону действия пружины 11, а это повышает надежность фиксации осевого расположения запорного органа 8 относительно седла обратного клапана за счет увеличения распора кулачков 21 в кольцевой проточке 20 переводника 2.

Разность расстояний Б и А от посадочных мест запорного органа 8 и до защелок 19 и от посадочных мест седла до кольцевой проточки 20 соответственно определяет степень открытия обратного клапана при его спуске в скважину. При работе обратного клапана промывочная жидкость из бурильной колонны поступает в проходной канал 12 обратного клапана со стороны переводника 2, при этом на запорном органе 8 возникает перепад давлений и обусловленное им осевое усилие, действующее в сторону ниппеля 1, запорный орган 8, преодолевая усилие пружины 11, перемещается и еще больше отводится от седла. Кулачки 21 выводятся из кольцевой проточки 20 переводника 2 и усилием пружины 23 поворачиваются на осях 22 и поджимаются к стенке 24 паза 18 кольцевого выступа 17 обечайки 15, при этом кулачки 21 размещаются в пазах 18 заподлицо и не мешают перемещению запорного органа 8 со штоком 10 в корпусе обратного клапана. Работа насоса, обеспечивающего прокачку промывочной жидкости, а также непосредственно обратного клапана, при этом варианте его использования устойчива, так как полость колонны заполнена скважинной жидкостью и в ней отсутствуют воздушные пробки, приводящие к созданию двухфазных потоков и неустойчивых режимов течения жидкости в гидравлическом тракте. При прекращении циркуляции жидкости обратный клапан работает аналогично как в случае его использования без защелок 19.

В третьем варианте клапан устанавливается между ведущей бурильной трубой (или квадратом) и колонной. Работа клапана в этом случае аналогична первому варианту.

Эффективность предлагаемого обратного клапана заключается в том, что он позволяет производить ремонт скважинного оборудования без глушения скважины, а при использовании защелок обеспечить устойчивую работу как насоса и обратного клапана, так и скважины в целом, при этом спуск колонны в скважину обеспечивается без загрязнения территории промысла скважинной жидкостью, а это в конечном итоге выражается в увеличении добычи нефти за счет поддержания технологического режима бурения на заданном уровне, увеличения межремонтного периода эксплуатации скважины, снижения затрат на экологию.

Анализ технических решений, известных из патентной и технической литературы, позволяет сделать вывод, что заявленные отличительные признаки обратного клапана для бурильной колонны обладают новизной и при их использовании приводят к положительному техническому результату.

Такое выполнение обратного клапана для бурильной колонны позволяет повысить надежность и эффективность его использования за счет защиты пружины запорного органа от абразивного и эрозионного разрушения от скоростного воздействия течения жидкости, расширения конструктивных возможностей выбора параметров пружины запорного органа и исключения ее влияния на гидравлическое сопротивление обратного клапана, а также обеспечить заполнения скважинной жидкостью внутренней полости колонны при ее спуске в скважину.

Формула изобретения

1. Обратный клапан для бурильной колонны, включающий корпус, состоящий из ниппеля и переводника, связанных резьбовым соединением, установленное между ними составное седло в виде втулки, образующей с переводником кольцевую полость, и упругого эластомерного элемента, размещенного в полости с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом цилиндрической втулки и ниппеля, а также расположенный со стороны последнего и контактирующий с седлом тарельчатый запорный орган, содержащий проходящий по оси переводника шток, в хвостовой части которого установлена пружина, поджимающая запорный орган к седлу, причем в проходном канале переводника выполнены ребра, отличающийся тем, что шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки, а ребра связывают их между собой, причем пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что в хвостовой части штока обечайка имеет цилиндрический кольцевой выступ, в пазах которого установлены по крайней мере две равномерно расположенных по окружности защелки, а на внутренней поверхности переводника для ввода защелок выполнена кольцевая проточка, расположенная от посадочных мест седла на расстоянии меньше, чем расстояние от посадочных мест тарельчатого запорного органа до защелок.

3. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждая из защелок выполнена в виде кулачка, установленного в пазах кольцевого выступа обечайки заподлицо на оси с возможностью отклонения в сторону кольцевой проточки переводника и дополнительно подпружиненного от последнего к стенке паза обечайки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2