Универсальный клапан забойного двигателя

Изобретение относится к буровой технике, а именно к переливным и обратным клапанам для винтовых забойных двигателей. Клапан содержит 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. Плунжер снабжен упором. Наконечник снабжен тарельчатым уступом. Демпфер и наконечник сопряжены с плунжером, расположенным в полом корпусе и гильзе, а золотник, имеющий седло, сопряжен с полым корпусом и наконечником, в котором выполнены радиальные проточные каналы. Демпфер, взаимодействуя с пружиной, установленной между демпфером и золотником, выполнен примыкающим к гильзе и упору плунжера, а золотник своим седлом - к тарельчатому уступу наконечника. Позволяет осуществлять функции переливного и обратного клапанов в одном механизме, обеспечивая его работоспособность с высокой надежностью и безопасностью, а также проведение всех видов технологических операций, связанных со спуском и подъемом бурильных труб, бурением скважин в сложных геолого-технических условиях, при всех возможных перепадах давления в стволе скважины и во внутренней полости бурильных труб. 1 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к переливным и обратным клапанам для винтовых забойных двигателей, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин.

Известны переливные клапаны, которые в открытом положении позволяют при спуске колонны бурильных труб с забойным двигателем произвести заполнение внутренней полости бурильных труб промывочной жидкостью через клапан, при этом имеют дополнительный запорный узел, перекрывающий поток жидкости через двигатель снизу, предотвращая попадание шлама из скважины в двигатель. При подаче насосом промывочной жидкости в бурильные трубы переливной клапан позволяет подключить забойный двигатель для осуществления процесса бурения. В случае подъема инструмента подача промывочной жидкости в бурильные трубы прекращается, переливной клапан открывается и жидкость из поднятых над устьем скважины труб сливается через клапан в затрубное пространство с выравниванием уровня жидкости в трубах и скважине без разлива промывочной жидкости из поднятых над ротором бурильных труб при их развинчивании. Установка в компоновку низа бурильной колонны клапанного устройства, имеющего в своем составе переливной клапан с дополнительным запорным элементом от обратного клапана, не позволяет реализовать его техническую результативность в части перекрытия потока промывочной жидкости через клапан во внутреннюю полость колонны бурильных труб в случае резкого повышения давления в затрубном пространстве. Применение в компоновке низа бурильной колонны обратного клапана выше переливного клапана приведет к тому, что по мере спуска бурильных труб в скважину необходимо производить долив промывочной жидкости внутрь бурильных труб для обеспечения перетока промывочной жидкости в скважину через открывающийся обратный клапан с выравниванием уровня жидкости в трубах и скважине. Без долива промывочной жидкости внутрь бурильных труб может произойти вытеснение ее из скважины в объеме, равном объему спускаемых бурильных труб.

Известен переливной клапан для забойного механизма (см. а.с. №898028, Е21В 17/00, опубл. 15.01. 1982, Бюл. №2), содержащий полый корпус с радиальными каналами, внутри которого установлена гильза с седлом соответствующей формы на каждом торце и подпружиненный плунжер с тарелью и кольцевым выступом на нижнем конце. Плунжер установлен внутри гильзы. Входной проточный канал в нижней части плунжера заглушен, но имеет над кольцевым выступом выходные проточные каналы.

Наличие в переливном клапане забойного двигателя дополнительного запорного клапана для перекрытия потока промывочной жидкости через забойный двигатель снизу предотвращает шламование двигателя и вывод его из работоспособного состояния.

Основным недостатком известного переливного клапана для забойных механизмов является то, что уплотнительный элемент на тарели выполнен в виде кольца с плоским рабочим торцем и, прилегая к верхнему седлу гильзы для перекрытия вертикальных перепускных каналов, не обеспечивает надежного гидравлического разделения внутренней полости клапана с затрубным пространством. При объемном сжатии уплотнительный элемент может быть сдеформирован, смещен в отверстия и потерять уплотняющую способность, что приведет к постепенному размыву промывочной жидкостью уплотняемых поверхностей. С увеличением утечек через верхний тарельчатый клапанный узел расход промывочной жидкости, необходимый для осуществления процесса бурения забойным механизмом, будет резко снижен, что приведет к снижению мощности развиваемой забойным механизмом и ухудшению показателей бурения.

Разрушение уплотнительного элемента на тарели и размыв кромок вертикальных каналов на верхнем седле гильзы приведет к нарушению герметичности тарельчатого уплотнения, снижению долговечности и выходу переливного клапана из работоспособного состояния.

Также недостатком известного переливного клапана забойного двигателя является невозможность его использования в качестве обратного клапана при резком повышении давления в затрубном пространстве в случае выброса, так как радиальные каналы в корпусе и гильзе не перекрыты и жидкость из затрубного пространства под давлением будет поступать в колонну бурильных труб.

Одним из близких к изобретению по достигаемому техническому результату является известное клапанное устройство забойного двигателя (см. патент №2224866, С1 7 Е21В 4/02, 34/10, Бюл. №6), содержащее полый корпус, установленную внутри полого корпуса гильзу с седлом, подпружиненный плунжер, у которых имеются радиальные перепускные каналы, а также подпружиненный до упора золотник, установленный в плунжере для перекрытия центрального входного проточного канала с возможностью взаимного осевого перемещения. В плунжере выполнено седло и дополнительные радиальные проточные каналы, имеющие выход на золотник. Кроме того, золотник снабжен уплотнительными кольцами и рассекателем потока. В клапанном устройстве забойного двигателя площадь поперечного сечения входного проточного канала и площадь всех радиальных проточных каналов плунжера выполнены не менее площади поперечного сечения центрального выходного канала плунжера.

Несмотря на то, что в клапанном устройстве забойного двигателя плунжер оснащен подпружиненным золотником, установленным в плунжере с целью перекрытия обратного протока промывочной жидкости через забойный двигатель, клапанное устройство также имеет существенный недостаток, потому что в аварийных ситуациях, при выбросе, золотник не перекрывает поток жидкости во входной канал полого корпуса и жидкость под давлением через радиальные каналы в полом корпусе, гильзе и плунжере поступает под давлением во внутреннюю полость бурильных труб. При значительном притоке жидкости под высоким давлением из затрубного пространства через радиальные проточные каналы клапанного устройства забойного двигателя может произойти переток жидкости из бурильных труб на устье скважины. В отдельных случаях при бурении скважины это приведет к возникновению аварийной ситуации, когда в данном интервале очень высокое пластовое давление, а буровой раствор недостаточной плотности, чтобы создать противодавление на забое скважины.

Такой недостаток известного клапанного устройства забойного двигателя не позволяет обеспечить безаварийный процесс бурения также при попадании в газовый купол нефтеносного пласта, когда происходит резкий выброс из пласта газожидкостной смеси и переток ее под давлением через радиальные перепускные каналы клапанного устройства забойного двигателя во внутреннюю полость бурильных труб.

Существенным недостатком известного клапанного устройства забойного двигателя является то, что в нем отсутствует возможность автоматического перекрытия потока газожидкостной смеси из затрубного пространства через радиальные перепускные каналы в полом корпусе, гильзе и плунжере при аварийном резком возрастании давления в затрубном пространстве.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение имеющихся недостатков известного клапанного устройства забойного двигателя и обеспечивает надежное гидравлическое разделение внутренней полости бурильных труб от затрубного пространства для предотвращения циркуляции жидкости из ствола скважины через клапан при выбросе из продуктивного пласта и исключения аварийной ситуации после отключения бурового насоса.

Изобретение позволяет эффективно объединить в универсальном клапане забойного двигателя функции переливного и обратного клапанов в одном механизме, обеспечив его работоспособность и надежность при бурении скважин в составе гидравлических забойных двигателей в сложных геолого-технических условиях.

Предлагаемый универсальный клапан забойного двигателя, содержащий полый корпус, гильзу и плунжер с радиально выполненными в них перепускными отверстиями, золотник, пружину и уплотнения, установленные на плунжере, золотнике и гильзе, согласно изобретению, содержит демпфер и наконечник, плунжер снабжен упором, а наконечник снабжен тарельчатым уступом, демпфер и наконечник сопряжены с плунжером, расположенным в полом корпусе и гильзе, а золотник имеющий седло сопряжен с полым корпусом и наконечником, в котором выполнены радиальные проточные каналы, при этом демпфер, взаимодействуя с пружиной, установленной между демпфером и золотником, выполнен примыкающим к гильзе и упору плунжера, а золотник своим седлом к тарельчатому уступу наконечника.

Установка на плунжер демпфера и наконечника с одновременным расположением плунжера в полом корпусе и гильзе позволяет создать дополнительную полость под поршнем плунжера, которая связана с затрубным пространством через вертикально и радиально выполненными перепускными отверстиями в гильзе, что позволяет при резком повышении давления в затрубном пространстве переместить плунжер вверх в полом корпусе, при этом радиально выполненные перепускные отверстия в плунжере располагаются между двумя верхними рядами уплотнений в гильзе, а седло штока плунжера перекрывает радиально выполненные перепускные отверстиями в гильзе, тем самым отсекая сообщение внутренней полости бурильных труб через клапан с затрубным пространством.

В этом случае универсальный клапан забойного двигателя выполняет роль обратного клапана, надежно перекрывая переток промывочной жидкости из затрубного пространства во внутреннюю полость бурильных труб.

При сопряжении золотника с полым корпусом и наконечником, в котором выполнены радиальные проточные каналы, достигается перекрытие потока промывочной жидкости через клапанную пару (седло золотника-тарельчатый уступ наконечника) из выходной полости клапана во внутреннюю полость бурильных труб.

При установке демпфера на штоке плунжера с одновременным примыканием внутреннего уступа демпфера к упору плунжера и амортизатора демпфера к гильзе, а золотника к тарельчатому уступу наконечника к упорному уступу в полом корпусе под воздействием пружины установленной между демпфером и золотником, достигается фиксированное расположение радиально выполненных перепускных отверстий в плунжере относительно аналогичных отверстий в гильзе.

На чертеже показан продольный разрез универсального клапана забойного двигателя.

Универсальный клапан забойного двигателя содержит полый корпус 1 с радиально выполненными в нем перепускными отверстиями 2, установленную внутри полого корпуса 1 гильзу 3 и плунжер 4 с радиально выполненными в них перепускными отверстиями 5 и 6.

Плунжер 4 выполнен с центральным проточным каналом 7, сливным отверстием 8 и наружными кольцевыми уплотнениями 9.

Гильза 3 имеет вертикальные проточные отверстия 10, наружные кольцевые уплотнения 11, внутренние кольцевые уплотнения 12, седло 13 и седло 14.

Плунжер 4 имеет ступенчатую форму наружной поверхности в виде поршня, на которой выполнен шток 15, упор 16 и наружная резьба 17.

Универсальный клапан забойного двигателя содержит демпфер 18 с амортизатором 19, внутренним уступом 20 и ограничителем 21, а также золотник 22 с седлом 23 и наружным кольцевым уплотнением 24, пружину 25 и наконечник 26 с тарельчатым уступом 27, проточными каналами 28, наружным кольцевым уплотнением 29 и внутренней резьбой 30.

Наконечник 26 имеет внутреннюю резьбу 30, а плунжер 4 наружную резьбу 17.

Универсальный клапан забойного двигателя также содержит переводник 31 с присоединительной резьбой и фильтры 33, установленные на резьбе 34 в полом корпусе 1 для фиксирования гильзы 3 в полом корпусе 1.

Полый корпус 1 имеет присоединительные резьбы 35 и 36, а также входной 37 и выходной 38 проточные каналы и упорный уступ 39.

Закрытая полость 40 между внутренней поверхностью 41 полого корпуса 1, гильзой 3 и плунжером 4 гидравлически сообщена с затрубным пространством через проточные отверстия 10 и перепускные каналы 5, выполненные в гильзе 3.

Возможен конструктивный вариант исполнения универсального клапана забойного двигателя, принцип действия которого соответствует принципу действия универсального клапана по предлагаемому изобретению.

При подвижном расположении демпфера на плунжере и золотника на наконечнике, а также их перемещение с плунжером относительно полого корпуса и гильзы под воздействием перепада давления между полостями универсального клапана, затрубным пространством и внутренней полостью бурильных труб, универсальный клапан забойного двигателя может не только обеспечить заполнение промывочной жидкостью внутренней полости бурильных труб и слив ее при спуско-подъемных операциях, но и при резком повышении давления в затрубном пространстве в момент выброса газожидкостной смеси из продуктивного пласта перекрыть переток промывочной жидкости из скважины в бурильные трубы.

Применение универсального клапана забойного двигателя в компоновке низа бурильной колонны исключает использование в ее составе двух раздельно устанавливаемых клапанов (переливного и обратного) с присущими им недостатками, обеспечив достижение положительного технического результата и надежность срабатывания универсального клапана забойного двигателя в момент выброса из продуктивного пласта.

Универсальный клапан забойного двигателя работает следующим образом.

При компоновке низа бурильной колонны универсальный клапан забойного двигателя устанавливается над двигателем через присоединительную резьбу 35 полого корпуса 1, а через присоединительную резьбу 32 переводника 31 соединяется с бурильными трубами.

Универсальный клапан забойного двигателя, присоединенный к бурильным трубам и забойному двигателю, опускается ниже стола ротора для проверки на закрытие при пуске бурового насоса, на запуск забойного двигателя и открытие клапана после отключения насоса.

После проверки работоспособности универсального клапана забойного двигателя колонна бурильных труб наращивается и производится спуск компоновки в скважину до забоя.

В процессе спуска колонны бурильных труб промывочная жидкость из затрубного пространства через радиально выполненные перепускные отверстия 2, 5 и 6 в полом корпусе 1, гильзе 3 и плунжере 4, оси которых расположены в одной плоскости, поступает во входной проточный канал 37 полого корпуса 1, при этом наконечник 26 тарельчатым уступом 27 примыкает к седлу 23 золотника 22, предотвращая утечки промывочной жидкости снизу через забойный двигатель.

После включения бурового насоса промывочная жидкость под давлением поступает во входной канал 37 полого корпуса 1 универсального клапана забойного двигателя, перемещая плунжер 4 с наконечником 26 и демпфером 18 вниз, при этом демпфер 18 внутренним уступом 20 соприкасается с упором 16 плунжера 4. При дальнейшем движении плунжера 4 с демпфером 18 происходит сжатие пружины 25 на величину хода демпфера 18. Ход демпфера 18 определяется расстоянием между ограничителем 21 демпфера 18 и верхним торцом золотника 22.

В нижнем положении плунжера 4 радиально выполненные перепускные отверстия 6 на штоке 15 находятся между внутренними кольцевыми уплотнениями 9 седла 14 гильзы 3, перекрывая поток промывочной жидкости из верхнего проточного канала 37 полого корпуса 1 в затрубное пространство через радиально выполненные перепускные отверстия 2, 5 и 6 в полом корпусе 1, гильзе 3 и плунжере 4. К забойному двигателю промывочная жидкость поступает через центральный проточный канал 7 плунжера 4, проточные каналы 28 наконечника 26 и выходной проточный канал 38 полого корпуса 1.

При выключении бурового насоса плунжер 4, совместно с наконечником 26 и демпфером 18, под воздействием сжатой пружины 25 перемещаются вверх до соприкосновения амортизатором 19 демпфера 18 с нижним торцом гильзы 3, а тарельчатый уступ 27 наконечника плунжера 26 соприкасается с седлом 23 золотника 22, образуя клапанную пару, перекрывая поток промывочной жидкости из выходнго проточного канала 38 во входной проточный канал 37 полого корпуса 1. Радиальные перепускные отверстия 6 в плунжере 4 смещаются из зоны седла 14 гильзы 3 и располагаются в одной плоскости с перепускными отверстиями 2 и 5, выполненными в полом корпусе 1 и гильзе 3, открывая переток промывочной жидкости в прямом и обратном направлении из входного проточного канала 37 в затрубное пространство. В момент подъема плунжера 4 полость 40 под плунжером 4 заполняется через проточные отверстия 10 гильзы 3 промывочной жидкостью.

В результате того, что в универсальном клапане забойного двигателя полость 40 между плунжером 4, внутренней поверхностью 41 полого корпуса 1, гильзой 3 сообщается посредством проточных отверстий 10 и перепускных отверстий 2 и 5 с затрубным пространством, плунжер 4 имеет возможность при выбросе газожидкостной смеси из пласта под действием возросшего давления перемещаться вверх. При этом связанный с плунжером 4 наконечник 26 совместно с золотником 22 перемещается до упора верхним торцом золотника 22 в ограничитель 21 демпфера 18. Радиальные перепускные отверстия 6 плунжера 4 располагаются в зоне седла 13 гильзы 3, перекрывая переток промывочной жидкости из затрубного пространства во входной проточный канал 37.

При одновременном перекрытии проточных каналов 28 в наконечнике 26 и перепускных отверстий 6 в плунжере 4 циркуляция промывочной жидкости из затрубного пространства во входной проточный канал 37 полностью прекращается. Универсальный клапан забойного двигателя будет открыт, когда давление во входном проточном канале 37 будет равно или больше давления в выходном проточном канале 38 и затрубном пространстве.

При работе универсального клапана забойного двигателя кольцевые уплотнения 9, 11, 12, 24 и 29 предотвращают утечки промывочной жидкости в зависимости от перепада давления между внутренними полостями универсального клапана и затрубным пространством.

Наличие в универсальном клапане забойного двигателя демпфера, подвижно установленного на штоке плунжера, и золотника, перемещающегося относительно полого корпуса и наконечника, а также вертикальных проточных отверстий в гильзе для сообщения подпоршневой полости плунжера с затрубным пространством, позволяет осуществлять, с высокой для практики надежностью и безопасностью, все виды технологических операций, связанных со спуском и подъемом бурильных труб, а также бурением скважин в сложных геолого-технических условиях, обеспечив работу универсального клапана при всех возможных перепадах давления в стволе скважины и во внутренней полости бурильных труб.

Источники информации

1. А.с. №898028, Е21В 17/00, опубл. 15.01.82, Бюл. №2.

2. Патент №2224866, C1 7 Е12В 4/02, 34/10, опубл. 27.02.2004 г., Бюл. №6.

Универсальный клапан забойного двигателя, содержащий полый корпус, гильзу и плунжер с радиально выполненными в них перепускными отверстиями, золотник, пружину и уплотнения, установленные на плунжере, золотнике и гильзе, отличающийся тем, что он содержит демпфер и наконечник, плунжер снабжен упором, а наконечник снабжен тарельчатым уступом, демпфер и наконечник сопряжены с плунжером, расположенным в полом корпусе и гильзе, а золотник, имеющий седло, сопряжен с полым корпусом и наконечником, в котором выполнены радиальные проточные каналы, при этом демпфер, взаимодействуя с пружиной, установленной между демпфером и золотником, выполнен примыкающим к гильзе и упору плунжера, а золотник своим седлом - к тарельчатому уступу наконечника.