ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОТОКА ЖИДКОСТИ Российский патент 1994 года по МПК E21B34/06 E21B21/10 

Изобретение относится к технике бурения глубоких скважин и предназначено для переключения потока промывочной жидкости в нижней части бурильной колонны по команде с поверхности. Возможно использование переключателя для дистанционного переключения потоков жидкости в любых трубопроводах.

Известно устройство для управления потоком жидкости в бурильной колонне, содержащее корпус с боковым и осевым отверстиями, подпружиненный поршень, размещенный в полости корпуса, кулису с фигурным пазом и уплотняющие пары [1].

Недостатком этого устройства является то, что при определенной частоте поперечных колебаний бурильной колонны с амплитудой, совпадающей по направлению с плоскостью кулисы, возможны сбои в переключении.

Известен переключатель потока жидкости (клапан бурильной колонны), являющийся наиболее близким к предложенному. Он содержит корпус с осевым и боковым отверстиями, гидрораспределитель в виде тарельчатого клапана с седлом, подвижный приводной элемент в виде золотника, установленный в корпусе с возможностью осевого перемещения и поворота, возвратную пружину, взаимодействующую с приводным элементом, втулку с замкнутой зигзагообразной канавкой, имеющей прямые и наклонные пазы, и взаимодействующие с пазами элементы в виде пальцев [2].

Недостатком этого переключателя является то, что в условиях вибраций и крутильных колебаний не обеспечивается надежного переключения из одного положения в другое, так как возможно повторное попадание пальцев в один и тот же паз или перескакивание через паз в момент прохождения средней части канавки.

Целью изобретения является повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что переключатель потока жидкости, содержащий корпус с продольным и боковым отверстиями, подвижный приводной элемент с возвратной пружиной, установленной в корпусе с возможностью пpодольного перемещения и поворота, втулку с замкнутой зигзагообразной канавкой из прямых и наклонных пазов, контактные элементы, взаимодействующие с пазами замкнутой зигзагообразной канавки, и гидрораспределитель, снабжен подвижным соединением приводного элемента с гидрораспределителем, втулка жестко связана с подвижным приводным элементом или с корпусом, контактные элементы подпружинены и установлены с возможностью радиального перемещения соответственно в корпусе или на подвижном приводном элементе, пазы канавки выполнены с максимальной глубиной в передней и задней по отношению к прямому движению подвижного элемента частях и минимальной глубиной в средней части, причем подвижный приводной элемент выполнен полым, переход от передней части прямых и задней части наклонных пазов к их средним частям выполнен плавным, а переход от задней части прямых к передней части наклонных выполнен ступенчатым.

Кроме того, гидрораспределитель выполнен в виде уплотненного относительно корпуса поворотного золотника с выходным отверстием, совпадающим при повороте на заданный шаг с продольным или боковым отверстием корпуса. При этом переключатель может быть снабжен приемной воронкой, связанной с подвижным приводным элементом и выполненной с фиксаторами, внешние части которых контактируют с внутренней поверхностью корпуса, выполненной с углублением.

Кроме того, подвижный приводной элемент под канавкой и втулка в своей верхней части имеют уплотнения одинакового диаметра, полость между уплотнениями заполнена смазывающей жидкостью. При этом переключатель может быть снабжен обратным клапаном, размещенным на выходе гидрораспределителя в продольном отверстии корпуса.

Кроме того, переключатель снабжен компенсаторами давления, размещенными в корпусе между уплотнениями подвижного приводного элемента.

Кроме того, рабочая часть гидрораспределителя и ответная часть корпуса имеют коническую форму, переключатель снабжен эластичной опорой, расположенной между корпусом и гидрораспределителем. При этом боковых отверстий корпуса может быть несколько.

На фиг. 1 изображен переключатель потока жидкости, разрез; на фиг.2 - развертка зигзагообразной канавки с наложенными сечениями пазов; на фиг.3 - поперечный разрез переключателя в зоне рычажных контактных элементов; на фиг. 4 и 5 - проекции рычажного контактного элемента; на фиг.6 - поперечный разрез А-А на фиг.1 (переключатель с пальцевыми контактными элементами); на фиг.7 - вариант выполнения фиксаторов в виде шаров.

Переключатель потока жидкости содержит составной корпус 1 с продольным 2 и боковыми 3 отверстиями, подвижный приводной элемент 4 с возвратной пружиной 5, установленный в корпусе 1 с возможностью продольного перемещения и поворота, втулку 6 с замкнутой зигзагообразной канавкой 7 прямых 8 и наклонных 9 пазов, контактные элементы 10, взаимодействующие с пазами 8 и 9 канавки 7, и гидрораспределитель 11. Подвижное соединение 12 связывает гидрораспределитель 11 с подвижным приводным элементом 4 или втулкой 6, обеспечивая возможность относительного продольного перемещения. Подвижное соединение 12 может быть шлицевым, шпоночным, в виде многогранной штанги в многогранном отверстии и т.п. Втулка 6 жестко связана с подвижным приводным элементом 4, а контактные элементы 10 подпружинены и установлены с возможностью радиального перемещения в корпусе 1. Возможен вариант, когда втулка 6 связана жестко с корпусом 1, а контактные элементы 10 подпружинены и установлены с возможностью радиального перемещения на подвижном приводном элементе 4.

Контактные элементы 10 могут быть выполнены в виде пальцев или сухарей круглого сечения (см. фиг.2, 10а) или в форме параллелограмма с закруглениями (см. фиг.2, 10б). Они также могут быть выполнены в виде рычагов (10в, фиг. 3-5) с наконечниками описанного сечения с осью вращения 10г, перпендикулярной оси корпуса 1. Пазы 8 и 9 канавки 7 выполнены с максимальной глубиной в передней и задней частях по отношению к прямому движению (стрелка Р, фиг.2) подвижного приводного элемента 4 и с минимальной глубиной в средней части. При этом подвижный элемент 4 выполнен полым, переход от передней части прямых пазов 8 и задней части наклонных пазов 9 к их средним частям выполнен плавным, а переход от задней части прямых пазов 8 и передней части наклонных пазов 9 к их средним частям выполнен ступенчатым (см. фиг. 2, 8а и 9а). Втулка 6 и элемент 4 могут быть выполнены воедино в виде одной детали, уплотненной в верхней и нижней частях.

Гидрораспределитель 11 выполнен в виде уплотненного относительно корпуса 1 поворотного золотника с выходным отверстием 13, совпадающим при повороте на заданный шаг с продольным отверстием 2 или боковым отверстием 3 корпуса 1. Приемная воронка 14 с фиксаторами 15 кинематически связана с подвижным приводным элементом 4 и также может являться его частью. Внешние части фиксаторов 15 контактируют с внутренней поверхностью корпуса 1, выполненной с углублением 16. Фиксаторы 15 могут быть выполнены в виде пальцев (см. фиг. 1) или шаров (см. фиг.7), размещенных в радиальных отверстиях приемной воронки 14, или другого элемента, кинематически связанного с подвижным приводным элементом 4. Элемент 4 над и под зигзагообразной канавкой 7 имеет уплотнения 17 и 18, уплотняющие его относительно корпуса 1. Уплотнения 17 и 18 имеют одинаковый диаметр, а полость между уплотнениями 17 и 18, корпусом 1 и подвижным приводным элементом 4 заполнена смазывающей жидкостью. На выходе гидрораспределителя 11 в продольном отверстии 2 корпуса 1 размещен обратный клапан 19, который может быть выполнен шаровым, лепестковым или тарельчатым. Между уплотнениями 17 и 18 в их крайнем верхнем и крайнем нижнем положениях в корпусе 1 размещен компенсатор 20 давления, например, в виде компенсатора-лубрикатора шарошечных долот.

Рабочая часть гидрораспределителя 11 и ответная часть корпуса 1 имеют коническую форму и между ними расположена эластичная опора (прокладка) 21. При необходимости в корпусе 1 может быть выполнено несколько боковых отверстий 3, подключаемых поочередно к отверстию 13. В этом случае может отсутствовать продольное отверстие 2, роль которого выполняет одно из боковых отверстий 3.

Переключатель работает следующим образом.

При спуске бурильной колонны в скважину переключатель находится в положении, при котором отверстие в гидрораспределителе 11 совпадает с боковым отверстием 3 в корпусе 1. При этом буровой раствор с взвешенными в нем частицами песка, шлама и кусочков породы, выбиваемых долотом из стенок скважины, заполняет полость бурильной колонны. Поскольку жидкость практически не сжимаема, песок и шлам не попадают снизу в полость турбобура. Таким образом исключается "зашламование снизу". После спуска производится кратковременная промывка через боковое отверстие 3 для удаления загрязненной части бурового раствора, находящегося в бурильной колонне, для предотвращения "зашламования сверху" турбинок турбобура. После промывки сбрасывается управляющий инструмент, например шар заданного диаметра. Шар доходит до фиксаторов 15 приемной воронки 14, задерживается ими и частично перекрывает ее проходное сечение. При этом давление над шаром повышается и подвижный приводной элемент 4, преодолевая сопротивление возвратной пружины 5, совершает вынужденное прямое движение вниз (стрелка Р фиг.2). При этом боковые поверхности контактных элементов 10 взаимодействуют со ступеньками 8а прямых пазов 8, которые одновременно являются боковыми поверхностями наклонных пазов 9, и вынуждают поворачиваться вокруг своей оси втулку 6 и подвижный приводной элемент 4, который через подвижное соединение 12 поворачивает гидрораспределитель 11. Торцовые поверхности контактных элементов 10, скользя по плавному подъему дна наклонных пазов 9, сжимают свои пружины и при прохождении ступеньки 9а "защелкиваются" уже в задней части прямого паза 8. Повторному попаданию в наклонный паз 9 препятствует ступенька 9а даже при возникновении крутильных колебаний бурильной колонны. Таким образом гидрораспределитель повернут на один шаг и отверстие 13 совпадает с продольным отверстием 2 корпуса 1. Фиксаторы 15 попадают в углубление 16 и под действием шара расходятся в стороны, освобождая шар, который проваливается в накопитель приемной воронки 14. Давление над приемной воронкой 14 и под ней выравнивается и подвижный приводной элемент 4 с втулкой 6 под действием возвратной пружины 5 движется вверх, в направлении против стрелки Р на фиг. 2. При этом контактные элементы 10 сжимают свои пружины на плавном переходе дна паза 8 и "защелкиваются" на ступеньке 8а, попав в переднюю часть наклонного паза 9. При движении в прямом пазу 8 поворота подвижного приводного элемента 4 и гидрораспределителя 11 не происходит. Поток чистой промывочной жидкости идет через турбобур, приводя его во вращение. При наращивании колонны обратный клапан 19 препятствует проникновению шлама в полость бурильной колонны. Если необходимо произвести промывку, сбрасывают следующий шар. Взаимодействие элементов переключателя потока жидкости происходит аналогично описанному, но гидрораспределитель 11 занимает следующее положение, сообщая через отверстия 3 и 13 полость бурильной колонны с затрубным пространством. При нескольких боковых отверстиях 3 гидрораспределитель 11 может подключать к потоку жидкости дополнительных потребителей, например дроссельное сопротивление в виде долотной насадки, для одновременного направления потока в турбобур и затрубное пространство, что применяется в особых случаях бурения (вскрытие пластов с аномально высоким пластовым давлением).

О моменте срабатывания переключателя потока жидкости судят по скачку давления на манометре напорной магистрали, а о положении гидрораспределителя 11 - по абсолютной величине давления, которое при сообщении отверстий 3 и 13 значительно ниже, чем при сообщении отверстий 13 и 2 (на величину сопротивления турбобура и долота).

В качестве примера конкретного выполнения может служить переключатель потока жидкости двухпозиционный диаметром 195 мм, длиной 2 м с ходом подвижного приводного элемента 240-300 мм, с контактными элементами в виде пальцев диаметром 30 мм, управляемый шарами диаметром 50,8 мм.

Переключатель может управляться также импульсами давления, воспринимаемого поршнем, приемной воронкой или непосредственно верхней частью приводного элемента 4.

Таким образом, замкнутая зигзагообразная канавка переменной глубины со ступеньки на дне и пазами описанной формы и расположения относительно прямого (вынужденного) движения продольного приводного элемента в совокупности с подпружиненными контактными элементами позволяет обеспечивать надежное переключение точно на один шаг в условиях вибраций, поперечных и крутильных колебаний. Гидрораспределитель в виде уплотненного относительно корпуса поворотного золотника с выходным отверстием, совпадающим при повороте на заданный шаг с продольным или боковым отверстием корпуса, позволяет иметь минимальное гидравлическое сопротивление и максимальную гладкость гидравлического тракта, что предотвращает выпадение шлама и абразивный износ элементов в среде загрязненного песком и шламом бурового раствора .

Выполнение рабочей части гидрораспределителя и ответной части корпуса коническими и снабжение эластичной опорой, размещенной между ними, обеспечивают самоуплотнение под действием внутреннего давления и компенсацию износа поверхностей.

Приемная воронка, связанная с подвижным приводным элементом, и фиксаторы, внешние части которых контактируют с внутренней поверхностью корпуса, выполненной с углублением, обеспечивают надежный прием управляющего инструмента - шара, цилиндра, конуса, его фиксацию и освобождение после перемещения подвижного приводного элемента на заданную величину и одновременно поворота на заданный шаг.

Уплотнения подвижного приводного элемента, имеющие одинаковый диаметр, расположенные над и под зигзагообразной канавкой и образующие с корпусом полость, заполненную смазывающей жидкостью, позволяют сохранять объем полости неизменным при движении подвижного приводного элемента и изолировать наиболее нагруженные, изнашиваемые и загрязненные элементы устройства от абразива и шлама глинистого раствора.

Компенсаторы давления позволяют выравнивать давление в полости с затрубным давлением и разгружать уплотнительные элементы при нагреве смазывающей жидкости и ее расширении.

Обратный клапан, размещенный на выходе гидрораспределителя в продольном отверстии корпуса, предотвращает попадание загрязненного раствора в элементы компановки низа бурильной колонны, турбобур, долото при спуске и наращивании колонны, при этом заполнение колонны происходит через боковое отверстие. Таким образом исключается "зашламование снизу" и повышается надежность в работе всей компоновки. Все это позволяет обеспечить высокую надежность переключателя потока жидкости.

Использование: техника бурения глубоких скважин, переключение потока промывочной жидкости. Сущность изобретения: при спуске управляющего шара повышается давление и боковые поверхности контактных элементов начинают взаимодействовать со ступеньками прямых и наклонных пазов, втулки, жестко соединенной с приводным элементом. В результате гидрораспределитель поворачивается точно на один шаг, переключая поток жидкости от одного отверстия в корпусе к другому. 8 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПОТОКА ЖИДКОСТИ, содержащий корпус с продольным и боковым отверстиями, подвижный приводной элемент с возвратной пружиной, установленный в корпусе с возможностью продольного перемещения и поворота, втулку с замкнутой зигзагообразной канавкой из прямых и наклонных пазов, контактные элементы, установленные с возможностью взаимодействия с пазами замкнутой зигзагообразной канавки, и гидрораспределитель, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, он снабжен подвижным соединением приводного элемента с гидрораспределителем, втулка жестко связана с подвижным приводным элементом или с корпусом, а контактные элементы подпружинены и установлены с возможностью радиального перемещения соответственно в корпусе или на подвижном приводном элементе, пазы канавки выполнены с максимальной глубиной в передней и задней частях по отношению к прямому движению подвижного приводного элемента и с минимальной глубиной в средней части, причем подвижный приводной элемент выполнен полым, переход от передней части прямых и задней части наклонных пазов к их средним частям выполнен плавным, а переход от задней части прямых к передней части наклонных пазов выполнен ступенчатым. 2.Переключатель по п.1, отличающийся тем, что гидрораспределитель выполнен в виде уплотненного относительно корпуса поворотного золотника с выходным отверстием и установлен с возможностью совпадения выходного отверстия с продольным или боковым отверстием корпуса при повороте золотника на заданный шаг. 3.Переключатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен приемной воронкой с фиксаторами, кинематически связанной с подвижным приводным элементом, внутренняя поверхность корпуса выполнена с углублением, а приемная воронка установлена с возможностью контактирования внешними частями фиксаторов с внутренней поверхностью корпуса и углублением. 4. Переключатель по пп.1 и 3, отличающийся тем, что подвижный приводной элемент и втулка ниже зигзагообразной канавки имеют уплотнения одинакового диаметра относительно корпуса, а полость между уплотнениями заполнена смазывающей жидкостью. 5. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен обратным клапаном, размещенным на выходе гидрораспределителя в продольном отверстии корпуса. 6. Переключатель по пп.1 и 4, отличающийся тем, что он снабжен компенсаторами давления, размещенными в корпусе между уплотнениями подвижного приводного элемента и втулки. 7. Переключатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая часть гидрораспределителя и ответная часть корпуса имеют коническую форму. 8. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен эластичной опорой, расположенной между корпусом и гидрораспределителем. 9. Переключатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что корпус выполнен с дополнительными боковыми отверстиями.