ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2022 года по МПК E21B21/10 

Изобретение относится к циркуляционным клапанам бурильной колонны, позволяющим многократно переключать поток текучей среды - бурового раствора, включающего кольматационные материалы, из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное, минуя все элементы компоновки бурильной колонны, находящиеся ниже по потоку.

Известен скважинный инструмент для циркуляции текучей среды в стволе скважины, содержащий трубчатый корпус с внешними отверстиями, поршень, установленный с возможностью скольжения внутри корпуса, внутреннее расходное отверстие, проходящее через корпус и поршень, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом поршень имеет первое положение, в котором внешние отверстия выполнены перекрываемыми от первичной траектории движения текучей среды, и второе положение, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды и открываются внешние отверстия для обхода указанной траектории между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины, и делительный механизм, установленный между корпусом и поршнем для направления поршня между первым и вторым положениями (US 8844634 В2, 30.09.2014).

В известном скважинном инструменте поршень установлен с возможностью перемещения между первым и вторым положениями неограниченное число раз за один цикл опускания в скважину, делительный механизм содержит шлицевую втулку и поворотное делительное кольцо, шлицевая втулка закреплена в корпусе, содержит скошенные выступы и внутренние шлицы, выполненные с возможностью захода поочередно в расположенные на поворотном делительном кольце длинные и короткие пазы.

Известный скважинный инструмент включает сердечник, установленный в поршне, имеющий верхний конец, расположенный под верхним концом поршня, снабженным седлом для шарика и входным отверстием, в первом положении, включает шарик, установленный на седле с возможностью блокирования первичной траектории движения текучей среды и создания вторичной внутренней траектории движения текучей среды через внутреннее отверстие, при этом внутреннее отверстие расположено под верхним концом сердечника во втором положении для перекрытия внутренней траектории движения текучей среды и открытия внешних отверстий для обходной траектории движения текучей среды.

Циркуляционный переводник 105 выполнен с возможностью нахождения в различных положениях, в которых обеспечивается проход текучей среды по одной из траекторий.

В первом положении текучая среда проходит по траектории 130 от верхнего переводника 110 через циркуляционный переводник 105, расходное отверстие 135 к нижнему переводнику 120 и другим элементам, которые могут располагаться спереди по ходу скважины от нижнего переводника 120.

Когда циркуляционный переводник 105 находится во втором положении, текучая среда проходит по траектории 130 в верхнем переводнике 110 вокруг шарика 245 и через отверстия 260, и в конце возвращается в проходное отверстие 135 и вновь попадает на траекторию 130 к нижнему переводнику 120.

В еще одном положении, когда циркуляционный переводник 105 находится в третьем положении, текучая среда отклоняется от траектории 130 через траекторию 132 движения в циркуляционном переводнике 105 к кольцевому зазору 145 ствола скважины, расположенному между участком 100 бурильной колонны и окружающей породой 147.

После попадания в кольцевой зазор 145 ствола скважины текучая среда возвращается на поверхность в обход нижнего переводника 120 и других элементов, которые могут располагаться спереди по ходу скважины от нижнего переводника 120.

Делительный механизм 165 обеспечивает перемещение циркуляционного переводника 105 между этими различными положениями.

Как изображено на фиг. 9, шарик 245 блокирует проход потока бурового раствора через впускное отверстие 257 клапанного поршня 170.

Смещенный вниз клапанный поршень 170 перекрывает внешние отверстия 140 и прерывает связь текучей средой между траекторией 130 движения текучей среды и кольцевым зазором 145 ствола скважины.

Таким образом, буровой раствор обтекает шарик 245 и проходит через отверстия 260 на внутреннем диаметре (см. также фиг. 4) в клапанный поршень 170, определяя вторичный внутренний поток.

После прохождения через отверстия 260 внутреннего диаметра буровой раствор проходит через расходное отверстие 135 циркуляционного переводника 105 к нижнему переводнику 120 и элементам, которые могут располагаться в скважине ниже нижнего переводника 120.

При нахождении циркуляционного переводника 105 в проходном положении, обеспечивается прохождение бурового раствора от верхнего переводника 110 через инструмент 105 к нижнему переводнику 120.

Недостатком известного скважинного инструмента является неадекватное переключение делительного механизма, установленного между корпусом и поршнем для направления поршня между первым, вторым или промежуточными положениями, при этом оператору на буровой установке трудно определить истинное расположение частей поршня в корпусе, при котором указанный поршень имеет второе положение, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды и открываются внешние отверстия для обхода указанной траектории между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины, или третье положение, при котором циркуляционный переводник может выборочно переводиться в проходное положение или в перепускное положение за счет прерывания и возобновления расхода бурового раствора, или четвертое положение, при котором изменяется второе или третье положение при достижении заданного расхода бурового раствора, или пятое положение, при котором изменяется второе или третье положение за счет достижения требуемого перепада давления бурового раствора.

Другим недостатком известного скважинного инструмента является то, что привод поршня клапана и делительного механизма осуществляется за счет создания повышенного давления бурового раствора на устье скважины для передачи требуемого перепада давления на глубине установки циркуляционного клапана в компоновке низа бурильной колонны.

Создание требуемого перепада давления осуществляется установкой в проточном канале поршня дополнительного гидравлического сопротивления, например, канала с критическим сечением, при этом на выходе из канала скорость потока увеличивается, давление падает, образуется зона пониженного давления, создается перепад давления на поршне, однако это вызывает потери гидравлической мощности, тем самым ограничиваются гидравлические возможности в данной скважине ввиду увеличенной требуемой мощности для циркуляции бурового раствора через скважинный инструмент, при этом на малых расходах бурового раствора, перепада давления на поршне недостаточно для создания необходимого усилия для его перемещения и переключения.

Вследствие того, что делительный механизм, установленный между корпусом и поршнем для направления поршня между первым и вторым положениями, меняет свое положение при достижении заданного расхода бурового раствора, не исключаются ложные срабатывания поршня, снабженного седлом для шарика и входным отверстием, в первом положении, включающем шарик, установленный на седле с возможностью блокировки первичной траектории движения текучей среды и создания вторичной внутренней траектории движения текучей среды через внутреннее отверстие.

Другим недостатком известной конструкции является сложность определения оператором расположения делительного механизма и циркуляционных отверстий в альтернативном варианте, когда циркуляционный переводник 105 находится во втором или проходном положении, текучая среда проходит по траектории 130 в верхнем переводнике 110 вокруг шарика 245 и через отверстия 260, и в конце возвращается в проходное отверстие 135 и вновь попадает на траекторию 130 к нижнему переводнику 120 и другим нижним элементам, а также в еще одном возможном положении, когда циркуляционный переводник 105 находится в перепускном положении, при котором текучая среда отклоняется от траектории 130 через траекторию 132 движения в циркуляционном переводнике 105 к кольцевому зазору 145 ствола скважины, расположенному между участком 100 бурильной колонны и окружающей породой 147.

Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется гидроабразивным размывом отверстий циркуляционных портов, а также смещенного вниз клапанного поршня 170, который перекрывает внешние отверстия 140 и прерывает связь текучей средой между траекторией 130 движения текучей среды и кольцевым зазором 145 ствола скважины при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, например, буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Известно устройство, позволяющее контролировать скважины в процессе бурения, состоящее из трубчатого корпуса, который устанавливается внутрь бурильной колонны, смещаемой втулки, расположенной внутри и перемещаемой по отношению к указанному трубчатому корпусу, пружины, удерживающей указанную втулку в первом положении внутри трубчатого корпуса, отверстия в указанной втулке для прохождения через него потока жидкости, первого шара, который устанавливается в указанное отверстие для перекрытия отверстия и препятствования проходу жидкости через указанное отверстие для смещения втулки внутри трубчатого корпуса, при этом указанный шар является деформируемым под воздействием повышающегося давления жидкости для того, чтобы его можно было протолкнуть через указанное отверстие наружу (US 5499687 А, 19.03.1996).

Известное устройство содержит расширяемый пакер и средства для расширения пакера, когда шар расположен внутри указанного отверстия.

Известное устройство содержит второй шар, отвод в указанном трубчатом корпусе для прохода жидкости через него, указанный второй шар для уплотнения указанного отвода для создания достаточного давления для деформирования его и проталкивания через указанное отверстие.

Известное устройство содержит шароуловитель, предусмотренный для захвата первого шара после того, как он проталкивается через указанное отверстие, и устроенный таким образом, чтобы позволять проход жидкости через него.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется гидроабразивным размывом и высокой вероятностью прихвата смещаемой втулки, расположенной внутри трубчатого корпуса и перемещаемой по отношению к указанному трубчатому корпусу, при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, например, буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Известен циркуляционный клапан бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус, золотниковую втулку, расположенную внутри корпуса, седло, расположенное в центральном канале золотниковой втулки, направляющее кольцо, расположенное во входной части корпуса, пружину, прижимающую золотниковую втулку к направляющему кольцу, через внутренние полости корпуса, направляющего кольца, седла и золотниковой втулки осуществляется насосная подача текучей среды, а также содержащий два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, и открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, а также содержащий сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло при движении текучей среды по бурильной колонне, а также содержащий два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порты, а также содержащий скрепленный с корпусом резьбовой переводник с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло, а также содержащий гильзу, расположенную внутри трубчатого корпуса, золотниковая втулка выполнена сплошной, размещена с возможностью продольного перемещения внутри гильзы и снабжена собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью гильзы, при этом в неактивном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой и осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, указанные циркуляционные порты расположены ниже по потоку от седла, собственные наружные уплотнения золотниковой втулки расположены по разные стороны относительно циркуляционных портов, а в активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, верхний по потоку край золотниковой втулки расположен ниже по потоку от циркуляционных портов, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно края направленного внутрь циркуляционного порта, а внутренний профиль входной части расходных отверстий циркуляционных портов выполнен конфузорным в направлении наружной поверхности трубчатого корпуса (RU 2599120 С1, 10.10.2016).

Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности вследствие высокой активности кавитационных процессов потока текучей среды, что объясняется гидроабразивным размывом верхнего по потоку уплотнения - манжеты из эластомера в золотниковой втулке, находящейся в потоке, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, с расходом 25÷27 л/сек, при перемещении золотниковой гильзы с уплотнениями из эластомера через расходные отверстия циркуляционных портов, по существу, объясняется разрушением уплотнительных кромок верхнего по потоку уплотнения (манжеты) при ее перемещении через расходные отверстия циркуляционных портов.

Другим недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется гидроабразивным размывом верхнего по потоку уплотнения - манжеты из эластомера в золотниковой втулке, находящейся в потоке текучей среды при закачке кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора, например, бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм, а также при промывке бурильной колонны после закачки кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора.

Это объясняется тем, что в известной конструкции посадка сбрасываемого активационного шара в седло золотниковой втулки выполняется плавно, при этом операция плавной посадки сбрасываемого активационного шара необходима при работе циркуляционного клапана в скважине, что предотвращает возможность продавливания активационного шара под действием давления столба текучей среды - бурового раствора в скважине при достижении контакта активационного шара с седлом золотниковой втулки.

Полученная величина расхода текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа составляет 5÷7 л/сек, с последующим плавным увеличением расхода текучей среды, например, до 10÷12 л/сек, была рекомендована для эксплуатации известного циркуляционного клапана.

Недостатки известной конструкции объясняются тем, что кромки переднего по потоку уплотнения из эластомера в золотниковой втулке, расположенные против расходных отверстий циркуляционных портов, затягиваются в расходные отверстия циркуляционных портов потоком текучей среды в неактивном режиме, при котором циркуляционные порты частично открыты золотниковой втулкой, а через внутренние полости корпуса, направляющего кольца, седла и золотниковой втулки осуществляется насосная подача текучей среды, например, при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, с расходом текучей среды 5÷7 л/сек, с последующим плавным увеличением расхода текучей среды, например, до 10÷12 л/сек, вследствие этого кромки переднего по потоку уплотнения разрушаются (промываются) потоком текучей среды через расходные отверстия циркуляционных портов клапана.

Другим недостатком известного циркуляционного клапана является то, что в корпусе установлена гильза с дополнительными наружными уплотнениями портов корпуса, что снижает надежность устройства вследствие дополнительных уплотнительных элементов конструкции, испытывающих высокие перепады давления.

Наиболее близким к заявляемой конструкции является циркуляционное устройство для установки в составе бурильной колонны, которое может переключаться между неактивным режимом, при котором оно не препятствует потоку жидкости по бурильной колонне в ходе процесса бурения, и активным режимом, когда необходимо прервать процесс бурения, состоящее из наружного корпуса, втулки, смещающейся по оси внутри корпуса, посадочного седла, соединенного с втулкой, необходимого для приема активирующего шара, когда шар приводится в движение потоком бурового раствора по направлению от поверхности к нижней части бурильной колонны, упомянутое посадочное седло смещает втулку по оси и приводит к переводу инструмента в активный режим циркуляции, и циркуляционного порта в корпусе, который закрыт втулкой, когда инструмент находится в неактивном режиме, и открыт и обеспечивает сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, когда инструмент в активном режиме, указанный циркуляционный порт расположен выше по потоку от посадочного седла, таким образом, чтобы позволить запирающему шару, который запускается после того, как активирующий шар попадает в посадочное седло, частично блокировать циркуляционный порт, что приводит к вымыванию выбуренной породы из буровой колонны потоком промывочной жидкости через порт (US 7347288 В2, 25.03.2008).

Известное циркуляционное устройство состоит из двух циркуляционных портов, первый из которых закрывается после активации запирающего шара, посредством чего выбуренная порода может быть вымыта из колонны через второй циркуляционный порт.

В известном циркуляционном устройстве закрывается второй порт после активации второго запирающего шара, с целью:

(а) закрывания портов;

(b) деформации шара активации давлением бурового раствора таким образом, чтобы шар переместился в направлении к нижней части через посадочное седло;

(c) перемещения втулки в положение, соответствующее неактивному режиму инструмента; и

(d) перемещения запирающих шаров от первого и второго портов для возврата инструмента в исходное положение.

Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется гидроабразивным размывом и высокой вероятностью прихвата смещаемой втулки, расположенной внутри трубчатого корпуса и перемещаемой по отношению к указанному трубчатому корпусу, а также высокой активностью кавитационных процессов потока бурового раствора через отверстия циркуляционных портов, что приводит к скоротечному износу циркуляционных портов и нестабильному закрытию клапана при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, например, при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Кольматант - твердое вещество, используемое для закупоривания пор породы на стенках скважины - в кольцевом зазоре ствола скважины, расположенным между участком бурильной колонны и окружающей породой (в затрубном пространстве бурильной колонны).

Размер фракции кольматационных материалов не должен превышать 1/3 внутреннего диаметра циркуляционного порта. Содержание кольматанта в буровом растворе определяется возможностью поглощения жидкости в скважине. Применение кольматантов необходимо для утяжеления бурового раствора, которым заполняют стенки скважины, чтобы выровнять внутреннее давление.

Технический результат, который обеспечивается настоящим изобретением, заключается в повышении ресурса и надежности циркуляционного клапана в составе бурильной колонны (без спуско-подъемных операций), обеспечения закачки всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора, повышении герметичности запирающих шаров в циркуляционных портах путем предотвращения прихвата золотниковой втулки за счет создания направленного против потока перепада давления и усилия, действующего на золотниковую втулку, возвращающего циркуляционный клапан в исходное положение, при котором осуществляют бурение скважины.

Этот технический результат заключается в том, что в циркуляционном клапане бурильной колонны, содержащем трубчатый корпус, золотниковую втулку, выполненную с внешними отверстиями и центральным каналом, внутри которой размещено седло, золотниковая втулка скреплена с хвостовиком, выполненным с центральным каналом, и установлена внутри трубчатого корпуса с возможностью скольжения, а также содержащем пружину, размещенную в трубчатом корпусе и поджимающую золотниковую втулку, скрепленную с хвостовиком, два закрепленных в трубчатом корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, расположенными ниже по потоку от седла золотниковой втулки, циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, и открыты с возможностью сообщения с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, а также содержащем сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло золотниковой втулки при движении текучей среды по бурильной колонне, а также содержащем два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через циркуляционные порты, а также содержащем скрепленный с трубчатым корпусом ниже по потоку выходной переводник с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло золотниковой втулки, согласно изобретению содержит выше по потоку скрепленный с трубчатым корпусом входной переводник с центральным каналом, профиль на выходе центрального канала входного переводника выполнен в форме канала с критическим сечением, верхний по потоку край золотниковой втулки и нижний по потоку край входного переводника выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, а вершины конусов конических поверхностей направлены в сторону седла золотниковой втулки, при этом профиль на выходе центрального канала хвостовика, скрепленного с золотниковой втулкой, выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки.

Циркуляционный клапан содержит устройство фиксации углового положения внешних отверстий золотниковой втулки относительно расходных отверстий циркуляционных портов, закрепленных в трубчатом корпусе, выполненное в виде шпоночного соединения между трубчатым корпусом и золотниковой втулкой.

Каждое отверстие золотниковой втулки со стороны ее центрального канала имеет цилиндрический пояс, выполненный с возможностью плотного контакта края отверстия золотниковой втулки со стороны ее центрального канала с запирающим шаром.

Золотниковая втулка выполнена за одно целое с седлом, с возможностью сообщения полости между внутренней поверхностью трубчатого корпуса и наружной поверхностью золотниковой втулки, в которой размещена пружина, с внутренней полостью трубчатого корпуса, через которую осуществляется насосная подача текучей среды.

Профиль на выходе центрального канала трубчатого корпуса выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки.

В неактивном режиме, при котором циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой, через внутренние полости трубчатого корпуса и седла золотниковой втулки осуществляют насосную подачу текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, в указанном режиме осуществляют бурение скважины героторным гидравлическим двигателем.

В активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты, через входную часть трубчатого корпуса и циркуляционных портов осуществляют насосную подачу текучей среды - бурового раствора, содержащего кольматационные материалы, например, бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Выполнение циркуляционного клапана бурильной колонны таким образом, что он содержит выше по потоку скрепленный с трубчатым корпусом входной переводник с центральным каналом, профиль на выходе центрального канала входного переводника выполнен в форме канала с критическим сечением, верхний по потоку край золотниковой втулки и нижний по потоку край входного переводника выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, а вершины конусов конических поверхностей направлены в сторону седла золотниковой втулки, при этом профиль на выходе центрального канала хвостовика, скрепленного с золотниковой втулкой, выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки, повышает ресурс и надежность циркуляционного клапана в составе бурильной колонны, без спуско-подъемных операций, при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, путем уменьшения гидроабразивного размыва и снижения вероятности прихвата золотниковой втулки, установленной внутри трубчатого корпуса с возможностью скольжения, за счет создания статического перепада давления текучей среды между скрепленным выше по потоку с корпусом входным переводником с центральным каналом, профиль на выходе центрального канала в котором выполнен в форме канала с критическим сечением, при этом скорость потока увеличивается, давление падает, образуется зона пониженного давления на выходе канала (определяется из уравнения Бернулли), и создания статического перепада давления текучей среды на выходе центрального канала хвостовика, скрепленного с золотниковой втулкой, профиль центрального канала в котором выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки, при этом скорость потока уменьшается, давление возрастает, образуется зона повышенного давления на выходе канала (определяется из уравнения Бернулли), по существу, за счет создания направленного против потока перепада давления и усилия, действующего на золотниковую втулку, возвращающего циркуляционный клапан в исходное положение, при котором осуществляют насосную подачу текучей среды через бурильную колонну и бурение скважины.

Такое выполнение циркуляционного клапана обеспечивает также лучшую центровку в потоке текучей среды активационного шара, выполненного с возможностью деформации и прохождения через седло золотниковой втулки при движении текучей среды по бурильной колонне, в режиме входа в центральный канал золотниковой втулки, а также предотвращает повреждения активационного шара верхним по потоку краем золотниковой втулки, выполненным в виде внутреннего конуса, вершина которого направлена по потоку - в сторону седла золотниковой втулки, в режиме входа активационного шара в центральный канал золотниковой втулки.

Такое выполнение циркуляционного клапана обеспечивает также повышение ресурса и надежности циркуляционного клапана в составе бурильной колонны за счет того, что содержит устройство фиксации углового положения внешних отверстий золотниковой втулки относительно расходных отверстий циркуляционных портов, закрепленных в корпусе, выполненное в виде шпоночного соединения непосредственно между корпусом и золотниковой втулкой.

В известной конструкции по патенту US 7347288 В2 не исключается отворот резьбы хвостовика, скрепляющей его с золотниковой втулкой, а при отвороте резьбы хвостовика прекращается работа циркуляционного клапана, при этом бурение в требуемом интервале скважины не может быть осуществлено до конца, например, в скважинах, в интервале 2500÷3500 м, имеющих боковые горизонтальные стволы в интервале 750÷1500 м.

Выполнение циркуляционного клапана бурильной колонны таким образом, что каждое отверстие золотниковой втулки со стороны ее центрального канала имеет цилиндрический пояс, выполненный с возможностью плотного контакта края отверстия золотниковой втулки со стороны ее центрального канала с запирающим шаром, повышает ресурс и надежность циркуляционного клапана за счет создания равномерного поля скоростей и давлений на входе отверстий золотниковой втулки со стороны ее центрального канала, когда циркуляционный клапан находится в режиме посадки активационного шара в седло золотниковой втулки, циркуляционные порты открыты, запирающие шары сброшены в скважину, но еще не достигли циркуляционных портов, при этом через внутренние полости циркуляционного клапана осуществляют насосную подачу текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, (без кольматационных материалов), а также обеспечивает снижение абразивного и эрозионного износа (размыва) отверстий золотниковой втулки со стороны ее центрального канала в активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты, а через входную часть трубчатого корпуса и циркуляционных портов осуществляют насосную подачу текучей среды - бурового раствора, содержащего кольматационные материалы, например, при использовании бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Выполнение циркуляционного клапана бурильной колонны таким образом, что каждое отверстие золотниковой втулки со стороны ее центрального канала имеет цилиндрический пояс, выполненный с возможностью плотного контакта края отверстия золотниковой втулки со стороны ее центрального канала с запирающим шаром, когда циркуляционный клапан находится в режиме посадки активационного шара в седло золотниковой втулки, а два стальных запирающих шара блокируют поток бурового раствора через расходные отверстия циркуляционных портов, обеспечивает также уменьшение утечек текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора и сохранение требуемого перепада давления, не вызывает потери гидравлической мощности, а на малых расходах бурового раствора не требует увеличения перепада давления на золотниковой втулке для создания необходимого усилия для ее перемещения.

Выполнение золотниковой втулки за одно целое с седлом, с возможностью сообщения полости между внутренней поверхностью трубчатого корпуса и наружной поверхностью золотниковой втулки, в которой размещена пружина, с внутренней полостью трубчатого корпуса, через которую осуществляется насосная подача текучей среды, уменьшает гидроабразивный размыв седла и золотниковой втулки в активном режиме, при прокачке бурового раствора, содержащего кольматационные материалы, например, с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм, через открытые циркуляционные порты, по существу, после прокачки циркуляционных портов буровым раствором без кольматационных материалов.

Выполнение циркуляционного клапана таким образом, что профиль на выходе центрального канала трубчатого корпуса выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки, снижает потери давления (гидравлической мощности) бурового раствора, включающего кольматационные материалы, при обтекании устройства для улавливания шаров и прокачке бурового раствора через устройство для улавливания шаров.

Такое выполнение циркуляционного клапана позволяет многократно переключать поток бурового раствора, включающего кольматационные материалы, из внутреннего пространства бурильной колонны в затрубное, минуя все элементы компоновки бурильной колонны, находящиеся ниже по потоку, посредством сбрасываемого шара активации, выполненного с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла при движении потока бурового раствора по бурильной колонне, а также при помощи двух стальных запирающих шаров, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока бурового раствора через циркуляционные порты, без спуско-подъемных операций.

Циркуляционный клапан бурильной колонны применяют в следующих случаях:

- для закачки всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора.

- для улучшения очистки ствола скважины путем увеличения расхода бурового раствора, в частности - при бурении горизонтальных скважин и скважин с большим отходом забоя от вертикали.

- для восстановления параметров буровых растворов.

Ниже представлен циркуляционный клапан КЦ-120РС.810 для бурильной колонны с героторным гидравлическим двигателем ДРУ3-120РС.800.

На фиг. 1 изображен циркуляционный клапан в неактивном режиме, осуществляется насосная подача бурового раствора через бурильную колонну.

На фиг. 2 изображен циркуляционный клапан в режиме посадки активационного шара в седло золотниковой втулки.

На фиг. 3 изображен циркуляционный клапан в активном режиме, активационный шар перекрыл седло золотниковой втулки, осуществляется перепуск бурового раствора, содержащего кольматационные материалы, через расходные отверстия циркуляционных портов в зону поглощения - в затрубное пространство бурильной колонны.

На фиг. 4 изображен циркуляционный клапан, два запирающих шара блокируют поток бурового раствора через расходные отверстия циркуляционных портов.

На фиг. 5 изображен циркуляционный клапан в неактивном режиме, два запирающих шара продавили активационный шар и движутся в устройство для улавливания шаров.

На фиг. 6 изображен элемент I на фиг. 1, верхний по потоку торец золотниковой втулки и нижний по потоку торец входного переводника выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей.

На фиг. 7 изображен разрез А-А на фиг. 3 циркуляционных портов в трубчатом корпусе и золотниковой втулки с центральным каналом и внешними отверстиями.

На фиг. 8 изображен разрез Б-Б на фиг. 5 входной части устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки.

Циркуляционный клапан бурильной колонны содержит трубчатый корпус 1, золотниковую втулку 2, выполненную с внешними отверстиями 3, 4, и центральным каналом 5, внутри которой размещено седло 6, золотниковая втулка 2 скреплена резьбой 7 с хвостовиком 8, выполненным с центральным каналом 9, и установлена внутри трубчатого корпуса 1 с возможностью скольжения наружной поверхности 10 золотниковой втулки 2 по внутренней поверхности 11 трубчатого корпуса 1, а также содержит пружину 12, размещенную в трубчатом корпусе 1 и поджимающую золотниковую втулку 2, скрепленную резьбой 7 с хвостовиком 8, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Циркуляционный клапан содержит два закрепленных в трубчатом корпусе 1 циркуляционных порта 13, 14 с расходными отверстиями, соответственно 15, 16, расположенными ниже по потоку 17 от седла 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 1, 2, 7.

Циркуляционные порты 13, 14 закрыты золотниковой втулкой 2 в неактивном режиме, при котором осуществляют насосную подачу текучей среды 17 по бурильной колонне, и открыты с возможностью сообщения с внутренним пространством 18 бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 7.

В неактивном режиме через внутренние полости трубчатого корпуса 1, центрального канала 5 и седла 6 золотниковой втулки 2, а таже центрального канала 9 хвостовика 8 осуществляют насосную подачу текучей среды - бурового раствора 17, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, в указанном режиме осуществляют бурение скважины героторным гидравлическим двигателем (не показанным), изображено на фиг. 1.

Циркуляционный клапан содержит сбрасываемый в бурильную колонну активационный шар 19, выполненный, например, из резины ИРП-1226-5 (ТУ 2512-215-00149245-96), с возможностью деформации и прохождения через седло 6, выполненное в центральном канале 5 золотниковой втулки 2, при движении текучей среды 17 по бурильной колонне, а также содержит два стальных запирающих шара 20, 21, сбрасываемых в бурильную колонну друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами 13, 14 для перекрытия потока текучей среды 17 через указанные циркуляционные порты 13, 14, изображено на фиг. 2, 4, 5, 7.

Циркуляционный клапан содержит скрепленный резьбой 22 с трубчатым корпусом 1 ниже по потоку 17 выходной переводник 23 с размещенным внутри него устройством 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших с потоком текучей среды 17 через седло 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Циркуляционный клапан содержит выше по потоку 17 скрепленный резьбой 25 с трубчатым корпусом 1 входной переводник 26 с центральным каналом 27, профиль на выходе 28 центрального канала 27 входного переводника 26 выполнен в форме канала с критическим сечением 29, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Верхний по потоку 17 край 30 золотниковой втулки 2 и нижний по потоку 17 край 31 входного переводника 26 выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, соответственно 32, 33, при этом поверхность 32 верхнего по потоку 17 края 30 золотниковой втулки 2 выполнена в виде внутренней конической поверхности, а поверхность 33 нижнего по потоку 17 края 31 нижнего переводника 26 выполнена в виде наружной конической поверхности, причем вершины 34, 35 конусов конических поверхностей, соответственно 32, 33 направлены в сторону седла 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6.

Профиль на выходе 36 центрального канала 9 хвостовика 8, скрепленного резьбой 7 с золотниковой втулкой 2, выполнен на длине 37 в форме диффузора 38 в направлении устройства 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших с потоком текучей среды 17 через седло 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Циркуляционный клапан содержит устройство 39 фиксации углового положения внешних отверстий 3, 4 золотниковой втулки 2 относительно расходных отверстий 15, 16 циркуляционных портов, соответственно 13, 14, закрепленных в трубчатом корпусе 1, выполненное в виде шпоночного соединения между трубчатым корпусом 1 и золотниковой втулкой 2: резьбового штифта 40 в корпусе 1 и шпоночного паза 41 в золотниковой втулке 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Каждое отверстие 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 имеет цилиндрический пояс, соответственно 42, 43, выполненный с возможностью плотного контакта края, соответственно 44, 45 отверстия, соответственно 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 с запирающим шаром 20, 21, изображено на фиг. 7.

Золотниковая втулка 2 выполнена за одно целое с седлом 6, с возможностью сообщения полости 46, в которой размещена пружина 12, по существу - между внутренней поверхностью 47 трубчатого корпуса 1 и наружной поверхностью 48 трубчатого хвостовика 8, скрепленного резьбой 7 с золотниковой втулкой 2, с внутренней полостью 18 трубчатого корпуса 1 (и внутренним пространством 18 бурильной колонны), через которую осуществляется насосная подача текучей среды 17, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Профиль на выходе 49 центрального канала 50 трубчатого корпуса 1 на длине 51 выполнен в форме диффузора 52 в направлении устройства 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших с потоком текучей среды 17 через седло 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.

Кроме того, трубчатый корпус 1 выполнен с кольцевыми канавками 53 на его внутренней поверхности 11, и снабжен собственными уплотнительными манжетами 54 (патент RU 2465502 С1, 12.05.2011, Фирма "Радиус-Сервис"), обеспечивающими герметичность золотниковой втулки 2 при перемещении внутри трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Кроме того, на фиг. 3, 7 изображено: кольматационные материалы 55, например, при использовании бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), размер фракции кольматационных материалов 55 составляет 3÷5 мм, поз.56 - слой кольматационных материалов 55, поз. 57 - зона поглощения - кольцевой зазор ствола скважины, расположенный между участком бурильной колонны и окружающей породой (затрубное пространство бурильной колонны).

Кроме того, устройство 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших с потоком текучей среды 17 через центральный канал 27 входного переводника 26, центральный канал 5 и седло 6 золотниковой втулки 2, центральный канал 9 хвостовика 8 и центральный канал 50 трубчатого корпуса 1, содержит фильтрующую трубу 58 с щелевыми каналами 59, входную втулку 60 и выходную втулку 61, фильтрующая труба 58 соединена резьбой 62 с входной втулкой 60, а также соединена резьбой 63 с выходной втулкой 61, при этом входная втулка 60 выполнена с четырьмя направленными наружу ребрами 64 и телескопически соединена торцами 65 ребер 64 с внутренним цилиндрическим поясом 66 выходного переводника 23, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 8.

Кроме того, поз. 67 - резьба на краю 68 входного переводника 26 для соединения с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), поз. 69 - резьба на краю 70 выходного переводника 23 для соединения с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной).

Циркуляционный клапан КЦ-120РС.810 для бурильной колонны с героторным гидравлическим двигателем ДРУ3-120РС.800 используют для закачки гидромониторными струями кольматационных материалов 55 в зону поглощения бурового раствора - в кольцевой зазор 57 ствола скважины, расположенный между участком бурильной колонны и окружающей породой, изображено на фиг. 1, 7.

Циркуляционный клапан соединяют резьбой 69 выходного переводника 23 с верхом нижней части компоновки низа бурильной колонны (КНБК), включающей героторный гидравлический двигатель (не показанный), а резьбой 67 входного переводника 26 соединяют с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), изображено на фиг. 1.

Буровым насосом, например, УНБ-600, через колонну бурильных труб осуществляют насосную подачу текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора 17, плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении, например, 25÷30 МПа.

В неактивном режиме осуществляют насосную подачу текучей среды -бурового раствора 17 по бурильной колонне, при этом циркуляционные порты 13, 14, установленные в трубчатом корпусе 1, закрыты золотниковой втулкой 2, изображено на фиг. 1.

В указанном режиме осуществляют бурение скважины двигателем ДРУ3-120РС.800, бурят интервал крепления, выбуренная порода с потоком бурового раствора 17 вымывается из устья скважины вверх через кольцевой зазор 57 ствола скважины, расположенный между бурильной колонной и окружающей породой.

Указанный циркуляционный клапан относится к сооружению скважин различного назначения, а именно к их креплению. Обеспечивает повышение герметичности крепи за счет надежной и долговременной изоляции всего комплекса проницаемых пород в интервале подъема тампонажного раствора за обсадной колонной.

При вскрытии проницаемых пластов скважин в промывочную жидкость, например, полимер-глинистый буровой раствора 17, плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении, например, 25÷30 МПа, требуется вводить кольматационные материалы 55, например, при использовании бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), размер фракции кольматационных материалов 55 составляет 3÷5 мм.

Для выполнения указанных выше операций останавливают насос и устанавливают бурильную колонну в клинья.

При остановке бурового насоса пружина 12, размещенная в полости 46, в которой размещена пружина 12, по существу - между внутренней поверхностью 47 трубчатого корпуса 1 и наружной поверхностью 48 хвостовика 8, скрепленного резьбой 7 с золотниковой втулкой 2, поджимает золотниковую втулку 2, скрепленную резьбой 7 с хвостовиком 8, а верхний по потоку текучей среды - бурового раствора 17 край 30 золотниковой втулки 2 и нижний по потоку 17 край 31 входного переводника 26 плотно прижимаются друг к другу коническими поверхностями, соответственно 32, 33, при этом циркуляционные порты 13, 14 расположены ниже по потоку 17 от седла 6 золотниковой втулки 2, уплотнительные манжеты 54, установленные в кольцевых канавках 53 трубчатого корпуса 1, всегда расположены по разные стороны, по существу, по две манжеты с каждой стороны - выше и ниже по потоку 17 относительно циркуляционных портов 13, 14, а внешние отверстия 3, 4 золотниковой втулки 2 расположены выше по потоку 17 от всех уплотнительных манжет 54, изображено на фиг. 1.

Для активации циркуляционного клапана разъединяют бурильную колонну и бросают в нее активационный шар 19, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло 6 золотниковой втулки 2 при движении текучей среды 17 по бурильной колонне, далее соединяют бурильную колонну и прокачивают полимер-глинистый буровой раствор 17 с активационным шаром 19 расчетным объемом бурового раствора 17 (без кольматационных материалов 55), изображено на фиг. 2.

Когда активационный шар 19 садится в седло 6, выполненное в центральном канале 5 золотниковой втулки 2, скрепленные между собой золотниковая втулка 2 и хвостовик 8 под действием избыточного давления, например, 25÷30 МПа, сжимают пружину 12 и сдвигаются вниз по потоку 17, при этом циркуляционные порты 13, 14 открываются, циркуляционный клапан находится в активном режиме, при этом производят перепуск бурового раствора 17 через отверстия 15, 16 циркуляционных портов 13, 14, изображено на фиг. 3.

Посадку активационного шара 19 в седло 6 золотниковой втулки 2 выполняют плавно, операция плавной посадки сбрасываемого активационного шара 19 в седло 6 золотниковой втулки 2 предотвращает возможность продавливания активационного шара 19 под действием давления столба текучей среды - бурового раствора 17 в скважине при достижении контакта активационного шара 19 с седлом 6 золотниковой втулки 2, изображено на фиг. 3, 6.

Расход текучей среды 17, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа составляет 5÷7 л/сек, затем плавно увеличивают расход текучей среды, например, до 12÷17 л/сек.

Далее осуществляют насосную подачу бурового раствора 17, содержащего кольматационные материалы 57 (кольматационную пачку), например, бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), при этом размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм, а объем кольматационной пачки на 10÷15% превышает внутренний объем бурильной колонны, а расход бурового раствора, содержащего кольматационные материалы 57, составляет 45 л/сек, для этого подают буровой раствор 17, содержащий кольматационные материалы 57 гидромониторными струями через отверстия 15, 16 циркуляционных портов 13, 14 на стенки скважины, формируют кольматационный слой 56 с концентрацией твердой фазы до 75÷90%, при этом образуют гидроизолирующий экран 56 толщиной 15÷30 мм для повышения коэффициента нефтеотдачи пластов.

Затем спускают и цементируют обсадную колонну (обсадная колонна не показана) изображено на фиг. 2, 7.

Режимом работы бурового насоса, например, УНБ-600, обеспечивают не менее величины заданного расхода бурового раствора 17, содержащего кольматационные материалы 55, что предотвращает гидроабразивный размыв циркуляционных портов 13 и 14 (при меньшем расходе бурового раствора 17 циркуляционные порты открываются частично).

Во время выполнения указанной технологической операции через активированный циркуляционный клапан вращают и "расхаживают" бурильную колонну, циркуляция происходит через циркуляционные порты 13, 14, минуя все элементы компоновки низа бурильной колонны, находящиеся ниже по потоку 17 от клапана, изображено на фиг. 3, 7.

За счет того, что каждое внешнее отверстие 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 имеет увеличенный цилиндрический пояс, соответственно 42, 43 с возможностью плотного контакта края, соответственно 44, 45 внешнего отверстия, соответственно 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 с запирающим шаром 20, 21, повышается ресурс и надежность циркуляционного клапана за счет создания равномерного поля скоростей и давлений на входе внешних отверстий 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5, когда циркуляционный клапан находится в режиме посадки активационного шара 19 в седло 6 золотниковой втулки 2, циркуляционные порты 13, 14 открыты, запирающие шары 20, 21 сброшены в скважину, но еще не достигли циркуляционных портов 13, 14, при этом через внутренние полости циркуляционного клапана осуществляют насосную подачу текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора 17 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа (без кольматационных материалов), а также обеспечивает снижение абразивного и эрозионного износа (размыва) внешних отверстий 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 в активном режиме, при котором циркуляционные порты 13, 14 открыты, а через входную часть трубчатого корпуса 1 и циркуляционных портов 13, 14 осуществляют насосную подачу текучей среды - бурового раствора, содержащего кольматационные материалы, например, при использовании бурового раствора с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в котором в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), а размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

За счет того, что каждое внешнее отверстие 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 имеет цилиндрический пояс, соответственно 42, 43, выполненный с возможностью плотного контакта края, соответственно 44, 45 внешнего отверстия, соответственно 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 с запирающим шаром 20, 21, когда циркуляционный клапан находится в режиме посадки активационного шара 19 в седло 6 золотниковой втулки 2, а два стальных запирающих шара 20, 21 блокируют поток бурового раствора 17 через расходные отверстия 15, 16 циркуляционных портов, соответственно 13, 14, обеспечивает также уменьшение утечек текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора 17 и сохранение требуемого перепада давления, не вызывает потери гидравлической мощности, а на малых расходах бурового раствора 17 не требует увеличения перепада давления на золотниковой втулке 2 для создания необходимого усилия для перемещения золотниковой втулки 2.

Далее осуществляют промывку бурильной колонны от указанных кольматационных материалов 55 при помощи насосной подачи полимер-глинистого бурового раствора 17 плотностью 2,2 г/см³, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, по бурильной колонне через открытые циркуляционные порты 13, 14, что необходимо для предотвращения попадания кольматационных материалов 55 в фильтр героторного гидравлического двигателя.

Останавливают насос и устанавливают бурильную колонну в клинья.

При остановке бурового насоса золотниковая втулка 2 верхний по потоку текучей среды - бурового раствора 17 край 30 золотниковой втулки 2, скрепленной резьбой 7 с хвостовиком 8, и нижний по потоку 17 край 31 входного переводника 26 плотно прижимаются друг к другу коническими поверхностями, соответственно 32, 33, при этом циркуляционные порты 13, 14 закрываются, предотвращая обратный переток бурового раствора 17 из зоны поглощения бурового раствора - из кольцевого зазора 57 ствола скважины, расположенного между участком бурильной колонны и окружающей породой (из затрубного пространства 57 бурильной колонны), в полость 18 бурильной колонны.

После выполнения запланированных технологических операций, для деактивации циркуляционного клапана, разъединяют бурильную колонну и бросают в бурильные трубы два стальных шара 20, 21 с интервалом 60÷120 сек, чтобы предотвратить их слипание и остановку в местах, где бурильные трубы намагничены, и прокачивают их расчетным объемом полимер-глинистого бурового раствора 17 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении, преимущественно 25÷30 МПа.

Два стальных шара 20, 21, сбрасываемых друг за другом, взаимодействуют с соответствующим внешним отверстием 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5, которые имеет цилиндрический пояс, соответственно 42, 43, выполненный с возможностью плотного контакта края, соответственно 44, 45 отверстия, соответственно 3, 4 золотниковой втулки 2 со стороны ее центрального канала 5 с запирающим шаром 20, 21, перекрывают расходные отверстия 15 и 16 циркуляционных портов, соответственно 13, 14 и блокируют поток текучей среды 17 через указанные циркуляционные порты 13, 14, изображено на фиг. 4.

Буровой насос, например, УНБ-600, продолжает работать, давление растет, происходит деактивация циркуляционного клапана, при этом активационный шар 19, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло 6, расположенное в центральном канале 5 золотниковой втулки 2 при движении текучей среды 17 по бурильной колонне, продавливается через седло 6 в центральном канале 5 золотниковой втулки 2 и направляется в устройство 24 для улавливания шаров 19, а также шаров 20, 21, прошедших через седло 6 в центральном канале 5 золотниковой втулки 2, содержащее фильтрующую трубу 58 с щелевыми каналами 59, входную втулку 60 и выходную втулку 61, изображено на фиг.4, 5.

Золотниковая втулка 2 под действием пружины 12 прижимается верхним по потоку 17 краем 30 золотниковой втулки 2 и нижним по потоку 17 краем 31 входного переводника 26, выполненными в виде примыкающими друг к другу коническими поверхностями, соответственно 32, 33, при этом поверхность 32 верхнего по потоку 17 края 30 золотниковой втулки 2 выполнена в виде внутренней конической поверхности, а поверхность 33 нижнего по потоку 17 края 31 нижнего переводника 26 выполнена в виде наружной конической поверхности, причем вершины 34, 35 конусов конических поверхностей, соответственно 32, 33 направлены в сторону седла 6 золотниковой втулки 2, перекрывая расходные отверстия 15, 16 циркуляционных портов, соответственно 13, 14 и возвращается в первоначальное положение, изображено на фиг. 1.

Буровым насосом УНБ-600 через колонну бурильных труб осуществляют насосную подачу полимер-глинистого бурового раствора 17 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при гидростатическом давлении 25÷30 МПа, изображено на фиг. 1.

За счет того, что циркуляционный клапан содержит выше по потоку 17 скрепленный резьбой 25 с трубчатым корпусом 1 входной переводник 26 с центральным каналом 27, профиль на выходе 28 центрального канала 27 входного переводника 26 выполнен в форме канала с критическим сечением 29, при этом верхний по потоку 17 край 30 золотниковой втулки 2 и нижний по потоку 17 край 31 входного переводника 26 выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, соответственно 32, 33, при этом поверхность 32 верхнего по потоку 17 края 30 золотниковой втулки 2 выполнена в виде внутренней конической поверхности, а поверхность 33 нижнего по потоку 17 края 31 нижнего переводника 26 выполнена в виде наружной конической поверхности, причем вершины 34, 35 конусов конических поверхностей, соответственно 32, 33 направлены в сторону седла 6 золотниковой втулки 2, при этом профиль на выходе 36 центрального канала 9 хвостовика 8, скрепленного резьбой 7 с золотниковой втулкой 2, выполнен на длине 37 в форме диффузора 38 в направлении устройства 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших с потоком текучей среды 17 через седло 6 золотниковой втулки 2, повышается ресурс и надежность циркуляционного клапана в составе бурильной колонны при использовании буровых растворов 17, включающих кольматационные материалы 57, путем уменьшения гидроабразивного размыва и снижения вероятности прихвата золотниковой втулки 2, установленной внутри трубчатого корпуса 1 с возможностью скольжения, за счет создания статического перепада давления текучей среды 17 между скрепленным выше по потоку 17 с корпусом 1 входным переводником 26 с центральным каналом 27, профиль на выходе 28 центрального канала 27 в котором выполнен в форме канала с критическим сечением 29, при этом скорость потока 17 увеличивается, давление падает, образуется зона пониженного давления на выходе 28 канала 27, и создания статического перепада давления текучей среды 17 на выходе 36 центрального канала 9 хвостовика 8, скрепленного с золотниковой втулкой 2, профиль центрального канала 9 в котором выполнен в форме диффузора 38 в направлении устройства 24 для улавливания шаров 19, 20, 21, прошедших через седло 6 золотниковой втулки 2, при этом скорость потока 17 уменьшается, давление возрастает, образуется зона повышенного давления на выходе 36 канала 9, по существу, создается направленный против потока 17 перепад давления и усилие, действующее совместно с пружиной 12 на золотниковую втулку 2, возвращающее циркуляционный клапан в исходное положение, при котором осуществляется насосная подача текучей среды 17 через бурильную колонну, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

В указанном режиме продолжают бурение скважины героторным гидравлическим двигателем (не показанным), изображено на фиг. 1.

Изобретение повышает ресурс и надежность циркуляционного клапана в составе бурильной колонны (без спуско-подъемных операций), обеспечивает закачку всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора, повышает герметичность запирающих шаров в циркуляционных портах, предотвращает прихват золотниковой втулки за счет создания направленного против потока перепада давления и усилия, действующего на золотниковую втулку, возвращающего циркуляционный клапан в исходное положение, при котором осуществляют бурение скважины.

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, в частности к циркуляционным клапанам бурильной колонны, позволяющим многократно переключать поток текучей среды. Устройство содержит трубчатый корпус, золотниковую втулку с внешними отверстиями и центральным каналом, внутри которой размещено седло. Золотниковая втулка скреплена с хвостовиком, установлена внутри корпуса, содержит поджимающую пружину. Устройство содержит в корпусе два циркуляционных порта с расходными отверстиями, которые закрыты золотниковой втулкой в неактивном режиме, при насосной подаче по бурильной колонне, и открыты в активном режиме, сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью прохождения через седло в центральном канале втулки при движении текучей среды, а также два запирающих шара, взаимодействующих с циркуляционными портами для перекрытия потока текучей среды. С корпусом скреплен выходной переводник с размещенным внутри него устройством для улавливания шаров, выше по потоку входной переводник с центральным каналом, профиль на выходе центрального канала входного переводника выполнен в форме канала с критическим сечением. Верхний по потоку край втулки и нижний по потоку край входного переводника выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, поверхность верхнего по потоку края втулки выполнена в виде внутренней конической поверхности, поверхность нижнего по потоку края нижнего переводника выполнена в виде наружной конической поверхности, вершины конусов направлены в сторону седла. Повышается ресурс и надежность, обеспечивается закачка всех типов кольматационных материалов, повышается герметичность запирающих шаров, предотвращается прихват золотниковой втулки. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Циркуляционный клапан бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус, золотниковую втулку, выполненную с внешними отверстиями и центральным каналом, внутри которой размещено седло, золотниковая втулка скреплена с хвостовиком, выполненным с центральным каналом, и установлена внутри трубчатого корпуса с возможностью скольжения, а также содержащий пружину, размещенную в трубчатом корпусе и поджимающую золотниковую втулку, скрепленную с хвостовиком, два закрепленных в трубчатом корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, расположенными ниже по потоку от седла золотниковой втулки, циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, и открыты с возможностью сообщения с внутренним пространством бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, а также содержащий сбрасываемый активационный шар, выполненный с возможностью деформации и прохождения через седло золотниковой втулки при движении текучей среды по бурильной колонне, а также содержащий два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через циркуляционные порты, а также содержащий скрепленный с трубчатым корпусом ниже по потоку выходной переводник с расположенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших с потоком текучей среды через седло золотниковой втулки, отличающийся тем, что содержит выше по потоку скрепленный с трубчатым корпусом входной переводник с центральным каналом, профиль на выходе центрального канала входного переводника выполнен в форме канала с критическим сечением, верхний по потоку край золотниковой втулки и нижний по потоку край входного переводника выполнены в виде примыкающих друг к другу конических поверхностей, а вершины конусов конических поверхностей направлены в сторону седла золотниковой втулки, при этом профиль на выходе центрального канала хвостовика, скрепленного с золотниковой втулкой, выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки.

2. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что содержит устройство фиксации углового положения внешних отверстий золотниковой втулки относительно расходных отверстий циркуляционных портов, закрепленных в трубчатом корпусе, выполненное в виде шпоночного соединения между трубчатым корпусом и золотниковой втулкой.

3. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что каждое отверстие золотниковой втулки со стороны ее центрального канала имеет цилиндрический пояс, выполненный с возможностью плотного контакта края отверстия золотниковой втулки со стороны ее центрального канала с запирающим шаром.

4. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что золотниковая втулка выполнена за одно целое с седлом, с возможностью сообщения полости между внутренней поверхностью трубчатого корпуса и наружной поверхностью золотниковой втулки, в которой размещена пружина, с внутренней полостью трубчатого корпуса, через которую осуществляется насосная подача текучей среды.

5. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п. 1, отличающийся тем, что профиль на выходе центрального канала трубчатого корпуса выполнен в форме диффузора в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через седло золотниковой втулки.