СИСТЕМА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ, ПРОХОДЯЩЕЙ В БУРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК E21B34/06 E21B21/10 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] В процессе бурения нефтяных и газовых скважин, забойные буровые двигатели можно соединять с бурильной колонной для вращения бурового долота и управления направлением проходки. Обычные буровые двигатели, как правило, обеспечивают вращение силовым блоком, которым может служить гидравлический забойный двигатель, приводимый в действие циркуляцией бурового или промывочного раствора.

[0002] Более быстрое бурение скважин требуют более высоких расходов бурового раствора для очистки ствола скважины от выбуренной породы. Каждый буровой двигатель разработан с возможностью работы с максимальным расходом бурового раствора. Например, обычный буровой двигатель с наружным диаметром 6,75 дюймов (171 мм) может быть разработан для максимального расхода около 600 галлонов в минуту (GPM) (2280 л/мин). Превышение максимального расхода для бурового двигателя может вызвать преждевременный отказ подшипниковой секции вследствие эрозии.

[0003] Существующие инструменты могут отводить часть или весь буровой раствор выше бурового двигателя для уменьшения расхода бурового раствора перед достижением им бурового двигателя. Если применяется инструмент с перепуском всего бурового раствора в кольцевое пространство, буровой раствор можно заменить на отличающееся средство, такое как закупоривающий буровой раствор или даже текучая среда гидроразрыва. Некоторые байпасные отводящие устройства включают в себя пассивные клапаны, активируемые независимым механизмом. Например, шар, дротик или прибор радиочастотной идентификации (RFID), вводимые в буровой раствор на поверхности, взаимодействуют с приемным гнездом, когда достигают отводящего устройства, и данное взаимодействие открывает клапан для начала отвода бурового раствора в скважинное кольцевое пространство выше бурового двигателя. Вместе с тем, данные пассивные клапанные устройства создают задержку 10-15 минут от времени начала действия (например, сброса шара или дротика на поверхности) до времени открытия клапана. Данная задержка увеличивает стоимость бурения скважины. Такие пассивные клапанные устройства известны, например, из патента США № 4889199.

[0004] Другие байпасные отводящие устройства включают в себя активные клапаны, которые активируются автоматически в ответ на скважинный параметр. Например, изменение в расходе, давлении, плотности или скорости вращения до заданной пороговой величины автоматически открывает клапан для отвода части бурового раствора в скважинное кольцевое пространство выше бурового двигателя. Вместе с тем, данные активные клапанные устройства в некоторых случаях самопроизвольно активируются при изменениях скважинного параметра независимых от активирования с поверхности, таких как вибрация, засорение долота или заклинивание двигателя. Требуется активное клапанное устройство, отводящее часть текучей среды, проходящей через бурильную колонну, в скважинное кольцевое пространство, которое самопроизвольно не активируется. Такие активные клапанные устройства известны, например, из патента США № 11149525.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] На фиг. 1 показано сечение системы регулирования расхода в закрытом положении.

[0006] На фиг. 2 детально показано сечение участка системы регулирования расхода в закрытом положении.

[0007] На фиг. 3 показана в изометрии клапанная гильза системы регулирования расхода.

[0008] На фиг. 4 показан другой вид в изометрии клапанной гильзы.

[0009] На фиг. 5 показан в изометрии клапан системы регулирования расхода.

[0010] На фиг. 6 показан другой вид в изометрии клапана.

[0011] На фиг. 7 показано сечение клапана.

[0012] На фиг. 8 показано сечение клапана и кольцо рабочего окна.

[0013] На фиг. 9 показан в изометрии пружинный шпиндель системы регулирования расхода.

[0014] На фиг. 10 показана схема системы регулирования расхода в трубной колонне, расположенной в стволе скважины.

[0015] На фиг. 11 показано сечение системы регулирования расхода в частично открытом положении.

[0016] На фиг. 12 детально показано сечение участка системы регулирования расхода в частично открытом положении.

[0017] На фиг. 13 показано сечение системы регулирования расхода в полностью открытом положении.

[0018] На фиг. 14 детально показано сечение участка системы регулирования расхода в полностью открытом положении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВЫБРАННЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0019] Система регулирования расхода включает в себя клапанный узел, размещенный с возможностью скольжения в корпусе. Клапанный узел скользит между закрытым положением, частично открытым положением и полностью открытым положением. Пружина прикладывает упругую силу для смещения клапанного узла к закрытому положению. Клапанным узлом управляют по расходу в закрытом положении и управляют по давлению в полностью открытом положении.

[0020] В одном варианте осуществления система регулирования расхода также содержит неподвижно закрепленный в корпусе гильзовый узел. Клапанный узел размещен с возможностью скольжения в гильзовом узле между закрытым положением, частично открытым положением и полностью открытым положением.

[0021] В закрытом положении текучая среда, проходящая через систему, прикладывает силу на первую рабочую площадь клапана. Увеличения в расходе текучей среды прикладывают увеличенные силы на первую рабочую площадь клапана. Когда увеличенная сила превышает пороговую величину, которая преодолевает упругую силу, клапанный узел начинает скользить к частично открытому положению. Когда клапанный узел достигает частично открытого положения, часть текучей среды может начинать проход через байпасный путь текучей среды, ведущий в кольцевое пространство, окружающее корпус. Таким путем система регулирования расхода обеспечивает отсутствие превышения расходом текучей среды, проходящей в буровой двигатель, установленный ниже (т.е., ниже по потоку) максимальной величины расхода, выдерживать которую буровой двигатель рассчитан. В таком случае, лишний поток текучей среды отводится через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство, окружающее корпус. Клапанный узел имеет вторую рабочую площадь клапана, которая становится активной в частично открытом положении и остается активной в полностью открытом положении. Вторая рабочая площадь клапана смещается вниз, благодаря перепаду давления между внутренним каналом клапанного узла и кольцевым пространством вокруг корпуса. В частично открытом и полностью открытом положениях давление в системе прикладывает действующую вниз силу на вторую рабочую площадь клапана. Когда текучая среда начинает проход по байпасу в частично открытом положении, сила, приложенная к второй рабочей площади клапана, продолжает перемещать клапанный узел к полностью открытому положению и предотвращает закрытие клапанного узла.

[0022] В одном варианте осуществления клапанный узел включает в себя байпасные каналы клапана, обеспечивающие сообщение по текучей среде сквозь клапанную муфту. В закрытом положении давление выше клапанной муфты равно давлению ниже клапанной муфты. Поэтому, клапанный узел управляется по расходу в закрытом положении. Вместе с тем, в частично открытом и полностью открытом положениях байпасные каналы клапана сообщаются по текучей среде с кольцевым пространством, окружающим корпус, при этом давление ниже клапанной муфты меньше давления выше клапанной муфты. Поэтому, клапанный узел является управляемым по давлению клапаном в частично открытом и полностью открытом положениях.

[0023] Соответственно, если перекачка текучей среды временно останавливается или замедляется (например, останавливается насос, засоряется буровое долото или заклинивается двигатель), клапанный узел не должен менять положение (т.е. клапанный узел не должен возвращаться к закрытому положению) до уменьшения перепада давления между внутренним пространством системы регулирования расхода и кольцевым пространством, окружающим корпус. Увеличение давления в кольцевом пространстве, уменьшение давления в бурильной колонне, или обеспечение уравнивания давления через байпасный путь текучей среды обеспечивает пружина, которая создает силу, действующую на клапанный узел в направлении вверх, к закрытому положению для начала закрытия клапана. Когда данная направленная вверх сила превышает силу, действующую на вторую рабочую площадь клапана в направлении вниз, клапанный узел вновь перемещается в закрытое положение.

[0024] В одном варианте осуществления система регулирования расхода включает в себя демпфирующие камеры, расположенные между клапанным узлом и гильзовым узлом. Демпфирующие сопла, проходящие сквозь радиальную поверхность клапанного узла, обеспечивают сообщение по текучей среде между внутренним каналом клапанного узла и демпфирующими камерами для замедления скользящего перемещения клапанного узла относительно гильзового узла.

[0025] В одном варианте осуществления система регулирования расхода может иметь полностью байпасное положение, в котором внутренний канал клапанного узла полностью закрыт ниже байпасного пути текучей среды. В полностью байпасном положении весь буровой раствор, проходящий через систему, отводится в кольцевое пространство, и проход бурового раствора к двигателю, расположенному ниже, останавливается. С системой регулирования расхода в полностью байпасном положении буровой раствор можно заменить текучими средами других типов, такими как закупоривающая текучая среда, перфорационная текучая среда или жидкость гидроразрыва.

[0026] На фиг. 1 и 2 показан один вариант осуществления системы регулирования расхода в закрытом положении. Система 10 регулирования расхода содержит верхний переводник 12, корпус 14 и нижний переводник 16, где каждая позиция имеет в общем трубчатую форму с внутренним каналом. Верхний конец верхнего переводника 12 можно конфигурировать для соединения с трубчатыми элементами в бурильной колонне. Верхний конец корпуса 14 можно соединять с нижним концом верхнего переводника 12, и нижний конец корпуса 14 можно соединять с верхним концом нижнего переводника 16. Нижний конец нижнего переводника 16 можно конфигурировать для соединения с трубчатыми элементами в бурильной колонне. В одном варианте осуществления каждое из данных соединений является резьбовым соединением. Систему регулирования расхода можно закреплять в бурильной колонне выше компоновки низа бурильной колонны, содержащей буровой двигатель.

[0027] Система 10 регулирования расхода может включать в себя гильзовый узел 17, закрепленный во внутреннем канале 18 корпуса, и клапанный узел 19, размещенный с возможностью скольжения в гильзовом узле 17. Гильзовый узел 17 может содержать клапанную гильзу 20, клапанный останов 22 и пружинную гильзу 24. Верхнее кольцо 26 может быть закреплено во внутреннем канале 18 корпуса между верхним концом клапанной гильзы 20 и нижним концом верхнего переводника 12. Таким образом, гильзовый узел 17 закреплен во внутреннем канале 18 корпуса между верхним кольцом 26 и нижним заплечиком 28 корпуса. Клапанный узел 19 может содержать клапан 30, кольцо 32 рабочего окна и пружинный шпиндель 34. Пружина 36, нижнее пружинное кольцо 38, и верхнее пружинное кольцо 40, каждая позиция может быть размещена вокруг пружинного шпинделя 34 и в пружинной гильзе 24. Нижний конец пружины 36 может взаимодействовать с нижним пружинным кольцом 38, и верхний конец пружины 36 может взаимодействовать с верхним пружинным кольцом 40. Корпус 14 может содержать одно или несколько байпасных отверстий 41 корпуса, проходящих радиально от внутреннего канала 18 корпуса до наружной поверхности корпуса 14. Корпус 14 может содержать любое число байпасных отверстий 41 корпуса. Например, корпус 14 может содержать от 1 до 10 байпасных отверстий 41 корпуса. Клапанная гильза 20 совмещается с одним или несколькими байпасными отверстиями 41 корпуса во внутреннем канале 18 корпуса, и клапан 30 размещен с возможностью скольжения во внутреннем канале клапанной гильзы 20.

[0028] Как показано на фиг. 3 и 4, клапанная гильза 20 имеет в общем трубчатую форму и проходит от верхнего конца 42 до нижнего конца 44. Верхняя наружная поверхность 46 клапанной гильзы 20 проходит от верхнего конца 42 до конического заплечика 48. Верхняя наружная поверхность 46 может содержать выемку 50, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между клапанной гильзой 20 и корпусом 14. Секция 52 уменьшенного диаметра проходит от конического заплечика 48 до заплечика 54 нижней наружной поверхности 56. Секция 52 уменьшенного диаметра содержит множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы вблизи заплечика 54. Каждое из байпасных отверстий 58 клапанной гильзы проходит радиально от внутреннего канала 60 до наружной поверхности клапанной гильзы 20. Клапанная гильза 20 может содержать любое число байпасных отверстий 58 клапанной гильзы. Например, клапанная гильза 20 может содержать от 1 до 50 байпасных отверстий 58 клапанной гильзы. Нижняя наружная поверхность 56 проходит от заплечика 54 до нижнего конца 44. Нижняя наружная поверхность 56 может содержать выемку 62, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между клапанной гильзой 20 и корпусом 14. Внутренний канал 60 проходит от верхнего конца 42 до нижнего конца 44.

[0029] Как показано на фиг. 2, клапанную гильзу 20 можно расположить во внутреннем канале 18 корпуса с секцией 52 уменьшенного диаметра клапанной гильзы 20, совмещенной с одним или несколькими байпасными отверстиями 41 корпуса. Наружную байпасную камеру 66 между клапанной гильзой 20 и корпусом 14 могут образовать внутренний канал 18 корпуса и секция 52 уменьшенного диаметра. Верхний конец наружной байпасной камеры 66 может быть образован коническим заплечиком 48 клапанной гильзы 20, и нижний конец наружной байпасной камеры 66 может быть образован заплечиком 54 клапанной гильзы 20. Наружная байпасная камера 66 может соединять по текучей среде множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы и одно или несколько байпасных отверстий 41 корпуса. В одном варианте осуществления одно или несколько байпасных отверстий 41 корпуса можно расположить вблизи верхнего конца наружной байпасной камеры 66, и множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы можно расположить вблизи нижнего конца наружной байпасной камеры 66. Внутренний канал 60 клапанной гильзы 20 содержит внутренний конический заплечик 67 и внутреннюю выемку 68, окружающую множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы.

[0030] Как показано на фиг. 5-8, клапан 30 имеет в общем трубчатую форму и проходит от верхней поверхности 72 до нижнего конца 74. Клапанная муфта 76 проходит от верхней поверхности 72 до нижней поверхности 78 муфты. В одном варианте осуществления нижняя поверхность 78 муфты является конической поверхностью. Наружная поверхность 80 муфты может содержать выемку 82, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между клапаном 30 и клапанной гильзой 20. Множество байпасных каналов 84 клапана проходят аксиально сквозь клапанную муфту 76. Каждый байпасный канал 84 клапана проходит от впуска 86 канала на верхней поверхности 72 до выпуска 88 канала на нижней поверхности 78 муфты. Клапан 30 может содержать любое число байпасных каналов 84. Например, клапан 30 может содержать от 1 до 50 байпасных каналов 84. Секция 90 уменьшенного диаметра проходит от нижней поверхности 78 муфты до нижнего клапанного заплечика 92. Нижняя наружная поверхность 94 проходит от нижнего клапанного заплечика 92 до нижнего конца 74 клапана 30. Нижняя наружная поверхность 94 может содержать выемку 96, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между клапаном 30 и клапанной гильзой 20. Наружная поверхность 80 муфты может иметь увеличенный диаметр В, который больше диаметра А уплотнения нижней наружной поверхности 94. Диаметр А уплотнения нижней наружной поверхности 94 и увеличенный диаметр В наружной поверхности 80 муфты и верхней поверхности 72 показаны на фиг. 8. Участок верхней поверхности 72, проходящий за диаметр А уплотнения нижней наружной поверхности 94, можно назвать периферийной верхней поверхностью 97. В одном варианте осуществления периферийная верхняя поверхность 97 содержит скошенный участок. Внутренний канал 98 клапана проходит от верхней поверхности 72 до нижнего конца 74. Внутренний канал 98 клапана содержит внутренний заплечик 100 и коническую поверхность 102, проходящую до нижней канавки 104. Внутренний канал 98 клапана может также содержать выемку 106, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между клапаном 30 и пружинным шпинделем 34. Байпасные каналы 84 клапана расположены между внутренним каналом 98 клапана и наружной поверхностью 80 муфты.

[0031] Как показано на фиг. 2 и 7-8, клапан 30 можно разметить с возможностью скольжения во внутреннем канале 60 клапанной гильзы 20. Верхняя поверхность 72 клапана 30 и верхний конец 42 клапанной гильзы 20, обе позиции могут напрямую взаимодействовать с нижней поверхностью верхнего кольца 26 в закрытом положении. В закрытом положении периферийная верхняя поверхность 97 может вставать прямо под верхним кольцом 26.

[0032] Как также показано на фиг. 2, можно выполнить скользящее гидравлическое уплотнение между клапаном 30 и клапанной гильзой 20 на стыке 108. Скользящее гидравлическое уплотнение можно выполнить, как поверхность контакта металлов. Внутренняя байпасная камера 110 между клапаном 30 и клапанной гильзой 20 может быть образована внутренним каналом 60 клапанной гильзы 20 и секцией 90 уменьшенного диаметра клапана 30. Верхний конец внутренней байпасной камеры 110 может быть образован нижней поверхностью 78 муфты, и нижний конец внутренней байпасной камеры 110 может быть образован нижним заплечиком 92 клапана. Внутренняя байпасная камера 110 может сообщаться по текучей среде с байпасными каналами 8 4 клапана. В закрытом положении, показанном на фиг. 2, клапан 30 закрывает байпасные отверстия 41 корпуса и байпасные отверстия 58 клапанной гильзы для предотвращения прохода по байпасу текучей среды. Соответственно, большая часть текучей среды, проходящей через внутренний канал верхнего кольца 26, проходит через внутренний канал 98 клапана. В частично открытом положении и полностью открытом положении (описано ниже), внутренняя байпасная камера 110 может сообщаться по текучей среде с множеством байпасных отверстий 58 клапанной гильзы и байпасных отверстий 41 корпуса для формирования байпасного пути текучей среды от внутреннего пространства системы 10 регулирования расхода до кольцевого пространства снаружи корпуса 14.

[0033] Как показано на фиг. 2, кольцо 32 рабочего окна можно расположить во внутреннем канале 98 клапана так, что верхняя поверхность кольца 32 рабочего окна взаимодействует с внутренним заплечиком 100 внутреннего канала 98 клапана. Кольцо 32 рабочего окна содержит внутренний канал 112 рабочего окна, который может иметь меньший диаметр, чем внутренний канал 98 клапана выше кольца 32 рабочего окна.

[0034] Как показано на фиг. 9, пружинный шпиндель 34 имеет в общем трубчатую форму и продолжается от верхнего конца 114 до нижнего конца 116. Внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34 также проходит от верхнего конца 114 до нижнего конца 116. Пружинный шпиндель 34 содержит уплотнительный блок 120, имеющий наружный диаметр, увеличенный относительно остальной части пружинного шпинделя 34. Уплотнительный блок 120 содержит верхнюю сопловую поверхность 122, центральную наружную поверхность 124 и нижнюю сопловую поверхность 126. Одно или несколько верхних сопл 128 могут проходить радиально от внутреннего канала 118 до верхней сопловой поверхности 122 на уплотнительном блоке 120. Одно или несколько нижних сопл 130 могут проходить радиально от внутреннего канала 118 до нижней сопловой поверхности 126 на уплотнительном блоке 120. Пружинный шпиндель 34 может содержать любое число верхних и нижних сопл 128, 130. Например, пружинный шпиндель 34 может содержать от 1 до 10 верхних сопл 128 и от 1 до 10 нижних сопл 130. Центральная наружная поверхность 124 имеет больший наружный диаметр, чем верхняя и нижняя сопловые поверхности 122 и 126. Центральная наружная поверхность 124 может содержать выемку 131, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между пружинным шпинделем 34 и пружинной гильзой 24 (как показано на фиг. 2). Пружинный шпиндель 34 может дополнительно содержать одно или несколько отверстий 132, проходящих радиально от внутреннего канала 118 до наружной поверхности выше уплотнительного блока 120. Пружинный шпиндель 34 может содержать любое число отверстий 132. Например, пружинный шпиндель 34 может содержать от 1 до 10 отверстий 132.

[0035] Как также показано на фиг. 2, верхний конец 114 пружинного шпинделя 34 расположен во внутреннем канале 98 клапана так, что верхний конец 114 взаимодействует с нижней поверхностью кольца 32 рабочего окна. Одно или несколько отверстий 132 пружинного шпинделя 34 можно совмещать с нижней канавкой 104 внутреннего канала 98 клапана. Пружинный шпиндель 34 можно разместить проходящим через внутренний канал клапанного останова 22 с уплотнительный блоком 120, расположенным ниже клапанного останова 22.

[0036] Клапанный останов 22 расположен во внутреннем канале 18 корпуса ниже клапанной гильзы 20. Клапанный останов 22 можно выполнить в виде в общем трубчатого кольца. Внутренний канал клапанного останова 22 может содержать выемку 136, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между пружинным шпинделем 34 и клапанным остановом 22. В одном варианте осуществления верхний конец уплотнительного блока 120 взаимодействует с нижним концом клапанного останова 22 в закрытом положении. Отверстия 132 и нижняя канавка 104 могут обеспечивать сообщение по текучей среде между внутренним каналом 118 пружинного шпинделя 34 и клапанной камерой 138. В закрытом положении клапанную камеру 138 можно выполнить между клапанной гильзой 20 и пружинным шпинделем 34. Верхний конец клапанной камеры 138 может формировать нижний конец 74 клапана 30, и нижний конец клапанной камеры 138 может формировать верхняя поверхность клапанного останова 22.

[0037] Как также показано на фиг. 1 и 2, пружинная гильза 24 расположена во внутреннем канале 18 корпуса ниже клапанного останова 22. Пружинная гильза 24 может иметь в общем трубчатую форму. Внутренний канал 142 пружинной гильзы 24 может проходить от верхнего конца 144 до нижнего конца 146. Внутренний канал 142 может содержать заплечик 148 пружинной гильзы вблизи нижнего конца 146. Пружинный шпиндель 34 можно разместить проходящим через внутренний канал 142 пружинной гильзы 24. Во всех положениях нижний конец 116 пружинного шпинделя 34 может проходить за нижний конец 146 пружинной гильзы 24. Внутренний канал 142 пружинной гильзы 24 может также содержать выемку 150, выполненную с возможностью размещения кольца круглого сечения или другого уплотнительного средства для обеспечения гидравлического уплотнения между пружинным шпинделем 34 и пружинной гильзой 24. Нижний конец 146 пружинной гильзы 24 взаимодействует с нижним заплечиком 28 корпуса.

[0038] Верхнее пружинное кольцо 40 можно расположить вокруг пружинного шпинделя 34. Верхняя поверхность верхнего пружинного кольца 40 может напрямую взаимодействовать с нижней поверхностью уплотнительного блока 120 пружинного шпинделя 34. Нижняя поверхность верхнего пружинного кольца 40 может напрямую взаимодействовать с верхним концом пружины 36. Верхнее пружинное кольцо 40 может иметь в общем трубчатую форму с внутренним диаметром, подобранным для приема пружинного шпинделя 34. Наружный диаметр верхнего пружинного кольца 40 можно подобрать, обеспечивающим кольцевое пространство 152 между наружной поверхностью 154 верхнего пружинного кольца 40 и внутренним каналом 142 пружинной гильзы 24.

[0039] Нижнее пружинное кольцо 38 можно также расположить вокруг пружинного шпинделя 34. Верхняя поверхность нижнего пружинного кольца 38 может напрямую взаимодействовать с нижним концом пружины 36. Нижняя поверхность нижнего пружинного кольца 38 может напрямую взаимодействовать с заплечиком 148 пружинной гильзы. Нижнее пружинное кольцо 38 может иметь в общем трубчатую форму с внутренним диаметром, подобранным для приема пружинного шпинделя 34. Наружный диаметр нижнего пружинного кольца 38 можно подобрать подходящим для внутреннего канала 142 пружинной гильзы 24 выше заплечика 148 пружинной гильзы.

[0040] Пружина 36 прикладывает направленную вверх упругую силу на клапанный узел 19. Конкретно, пружина 36 прикладывает направленную вверх силу на верхнее пружинное кольцо 40, которое передает направленную вверх упругую силу на уплотнительный блок 120 пружинного шпинделя 34. Верхний конец 114 пружинного шпинделя 34 передает направленную вверх упругую силу на кольцо 32 рабочего окна, которое передает направленную вверх упругую силу на клапан 30 через внутренний заплечик 100. Другими словами, упругая сила смещает верхнее пружинное кольцо 40, пружинный шпиндель 34, кольцо 32 рабочего окна и клапан 30 к закрытому положению. Перемещение вверх клапанного узла 19 может быть ограничено верхней поверхностью 72 клапана 30, взаимодействующей с нижней поверхностью верхнего кольца 26. Перемещение вверх клапанного узла 19 может также ограничивать верхний конец уплотнительного блока 120 пружинного шпинделя 34, взаимодействующий с нижней поверхностью клапанного останова 22. Благодаря данной направленной вверх упругой силе, принимаемое по умолчанию положение системы 10 регулирования расхода при отсутствии прохода текучей среды является закрытым положением, показанным на фиг. 1 и 2.

[0041] Как также показано на фиг. 1 и 2, верхнюю демпфирующую камеру 160 и нижнюю демпфирующую камеру 162 можно выполнить между пружинный шпинделем 34 и пружинной гильзой 24. Верхний конец верхней демпфирующей камеры 160 может образовать нижняя поверхность клапанного останова 22, и нижний конец верхней демпфирующей камеры 160 может образовать центральная наружная поверхность 124 уплотнительного блока 120 пружинного шпинделя 34. Верхний конец нижней демпфирующей камеры 162 может образовать центральную наружную поверхность 124 уплотнительного блока 120, и нижний конец нижней демпфирующей камеры 162 может образовать заплечик 148 пружинной гильзы 24. Таким образом, центральная наружная поверхность 124 разделяет верхнюю демпфирующую камеру 160 и нижнюю демпфирующую камеру 162. Другими словами, центральная наружная поверхность 124 создает уплотнение демпфирующей камеры. В одном варианте осуществления верхнее пружинное кольцо 40, пружина 36 и нижнее пружинное кольцо 38 расположены в нижней демпфирующей камере 162.

[0042] Одно или несколько верхних сопл 128 обеспечивают сообщение по текучей среде между внутренним каналом 118 пружинного шпинделя 34 и верхней демпфирующей камерой 160. Одно или несколько нижних сопл 130 обеспечивают сообщение по текучей среде между внутренним каналом 118 пружинного шпинделя 34 и нижней демпфирующей камерой 162. Когда текучая среда начинает проходить через внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34, малая часть текучей среды может проходить через сопла 128, 130 для заполнения верхней и нижней демпфирующих камер 160, 162, соответственно. Верхние и нижние сопла 128 и 130 можно выполнить с возможностью обеспечивать объемный расход текучей среды между внутренним каналом 118 пружинного шпинделя 34 и верхней и нижней демпфирующими камерами 160, 162. Когда клапанный узел 19 перемещается вверх или вниз, объемы верхней и нижней демпфирующих камер 160 и 162 меняются. Скорость, с которой текучая среда перемещается в верхнюю и нижнюю демпфирующие камеры 160 и 162 и из них, управляет скоростью, с которой клапанный узел 19 перемещается между открытым и закрытым положениями. В одном варианте осуществления каждое из верхних и нижних сопл 128 и 130 содержит участок уменьшенного диаметра для сужения потока текучей среды в зависимости от суммы сил, действующих на клапанный узел 19 от пружины 36 и перепада давления, создаваемого потоком текучей среды, проходящей сквозь клапанный узел 19.

[0043] Как показано на фиг. 10, систему 10 регулирования расхода можно прикреплять ниже трубной колонны 180. Компоновку низа бурильной колонны, содержащую буровой двигатель 182 и буровое долото 184, можно прикреплять ниже системы 10 регулирования расхода. Трубную колонну 180, систему 10 регулирования расхода и компоненты, прикрепленные под ними, можно спускать в скважину 186, проходящую под поверхностью 188 через подземный пласт 190. Когда система 10 регулирования расхода находится в закрытом положении, показанном на фиг. 1 и 2, по существу, вся текучая среда, проходящая через трубную колонну, проходит через систему 10 регулирования расхода на буровой двигатель 182. Конкретно, текучая среда может проходить через внутренний канал верхнего переводника 12, внутренний канал верхнего кольца 26, внутренний канал 98 клапана, внутренний канал 112 рабочего окна, внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34, внутренний канал 18 корпуса ниже пружинного шпинделя 34 и внутренний канал нижнего переводника 16. Пренебрежительно малое количество текучей среды может уходить в виде протечки через уплотнительное устройство в системе 10 регулирования расхода. Поток текучей среды, проходящий через буровой двигатель 182, может вращать буровое долото 184 для бурения скважины 186. Буровое долото 184 разрушает подземную породу 190, производя выбуренную породу. Поток текучей среды, проходящий через буровой двигатель 182 и буровое долото 184, уносит выбуренную породу на поверхность 188 через кольцевое пространство 192 ствола скважины.

[0044] Как также показано на фиг. 1, 2, и 8, поток текучей среды, проходящей через систему 10 регулирования расхода в закрытом положении, прикладывает направленную вниз силу на первую рабочую площадь С клапанного узла 19. Первая рабочая площадь С клапана образована площадью сечения клапанного узла 19, лежащей между нижней наружной поверхностью 94 и внутренним каналом 112 кольца 32 рабочего окна. Первая рабочая площадь С клапана показана на фиг. 8 и содержит участок верхней поверхности 72 клапана 30, нижний заплечик 92 клапана 30 и участок верхней поверхности кольца 32 рабочего окна, расположенный между нижней наружной поверхностью 94 и внутренним каналом 112 кольца 32 рабочего окна. Данная площадь равна площади сечения клапанного узла 19 минус площадь сечения периферийной верхней поверхности 97. Часть текучей среды проходит через байпасные каналы 84 клапана для заполнения внутренней байпасной камеры 110, которая закрыта. В закрытом положении давление внутри верхнего кольца 26 (т.е., давление выше клапанной муфты 76) приблизительно равно давлению во внутренней байпасной камере 110 (т.е., давлению ниже клапанной муфты 76). Поэтому система 10 регулирования расхода управляется по расходу в закрытом положении. "Управление по расходу" означает, что изменения в расходе текучей среды, проходящей через систему 10 регулирования расхода, обуславливают перепад давления на клапанном узле 19, что создает направленную вниз силу, действующую на первую рабочую площадь С клапанного узла 19 для перемещения скольжением из закрытого положения в частично открытое положение. Часть текучей среды может также проходить через отверстия 132 пружинного шпинделя 34 и через нижнюю канавку 104 клапана 30, предотвращая гидравлическую блокировку, и позволяет текучей среде в клапанной камере 138 уходить во внутренний канал 118. Часть текучей среды может также проходить через верхние сопла 128 и нижние сопла 130 для заполнения или опорожнения верхней демпфирующей камеры 160 и нижней демпфирующей камеры 162, соответственно.

[0045] Как также показано на фиг. 1 и 2, увеличение расхода текучей среды, проходящей через систему 10 регулирования расхода в закрытом положении, прикладывает увеличенную, направленную вниз силу на первой рабочей площади С клапанного узла 19. Когда направленная вниз сила достигает заданной пороговой величины, при которой преодолевает направленную вверх упругую силу на клапанном узле 19, направленная вниз сила обуславливает скольжение клапанного узла 19 в направлении вниз в гильзовом узле 17 и корпусе 14, а также сжатие пружины 36. Конкретно, клапан 30 скользит вниз в клапанной гильзе 20, и пружинный шпиндель 34 скользит вниз в клапанной гильзе 20 и пружинной гильзе 24.

[0046] Чтобы пружинный шпиндель 34 скользил вниз, часть текучей среды в нижней демпфирующей камере 162 должна возвратиться во внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34 через нижние сопла 130, и больше текучей среды должно входить в верхнюю демпфирующую камеру 160 через верхние сопла 128. Суженный диаметр сопл 128 и 130 задерживает перемещение клапанного узла 19 в ответ на изменение в расходе текучей среды. Так демпфирующие камеры обеспечивают демпфирующий эффект на перемещение клапанного узла 19. Клапанный узел 19 скользит в ответ на средние расходы текучей среды по времени в противоположность изменениям малой продолжительности или более быстрым флуктуациям. Текучая среда в клапанной камере 138 должна также возвращаться во внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34, когда клапан 30 и пружинный шпиндель 34 скользят вниз.

[0047] Клапанный узел 19 скользит вниз в ответ на увеличивающиеся расходы текучей среды до достижения частично открытого положения, показанного на фиг. 11 и 12. В данном положении нижний участок нижнего клапанного заплечика 92 совмещается с внутренней выемкой 68 клапанной гильзы 20, при этом открывается зазор 200 для формирования байпасного пути текучей среды. Байпасный путь текучей среды соединяет по текучей среде внутренние каналы системы 10 регулирования расхода с кольцевым пространством 192 (показано на фиг. 10), окружающим корпус 14. Байпасный путь текучей среды содержит байпасные каналы 84 клапана, внутреннюю байпасную камеру 110, множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы, наружную байпасную камеру 66 и одно или несколько байпасных отверстий 41 корпуса.

[0048] С системой 10 регулирования расхода в частично открытом положении часть текучей среды, проходящей через верхнее кольцо 26, отводится через байпасный путь текучей среды и в кольцевое пространство 192. Отведенная текучая среда может содействовать удалению выбуренной породы из кольцевого пространства 192 ствола скважины. Кроме того, отведенный поток текучей среды может уменьшать расход текучей среды, проходящей в буровой двигатель 182, при этом предотвращая повреждение бурового двигателя 182, которое могут обуславливать более высокие расходы.

[0049] В частично открытом положении создается байпасный путь текучей среды, который может содержать байпасные каналы 84, внутреннюю байпасную камеру 110, байпасные отверстия 58, наружную байпасную камеру 66 и байпасные отверстия 41 корпуса. Когда текучая среда продавливается через байпасный путь текучей среды, благодаря перепаду давления между внутренним каналом системы 10 регулирования расхода и зоной кольцевого пространства 192 (показано на фиг. 10), создается вторая рабочая площадь D клапана, благодаря перепаду давления на байпасных каналах 84. Вторая рабочая площадь D клапана (показана на фиг. 8) может содержать периферийную верхнюю поверхность 79 (т.е. участок верхней поверхности 72 клапана 30, расположенный снаружи диаметра А уплотнения и в увеличенном диаметре В). Более конкретно, вторая рабочая площадь D клапана определена, как площадь сечения клапанного узла 19, расположенная внутри увеличенного диаметра В минус первая рабочая площадь С клапана. В частично открытом положении вторая рабочая площадь D клапана может действовать, как смещаемый вниз поршень, который перемещается в ответ на перепад давления между внутренним каналом системы 10 регулирования расхода и зоной кольцевого пространства 192. Расход через внутренний канал 98 клапана уменьшается, когда открывается зазор 200, поскольку часть текучей среды проходит через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство 192. Поскольку вторая рабочая площадь D клапана смещается давлением вниз, когда расход через внутренний канал 98 клапана уменьшается, полная направленная вниз сила, действующая на клапан 30 против направленной вверх упругой силы, может быть равна или больше предыдущей, направленной вниз силы, приложенной только от расхода. Поэтому клапанный узел 19 не перемещается вверх в закрытое положение, когда байпасный путь текучей среды открывается, даже хотя расход текучей среды и полученный в результате перепад давления во внутреннем канале 98 клапана уменьшается.

[0050] Давление в кольцевом пространстве 192 ниже давления во внутреннем канале системы 10 регулирования расхода вследствие падения давления на компоновке низа бурильной колонны, содержащей буровой двигатель 182 и буровое долото 184. В частично открытом положении давление внутри участка внутреннего канала 60 клапанной гильзы 20, расположенного выше поверхности 72 клапанной гильзы 30 больше давления во внутренней байпасной камере 110 (т.е. давления ниже клапанной муфты 76), соединенной по текучей среде с кольцевым пространством 192. Поэтому система 10 регулирования расхода управляется по давлению в частично открытом положении. "Управляется по давлению" означает, что изменения вверх или вниз в перепаде давления между давлением текучей среды во внутреннем канале системы регулирования расхода и давлением в кольцевом пространстве, окружающем систему регулирования расхода, обуславливают скольжение клапанного узла 19 из частично открытого положения в полностью открытое положение или в закрытое положение, соответственно (и скольжение из полностью открытого положение в частично открытое положение, как описано ниже). Другими словами, когда частично открыта или полностью открыта, система 10 регулирования расхода управляется, благодаря перепаду между давлением во внутренних каналах системы 10 регулирования расхода и давлением в кольцевом пространстве 192. Если поток текучей среды замедляется или временно останавливается, хотя перепад давления на системе 10 регулирования расхода и кольцевом пространстве 192 остается, клапанный узел 19 не должен возвращаться в закрытое положение даже с уменьшением или временным исключением прохода текучей среды. Когда проход текучей среды останавливается на большее время, внутреннее давление текучей среды можно сбрасывать через байпасный путь текучей среды до того, как сила, действующая на вторую рабочую площадь D клапана, станет меньше направленной вверх силы от пружины 36, обуславливающей закрытие клапана.

[0051] С системой 10 регулирования расхода в частично открытом положении перепад давления между внутренним каналом верхнего кольца 26 и кольцевым пространством 192 действует на вторую рабочую площадь D клапана, вызывая скольжение клапанного узла 19 дополнительно в направлении вниз. Когда клапанный узел 19 скользит дополнительно вниз, больше текучей среды в нижней демпфирующей камере 162 возвращается во внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34 через нижние сопла 130, и больше текучей среды входит в верхнюю демпфирующую камеру 160 через верхние сопла 128. Суженный диаметр сопл 128 и 130 задерживает перемещение клапанного узла 19 в ответ на изменения в перепаде давления. Демпфирующие камеры 160, 162 обеспечивают демпфирующий эффект, обуславливая скольжение клапанного узла 19 в ответ на средние величины давления с течением времени в противоположность изменениям малой продолжительности или более быстрым флуктуациям. Больше текучей среды в клапанной камере 138 должно также возвращаться во внутренний канал 118 пружинного шпинделя 34, когда клапан 30 и пружинный шпиндель 34 скользят дополнительно вниз из частично открытого положения.

[0052] Увеличивающиеся перепады давления между внутренним каналом верхнего кольца 26 и кольцевым пространством 192 обуславливают продолжение скольжения клапанного узла 19 вниз до достижения полностью открытого положения, показанного на фиг. 13 и 14. В данном положении нижний конец 74 клапана 30 взаимодействует с клапанным остановом 22. Нижний участок нижнего клапанного заплечика 92 расположен ниже внутренней выемки 68 клапанной гильзы 20, чтобы полностью открывать байпасный путь текучей среды из байпасных каналов 84 клапана и внутренней байпасной камеры 110 в множество байпасных отверстий 58 клапанной гильзы, наружную байпасную камеру 66 и одно или несколько байпасных отверстий 41 корпуса. В полностью открытом положении система 10 регулирования расхода может достигнуть максимального расхода байпасного потока. Часть текучей среды большего объема, проходящая через верхнее кольцо 26, отводится через байпасный путь текучей среды и в кольцевое пространство 192.

[0053] Система 10 регулирования расхода управляется по давлению в полностью открытом положении. Если поток текучей среды замедляется или временно останавливается (например, вследствие засорения бурового долота или заклинивания двигателя), хотя перепад давления между системой 10 регулирования расхода и кольцевым пространством 192 остается, клапанный узел 19 не должен скользить вверх в закрытое положение. Чтобы обеспечить скольжение клапанного узла 19 вверх и возврат в закрытое положение, показанное на фиг. 1 и 2, перепад давления между внутренним каналом системы 10 регулирования расхода и кольцевым пространство 192 нужно уменьшить. Данное можно осуществить, уменьшив давление во внутреннем канале верхнего кольца 26, увеличив давление в кольцевом пространстве 192, или отключив буровой насос и обеспечив уравнивание давления на байпасном пути текучей среды. Система 10 регулирования расхода достигает частично открытого положения при заданном уменьшении перепада давления. Когда клапанный узел 19 скользит вверх мимо частично открытого положения, вторая рабочая площадь D клапана становится не активной, возвращая систему 10 регулирования расхода в состояние клапана, регулируемого по расходу. Без достаточного расхода клапанный узел 19 продолжает перемещаться в закрытое положение, показанное на фиг. 1 и 2.

[0054] Поскольку система 10 регулирования расхода управляется по расходу в закрытом положении, то автоматически активируется, когда расход текучей среды превышает максимальный допустимый для бурового двигателя 182. Система 10 регулирования расхода управляется по давлению в частично открытом положении и полностью открытом положении. Соответственно, после отвода части потока текучей среды в кольцевое пространство 192 система 10 регулирования расхода самопроизвольно не закрывается от изменений расхода. Система 10 регулирования расхода переводится в закрытое положение только в ответ на заданное изменение давления, создаваемое на поверхности 188. Дополнительно, демпфирующий эффект, обеспечиваемый устройством сопл 128, 130 и демпфирующими камерами 160, 162, предотвращают самопроизвольное открытие или закрытие системы 10 регулирования расхода вследствие импульсов давления, вибрации, засорения долота или заклинивания двигателя. В одном варианте осуществления демпфирующий эффект может фактически требовать поддержания в течение 30-45 секунд изменения расхода или изменения давления до того, как система 10 регулирования расхода изменяет положения (т.е., между закрытым положением и частично открытым положением, или между частично открытым положением и полностью открытым положением).

[0055] Система 10 регулирования расхода выполнена с возможностью достижения частично открытого положения (на фиг. 11 и 12) при заданном расходе и достижения полностью открытого положения (на фиг. 13 и 14) при заданном перепаде давления. Таким путем система 10 регулирования расхода поддерживает расход подачи на буровой двигатель 182 ниже максимального требуемого расхода. В дополнительном варианте осуществления заданный расход и заданный перепад давления можно регулировать, например, заменив кольцо 32 рабочего окна кольцом рабочего окна с отличающимся внутренним диаметром или заменив пружину 36 пружиной с отличающимся сопротивлением сжатию. Дополнительно, объем текучей среды, проходящей через байпасный путь текучей среды в частично открытом положении и в полностью открытом положении можно регулировать, регулируя отношение общей площади сечения байпасных каналов 84 клапана к общей площади сечения верхней поверхности 72 клапана 30.

[0056] В альтернативном варианте осуществления верхнюю и нижнюю демпфирующие камеры 160, 162 можно заранее заполнять текучей средой, такой как масло или буровой раствор.

[0057] В другом, альтернативном варианте осуществления верхние и нижние сопла 128, 130 можно заменить одним или несколькими соплами, проходящими аксиально через уплотнительный блок 120, чтобы соединить по текучей среде верхний и нижний демпфирующие камеры 160, 162. В данном варианте осуществления текучая среда проходит напрямую из нижней демпфирующей камеры 162 через сопла и в верхнюю демпфирующую камеру 160, когда клапанный узел 19 перемещается в направлении вниз. Напротив, текучая среда проходит напрямую из верхней демпфирующей камеры 160 через сопла и в нижнюю демпфирующую камеру 162, когда клапанный узел 19 перемещается в направлении вверх. Сопла и демпфирующие камеры обеспечивают демпфирующий эффект для замедления перемещения клапанного узла 19 между закрытым положением, частично открытым положением и полностью открытым положением.

[0058] В другом, альтернативном варианте осуществления система 10 регулирования расхода может содержать только одну демпфирующую камеру. В таком варианте осуществления уплотнение может быть исключено для обеспечения прохода текучей среды в пространство на противоположной стороне уплотнительного блока 120.

[0059] В другом, альтернативном варианте осуществления байпасные каналы 84 клапана могут проходить радиально от внутреннего канала 98 клапана 30 насквозь до нижней поверхности 78 муфты, секции 90 уменьшенного диаметра или нижнего заплечика 92 клапана 30.

[0060] В другом, альтернативном варианте осуществления, одну или несколько частей клапанного узла можно выполнить интегральными или можно разделить на отдельные части. В одном примере кольцо рабочего окна и пружинный шпиндель можно выполнить интегрально, как одну деталь. В другом примере клапан, кольцо рабочего окна и пружинный шпиндель можно выполнить интегрально, как одну деталь. В другом примере пружинный шпиндель можно выполнить из двух или больше отдельных деталей, скрепленных вместе. В другом примере клапан можно выполнить из двух или больше отдельных деталей, скрепленных вместе. Дополнительно, одну или несколько частей гильзового узла можно выполнить интегрально или можно разделить на отдельные части. В одном примере клапанный останов и пружинную гильзу можно выполнить интегрально, как одну деталь. В другом примере клапанную гильзу, клапанный останов и пружинную гильзу можно выполнить интегрально, как одну деталь. В другом примере пружинную гильзу можно выполнить из двух или больше отдельных деталей, скрепленных вместе. В другом примере клапанную гильзу можно выполнить из двух или больше отдельных деталей, скрепленных вместе.

[0061] В дополнительном, альтернативном варианте осуществления система регулирования расхода может содержать клапанный узел без гильзового узла, при этом клапанный узел скользит прямо во внутреннем канале корпуса.

[0062] В дополнительном, альтернативном варианте осуществления система регулирования расхода может содержать клапанный узел, который полностью закрывает проход бурового раствора через гидравлический забойный двигатель, расположенный ниже, при этом весь буровой раствор проходит по байпасу в кольцевое пространство снаружи корпуса системы регулирования расхода. В данном полностью байпасном положении буровой раствор можно заменить отличающимися текучими средами, таким как закупоривающая текучая среда, перфорирующая текучая среда или текучая среда гидроразрыва.

[0063] Система 10 регулирования расхода предотвращает воздействие на буровой двигатель 182 расхода текучей среды более высокого чем максимальный допустимый расход, обеспечивая проход по байпасному пути текучей среды, когда расход в системе 10 регулирования расхода превышает максимальный допустимый. Например, но не в качестве ограничения, если буровой двигатель имеет расчетный максимальный расход бурового раствора 600 GPM (галл/мин 2280 л/мин), система 10 регулирования расхода может отводить 300 GPM (галл/мин 1140 л/мин) по байпасному пути текучей среды, когда расход бурового раствора в системе 10 регулирования расхода достигает 900 GPM (галл/мин 3420 л/мин). В альтернативном примере, но не в качестве ограничения, если максимальный расчетный расход бурового двигателя составляет 600 GPM (галл/мин 2280 л/мин), система 10 регулирования расхода может отводить 100 GPM (галл/мин 380 л/мин) через байпасный путь текучей среды когда расход бурового раствора в системе 10 регулирования расхода достигает 700 GPM (галл/мин 2660 л/мин).

[0064] Если иное не описано или не показано, каждый из компонентов в данном устройстве имеет в общем цилиндрическую форму и может быть выполнен из стали, другого металла, или любого другого долговечного материала. Части системы 10 регулирования расхода можно выполнить из износостойкого материала, такого как карбид вольфрама или сталь с керамическим покрытием. В одном варианте осуществления части клапана 30 и клапанной гильзы 20 на стыке 108 (показано на фиг. 2) можно выполнить из износостойкого материала.

[0065] Каждое устройство, описанное в данном раскрытии, может содержать любую комбинацию описанных компонентов, элементов и/или функций каждого из индивидуальных вариантов осуществления устройства. Каждый способ, описанный в данный раскрытии, может содержать любую комбинацию описанных этапов в любом порядке, в том числе, с отсутствием некоторых описанных этапов и комбинаций этапов, примененных в отдельных вариантах осуществления. Любой диапазон численных величин, раскрытый в данном документе, содержит любой его поддиапазон. "Множество" означает два или больше. "Выше" и "ниже" каждое следует толковать, как выше по потоку и ниже по потоку, при этом ориентация по направлению устройства не ограничена вертикальным расположением.

[0066] Хотя описаны предпочтительные варианты осуществления, понятно, что варианты являются только иллюстративными и что объем изобретения определяет только прилагаемая формула изобретения, полный диапазон эквивалентов, многие вариации и модификации, очевидные для специалиста в данной области техники.

Группа изобретений относится к системе и способу регулирования расхода текучей среды, проходящей в буровой двигатель. Система содержит: корпус, включающий в себя одно или более байпасных отверстий корпуса, проходящих радиально от внутреннего канала корпуса до наружной поверхности корпуса; клапанный узел, размещенный с возможностью скольжения во внутреннем канале корпуса; пружину, расположенную во внутреннем канале корпуса и вокруг участка клапанного узла. Пружина смещает клапанный узел к закрытому положению. Клапанный узел содержит клапан и рабочее окно. Клапан содержит клапанную муфту, образующую верхнюю поверхность клапана и образующую наружную поверхность муфты и нижнюю поверхность муфты, нижний заплечик клапана, наружную поверхность уменьшенного диаметра относительно наружной поверхности муфты и нижней наружной поверхности клапана, проходящую от нижней поверхности муфты до нижнего заплечика клапана, внутренний канал клапана, проходящий аксиально от верхней поверхности до нижнего конца, и множество байпасных каналов клапана, проходящих аксиально через клапанную муфту между внутренним каналом клапана и наружной поверхностью муфты. Рабочее окно расположено во внутреннем канале клапана. Клапанный узел выполнен с возможностью скольжения между закрытым положением и полностью открытым положением. В закрытом положении клапан закрывает байпасные отверстия корпуса. В закрытом положении клапанный узел управляется по расходу. В частично открытом положении и полностью открытом положении байпасные каналы клапана и байпасные отверстия корпуса образуют байпасный путь текучей среды. В частично открытом положении и полностью открытом положении клапанный узел управляется по давлению. Технический результат заключается в обеспечении активного клапанного устройства, отводящего часть текучей среды, проходящей через бурильную колонну в скважинное пространство, которое самопроизвольно не активируется. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система регулирования расхода текучей среды, проходящей в буровой двигатель, содержащая:

корпус, включающий в себя одно или более байпасных отверстий корпуса, проходящих радиально от внутреннего канала корпуса до наружной поверхности корпуса;

клапанный узел, размещенный с возможностью скольжения во внутреннем канале корпуса, причем клапанный узел содержит клапан и рабочее окно; при этом клапан содержит клапанную муфту, образующую верхнюю поверхность клапана и образующую наружную поверхность муфты и нижнюю поверхность муфты, нижний заплечик клапана, наружную поверхность уменьшенного диаметра относительно наружной поверхности муфты и нижней наружной поверхности клапана, проходящую от нижней поверхности муфты до нижнего заплечика клапана, внутренний канал клапана, проходящий аксиально от верхней поверхности до нижнего конца, и множество байпасных каналов клапана, проходящих аксиально через клапанную муфту между внутренним каналом клапана и наружной поверхностью муфты; при этом рабочее окно расположено во внутреннем канале клапана; и при этом клапанный узел выполнен с возможностью скольжения между закрытым положением и полностью открытым положением;

пружину, расположенную во внутреннем канале корпуса и вокруг участка клапанного узла, при этом пружина смещает клапанный узел к закрытому положению;

при этом в закрытом положении клапан закрывает байпасные отверстия корпуса, и при этом в закрытом положении клапанный узел управляется по расходу;

при этом в частично открытом положении и полностью открытом положении байпасные каналы клапана и байпасные отверстия корпуса образуют байпасный путь текучей среды; и при этом в частично открытом положении и полностью открытом положении клапанный узел управляется по давлению.

2. Система регулирования расхода по п. 1, в которой каждый из байпасных каналов клапана проходит от впуска на верхней поверхности клапана до выпуска на нижней поверхности муфты.

3. Система регулирования расхода по п. 1, в которой рабочее окно образовано кольцом рабочего окна, установленным во внутреннем канале клапана.

4. Система регулирования расхода по п. 1, дополнительно содержащая гильзовый узел, стационарно закрепленный во внутреннем канале корпуса; при этом клапанный узел размещен с возможностью скольжения через гильзовый узел; при этом гильзовый узел содержит клапанную гильзу, расположенную вокруг клапана, причем клапанная гильза содержит секцию уменьшенного диаметра относительно верхней и нижней поверхностей клапанной гильзы и множество байпасных отверстий клапанной гильзы, проходящих радиально от внутреннего канала до наружной поверхности секции уменьшенного диаметра, при этом байпасный путь текучей среды в полностью открытом положении дополнительно содержит байпасные отверстия клапанной гильзы.

5. Система регулирования расхода по п. 4, дополнительно содержащая одну или более демпфирующих камер, выполненных между клапанным узлом и гильзовым узлом, при этом одно или более демпфирующих сопел соединяют по текучей среде внутренний канал клапанного узла с одной или более демпфирующими камерами для замедления скользящего перемещения клапанного узла в гильзовом узле.

6. Система регулирования расхода по п. 4, в которой между клапанной гильзой и клапаном выполнено уплотнение с металлическим контактом.

7. Система регулирования расхода по п. 4, в которой байпасный путь текучей среды в частично открытом положении и полностью открытом положении дополнительно содержит внутреннюю байпасную камеру, образованную между клапанной гильзой и наружной поверхностью уменьшенного диаметра относительно наружной поверхности муфты и нижней наружной поверхности клапана, при этом в частично открытом положении и полностью открытом положении внутренняя байпасная камера соединяет по текучей среде байпасные каналы клапана и байпасные отверстия клапанной гильзы.

8. Система регулирования расхода по п. 7, в которой байпасный путь текучей среды в частично открытом положении и полностью открытом положении дополнительно содержит наружную байпасную камеру, образованную между корпусом и секцией уменьшенного диаметра относительно верхней и нижней поверхностей клапанной гильзы, при этом во всех положениях наружная байпасная камера соединяет по текучей среде байпасные отверстия клапанной гильзы и байпасные отверстия корпуса.

9. Система регулирования расхода по п. 8, в которой клапанный узел дополнительно содержит пружинный шпиндель, расположенный ниже клапана и рабочего окна, причем пружинный шпиндель содержит внутренний канал и верхний конец, взаимодействующий с внутренним каналом клапана, при этом пружина расположена вокруг наружной поверхности пружинного шпинделя, и при этом пружина смещает пружинный шпиндель к закрытому положению для смещения клапана к закрытому положению.

10. Система регулирования расхода по п. 9, в которой пружинный шпиндель содержит уплотнительный блок с наружной поверхностью, имеющей увеличенный диаметр относительно остальной части пружинного шпинделя, при этом пружина смещает уплотнительный блок к закрытому положению.

11. Система регулирования расхода по п. 10, дополнительно содержащая пружинную гильзу, расположенную во внутреннем канале корпуса и вокруг пружинного шпинделя и пружины.

12. Система регулирования расхода по п. 11, в которой уплотнительный блок образует верхнюю демпфирующую камеру и нижнюю демпфирующую камеру между пружинным шпинделем и пружинной гильзой, причем уплотнительный блок содержит по меньшей мере одно верхнее сопло, соединяющее по текучей среде внутренний канал пружинного шпинделя с верхней демпфирующей камерой, и по меньшей мере одно нижнее сопло, соединяющее по текучей среде внутренний канал пружинного шпинделя с нижней демпфирующей камерой.

13. Система регулирования расхода по п. 12, дополнительно содержащая верхнее пружинное кольцо и нижнее пружинное кольцо, каждое расположенное вокруг наружной поверхности пружинного шпинделя, при этом верхнее пружинное кольцо расположено между уплотнительным блоком пружинного шпинделя и верхним концом пружины, при этом нижнее пружинное кольцо расположено между нижним концом пружины и нижним заплечиком пружинной гильзы.

14. Система регулирования расхода по п. 13, в которой верхнее пружинное кольцо и пружина расположены в нижней демпфирующей камере, при этом кольцевое пространство образовано между верхним пружинным кольцом и пружинной гильзой.

15. Способ регулирования расхода текучей среды, проходящей в буровой двигатель, содержащий этапы, на которых:

а) предоставляют систему регулирования расхода, содержащую: корпус, включающий в себя одно или более байпасных отверстий корпуса, проходящих радиально от внутреннего канала корпуса до наружной поверхности корпуса; клапанный узел, размещенный с возможностью скольжения во внутреннем канале корпуса, причем клапанный узел содержит клапан и рабочее окно; при этом клапан содержит клапанную муфту, образующую верхнюю поверхность клапана и образующую наружную поверхность муфты и нижнюю поверхность муфты, нижний заплечик клапана, наружную поверхность уменьшенного диаметра относительно наружной поверхности муфты и нижней наружной поверхности клапана, проходящую от нижней поверхности муфты до нижнего заплечика клапана, внутренний канал клапана, проходящий аксиально от верхней поверхности до нижнего конца, и множество байпасных каналов клапана, проходящих аксиально через клапанную муфту между внутренним каналом клапана и наружной поверхностью муфты; при этом рабочее окно расположено во внутреннем канале клапана; и при этом клапанный узел выполнен с возможностью скольжения между закрытым положением и полностью открытым положением; пружину, расположенную во внутреннем канале корпуса и вокруг участка клапанного узла, при этом пружина смещает клапанный узел к закрытому положению; при этом в закрытом положении клапан закрывает байпасные отверстия корпуса, и при этом в закрытом положении клапанный узел управляется по расходу; при этом в частично открытом положении и полностью открытом положении байпасные каналы клапана и байпасные отверстия корпуса образуют байпасный путь текучей среды; и при этом в частично открытом положении и полностью открытом положении клапанный узел управляется по давлению;

b) прикрепляют систему регулирования расхода в трубной колонне выше бурового двигателя;

c) перекачивают текучую среду через систему регулирования расхода с клапанным узлом в закрытом положении, чтобы обеспечить проход текучей среды через внутренний канал клапана в буровой двигатель;

d) увеличивают расход текучей среды выше пороговой величины расхода для скользящего перемещения клапанного узла в направлении вниз в частично открытое положение, в котором часть текучей среды проходит через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство, окружающее корпус.

16. Способ по п. 15, дополнительно содержащий этап, на котором:

e) при частично открытом положении системы регулирования расхода уменьшают расход текучей среды, проходящей через систему регулирования расхода ниже пороговой величины расхода, без скользящего перемещения клапанного узла в закрытое положение.

17. Способ по п. 15, дополнительно содержащий этап, на котором:

e) поддерживают или увеличивают перепад давления между текучей средой, проходящей в систему регулирования расхода, и текучей средой в кольцевом пространстве для скользящего перемещения клапанного узла дополнительно в направлении вниз в полностью открытое положение для увеличения части текучей среды, проходящей через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство.

18. Способ по п. 17, дополнительно содержащий этап, на котором:

f) уменьшают перепад давления между текучей средой, проходящей в систему регулирования расхода, и текучей средой в кольцевом пространстве для скользящего перемещения клапанного узла в направлении вверх в частично открытое положение для уменьшения объема части текучей среды, проходящей через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство.

19. Способ по п. 18, дополнительно содержащий этап, на котором:

g) дополнительно уменьшают перепад давления между текучей средой, проходящей в систему регулирования расхода, и текучей средой в кольцевом пространстве для скользящего перемещения клапанного узла дополнительно в направлении вверх в закрытое положение.

20. Способ по п. 15, в котором система регулирования расхода дополнительно содержит гильзовый узел, стационарно закрепленный во внутреннем канале корпуса, с клапанным узлом, размещенным с возможностью скольжения через гильзовый узел, при этом система регулирования расхода дополнительно содержит одну или более демпфирующих камер, выполненных между клапанным узлом и гильзовым узлом, при этом одна или более демпфирующих камер соединены по текучей среде с внутренним каналом клапанного узла через одно или более сопел; и при этом на этапе d) одна или более демпфирующих камер замедляют скользящее перемещение клапанного узла.

21. Способ по п. 15, дополнительно содержащий этап, на котором:

е) приводят систему регулирования расхода в полное байпасное положение, в котором вся текучая среда, проходящая в систему регулирования расхода, отводится через байпасный путь текучей среды в кольцевое пространство, окружающее корпус выше бурового двигателя.

22. Способ по п. 21, в котором текучая среда, проходящая в систему регулирования расхода в полном байпасном положении, является буровым раствором, обогащенным закупоривающим материалом, перфорирующей текучей средой или текучей средой гидроразрыва.