Глубинный клапан Советский патент 1992 года по МПК E21B34/06 E21B21/10 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для предупреждения и ликвидации проявлений и выбросов и перекрытия канала колонны труб при бурении нефтяных и газовых скважин.

Известен клапан бурильной колонны, включающий корпус со сквозным каналом,

подпружиненный золотник с клапанной тарелкой и втулку с седлом, снабженную лопатками турбин и пальцем,скрепленными с золотником, и втулку, выполненную с кольцевой выточкой, на которой размещены 5 гнезда и пазы; причем палец размещен в кольцевой выточке втулки.

Однако данный клапан не позволяет пропускать через себя (ниже себя) какое-либо устройство, например инклинометр, тор- 10 педу и т.п. Связь между подвижным олотником и трубчатой втулкой осуществяется через палец.

Известен также обратный клапан, вклюающий корпус со сквозным каналом, в ко- 15 ором размещены подвижная втулка, пружина растяжения, а в нижней части - шарнирно-поврротный клапан.

Однако этот клапан неуправляем, так как при прекращении циркуляции он всегда 20 закрывает канал от обратного тока жидкости..

Наиболее близким к предлагаемому явяется обратный клапан для бурильной коонны, включающий корпус с осевыми и 25 радиальными каналами, в котором концен- рично размещена гильза, образующая с корпусом камеру и седло с подпружиненным запорным органом, снабженный втулкой, которая размещена под гильзой и 30 становлена с возможностью осевого перемещения.

Клапан имеет следующие недостатки.

Клапан - одноразового действия, так 35 как канал труб, спускаемых в скважину, открыт для подъема жидкости по трубам при их спуске до первой промывки. После прекращения промывки нижняя подвижная втулка остается в крайнем нижнем положе- 40 нии, а верхняя при движении труб за счет перепада давления между трубным и за- рубным пространствами, возникаемого вследствие движения труб вниз, перемещается вверх, позволяя запорному органу по- 45 вернуться и закрыть канал для движения идкости вверх по трубам при их спуске.что нередно приводит к смятию труб. В известном устройстве проходной канал открыт для обратной циркуляции или для подъема жидкости по трубам при их спуске только до 50 первой промывки, после чего клапан стано- вится обыкновенным обратным клапаном, а в предлагаемом устройстве проходной канал может быть открытым всегда, когда это нужно для обеспечения проводки скважи- 55 ны, что осуществляется за счет использования беговой дорожки на подвижном стволе путем ее связи при помощи шарика с зигзагообразным пазом, образуемым на внутренней поверхности корпуса коронок, при помощи двух коронок.

В известном устройстве при подъе.мё ствола из-за затрубного пространства через отверстие в полости может поступать шлам любых размеров (в пределах размера отверстия) и, оставаясь в полости, вызывать дополнительную разборку с целью очистки полости от шлама, а в предлагаемом клапане фильтр предохраняет от поступления в полость крупных частиц, обеспечивая этим длительную работоспособность без вынужденных разборок.

В известном устройстве каждый раз перед спуском клапан надо разбирать и уста- навливать его подвижные детали в исходные положения, в предлагаемом установка подвижных деталей производится в скважине импульсом потока, а на поверхности - без его разборки досылкой подвижного ствола вниз до предела рукояткой молотка, лопаты и т.п.

Цель изобретения - повышение надежности работы клапана при одновременном обеспечении возможности управления его открытием и закрытием в заданной технологической последовательности.

Поставленная цель достигается тем, что глубинный клапан, включающий полый корпус с присоединительными резьбами по концам и радиальными отверстиями, кон- центрично размещенный в нем с образованием кольцевой полости подвижный ствол с поршнем на верхнем конце, седло, установленное в нижней части полости корпуса, и тарельчатый Затвор, размещенный подсед- лом и подпружиненный относительно него, установленный с возможностью взаимодействия со стволом в крайнем нижнем положении, снабжен поперечной перегородкой, установленной в кольцевой полости между седлом и радиальными отверстиями в корпусе с образованием герметичной камеры, заполненной смазывающей жидкостью, и узлом фиксации, размещенным в герметичной камере и выполненным в виде цилиндрической втулки с закрепленными на ее внутренней поверхности двумя коронками, установленными с образованием зигзагообразного паза, и шарика, размещенного одновременно в зигзагообразном пазу и в выполненной на наружной поверхности ствола беговой дорожке, причем зазор между беговой дорожкой и коронками лежит в пределах 0,5-2 мм, кроме того, клапан снабжён фильтром, выполненным в виде полого цилиндра с радиальными каналами, при этом на внутренней поверхности корпуса на уровне его радиальных отверстий выполнена проточка, полый цилиндр установлен в

корпусе своими радиальными отверстиями на уровне проточки, а радиальные каналы полого цилиндра смещены относительно радиальных отверстий корпуса.

Совокупность существенных отличий предлагаемого клапана позволяет проводить ряд новых технологических операций: ,

спускать ниже клапана геофизические приборы, торпеду и т.д.;

обеспечивать самозаполнение труб промывочной жидкостью при их спуске после промежуточной промывки;

оставлять канал труб открытым для потока жидкости вверх после ряда импульсов промывки;

проводить глушение проявлений, когда в трубах ниже клапана необходимо держать давление 350 кг/см2 и выше.

На фиг.1 изображен клапан в закрытом состоянии,общий вид, разрез; на фиг.2-то же, в открытом состоянии; на фип З - коронки в аксонометрической проекции; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.5 - развертка зигзагообразного паза с синхронной последовательностью большого и малого вырезов на верхней коронке; на фиг,6-8 - развертки зигзагообразного паза с асинхронной последовательностью большого и малого вырезов на верхней коронке. /

Глубинный клапан состоит из корпуса V выполненного в виде патрубка, на верхнем конце которого выполнена внутренняя конусная резьба, а на нижнем - наружная конусная резьба. Вверху корпуса 1 внутренняя конусная резьба переходит в цилиндрическую резьбу-2, которая в свою очередь переходит в цилиндрическую полость 3 корпуса 1. В нижней части последней выполнен кольцевой упор 4, под которым сделана расточенная полость 5, переходящяя в проходной канал 6 корпуса 1. В средней части полости 3 выполнена кольцевая проточка 7, с которой сообщены радиальные отверстия 8 (фиг.4).:

В резьбу 2 ввернута цилиндрическая гайка 9 с наружной резьбой и радиальными пазами 10. Гайка 9 поджимает цилиндрическую втулку 11, имеющую у одного торца канавку 12 под уплотнительное кольцо, а у другого торца - несколько отверстий 13, Втулка 11 упирается в разделительную опору 14, имею.щую на внутренней и внешней сторонах канавки 15 и 16 под уплотнитель- ные кольца. Разделительная опора 14 упирается в корпус 17 коронок, выполненный в виде втулки, в которой размещены и зафик- сированы при помощи фиксаторов 18 верхняя 19 и нижняя 20 коронки (фиг.З). Верхняя коронка 19 выполнена в виде втулки, у которой с одной стороны сделаны вырезы 21 и

22 большой и малой глубин соответственно. Последовательность вырезов 21 и 22 разной глубины может быть разной. Нижняя коронка 20 выполнена также в виде втулки, у которой с одной стороны также сделаны

5 вырезы 23, но одинаковой величины. Вырезы 21, 22 и 23 выполнены с одной стороны по образующей цилиндра, а с другой - под углом к образующей цилиндра, образуя тем самым скос. Между корпусом 17 коронок 19

10 и 20 и подвижным стволом 30 образована полость П, заполняемая смазывающей жидкостью. Фиксатор 18 выполнен в виде гвоздя со шляпкой. Корпус 17 коронок упирается в седло 24, к которому шарнирно при помо15 щи оси 25 присоединена подпружиненная тарелка 26. Седло 24 на внешней стороне имеет канавку 27 под уплотнительное кольцо, а на внутренней стороне - специально- конструктивной формы проточку 28 под

0 уплотнитель 29 такой же конфигурации, как профиль проточки 28. Седло 24 упирается в кольцевой упор 4 корпуса 1. Внутри перечисленных деталей перемещается ствол 30, имеющий снаружи в средней части на коль5 цевом приливе беговую дорожку 31, по которой перемещается шар 32. Беговая дорожка 31 выполнена в виде кольцевой канавки. В верхней части к стволу 30 при помощи резьбы 33 присоединен поршень

0 34, выполненный с внутренней части в виде конуса, а с наружной - в виде цилиндра, на котором выполнена канавка 35 под уплотнительное кольцо. В полости 36, образуемой цилиндрической втулкой 11 и стволом 30.

5 размещена пружина 37. Тарелка 26 в закрытом состоянии прижимается к торцу 38 ствола 30 и уплотнителю 29 пружиной 39.

Между наружным диаметром кольцевого прилива 40, ствола 30 и внутренним диа0 метром коронок 19 и 20 имеется зазор 41, размер которого может составлять 0,5-2 мм. Размещение в корпусе 17 коронок 19 и 20 вершинами зубцов навстречу одна другой (зубец размещают против впадины) образу5 ет бесконечный зигзагообразный паз 42 (фиг.З), развертка этого паза (и его вариантов) представлены на фиг.5-8, где впадины верхней коронки 19 отмечены буквами а, в, д, ж, а впадины нижней коронки 20 отмече0 ны буквами б, г, е. Расстояние между впадинами верхней коронки 19 и впадинами

нижней коронки 20 отражено величинами Н и h, причем Н больше п.

При установке цилиндрической втулки

55 f в корпусе 1 так, что отверстия 13 втулки 11 размещены не соосно с отверстиями 8 в корпусе 1, а повернуты на определенный угол (например, на угол 45°, фиг.4), между наружной поверхностью втулки 11 и внутренним диаметром проточки 7 корпуса образуется 1 канал, который является фильтром 43%. Глубина проточки 7 может быть выполнена любого размера в соответствии с допустимыми размерами взвешенных ча- стиц промывочного раствора, который поступает в полость 36. Например, нельзя допускать попадание в полость 36 шлама размером больше 1 мм, так как это со временем может вызвать недоход ствола 30 в крайнее нижнее положение, поэтому проточка 7 в корпусе 1 должна выполняться глубиной не больше 1 мм при размере шлама 1-10 мм.

Клапан работает следующим образом. Клапан со всеми деталями, собранными в корпусе 1 и зафиксированными гайкой 9, устанавливается в любом месте колонны труб и спускается в скважину, где по мере необходимости проводятся работы, требую- щие перекрытия канала труб. Если, напри- .мер, при спуске труб канал труб по мере их спуска после каждой промывки необходимо оставлять открытым для самозаполнения труб промывочной жидкостью, то в этом слу- чае в только что навернутом клапане при помощи какого-либо штока, палки (например, рукоятки молотка) ствол 30 (из положения а на фиг.З и 5) отжимают вниз до предела (положение шарика б на фиг.З и 5), сжимая при этом пружину 37. В этом случае (под действием усилия руки) шар 32, свободно перекатываясь по беговой дорожке 31 ствола 30, из верхнего положения (а на фиг.5) перемещается в крайнее нижнее по- ложение на величину Н (фиг.5). При движении шара 32 вниз он, натыкаясь на скос нижней коронки 20, отводится им до упора (б на фиг.5). Ствол 30 при этом движении, действуя своим нижним торцом 38 на тарел- ку 26, отжимает и поворачивает ее вокруг оси 25, открывая канал ствола 30 и вызывая напряжение в пружине 39, которая всегда стремится закрыть тарелку 26 (фиг.2).

При устранении усилия, удерживающе- го ствол 30 в крайнем нижнем положении (б на фиг.5), под действием пружины 37 ствол 30 перемещается вверх, шар 32 в этом случае, натыкаясь на скос верхней коронки 19, отводится им в сторону до упора (положение в на фиг.5), ход в этом случае составляет величину h. т.е. ствол 30 не уходит в крайнее положение и не позволяеттарелке26 повернуться и закрыть проходной канал ствола 30. В таком положении промывочный рас- твор поступает свободно и поднимается по спускаемым трубам вверх. Во время остановки спуска труб клапан остается в открытом положении. При включении промывки на поршень 34 начинает действовать усилие, которое способно сжать пружину 37 и сместить поршень 34 и ствол 30 в крайнее нижнее положение (г на фиг.5). Это усилие обуславливается тем, что при промывке поток создает перепад давления между полостью ствола 30 и кольцевым пространством между стенками ствола скважины и колонной труб на уровне клапана или, другими словами, между полостью ствола 30 и полостью 36, которая при помощи отверстий 13, зазора, образуемого проточкой 7, и отверстий 8 в корпусе 1 клапана сообщается с кольцевым пространством (фиг.4). Величина перепада может быть равной 2-15,0 МПа. Этого достаточно для сжатия пружины 37. При прекращении промывок пружина 37 отжимает поршень 34 и ствол 30 перемещается вверх (положение д на фиг.5), В этом случае тарелка 26 поворачивается и перекрывает канал 30 и при спуске труб раствор не поднимается по трубам вверх.

Если же необходимо, чтобы при дальнейшем спуске канал 6 клапана был открыт для самозаполнения труб раствором, то необходимо сделать импульсную промывку в течении 30-60 с, чтобы ствол 30 вновь переместился до предела вниз (положение е на фиг.5), а затем при прекращении промывки ствол 30 под действием пружины 37 вернулся вверх, но в этом случае, уже не в крайнее положение, а в промежуточное (ж на фиг.5), оставляя тем самым тарелку 26 в открытом положении, свободном для самозаполнения труб при дальнейшем их спуске в скважину.

ч

При движении поршня 34 и ствола 30 вверх и вниз раствор из кольцевого пространства поступает в полость 36 или выжимается из нее через фильтр 43 в виде канала, образованный проточкой 7, отверстиями 13 и 8 и, соответственно, наоборот, проходя при этом также через фильтр 43.

При проводке скважины нередко возникает необходимость в проведении комплекса исследовательских работ, причем для этого необходимо проводить импульсную прокачку промывочного раствора в скважи- ну, сохраняя при этом гидравлическую связь забоя через трубы с поверхностью, например определение утечки производства разрыва пласта импульсной закачкой раствора в пласт и т.п. В этом случае в клапане верхняя коронка 19 (фиг.5) меняется на другую с другой последовательностью больших и малых вырезов 21 и 22 в коронке (фиг.7), для других целей используют другие коронки.

В объединении Грознефть из-за отсутствия надежных конструкций клапана наблюдаются случаи возникновения

интенсивных нефтегазоводопроявлений. Отсутствие клапанов с проходным каналом затрудняют и удлиняют сроки проведения различных геофизических работ и, наконец, наличие управляемых клапанов сокращает сроки наращивания и подъема бурильных труб, исключая перелив раствора.

Применение управляемого клапана позволяет решить комплекс перечисленных проблем с ориентировочным удельным эко- комическим эффектом 2-3 тыс.руб. на один клапан. Широкое промышленное применение данного клапана по объединению Трознефть может дать общий экономический эффект порядка 100-150тыс.руб. в год. Формула изобретения 1. Глубинный клапан, включающий по- лый корпус с присоединительными резьбами по концам и радиальными отверстиями, концентрично размещенный в нем,с образо- ванием кольцевой полости подвижный ствол с поршнем на верхнем конце, седло, установленное в нижней части полости корпуса, тарельчатый затвор, размещенный под седлом и подпружиненный относитель- но него, установленный с возможностью взаимодействия со стволом в крайнем нижнем его положении, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы клапана при одновременном обес- печении возможности управления его открытием и закрытием в заданной

технологической последовательности, он снабжен поперечной перегородкой, установленной в кольцевой полости между седлом и радиальными отверстиями в корпусе с образованием герметичной камеры, заполненной смазывающей жидкостью, и узлом фиксации, размещенным в герметичной камере и выполненным в виде цилиндрической втулки с закрепленными на ее внутренней поверхности двумя коронками, установленными с образованием зигзагообразного паза, и шарика, размещенного одновременно в зигзагообразном пазу и в выполненной на наружной поверхности ствола беговой дорожке, причем зазор между беговой дорожкой и коронками лежит в пределах 0,5-2 мм.

2. Клапан по п.1,отличающийся тем, что, с целью повышения надежности его работы за счет предотвращения попадания в полость корпуса твердых частиц, он снабжен фильтром, выполненным в виде по- лого цилиндра с радиальными каналами, при этом на внутренней поверхности корпуса на уровне его радиальных отверстий выполнена проточка, полый цилиндр установлен в корпусе своими радиальными отверстиями на уровне проточки, а радиальные каналы полого цилиндра смещены относительно радиальных отверстий корпуса.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для предупреждения и ликвидации проявлений и выбросов и перекрытия канала колонны труб при бурении нефтяных и газовых скважин. Цель изобретения - повышение надежности работы клапана при одновременном обеспечении возможности управления его открытием и закрытием в заданной технологической последовательности, а также за счет предотвращения попадания в полость корпуса(К) твёрдых частиц. Устройство включает полый К с присоединительными резьбами по концам. В К выполнены радиальные отверстия и концентрично размещен с образованием кольцевой полости подвижный ствол (ПС). На своем верхнем конце ПС имеет поршень. Под седлом (С) размещен подпружиненный относительно него тарельчатый затвор. ПО-, следний установлен с возможностью взаимодействия с ПС в крайнем нижнем его положении. В кольцевой полости К между С и радиальными отверстиями установлена поперечная перегородка с образованием герметичной камеры, заполненной смазывающей жидкостью. В камере размещен узел фиксации, выполненный в виде цилиндрической втулки с закрепленными на ее внутренней поверхности двумя коронками. Коронки установлены с образованием зигзагообразного паза, в котором и в выполненной на наружной поверхности ПС беговой дорожке размещен шарик. Зазор между беговой дорожкой и коронками составляет 0,5-2 мм. Клапан также снабжен фильтром, выполненным в виде полого цилиндра с радиальными каналами, на внутренней поверхности К на уровне его радиальных отверстий выполнена проточка, полый цилиндр установлен в К своими радиальными отверстиями на уровне проточки, а радиальные каналы полого цилиндра смещены от- лосительно радиальных отверстий К. Снабжение клапана описанным выше фильтром предотвращает попадание в полость К твердых частиц, а описанным выше узлом фиксации обеспечивает надежную его работу в заданной технологической последовательности. При этом зазор между беговой дорожкой и коронками позволяет клапану сохранять работоспособность в случае образования наклёпа на беговой дорожке. 1 з.п.ф-лы, 8 ил. сл с ON О sQ О

6609 UI

шз

го

19

I G g э --Г & &

Фиг.д