RU2599119C1 - Циркуляционный клапан бурильной колонны - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к циркуляционным клапанам бурильной колонны. Клапан содержит трубчатый корпус с резьбами на его краях, золотниковую втулку со сквозными боковыми отверстиями, установленную внутри корпуса, седло, размещенное внутри золотниковой втулки, направляющее кольцо, размещенное 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. Клапан также содержит два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, причем порты расположены выше по потоку от седла, 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. Клапан также содержит сбрасываемый шар активации, выполненный с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла при движении текучей среды по бурильной колонне, а также два запирающих шара, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока текучей среды через указанные циркуляционные порты. Клапан также содержит скрепленный с корпусом резьбовой переводник с размещенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла. При этом клапан содержит гильзу, размещенную внутри трубчатого корпуса, снабженную собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса. Золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы. Гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, а каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, причем гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно соответствующего края, направленного внутрь циркуляционного порта. При этом золотниковая втулка выполнена с кольцевым каналом на ее наружной поверхности, сообщающимся с ее сквозными боковыми отверстиями, а внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности. Технический результат заключается в повышении ресурса и надежности клапана. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно 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 низа бурильной колонны, находящиеся ниже клапана.

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, Sep. 30, 2014).

В известном скважинном инструменте поршень установлен с возможностью перемещения между первым и вторым положениями неограниченное число раз за один цикл опускания в ствол скважины, 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 внутреннего отверстия, 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, таким как долото.

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 и другим нижним элементам.

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 показано 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 любым 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 и промежуточными положениями, при котором оператору 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 либо в проходное положение, либо 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, преимущественно при спуске бурильной колонны в скважину.

Недостатком известного скважинного инструмента является, например, сложность определения оператором истинного 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, при использовании буровых растворов с карбонатным утяжелителем - фракционированной мраморной крошкой (р=1,8 г/см³) или при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), при этом размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Известно устройство, позволяющее контролировать скважины в процессе бурения, состоящее из трубчатого корпуса, который вставляется внутрь бурильной колонны, смещаемой втулки, расположенной внутри и перемещаемой по отношению к указанному трубчатому корпусу, пружины, удерживающей указанную втулку в первом положении внутри указанного трубчатого корпуса, отверстия в указанной втулке для прохождения через него потока жидкости, первого шара, который вставляется в указанное отверстие для закрывания 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, 19 марта 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 износом 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, при использовании буровых растворов с карбонатным утяжелителем - фракционированной мраморной крошкой (р=1,8 г/см³) или при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют барит или сидерит (карбонат железа), при этом размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является циркуляционное устройство для установки в составе бурильной колонны, которое может переключаться между неактивным режимом, при котором оно не препятствует продольному потоку жидкости по бурильной колонне в ходе нормального 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 шара активации, когда последний приводится в движение потоком бурового раствора по направлению от поверхности к нижней части бурильной колонны, упомянутое посадочное седло смещает втулку по оси и таким образом 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 посадочного седла таким образом, чтобы позволить запирающему шару, который запускается после того, как шар активации 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, Mar. 25, 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.

Известное циркуляционное устройство включает в себя деформируемый шар активации и как минимум один запирающий шар.

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 скоротечным износу циркуляционных портов и нестабильному закрытию клапана при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, например, при использовании буровых растворов с карбонатным утяжелителем - фракционированной мраморной крошкой (р=1,8 г/см³) или при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют барит или сидерит (карбонат железа), при этом размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм.

Кольматант - твердое вещество, используемое для закупоривания пор породы на стенках скважины. Размер фракции кольматационных материалов - не более 1/3 внутреннего диаметра циркуляционного порта. Содержание кольматанта в буровом растворе диктуется возможностью поглощения жидкости в скважине. Применение кольматантов необходимо для утяжеления бурового раствора, которым заполняют скважину, чтобы выровнять внутреннее давление.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса и надежности циркуляционного клапана в составе бурильной колонны с героторным винтовым гидравлическим двигателем при использовании буровых растворов, включающих кольматационные материалы, за счет предотвращения прихвата золотниковой гильзы путем установки ее в гильзе, размещенной внутри трубчатого корпуса, фиксации гильзы краями циркуляционных портов в сквозных боковых отверстиях гильзы, выполнения золотниковой втулки с кольцевым каналом на наружной поверхности, а также за счет предотвращения гидроабразивного размыва расходных отверстий циркуляционных портов путем выполнения внутреннего профиля сквозных боковых отверстий золотниковой втулки конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности и соосным относительно расходных отверстий циркуляционных портов в активном режиме.

Сущность технического решения заключается в том, что в циркуляционном клапане бурильной колонны, содержащем трубчатый корпус с резьбами на его краях, золотниковую втулку со сквозными боковыми отверстиями, установленную внутри корпуса, седло, размещенное внутри золотниковой втулки, направляющее кольцо, размещенное 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 содержащем два закрепленных в корпусе циркуляционных порта с расходными отверстиями, указанные циркуляционные порты расположены выше по потоку от седла, 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 содержащем сбрасываемый шар активации, выполненный с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла 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 указанные циркуляционные порты, а также содержащем скрепленный с корпусом резьбовой переводник с размещенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла, согласно изобретению содержит гильзу, размещенную внутри трубчатого корпуса, снабженную собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, а каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, причем гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно соответствующего края направленного внутрь циркуляционного порта, при этом золотниковая втулка выполнена с кольцевым каналом на ее наружной поверхности, сообщающимся с ее сквозными боковыми отверстиями, а внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности.

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

Внутренний профиль направляющего кольца выполнен конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки, при этом образующая конфузорной поверхности направляющего кольца расположена над внутренней поверхностью входной части золотниковой втулки.

Внутренний профиль выходной части трубчатого корпуса выполнен диффузорным в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла.

Выполнение циркуляционного клапана таким образом, что содержит гильзу, размещенную внутри трубчатого корпуса, снабженную собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, а каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, причем гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно соответствующего края направленного внутрь циркуляционного порта, при этом золотниковая втулка выполнена с кольцевым каналом на ее наружной поверхности, сообщающимся с ее сквозными боковыми отверстиями, а внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности, обеспечивает повышение ресурса и надежности циркуляционного клапана бурильной колонны, обеспечивает закачку всех типов кольматационных и тампонажных материалов в зоны поглощения бурового раствора, улучшает очистку ствола скважины путем увеличения расхода бурового раствора без выполнения спуско-подъемных операций за счет предотвращения прихвата золотниковой втулки в гильзе, уменьшения гидроабразивного размыва расходных отверстий циркуляционных портов, предотвращения шламования пружины, а также за счет упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления и обслуживания.

Уменьшение гидроабразивного размыва расходных отверстий циркуляционных портов объясняется тем, что в активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности, и соосным относительно расходных отверстий циркуляционных портов, что приводит к смещению твердой фракции кольматационных материалов в буровом растворе (в поперечном сечении) к центру струи, истекающей из указанного сквозного бокового отверстия золотниковой втулки, и созданию зоны пристеночной кавитации вдоль стенок расходного отверстия циркуляционного порта, в которой уменьшенное содержание твердой фракции кольматационных материалов.

Уменьшение гидроабразивного размыва золотниковой втулки в гильзе, а также предотвращение прихвата золотниковой втулки в гильзе объясняется тем, что указанная золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы, при этом указанные уплотнения предотвращают попадание твердой фазы кольматационных материалов в буровом растворе в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды по бурильной колонне, в этом положении циркуляционные порты закрыты золотниковой втулкой и собственным средним и нижним уплотнениями, а также предотвращают попадание твердой фазы кольматационных материалов в буровом растворе в активном режиме, при котором циркуляционные порты открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством бурильной колонны, но при этом циркуляционные порты также изолированы от твердой фазы кольматационных материалов в буровом растворе за счет собственного верхнего и среднего уплотнений золотниковой втулки.

Выполнение золотниковой втулки за одно целое с седлом 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, на котором работает винтовой героторный гидравлический двигатель.

Выполнение золотниковой втулки с укороченным задним краем с возможностью сообщения полости между внутренней поверхностью гильзы и наружной поверхностью золотниковой втулки, в которой размещена пружина, с внутренней полостью корпуса, через которую осуществляется насосная подача текучей среды, предотвращает шламование и прихват пружины из-за отсутствия сообщающегося канала с затрубным пространством, которое заполняется кольматационным материалом, например, при использовании 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.

Выполнение циркуляционного клапана таким образом, что внутренний профиль направляющего кольца выполнен конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки, при этом образующая конфузорной поверхности направляющего кольца расположена над внутренней поверхностью входной части золотниковой втулки, уменьшает влияние твердой фазы кольматационных материалов, например, при использовании буровых растворов с карбонатным утяжелителем - фракционированной мраморной крошкой (р=1,8 г/см³) или при использовании буровых растворов с пониженным содержанием твердой фазы (р=2,2 г/см³), в которых в качестве утяжелителя используют сидерит (карбонат железа), при этом размер фракции кольматационных материалов составляет 3÷5 мм, на ресурс ступенчатой пары - золотниковой втулки внутри гильзы в режиме закачки всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора, а также в режиме очистки ствола скважины путем увеличения расхода бурового раствора через сквозные боковые отверстия золотниковой втулки и кольцевой канал на наружной поверхности золотниковой втулки, сообщающий в активном режиме сквозные боковые отверстия золотниковой втулки с расходными отверстиями циркуляционных портов.

Выполнение циркуляционного клапана таким образом, что внутренний профиль выходной части трубчатого корпуса выполнен диффузорным в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла золотниковой втулки, обеспечивает снижение потерь 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 низа бурильной колонны, находящиеся ниже клапана, 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 твердых запирающих шаров, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами для блокирования потока бурового раствора через циркуляционные порты, без выполнения спуско-подъемных операций.

Данный циркуляционный клапан может быть применен в следующих случаях:

- для закачки всех типов кольматационных и тампонажных 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 лучший вариант циркуляционного клапана, предназначенного для бурильной колонны с героторным винтовым гидравлическим двигателем.

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

На фиг. 2 изображен циркуляционный клапан в активном режиме, шар активации сброшен в скважину и закрыл седло золотниковой втулки, перепуск бурового раствора через отверстия циркуляционных портов.

На фиг. 3 изображен циркуляционный клапан, два запирающих шара сброшены в скважину для блокирования потока бурового раствора через отверстия циркуляционных портов.

На фиг. 4 изображен циркуляционный клапан в неактивном режиме, два запирающих шара продавили шар активации и движутся в устройство для улавливания шаров.

На фиг. 5 изображен разрез А-А на фиг. 2 поперек отверстий циркуляционных портов и боковых отверстий гильзы, размещенной в корпусе.

На фиг. 6 изображен разрез Б-Б на фиг. 2 поперек входной части устройства для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла золотниковой втулки.

На фиг. 7 изображен элемент I на фиг. 1 внутреннего профиля направляющего кольца, выполненного конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки.

Циркуляционный клапан содержит трубчатый корпус 1 с внутренней резьбой 2 на краю 3, предназначенный для соединения с низом верхней части бурильной колонны (не показанной), а также с наружной резьбой 4 на краю 5 для соединения с резьбовым переводником 6, предназначенным для соединения резьбой 7, выполненной на краю 8 указанного резьбового переводника 6, с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной), а также содержит золотниковую втулку 9 со сквозными боковыми отверстиями 10 и 11, установленную внутри корпуса 1, седло 12, размещенное внутри золотниковой втулки 9, направляющее кольцо 13, размещенное во входной части 14 корпуса 1, пружину 15, прижимающую золотниковую втулку 9 к направляющему кольцу 13, изображено на фиг. 1, 2, 5, 7.

В неактивном режиме через внутренние полости корпуса 1, направляющего кольца 13, седла 12 и золотниковой втулки 9 осуществляется насосная подача текучей среды - бурового раствора 16, например, полимер-глинистого бурового раствора плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с (по СПВ-5), 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, при этом в указанном режиме осуществляют бурение скважины винтовым героторным гидравлическим двигателем, изображено на фиг. 1.

В активном режиме через внутренние полости корпуса 1, направляющего кольца 13 и входной части золотниковой втулки 9 осуществляется насосная подача текучей среды - бурового раствора 16, содержащего кольматационные материалы 17, например, при использовании бурового раствора с карбонатным утяжелителем - фракционированной мраморной крошкой (р=1,8 г/см³) или при использовании 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, изображено на фиг. 2, 5.

Циркуляционный клапан содержит два закрепленных в корпусе 1 циркуляционных порта 18 и 19 с расходными отверстиями, соответственно 20 и 21, указанные циркуляционные порты 18 и 19 расположены выше по потоку 16 от седла 12 золотниковой втулки 9, изображено на фиг. 1, 5.

Циркуляционные порты 18 и 19 закрыты золотниковой втулкой 9 в неактивном режиме, при котором осуществляется насосная подача текучей среды 16 через внутреннее пространство 22 бурильной колонны, изображено на фиг. 1.

Циркуляционные порты 18 и 19 открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством 22 бурильной колонны, когда циркуляционный клапан в активном режиме, изображено на фиг. 2.

Циркуляционный клапан содержит сбрасываемый шар 23 активации, выполненный, например, из резины ИРП-1226-5 (ТУ 2512-215-00149245-96), с возможностью деформации и прохождения через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 при движении текучей среды 16 по бурильной колонне, а также содержит два запирающих стальных шара 25, 26, сбрасываемых друг за другом, взаимодействующих с циркуляционными портами 18, 19 для блокирования потока 16 текучей среды через указанные циркуляционные порты 18, 19, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Циркуляционный клапан содержит скрепленный резьбой 4 с корпусом 1 резьбовой переводник 6 с размещенным внутри него устройством 27 для улавливания шаров 23, 25, 26, прошедших через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 золотниковой втулки 9, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Устройство 27 для улавливания шаров 23, 25, 26, прошедших через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 золотниковой втулки 9, содержит фильтрующую трубу 28 с щелевыми каналами 29, входную втулку 30 и выходную втулку 31, фильтрующая труба 28 соединена резьбой 32 с входной втулкой 30, а также соединена резьбой 33 с выходной втулкой 31, входная втулка 30 выполнена с четырьмя направленными наружу ребрами 34 и телескопически соединена торцами 35 указанных ребер 34 с центрирующим поясом 36 внутри резьбового переводника 6, изображено на фиг. 1, 2, 3, 6.

Циркуляционный клапан содержит гильзу 37, размещенную внутри трубчатого корпуса 1, снабженную собственными наружными уплотнениями 38, контактирующими с внутренней поверхностью 39 корпуса 1, гильза 37 выполнена со сквозными боковыми отверстиями 40 и 41, каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности 39 корпуса 1 краем 42 и 43, при этом гильза 37 зафиксирована в окружном и продольном направлении каждым сквозным боковым отверстием 40 и 41 относительно соответствующего края 42 и 43 направленного внутрь циркуляционного порта, соответственно 18 и 19, изображено на фиг. 1, 2, 3, 5.

Золотниковая втулка 9 выполнена с кольцевым каналом 44 на ее наружной поверхности 45, сообщающимся со сквозными боковыми отверстиями 10 и 11 золотниковой втулки 9, указанная золотниковая втулка 9 установлена с возможностью скольжения внутри гильзы 37 относительно ее внутренней поверхности 46 и снабжена собственными уплотнениями 47, 48, 49 относительно внутренней поверхности 46 гильзы 37, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5, 7.

Внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия 10, 11 золотниковой втулки 9 выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала 44 на наружной поверхности 45 золотниковой втулки 9, при этом золотниковая втулка 9 выполнена за одно целое с седлом 12, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5, 7.

Золотниковая втулка 9 выполнена с укороченным задним краем 50 (торцом), расположенным на расстоянии 51 от внутреннего торца 52 гильзы 37, с возможностью сообщения полости 53 между внутренней поверхностью 46 гильзы 37 и наружной поверхностью 45 золотниковой втулки 9, в полости 53 размещена пружина 15, с внутренней полостью 22 корпуса 1, через которую осуществляется насосная подача текучей среды, например полимер-глинистого бурового раствора 16 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с (по СПВ-5), 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, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5, 7.

Внутренний профиль 54 направляющего кольца 13 выполнен конфузорным в направлении входной части 55 золотниковой втулки 9, при этом образующая 56 конфузорной поверхности 54 направляющего кольца 13 расположена над внутренней поверхностью 57 входной части 55 золотниковой втулки 9 на расстоянии 58, изображено на фиг. 1, 7.

Внутренний профиль 59 выходной части 5 трубчатого корпуса 1 выполнен диффузорным в направлении устройства 27 для улавливания шаров 23, 25, 26, прошедших через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 золотниковой втулки 9, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.

Кроме того, на фиг. 5 изображено: поз. 60 - затрубное пространство; поз. 61 - слой кольматации; 62 - пластовая гидравлическая среда.

Как изображено на фиг. 4, циркуляционный клапан в неактивном режиме, два запирающих шара 25 и 26 продавили сбрасываемый шар 23 активации и движутся, прокачиваемые потоком бурового раствора 16 в устройство 27 для улавливания шаров, при этом в устройстве 27 для улавливания шаров 23, 25, 26, прошедших через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 золотниковой втулки 9, может размещаться 7 шаров 23 активации, 7 запирающих шаров 25, и 7 запирающих шаров 26.

Циркуляционный клапан соединяют внутренней резьбой 2 трубчатого корпуса 1 с низом верхней части бурильной колонны, а наружной резьбой 7, выполненной на краю 8 резьбового переводника 6, соединяют с верхом нижней части компоновки низа бурильной колонны (КНБК), включающей винтовой героторный гидравлический двигатель ДРУ3-172РС, применяемой при бурении нефтяных скважин.

Буровым насосом, например, УНБ-600 через колонну бурильных труб осуществляют насосную подачу текучей среды, например полимер-глинистого бурового раствора 16 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с (по СПВ-5), 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.

Циркуляционные порты 18 и 19 при этом закрыты золотниковой втулкой 9 в неактивном режиме, изображено на фиг. 1.

В указанном режиме производят бурение скважины героторным гидравлическим двигателем ДРУ3-172РС долотом с одновременным вращением бурильной колонны.

Основным рабочим элементом циркуляционного клапана является золотниковая втулка 9, которая выполнена с кольцевым каналом 44 на ее наружной поверхности 45, сообщающимся со сквозными боковыми отверстиями 10 и 11 золотниковой втулки 9, указанная золотниковая втулка 9 установлена с возможностью скольжения внутри гильзы 37 относительно ее внутренней поверхности 46 и снабжена собственными уплотнениями 47, 48, 49 относительно внутренней поверхности 46 гильзы 37, при этом внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия 10, 11 золотниковой втулки 9 выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала 44 на наружной поверхности 45 золотниковой втулки 9.

Для активации циркуляционного клапана бросают в бурильные трубы один шар 23 активации, выполненный из резины ИРП-1226-5, и прокачивают его расчетным объемом бурового раствора 16.

Когда шар 23 активации садится в седло 12, размещенное внутри золотниковой втулки 9, золотниковая втулка 9 под действием избыточного трубного давления сжимает пружину 15 и сдвигается вниз по потоку бурового раствора 16, при этом циркуляционные порты 20 и 21 открываются, циркуляционный клапан находится в активном режиме, производится перепуск бурового раствора 16 через отверстия циркуляционных портов 20 и 21, изображено на фиг. 2, 5.

Далее осуществляют насосную подачу бурового раствора 16, содержащего кольматационные материалы 17 (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, в затрубное пространство 60 без остановок, при этом максимальный расход составляет 45 л/сек при прокачке бурового раствора, содержащего кольматационные материалы 17, изображено на фиг. 2, 5.

Во время выполнения указанной технологической операции через активированный циркуляционный клапан вращают и "расхаживают" бурильную колонну, циркуляция происходит через циркуляционные порты 20 и 21, минуя все элементы компоновки низа бурильной колонны, находящиеся ниже по потоку от клапана.

Уменьшение гидроабразивного размыва расходных отверстий 20, 21 циркуляционных портов 18, 19 объясняется тем, что в активном режиме, при котором циркуляционные порты 18, 19 открыты и обеспечивают сообщение с внутренним пространством 22 бурильной колонны, внутренние профили 10, 11 каждого сквозного бокового отверстия 10, 11 золотниковой втулки 9 выполнены конфузорными в направлении расположенных перед ними расходных отверстий 20, 21 циркуляционных портов 18, 19, что приводит к смещению твердой фракции кольматационных материалов 17 в буровом растворе 16 (в поперечном сечении) к центру струи, истекающей из указанных сквозных боковых отверстий 10, 11 золотниковой втулки, и созданию зоны пристеночной кавитации вдоль стенок расходных отверстий 20, 21 циркуляционных портов 18, 19, в которых уменьшенное содержание твердой фракции кольматационных материалов 17, изображено на фиг. 2, 5.

При остановке бурового насоса золотниковая втулка 9 под действием пружины 15 прижимается до упора в торец направляющего кольца 13, размещенного во входной части 14 корпуса 1, при этом циркуляционные порты 20, 21 закрываются, предотвращая обратный "переток" бурового раствора 16 из затрубного пространства 60 в полость 22 бурильной колонны.

После выполнения запланированных технологических операций, для деактивации циркуляционного клапана, бросают в бурильные трубы два стальных шара 25 и 26 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 16 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с (по СПВ-5), 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.

Внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия 10, 11 золотниковой втулки 9 выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала 44 на наружной поверхности 45 золотниковой втулки 9, при этом золотниковая втулка 9 выполнена за одно целое с седлом 12, изображено на фиг. 1, 2, 4, 5, 7.

Два запирающих стальных шара 25, 26, сбрасываемых друг за другом, взаимодействуют со сквозными боковыми отверстиями 10 и 11 золотниковой втулки 9, перекрывают сквозные боковые отверстия 10 и 11 золотниковой втулки 9 и блокируют поток 16 текучей среды через указанные циркуляционные порты 18, 19, изображено на фиг. 1, 2, 3.

Буровой насос продолжает работать, давление растет, происходит деактивация циркуляционного клапана - шар 23 активации, выполненный из резины ИРП-1226-5 (ТУ 2512-215-00149245-96), продавливается (срезается) через посадочное седло 12 золотниковой втулки 9 и направляется в устройство 27 для улавливания шаров 23, а также шаров 25, 26, прошедших через участок 24 сужения проходного сечения седла 12 золотниковой втулки 9, содержащее фильтрующую трубу 28 с щелевыми каналами 29, входную втулку 30 и выходную втулку 31, изображено на фиг. 3, 4, 5.

Золотниковая втулка 9 под действием пружины 15 прижимается до упора в торец направляющего кольца 13, размещенного во входной части 14 корпуса 1, при этом циркуляционные порты 20, 21 закрываются, предотвращая обратный "переток" бурового раствора 16 из затрубного пространства 60 в полость 22 бурильной колонны,

Буровым насосом УНБ-600 через колонну бурильных труб осуществляют насосную подачу полимер-глинистого бурового раствора 16 плотностью 2,2 г/см³, вязкостью 90 с (по СПВ-5), 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 продолжают бурение скважины винтовым героторным гидравлическим двигателем.

Изобретение повышает ресурс и надежность, предотвращает прихват золотниковой втулки и гидроабразивный размыв расходных отверстий циркуляционных портов, упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления и обслуживания, позволяет многократно производить закачку всех типов кольматационных материалов в зоны поглощения бурового раствора, улучшает промывку ствола скважины.

Claims (4)

1. Циркуляционный клапан бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус с резьбами на его краях, золотниковую втулку со сквозными боковыми отверстиями, установленную внутри корпуса, седло, размещенное внутри золотниковой втулки, направляющее кольцо, размещенное 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, указанные циркуляционные порты расположены выше по потоку от седла, 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 шар активации, выполненный с возможностью деформации и прохождения через участок сужения проходного сечения седла 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 размещенным внутри него устройством для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла, отличающийся тем, что содержит гильзу, размещенную внутри трубчатого корпуса, снабженную собственными наружными уплотнениями, контактирующими с внутренней поверхностью корпуса, золотниковая втулка установлена с возможностью скольжения внутри гильзы и снабжена собственными уплотнениями относительно внутренней поверхности гильзы, при этом гильза выполнена со сквозными боковыми отверстиями, а каждый циркуляционный порт выполнен с выступающим внутрь от внутренней поверхности корпуса краем, причем гильза зафиксирована каждым сквозным боковым отверстием относительно соответствующего края, направленного внутрь циркуляционного порта, при этом золотниковая втулка выполнена с кольцевым каналом на ее наружной поверхности, сообщающимся с ее сквозными боковыми отверстиями, а внутренний профиль каждого сквозного бокового отверстия золотниковой втулки выполнен конфузорным в направлении кольцевого канала на ее наружной поверхности.

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

3. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что внутренний профиль направляющего кольца выполнен конфузорным в направлении входной части золотниковой втулки, при этом образующая конфузорной поверхности направляющего кольца расположена над внутренней поверхностью входной части золотниковой втулки.

4. Циркуляционный клапан бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что внутренний профиль выходной части трубчатого корпуса выполнен диффузорным в направлении устройства для улавливания шаров, прошедших через участок сужения проходного сечения седла.

Images