Циркуляционно-заливочный клапан для испытания скважин

 

Изобретение относится к горной промети . Цель - повышение надежности в работе клапана за счет исключения его преждевременного срабатывания при спуске бурильных труб в скважину и обеспечения возможности осуществления прямой промывки скважины через клапан при подъеме инструмента. Клапан содержит корпус 1 с осевым и радиальными каналами В радиальном канале и поршневой полости корпуса 1 размещен подпружиненный гГоршень2 со штоком 3 Клапан содержит механизм управления в виде цилиндра 7 с фигурной канавкой 6 на боковой поверхности фиксатора , установленного в ней Корпус 1 на внутренней поверхности выполнен с перегородкой 9 и имеет упорный подшипник 8, установленный в ней с возможностью взаимодействия с цилиндром 7 в его нижней части, который свободно размещен на штоке 3 Фигурная канавка 6 выполнена с верхней и нижней горизонтальными площадками Корпус под поршневой полостью имеет отверстие,-диаметр которого определяют по математической ф-ле При прямой промывке скважины фиксатор штока 3 перемещается в положение з фигурной канавки 6 и препятствует дальнейшему перемещению вниз поршня 2 со штоком 3. а сам клапан остается в положении открыто . 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 E 21 В 49/00, 34/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4681507/03 (22) 24.04.89 (46) 07.05.91. Бюл. N. 17 (71) Западно-Сибирский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт технологии глубокого разведочного бурения (72) А,M. Носырев, Ю, В.Сухачев, М.Л, Карнаухов, Е.П.Солдатов и А.Г.Быстров (53) 622.245.4 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 589373, кл. Е 21 В 34/06, 1976.

Авторское свидетельство СССР

hh 562645, кл. E 21 В 49/00, 1974. (54) ЦИРКУЛЯЦИОННО-ЗАЛИВОЧНЫЙ

КЛАПАН ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СКВАЖИН (57) Изобретение относится к горной промсти. Цель — повышение надежности в работе клапана зэ счет исключения его преждевременного срабатывания при спуске бурильных труб в скважину и обеспечения возможности осуществления прямой промывки скважины через клапан при подъеме.. Ж 1647128 А1 инструмента. Клапан содержит корпус 1 с осевым и радиальными каналами. В радиальном канале и поршневой полости корпуса 1 размещен подпружиненный г оршень 2 со штоком 3. Клапан содержит механизм управления в виде цилиндра 7 с фигурной канавкой 6 на боковой поверхности фиксатора, установленного в ней. Корпус 1 на внутренней поверхности выполнен с перегородкой 9 и имеет упорный подшипник 8, установленный в ней с возможностью взаимодействия с цилиндром 7 в его нижней части. который свободно размещен на штоке 3. Фигурная канавка 6 выполнена с верхней и нижней горизонтальными площадками. Корпус 1 под поршневой полостью имеет отверстие; диаметр которого определяют по математической ф-ле. При ) прямой промывке скважины фиксатор штока 3 перемещается в положение "з" фигурной канавки 6 и препятствует дальйейшему перемещению вниз поршня 2 со штоком 3; а сам клапан остается в положении "открыто", 2 ил.

1647128

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к оборудованию для испытания скважин.

Целью изобретения является повышение надежности в работе клапана за счет исключения его преждевременного срабатывания прМ спуске бурильных труб в скважину и обеспечения воэможности осуществления прямой промывки скважины через клапан при подъеме инструмента.

На фиг. I изображен циркуляционнозаливочный клапан; на фиг. 2 — развертка цилиндра с фигурной канавкой.

Клапан содержит корпус 1 с осевым и радиальными каналами А, поршень 2 со штоком 3 и возвратной пружиной 4. Шток 3 поршня 2 связан с механизмом управления, выполненным в виде фиксатора 5, жестко соединенного со штоком 3 и взаимодействующего с фигурной канавкой 6 свободно посаженного на шток 3 цилиндра 7, опирающегося на упорной подшипник 8 и установленного в перегородке 9 корпуса 1.

Фигурная канавка 6 цилиндра? снабжена верхней (и — а) и нижней (г — д) горизонтальными площадками.

Механизм управления обеспечивает фиксацию поршня 2 со штоком 3 относительно корпуса 1 в положениях "Открыто" и

"Закрыто", Радиальные каналы А герметиэируются уплотнениями 10 и 11. В корпусе под поршневой полостью Б выполнено определенного размера отверстие В, величина которого рассчитывается по формуле, полученной исходя из следующих соображений.

В большинстве случаев наибольший диаметр бурильных труб, на которых спускается в скважину испытательное оборудование, в компоновку которого входит заливочноциркуляционный клапан, не превышает 140 мм. Площадь поперечного сечения полости данных труб не превышает 120,7 см . При г этом максимальная скорость спуска труб с испытательным оборудованием составляет

1,5 м/с, а время торможения бурильной колонны при спуске очередной свечи труб- не более 5 с. Таким образом, при полной остановке бурильной колонны находящийся в ней буровой раствор перемещается по инерции относительно труб со скоростью

1,5 м/с что соответствует расходу 0=1,8х х102 м /с. С таким же расходом буровой раствор перетекает через радиальные каналы А в затрубное пространство.

Из гидравлики известно, что при истечении жидкости из отверстия потери напора ЛН на нем составляют

55 г (1)

2gS где Q — расход жидкости;

S — площадь поперечного сечения отверстия;

g — ускорение свободного падения, Подставляя в формулу (1) значения расхода 01, а также величину площади поперечного сечения радиальных отверстий А клапана получаем г,7.1О (2)

2.04

Поскольку поршневая полость Б соединена с затрубным пространством отверстием В, то давление бурового раствора под поршнем 2 меньше давления над ним на величину ЛН, определяемую выражением (2). Под действием этого перепада давленияз поршень 2 со штоком 3 начинает перемещаться вниз, вытесняя при этом буровой раствор иэ поршневой полости Б через отверстие В в затрубное пространство.

Для того чтобы при этом не произошло перекрытия радиальных каналов А штоком 3. величина хода поршня со штоком не должна превышать расстояние I между нижним торцом штока 3 и верхней частью нижней полости Г клапана. При этой величине хода поршень 2 вытесняет из полости Б через отверстие В в затрубное пространство за 5 с торможения бурильной колонны буровой раствор объемом V = 0,785 (D -d ) при расходе Q = 0,157 (О -d )I. Тогда диаметр d отверстия В, соответствующий расходу Q2 и перепаду давления ЬН на нем, согласно выражениям (1) и (2) равен

" " (- ) (3) где d> — диаметр отверстия, выполненного в корпусе под поршневой полостью, м;

DK — диаметр радиального канала в корпусе, м; и — количество радиальных каналов;

Π— диаметр поршня,м;

d — наружный диаметр штока, м;

1 — расстояние от нижнего торца штока до верхней части нижней полости, м.

Например, при значениях 0» = 15 мм. D=

=120мм, 0=60мм,! =70мм, и п=3диаметр отверстия В равен 2,7 мм.

Величина диаметра отверстия В, рассчитываемого по формуле (3), получается с необходимым запасом, так как при выводе формулы (3) не учитываются такие факторы, как вязкость бурового раствора, силы трения на уплотнениях 10 — 12; а также жесткость пружины 4,. которые также препятствуют перемещению поршня 2 со

1647128 штоком 3 и преждевременному перекрытию радиальных каналов А клапана.

Клапан работает следующим образом.

Клапан устанавливается в компоновку испытательного оборудования выше испытателя пластов и спускается в скважину на бурильных трубах. При этом радиальные каналы А в корпусе 1 сообщают скважину с полостью спускаемых труб и буровой раствор заполняет их по мере спуска. При спуске колонны бурильных труб в скважину в моменты замедления ее движения при подходе элеватора к столу ротора буровой установки буровой раствор, находящийся в трубах, по инерции начинает перетекать(в течение 4-5 с) через радиальные каналы А корпуса 1 клапана в затрубное пространство. При этом между трубным и затрубным пространствами возникает перепад давления ЬН,определяемый выражением (2). Под действием этого перепада давленияЛН поршень 2 со штоком 3 начинают перемещаться вниз, сжимая пружину 4 и вытесняя буровой раствор из поршневой полости Б через отверстие В корпуса 1 в,затрубное пространство, Диаметр отверстия В рассчитан так, что за период торможения колонны (4-5 с) максимальное перемещение поршня

2 со штоком 3 не превышает расстояние между нижним торцом штока 3 и верхней частью нижней полости Г клапана, а фиксатор 5 при этом может лишь переместиться иэ положения а в положение а фигурной канавки 6, когда перекрытия радиальных каналов А не происходит. Таким образом предотвращается преждевременное самопроизвольное срабатывание клапана, чта повышает надежность его работы, а значит, и надежность проведения испытания скважин. По истечении 4 — 5 с после начала торможения колонны труб переток бурового раствора в эатрубное пространство через радиальные каналы А прекращается, перепаддавления ЛН становится равным нулю и поршень 2 со штоком 3 под действием . сжатой пружины 4 возвращается в крайнее верхнее положение, а фиксатор 5 при этом перемещается в положение э фигурной канавки 6.

Поскольку цилиндр 7 свободно посажен на шток 3, при спуске колонны труб в скважину иэ-за ее вибраций, а также случайных проворотов в столе ротора буровой установки фиксатор 5 штока 3 может занимать любое положение в пределах верхней горизонтальной площадки а — а фигурной канавки 6. При этом если фиксатор 5 не находится в положении а, то при торможении колонны, когда поршень 2 со штоком 3 стрес

55 мится переместиться вниз. фиксатор 5 упирается в стенку 13 этой горизонтальной площадки фигурной канавки 6. Этим также предотвращается преждевременное самопроизвольное срабатывание клапана и. следовательно, повышается надежность проведения испытания скважины.

Для закрытия клапана после cnycvë всех труб, подлежащих заполнению, производят вращение колонны труб вправо, вместе с которой начинают вращаться корпус 1 клапана и поршень 2 со штоком 3. Так кэк цилиндр 7 свободно посажен на шток и опирается лишь на упорный подшипник 8, он в начальный период вращения колонны благодаря своей инерции находится в состоянии покоя до тех пор, пока фиксатор 5. находившийся в любом положении горизонтальной площадки а-и фигурной канавки 6, не займет положение а. Затем буровым насосом осуществляют прокачку бурава о раствора через радиальные каналы А корпуса I, Поскольку радиальные каналы А являются местным гидравлическим сопротивлением потоку бурового рлстворл, то давление в затрубном пространстве при этом меньше давления в трубах нэ величину потерь напора ЛН на радиальных клнлллх

А корпуса 1 и в соответствии с формулой (1) равна

ЛН = — —-- (4)

12 3. 2.Р где Оз — производительность бурового нлсаса.

Например, при производительности byрового насоса Оз = 30 л/с, п=3 и D, =: 15 мм эти потери напора АН1 равны 28 кгс/см .

Поскольку полость Б пад поршнем 2 связана отверстием В с затрубным пространством, то давление под поршнем 2 также меньше давления нэд поршнем нэ величину hH; и на поршень 2 действует нэпрлвленнэя вниз сила F, равная

F = 0.785 (Π— d ) ЛН (5)

Например, при D = 120 мм, d =- 60 мм,ЛН1=

=-28 кгс/см этэ сила равна 2,4 т. Пад дейст2 вием этой силы поршень 2 со штоком 3, сжимая пружину 4, перемещается вниз да упора в выступ 14 корпуса 1, э нижний конец штока 3 с уплотнениями 11 заходит в нижнюю полость Г. При этом фиксатор 5 занимает положение б в фигурной канавке 6.

Происходит разобщение зл-рубнаго пространства от трубного. Этот момент фиксируется на поверхности па резкому увеличению давления нэ стояке мэнифольда буровой установки. Вращение колонны прекращают и снимают давление в трубах.

Поршень 2 со штоком 3 пад действием сжэ1647128 той пружины 4 движется вверх, при этом фиксатор 5, переместившись по фигурной канавке 6 цилиндра 7 и заняв положение в, удерживает порюень со штоком в положении "Закрыто", при котором радиальные каналы А разобщены от трубного пространства уплотнениями 10 и 11. Дальнейший спуск колонны происходит без их заполнения.

Для сообщения трубного пространства с затрубным буровым насосом создается избыточное давление в трубах, под действием которого поршень 2 со штоком 3 опускается. Фиксатор 5 занимает положение а в фигурной канавке 6. Затем, не снимая давления в трубах, производят вращение вправо колонны труб. Фиксатор 5 иэ-за инерционности цилиндра 7 и благодаря наличию нижнего горизонтального участка д-г фигурной канавки 6 перемещается в положение д. Затем снимают избыточное давление в трубах и прекращают вращение колонны. Под действием сжатой пружины 4 поршень 2 со штоком 3 перемещается в крайнее верхнее положение и клапан открывается, при этом фиксатор 5 перемещается в положение ж, В случае необходимости осуществления прямой промывки скважины через клапан (прихват бурильной колонны, удаление газа из затрубного пространства и др,) буровым насосом осуществляют прокачку бурового раствора. При этом фиксатор 5 штока 3 перемещается в положение з фигурной канавки 6 и препятствует дальнейшему перемещению вниз поршня 2 со штоком 3, а сам клапан остается при этом в положении "Открыто". По окончании промывки скважины поршень 2 со штоком 3 под действием сжатой пружины 4 возвращается в крайнее верхнее положение, а фиксатор 5 перемещается в положение U фигурной канавки 6, При необходимости вышеописанным порядком можно снова закрыть.и открыть клапан.

Формула изобретения

5 Циркуляционно-заливочный клапан для испытания скважин. содержащий корпус с радиальными и осевым каналами, размещенный в последнем и в поршневой полости корпуса подпружиненный поршень со

10 штоком и механизм управления в виде цилиндра с фигурной канавкой на боковой поверхности и фиксатора, установленного в ней. отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе клапана за

15 счет исключения его преждевременного срабатывания при спуске бурильных труб в скважину и обеспечения возможности осуществления прямой промывки скважины через клапан при подъеме инструмента, 20 корпус на внутренней поверхности выполнен с,перегородкой и имеет упорный подшипник, установленный в ней с возможностью взаимодействия с цилиндром в его нижней части, который свободно

25 размещен на штоке, причем фигурная канавка выполнена с верхней и нижней горизонтальными площадками, а корпус под поршневой полостью имеет отверстие, диаметр которого определяется в соответствии

30 с выражением с3м =3 D„Vn (ЕУ. — d )!

- где dM — диаметр отверстия, выполненного

35 в корпусе под поршневой полостью, м;

0» — диаметр радиального канала в корпусе,м;

n — количество радиальных каналов;

D — диаметр поршня, м;

40 d — наружный диаметр штока, м;

1 — расстояние от нижнего торца штока до верхней части нижней полости, м.