Циркуляционный переводник бурильной колонны

Полезная модель относится к устройствам выборочной подачи текучей среды в ствол скважины, а именно к циркуляционным переводникам бурильной колонны с гидравлическим забойным двигателем. Техническая задача заключается в повышении надежности, упрощении управления траекторией подачи текучей среды и снижении гидравлических потерь, возникающих при обтекании шара, находящегося на седле. Циркуляционный переводник бурильной колонны содержит трубчатый корпус, снабженный внешними отверстиями, ступенчатый золотник с радиальными отверстиями, пружину, седло, пробки, шары, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды. Ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого золотника, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды. Радиальные и внешние отверстия сообщаются для поступления всего объема текучей среды в кольцевой зазор ствола скважины. Циркуляционный переводник бурильной колонны содержит упор, уступ трубчатого корпуса, дроссельный диск между пружиной и торцом ступенчатого золотника. Кроме того, шары содержат не менее одного деформируемого шара блокирования и не менее одного жесткого шара деактивации. Кроме того, дополнительно содержит устройство приема шаров. Кроме того, сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия трубчатого корпуса на 3%-15%, а сечение жесткого шара деактивации на 0,8-15% больше сечения радиальных отверстий ступенчатого золотника. Кроме того, радиальный зазор между дроссельным диском и расточкой трубчатого корпуса, составляет 1-5 мм, а высота диска составляет 3%-15% хода L ступенчатого золотника от упора до уступа трубчатого корпуса. Предлагаемая полезная модель позволяет повысить надежность устройства, демпфировать вибраций ступенчатого золотника, упростить управление траекторией подачи текучей среды и снизить гидравлические потери, улучшить эксплуатацию устройства. 7 з.п. ф-лы, 5 илл.

Полезная модель относится к устройствам выборочной подачи текучей среды в ствол скважины, а именно к циркуляционным переводникам бурильной колонны с гидравлическим забойным двигателем.

Известен циркуляционный переводник бурильной колонны (Патент RU 2440482, МПК Е21В 21/10, публ. 20.01.2012), включающий трубчатый корпус, снабженный внешним отверстием, ступенчатый золотник, установленный с возможностью скольжения внутри трубчатого корпуса, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешнее отверстие выполнено перекрываемым от первичной траектории движения текучей среды, и второе положение, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды и открывается внешнее отверстие для обхода указанной траектории между расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины, и делительный механизм, установленный между трубчатым корпусом и ступенчатым золотником для направления золотника между первым и вторым положением.

В известной конструкции циркуляционного переводника бурильной колонны управление траекторией движения текучей среды происходит через уменьшение или прерывание потока бурового раствора (циркуляции) к скважинному инструменту, приводящее к переустановке делительного устройства и изменению направления подачи текучей среды при последующем увеличении или возобновлении циркуляции. Для создания необходимого для работы делительного механизма усилия, от давления промывочной жидкости на золотнике, используется шар, сбрасываемый 2

или выпускаемый в бурильную колонну и переносимый буровым раствором до седла ступенчатого золотника. Сбрасывание шара однократное - для перехода из транспортного положения в проходное (исходное). В последующем шар остается на седле инструмента, до его извлечения.

Недостатком известной конструкции является необходимость учитывать количество изменений циркуляции, обязательно происходящей при наращивании бурильных труб, для определения текущего состояния делительного механизма и траектории подачи текучей среды. Также к недостаткам относится то, что в момент посадки шара на седло ступенчатый золотник стремится мгновенно изменить положение, перемещаясь вниз, что вызывает пиковые механические нагрузки на делительный механизм, снижая его надежность и безотказность.

Патент RU 2440482, МПК Е21В 21/10 принят за прототип.

Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении надежности, упрощении управления траекторией подачи текучей среды и снижении гидравлических потерь, возникающих при обтекании шара, находящегося на седле.

Технический результат достигается за счет того, что в циркуляционном переводнике бурильной колонны, содержащем трубчатый корпус, снабженным внешними отверстиями, ступенчатый золотник с радиальными отверстиями, пружину, седло, пробки, шары, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого золотника, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды, а радиальные и внешнее отверстия сообщаются для поступления всего объема текучей среды в кольцевой зазор ствола скважины, согласно полезной модели, шары содержат не менее одного деформируемого шара блокирования и не менее одного жесткого шара 3

деактивации, при этом сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия трубчатого корпуса на 3%-15%, сечение жесткого шара деактивации на 0,8%-15% больше сечения радиальных отверстий ступенчатого золотника, содержит устройство приема шаров, упор, уступ трубчатого корпуса, дроссельный диск между пружиной и торцом ступенчатого золотника.

Кроме того, радиальный зазор Z между дроссельным диском и расточкой трубчатого корпуса, составляет 1-5 мм.

Кроме того, высота Н диска составляет 3%-15% хода L ступенчатого золотника от упора до уступа трубчатого корпуса.

В предлагаемой полезной модели циркуляционного переводника бурильной колонны шары содержат не менее одного деформируемого шара блокирования, что позволяет удерживать ступенчатый золотник в положении, когда радиальные и внешние отверстия сообщаются и повысить надежность устройства.

В предлагаемой полезной модели шары содержат не менее одного жесткого шара деактивации, позволяющего создавать необходимый для продавливания шаров перепад давления, что повышает надежность устройства.

В предлагаемой полезной модели сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия трубчатого корпуса на 3%-15%, что позволяет до достижения регламентированного давления удерживать шар седлом и повысить надежность устройства.

В предлагаемой полезной модели сечение жесткого шара деактивации на 0,8%-15% больше сечения радиальных отверстий ступенчатого золотника, что обеспечивает прекращение циркуляции через радиальные отверстия ступенчатого золотника и рост давления и повышает надежность устройства.

В предлагаемой полезной модели циркуляционного переводника бурильной колонны содержится устройство приема шаров, что позволяет 4

задерживать прошедшие через ступенчатый золотник шары от попадания в нижележащие элементы бурильной колонны и повышать надежность устройства.

В предлагаемой полезной модели циркуляционного переводника бурильной колонны содержится упор, удерживающий подпружиненный золотник в первом положении, обеспечивающем разобщение кольцевого зазора ствола скважины и каналов трубчатого корпуса, что упрощает управление траекторией подачи текучей среды.

В предлагаемой полезной модели циркуляционного переводника бурильной колонны, в отличие от прототипа, трубчатый корпус содержит уступ, определяющий второе положение ступенчатого золотника, обеспечивающее сообщение кольцевого зазора ствола скважины и каналов трубчатого корпуса выше деформируемого шара активации, установленного на седле, что упрощает управление траекторией подачи текучей среды.

В отличие от прототипа, предлагаемая полезная модель содержит дроссельный диск между пружиной и торцом ступенчатого золотника для снижения скорости перемещения ступенчатого золотника в момент соприкосновения с уступом в трубчатом корпусе, а также снижения энергии соударений, возникающих при продольных колебаниях бурильной колонны, вызванных работой долота на забое, что повышает надежность работы устройства.

Кроме того, радиальный зазор Z между дроссельным диском и расточкой трубчатого корпуса, составляет 1-5 мм, что позволяет снизить скорость истечения среды из полости, занимаемой пружиной, при изменении ее объема, вызванного перемещением ступенчатого золотника.

Кроме того, высота Н диска составляет 3%-15% хода L ступенчатого золотника от упора до уступа трубчатого корпуса, что создает участок торможения ступенчатого золотника, за время прохождения которого 5

скорость золотника снижается, позволяя безударно соприкасаться с уступом в трубчатом корпусе.

Предлагаемая конструкция циркуляционного переводника бурильной колонны позволяет повысить надежность работы, путем введения участка гидравлического торможения при переходе от первого положения ступенчатого золотника ко второму, демпфировать вибрации ступенчатого золотника при продольных колебаниях бурильной колонны, а также упростить управление траекторией подачи текучей среды в скважину, сделав его независимым от количества изменений циркуляции.

На фиг. 1 изображен циркуляционный переводник бурильной колонны в исходном положении.

На фиг. 2 изображен циркуляционный переводник бурильной колонны в активированном положении.

На фиг. 3 изображен циркуляционный переводник бурильной колонны в блокированном активированном положении.

На фиг. 4 изображен циркуляционный переводник бурильной колонны на этапе деактивации.

На фиг. 5 изображен циркуляционный переводник бурильной колонны на этапе перехода в исходное положение.

Циркуляционный переводник бурильной колонны (фиг. 1) состоит из трубчатого корпуса 1 с внешними отверстиями 2, проходящими через сквозные пробки 7. Сквозное внешнее отверстие 2 имеет самое минимальное сечение в пробке 7, выполненной сквозной. Трубчатый корпус 1 имеет концевые присоединительные резьбы. Внутри трубчатого корпуса 1, с возможностью скольжения установлен ступенчатый золотник 3. Устройство имеет внутреннее расходное отверстие 9. В трубчатом корпусе 1 по обе стороны от пробок 7 установлены уплотнения 17, препятствующие утечкам текучей среды в зазор между трубчатым корпусом 1 и большим диаметром ступенчатого золотника 3. Трубчатый корпус 1 имеет уступ 11. Пружина 5 установлена на малом диаметре 6

ступенчатого золотника 3, опираясь на ступень трубчатого корпуса 1, поджимает ступенчатый золотник 3 к упору 10. В ступенчатом золотнике 3 ниже радиальных отверстий 4 установлено седло 6. Для исключения проворачивания ступенчатого золотника 3 он имеет продольный паз, в который входит направляющая 16, закрепленная в трубчатом корпусе 1. Ход L - расстояние, проходимое ступенчатым золотником 3 от упора 10 до уступа 11 трубчатого корпуса 1. Между пружиной 5 и торцом 18 ступенчатого золотника 3 установлен дроссельный диск 12 (фиг. 2) высотой Н. Дроссельный диск 12 образует с расточкой 19 трубчатого корпуса 1 зазор Z при нахождении ступенчатого золотника 3 во втором положении, характерном для активированного (фиг. 2) и блокированного (фиг. 3) положения, а также на начальном этапе деактивации (фиг. 4).

Управление циркуляционным переводником происходит при помощи управляющих шаров, выполненных в виде деформируемого шара активации 8 (фиг. 3), деформируемых шаров блокирования 13 (фиг. 3) и жестких шаров деактивации 14 (фиг. 4). Ниже золотника по концевой резьбе прикреплено устройство приема шаров 15 (фиг. 1). При работе, в циркуляционном переводнике бурильной колонны образуются каналы А, В, С, D, Е, F, G (фиг. 1). Канал F-G - обводной и позволяет обеспечить проток жидкости при заполнении устройства приема шаров управляющими шарами (фиг. 5) и прекращения циркуляции по каналу Е-G(фиг. 1). Канал Y (фиг. 2) соединяется с кольцевым зазором ствола скважины (не показан).

Циркуляционный переводник бурильной колонны работает следующим образом.

Циркуляционный переводник бурильной колонны, в ходе работы, может находиться в одном из следующих состояний: исходное (фиг. 1), активированное (фиг. 2), блокированное (фиг. 3) и этап деактивации (фиг 4), возвращающий циркуляционный переводник в исходное состояние (фиг. 5).

В исходном состоянии циркуляционного переводника (фиг. 1), ступенчатый золотник 3 находится в первом положении, поджатый 7

пружиной 5 к упору 10, весь поток жидкости направлен на выход трубчатого корпуса 1 по каналу A-B-C-D и далее через устройство приема шаров 15 по каналам E(F)-G на выход циркуляционного переводника, образуя первичную траекторию текучей среды, сообщение внутренней полости циркуляционного переводника с кольцевым зазором ствола скважины (не показано) исключено. Для перехода в активированное положение, в бурильную колонну (не показано) сбрасывается деформируемый шар активации 8 (фиг. 2), который переносится буровым раствором до седла 6 ступенчатого золотника 3, после посадки шара активации 8 на седло, отсекаются нижележащие каналы C-D-E(F)-G и вызывая рост давления над ступенчатым золотником 3, приводящего к сжатию пружины 5 и перемещению ступенчатого золотника до соприкосновения торца 18 с уступом 11 трубчатого корпуса 1. При нахождении ступенчатого золотника 3 во втором положении вблизи уступа 11 трубчатого корпуса 1, радиальные отверстия 4 в ступенчатом золотнике 3 и внешние отверстия 2 в трубчатом корпусе 1 соединяются, образуя канал A-B-Y, соединяющий внутреннее пространство бурильных труб с кольцевым зазором ствола скважины (не показано). При отсутствии расхода, ступенчатый золотник 3 под действием пружины 5 возвращается в первое положение, обеспечивая разобщение внутреннего пространства бурильных труб (не показано) с кольцевым зазором ствола скважины (не показано). Для обеспечения независимого от расхода сообщения внутреннего пространства бурильных труб с кольцевым зазором ствола скважины используют деформируемый шар блокирования 13 (фиг. 3), который переносится буровым раствором до внешнего отверстия 2, частично заходя в него, а выступающей частью препятствуя возврату ступенчатого золотника 3 в первое положение. При этом сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия 2 трубчатого корпуса 1 на 3%-15%. Деформируемый шар блокирования 13 применяют при нахождении циркуляционного 8

переводника в активированном состоянии. Для возвращения циркуляционного переводника в исходное состояние из любого состояния применяют два жестких шара деактивации 14 (фиг. 4), сбрасываемых в бурильную колонну, и переносимые буровым раствором до радиальных отверстий 4 (фиг. 2) в ступенчатом золотнике 3. При этом сечение жесткого шара деактивации 14 на 0,8%-15% больше сечения радиальных отверстий 4 ступенчатого золотника 3. При нахождении циркуляционного переводника в блокированном положении (фиг. 3) один жесткий шар деактивации 14 (фиг. 4) перекрывает свободное радиальное отверстие, второй остается в зоне между деформируемым шаром активации 8 и шаром блокирования 13. Перекрытие жестким шаром деактивации 14 свободного радиального отверстия 4 вызывает рост давления, приводящий к проталкиванию деформируемого шара блокирования 13 (фиг. 5) через пробку 7, после чего второй жесткий шар деактивации 14 перекрывает оставшееся радиальное отверстие 4, вызывая повторный рост давления, по величине превышающий первый, приводящий к проталкиванию деформируемого шара активации 8 через седло 6. После прохода деформируемого шара активации 8 через седло 6, ступенчатый золотник 3 возвращается в первое положение, а циркуляционный переводник в исходное состояние. Деформируемые шары активации 8 (фиг. 5) и деактивации 14 проходят вниз по каналам C-D-E и задерживаются устройством приема шаров 15.

При нахождении циркуляционного переводника в активированном положении (фиг. 2) применение жестких шаров деактивации 14 переводит его в исходное состояние аналогично описанному выше, за исключением этапа проталкивания деформируемого шара блокирования 13 через сквозную пробку 7.

Устройство приема шаров 15 имеет два канала E-G и F-G. Каналы Е-G, по мере смены режимов работы циркуляционного переводника, перекрывается управляющими шарами, перераспределяя проток жидкости через инструмент по обводному каналу F-G (фиг. 5).

9

При переходе, и нахождении ступенчатого золотника 3 во втором положении, характерном для активированного (фиг. 2) и блокированного (фиг. 3) положения, а также на начальном этапе деактивации (фиг. 4) дроссельный диск 12 образует с расточкой 19 трубчатого корпуса 1 в зоне упорного уступа 11 зазор Z. При этом радиальный зазор Z между дроссельным диском 12 и расточкой 19 трубчатого корпуса 1, образующего уступ 11, составляет 1-5 мм. Высота Н дроссельного диска 12 составляет 3%-15% хода L ступенчатого золотника 3 от упора 10 до уступа 11 трубчатого корпуса 1.

Таким образом, предлагаемая полезная модель циркуляционного переводника бурильной колонны с указанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет повысить надежность устройства, демпфировать вибраций ступенчатого золотника, упростить управление траекторией подачи текучей среды, сделав его независимым от количества изменений циркуляции и снизить гидравлические потери, возникающие при обтекании шара, улучшить эксплуатацию устройства.

1. Циркуляционный переводник бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус, снабженный внешними отверстиями, ступенчатый золотник с радиальными отверстиями, пружину, седло, пробки, шары, внутреннее расходное отверстие, проходящее через трубчатый корпус и ступенчатый золотник, через которое проходит первичная траектория движения текучей среды, при этом ступенчатый золотник имеет первое положение, в котором внешние отверстия и радиальные отверстия перекрыты, и второе положение ступенчатого золотника, в котором блокируется первичная траектория движения текучей среды, а радиальные и внешние отверстия сообщаются для поступления всего объема текучей среды в кольцевой зазор ствола скважины, отличающийся тем, что шары содержат не менее одного деформируемого шара блокирования и не менее одного жесткого шара деактивации, при этом сечение деформируемого шара блокирования превышает сечение внешнего отверстия трубчатого корпуса на 3%-15%, сечение жесткого шара деактивации на 0,8%-15% больше сечения радиальных отверстий ступенчатого золотника, содержит устройство приема шаров, упор, уступ трубчатого корпуса, дроссельный диск между пружиной и торцом ступенчатого золотника.

2. Циркуляционный переводник по п. 1, отличающийся тем, что радиальный зазор Z между дроссельным диском и расточкой трубчатого корпуса составляет 1-5 мм.

3. Циркуляционный переводник по п. 1, отличающийся тем, что высота Н диска составляет 3%-15% хода L ступенчатого золотника от упора до уступа