Описание к патенту.

Изобретение относится к техническим средствам, применяемым в процессе бурения ствола скважины с ее одновременным обсаживанием обсадной колонны, которая наращивается по мере углубления ствола и не извлекается из скважины для смены долота.

Известен обратный клапан для обсадных колонн [1], применяемый при традиционной технологии строительства скважины - когда в начале бурится ствол скважины, а затем после извлечения породоразрушающего инструмента производится крепление стенок скважины обсадными трубами с последующим цементированием пространства между стенкой скважины и спущенными обсадными трубами.

Клапан, состоящий из наружного корпуса, посадочного седла для запорного элемента, монтируется в нижней части обсадной колонны. Опорная торцевая поверхность в верхней части клапана выполняет функцию "стоп-кольца" для остановки цементировочной разделительной пробки.

При способе бурения на обсадной колонне с помощью вставного инструмента, закрепляемого в нижней части обсадной колонны - башмаке обсадной колонны (БОК) во время бурения и извлекаемого для замены износившегося раздвижного породоразрушающего инструмента, необходимо иметь равнопроходной внутренний канал для транспортирования вставного инструмента. Наличие жестко связанного с обсадными трубам обратного клапана с элементами, перекрывающими внутреннее проходное сечение во время бурения скважины с применением обсадной колонны, неприемлемо.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является цементировочный клапан обсадной колонны, в переводнике которой, выполненном с кольцевой канавкой на внутренней поверхности, размещен корпус клапана, в центральном канале которого смонтирован обратный клапан, расположенные между корпусом клапана и внутренней поверхностью переводника уплотнения, сигнализатор фиксации корпуса клапана в переводнике и запирающий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с кольцевой канавкой переводника.

Недостатком этого цементировочного клапана является степень контакта запирающего элемента устройства с внутренней поверхностью обсадной колонны во время транспортировки. Запирающий элемент устройства, состоящий из наружной пружинной разрезной обечайки со смонтированными внутри нее вкладышами, располагается в кольцевой проточке корпуса. Во время транспортировки запирающий элемент находится в утопленном положении, но наружная поверхность запирающего элемента под действием сил упругости обечайки находится в постоянном контакте со стенками обсадной колонны по всей поверхности.

Своей нижней торцевой поверхностью обечайка имеет возможность упора в стык соединений элементов обсадной колонны. В результате упора возможен рост давления промывочной жидкости и освобождение (срезание) сигнализатора фиксации-заглушки, находящейся в центральном канале. После этого дальнейшее транспортирование клапана до места фиксации невозможно.

Кроме того, недостатком упомянутого цементировочного клапана является нестабильная величина сигнала, получаемая во время среза защемленных краев сигнализатора фиксации (заглушки) в момент фиксации клапана в переводнике обсадной колонны.

Задачей изобретения является повышение надежности цементировочного клапана обсадной колонны в работе.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении сил трения цементировочного клапана с обсадной колонной при его транспортировании внутри обсадной колонны и получение четкого сигнала при фиксации клапана в переводнике обсадной колонны.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в цементировочном клапане обсадной колонны, в переводнике которой, выполненном с кольцевой канавкой на внутренней поверхности, размещен корпус клапана, в центральном канале которого смонтирован обратный клапан, расположенные между корпусом клапана и внутренней поверхностью переводника уплотнения, сигнализатор фиксации корпуса клапана в переводнике и запирающий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с кольцевой канавкой переводника, в части корпуса клапана, размещенной под обратным клапаном выполнены цилиндрические гнезда для размещения в них с возможностью радиального перемещения запирающих элементов, выполненных в виде подпружиненных фиксаторов со сферической головкой, причем обратный клапан выполнен в виде подпружиненного наконечника с плунжером, а сигнализатор фиксации корпуса - в виде диафрагмы, связанной с плунжером, в нижней части которого выполнена шейка с возможностью ее разрыва.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря наличию в части корпуса клапана, размещенной под обратным клапаном, цилиндрических гнезд для размещения в них с возможностью радиального перемещения запирающих элементов, выполненных в виде подпружиненных фиксаторов со сферической головкой, удается во время транспортирования снизить силы трения за счет точечного контакта фиксаторов с обсадной колонной и предотвратить застревание корпуса клапана на уступах внутренней поверхности обсадной колонны, имеющихся в местах сочленения труб.

Наличие обратного клапана, выполненного в виде подпружиненного наконечника с плунжером, сигнализатора фиксации корпуса в виде диафрагмы, связанной с плунжером, в нижней части которого выполнена шейка с возможностью ее разрыва, обеспечивает получение четкого сигнала фиксации корпуса клапана в переводнике по конкретной величине перепада давления, необходимого для разрыва шейки в плунжере.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг.1 изображен продольный разрез цементировочного клапана осадной колонны.

На фиг.2 изображен продольный разрез внутренней части цементировочного клапана в положении осуществления ее транспортировки внутри обсадной колонны.

На фиг.3 изображен продольный разрез цементировочного клапана в запертом положении в переводнике обсадной колонны и срабатывании сигнализатора фиксации корпуса клапана.

На фиг.4 - поперечное сечение А-А фиг.3 по фиксаторам.

На фиг.5 - вид Б фиг.2.

На фиг.6 изображен продольный разрез цементировочного клапана в положении закрытия обратного клапана в виде подпружиненного наконечника с плунжером для предотвращения обратного течения цементного раствора.

Цементировочный клапан обсадной колонны состоит из переводника 1 обсадной колонны 2; на внутренней поверхности переводника выполнена кольцевая канавка 3. Внутри переводника 1 размещен корпус клапана 4 с центральным промывочным каналом 5, в котором смонтирован обратный клапан в виде наконечника 6 с плунжером 7, опирающегося на пружину 8. Наконечник плунжера контактирует с седлом 9, размещенным в корпусе. Место контакта уплотняется манжетой 10. Плунжер 7 клапана центрируется в плите 12, имеющей отверстия 13 и зажатой между верхней 15 и нижней 16 частью корпуса 4. В нижней части плунжера 7 расположена жестко связанная с ним диафрагма 17 с уплотнениями 18 и 19 по наружному и внутреннему диаметрам. В нижней части плунжера выполнена шейка 20. На наружной поверхности нижней части 16 корпуса 4 имеются цилиндрические гнезда 21, в которых смонтированы фиксаторы 22 с пружинами 23. Головка фиксатора выполнена сферической формы. Фиксатор в гнезде стопорится винтом 24. В верхней части 15 корпуса 4 смонтированы уплотнения 25, разделенные фигурными проставками 26, 27 и кольцевыми упорами 28. Уплотнения зафиксированы на наружной поверхности корпуса с помощью гайки 29 и стопорной шайбы 30. В верхней части центрального канала 5 выполнена расточка, образующая уступ 31 для взаимодействия с рычагами грузозахватного инструмента (овершота). В торце нижней части 16 корпуса 4 выполнены пазы 32. В муфте переводника 1, как по всей обсадной колонне между муфтами и ниппелями труб, устанавливается проставочное кольцо 33.

Все детали размещенной внутри переводника 1 сборки обратного клапана изготавливаются из разбуриваемых с помощью долота материалов: алюминиевого сплава, кремнемарганцевой бронзы, резины.

Цементировочный клапан обсадной колонны работает следующим образом.

Предусмотрен метод бурения скважины с использованием обсадной колонны в качестве бурильной. Бурение ствола скважины осуществляется с помощью извлекаемого вставного инструмента, закрепленного в нижней части обсадной колонны - башмаке обсадной колонны (БОК) и извлекаемого на поверхность для замены породоразрушающего инструмента (раздвижного долота, раздвижного расширителя и т.д.). Во время бурения обсадная колонна постоянно находится в скважине. Обсадная колонна должна иметь равнопроходное внутреннее сечение с определенным внутренним диаметром.

Ввиду того, что перекрытие внутреннего канала обсадной колонны недопустимо, цементировочный клапан обсадной колонны 2 во время бурения представлен переводником 1 с внутренней кольцевой канавкой 3, который монтируется в обсадную колонну на расстоянии 10-20 м от нижнего торца башмака. Размер (ширина) внутренней кольцевой канавки выбирается таким образом, чтобы не препятствовать спуску-подьему извлекаемого вставного инструмента, а расположение по высоте относительно забоя скважины исключает накопление в канавке шламового материала.

При достижении проектного забоя скважины вставной инструмент извлекается на поверхность, а цементировочный обратный клапан заводится в обсадную колонну 2 с утопленными в гнезда 21 корпуса клапана 4 фиксаторами 22.

Транспортирование обратного клапана внутри обсадной колонны осуществляется с помощью прокачивания промывочной жидкости (фиг.2) при закрытом диафрагмой 17 центральном канале 5 корпуса клапана 4. При движении клапан соприкасается со стенкой обсадной колонны резиновыми уплотнениями 25 и точками сферических головок подпружиненных фиксаторов 22. В результате этого силы трения от соприкосновения наружных деталей клапана с внутренней поверхностью обсадной колонны незначительны. Установленные в сочленениях обсадных труб проставочные кольца 33 делают внутренний тракт непрерывным, а выполнение головки фиксатора 22 сферической формы позволяет преодолевать уступы (из-за несоосности труб, разброса величин внутреннего диаметра труб и т.д.) в местах сочленения труб.

Момент соединения корпуса клапана 4 с переводником 1 обсадной колонны 2 путем захождения фиксаторов 22 в кольцевую канавку 3 фиксируется по росту давления и его сбросу после разрыва шейки 20 плунжера 7 и освобождению обратного клапана от диафрагмы 17 (фиг.3)

После посадки корпуса клапана возможна проверка его положения путем захвата за уступ 31 корпуса клапана рычагами овершота, спущенного на канате.

Наличие усилия натяжения каната и его определенная длина свидетельствуют о фиксации корпуса клапана в обсадной колонне.

Производится цементирование затрубного пространства скважины. Верхний торец корпуса клапана выполняет функцию кольца "стоп" для остановки цементировочной разделительной пробки. В момент посадки пробки на ней рвется мембрана и цементный раствор через открытый обратный клапан поступает в затрубное пространство. После выключения насосов наконечник 6 под воздействием пружины 8 и давления столба цементного раствора перемещается вверх и садится в седло 9 с манжетой 10, препятствуя перетоку цементного раствора из заколонного пространства во внутреннюю область обсадной колонны (фиг.6). Цементный раствор заполняет внутреннее и наружное пространство корпуса клапана до уплотнения, кольцевую канавку 3 между фиксаторами 22 (фиг.4), а также пазы 32 (фиг.5) нижней торцевой части 16 корпуса клапана 4. После окончательного затвердения цементного раствора корпус клапана с обратным клапаном и уплотнениями разбуриваются. Затвердевший цементный раствор в вышеуказанных местах создает сопротивление крутящему моменту при разбуривании.

Использование предлагаемого технического решения при бурении скважины с одновременным спуском обсадной колонны позволит повысить надежность транспортирования корпуса цементировочного обратного клапана в обсадной колонне, его посадки с получением четкого сигнала о фиксации рабочего положения.

Формула изобретения

Цементировочный клапан обсадной колонны, в переводнике которой выполненном с кольцевой канавкой на внутренней поверхности, размещен корпус клапана, в центральном канале которого смонтирован обратный клапан, расположенные между корпусом клапана и внутренней поверхностью переводника уплотнения, сигнализатор фиксации корпуса клапана в переводнике и запирающий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с кольцевой канавкой переводника, отличающийся тем, что в части корпуса клапана, размещенной под обратным клапаном, выполнены цилиндрические гнезда для размещения в них с возможностью радиального перемещения запирающих элементов, выполненных в виде подпружиненных фиксаторов со сферической головкой, причем обратный клапан выполнен в виде подпружиненного наконечника с плунжером, а сигнализатор фиксации корпуса - в виде диафрагмы, связанной с плунжером, в нижней части которого выполнена шейка с возможностью ее разрыва.

Рассчет пружины клапанов:

1) Максимально допустимая нагрузка на пружину:

где - допускаемое напряжение на кручение (для пружины из стали 50ХФА МПа);

d- диаметр прутка;

D- средний диаметр пружины;

- поправочный коэффициент, зависящий от отношения

2) Максимально допустимая величина сжатия пружины:

где - коэффициент жесткости пружины

3) Жесткость пружины:

где G- модуль упругости при сдвиге;

-число витков.

 

4) Рабочая нагрузка на клапан в начале его подъема:

где - рабочее давление, на которое отругулирован клапан (начало открытия);

- средний диаметр опорной поверхности тарелки клапана.

Каждый клапан, снабженный определенной пружиной, желательно использовать в наиболее широком диапозоне давлений.

5) Коэффициент чувствительности клапана:

где - нагрузка, обеспечивающая открывание клапана на расчетную величину (сжатие пружины l).

 

По условию постоянной производительности величина клапана h₀ должна быть постоянной во всем диапозоне работы клапана, поэтому увеличение нагрузки по сравнению с рабочей, соответствующей началу подъема, не должно изменяться. Отношение меняется при изменении нагрузки на клапан . Следовательно, для данной пружины при определеном значении коэффициент чувствительности зависит от рабочей нагрузки , т.е. от давления, на которое отрегулирован клапан.

Каждая пружина клапана предназначена для работы в определенном диапозоне давлений и характеризуется двумя рабочими давлениями: начальным и конечным .

Диапозон работы пружины определяется следующими условиями:

1) Превышение давления над рабочим при открытии клапана на расчетную величинуh₀ должно быть ;

2) При нормальном расчетном давлении для клапана должно быть (где - номинальная нагрузка);

3) Максимальная расчетная нагрузка может быть в 1,5 раза больше номинальной, т.е. .

Из первого условия для минимально допустимой нагрузкинагрузки (сжатие пружины), согласно уравнению (), можно записать:

 

Из второго условия для номинальной нагрузки аналогично:

Совместим эти два уравнения и получим

С учетом равенства и третьего условия можно получить соотношение максимальной и минимальной нагрузки для определенной пружины:

Отношение максимальной рабочей нагрузки к минимальной называется коэффициентом диапозона пружины.

Зная коэффициент диапозона пружины, можно рассчитать необходимое число пружин для заданного интервала давлений от наименьшего значения, до наибольшего.

 

Спуск обсадной колонны с обратным клапаном

Обоснование режима спуска обсадных колонн

Предельная скорость спуска обсадной колонны определяется из соотношения

Р_с = Р_гст +Р_гд £ Р_гр,

где Р_гст - гидростатическое давление столба промывочной жидкости на глубине наиболее слабого пласта (пласта с наименьшим индексом давления начала поглощения или гидроразрыва);

Р_гд - гидродинамическое давление в скважине при спуске колонны труб с закрытым нижним концом;

Р_гр - давление начала поглощения (гидроразрыва) наиболее слабого пласта.

 

Гидродинамическое давление при спуске находится при турбулентном течении вытесняемой жидкости по формуле

,

- при ламинарном течении.

где - соответственно длина и гидравлический диаметр кольцевого пространства на i- том участке;

U_i- скорость течения жидкости на i - том участке;

n – количество участков кольцевого пространства различного размера от устья до наиболее слабого пласта;

t₀ - динамическое напряжение сдвига;

l - коэффициент гидравлических сопротивлений.

 

Обоснование режима спуска эксплуатационной колонны

Наиболее слабый пласт на забое скважины.

Зададимся скоростью спуска U=0,5 м/c, тогда скорость движения вытесняемой жидкости U_ж будет равна:

где D_С, D_Т – соответственно диаметр скважины и наружный диаметр обсадных труб;

K – коэффициент, учитывающий увлечение части жидкости стенками колонны труб. Для практических расчётов можно принять K=0,5.

Пусть режим течения вытесняемой жидкости в интервале установки техколонны будет ламинарный, тогда:

Критическая скорость течения жидкости при смене режимов определяется по следующей формуле:

где

 

Тогда

Скорость течения жидкости U_Ж<U_КР, то режим ламинарный.

где

Получаем:

Гидродинамические давления на данном участке составят:

 

Зависимость P_гд от скорости спуска эксплуатационной колонны.

Uсп, м/с	Uж, м/с	Uкр, м/с	Sen		Re*		Pгд, МПа
0,5	0,565	1,15		0,55			4,98

Давление столба промывочной жидкости на пласт будет равно

Тогда максимальное гидродинамическое давление, не допускающее поглощения будет равно , что соответствует скорости спуска приблизительно равной 2,5 м/с.

 

Расчет допустимой глубины опрожнения колонны

Из условия прочности обсадной колонны:

Из условия прочности обратного клапана (ЦКОД-168):

 

 

Заключение

В ходе выполнения данного курсового пректа я хотел показать какие обратные клапаны встречаются и когда лучше применять тот или иной вид клапана.

Проведя ряд расчетов по определению размеров, прочности, условий работы обратных клапана можно сказать о том что, во всех клапанах есть свои недостатки и достоинства. Например обратный клапан тарельчатого типа, самый простой из всех видов клапанов, но при его установке есть некоторые трудности, а именно увеличенное время спуска.

Что касается дросельного клапана типа ЦКОД и клапан из патента, они позволяют непрерывно заполнять обсадную колонну промывочной жидкостью, также обратный клапан из патента позволяет одновременно бурить свол скважины и в тоже время его обсаживать обсадной колонной. Самым главным недостатком этого клапана является степень контакта элемента устройства с внутренней поверхностью обсадной колонны во время транспортировки. Также в данном клапане слабым местом является сигнализатор фиксации заглушки, потому что при транспортировке повышается давление и заглушка может зафиксироваться еще до места установки.

Обратный клапан бескорпусного типа КОБ очень удобен в своей эксплуатации он прост и представляет роль «стоп-кольца» установленного в муфту резьбового соединения обсадной колонны.

 

 

Список литературы

1) Вихман Г.Л., Круглов С.А. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1978. – 328 с.

2) Воздвиженский Б.И., Васильев М.Г. Буровая механика. Учебное пособие. Москва Госгеолтехиздат 1954г. 492 с.

3) http://www.metiz-krepej.ru/prujina/raschet_vintovykh_tcilindricheskikh.html