обратный клапан забойных механизмов

Формула изобретения

1. ОБРАТНЫЙ КЛАПАН ЗАБОЙНЫХ МЕХАНИЗМОВ, содержащий полый корпус, внутри которого установлен с кольцевым зазором обтекатель с юбкой, закрепленный одним концом в обтекателе эластичный запорный элемент с конусной частью, перекрывающей кольцевой зазор, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и долговечности при работе с повышенными обратными перепадами давления, юбка обтекателя выполнена в виде полого цилиндра с торцевой поверхностью, перпендикулярной оси обтекателя, а на наружной поверхности эластичного запорного элемента выполнена ступень, сопряженная с торцевой поверхностью обтекателя, причем внешний диаметр ступени, ограниченный торцевой поверхностью эластичного запорного элемента, меньше внешнего диаметра цилиндра обтекателя.

2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что конусная часть эластичного запорного элемента до ступени выполнена переменной толщины, увеличивающейся в сторону ступени, и равной в средней своей части величине кольцевого зазора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для предотвращения аварийного выброса из продуктивного пласта через забойные механизмы, а также для предотвращения шламования забойных двигателей через промывочные отверстия в долоте при бурении скважин.

Известен обратный клапан бурильной колонны, содержащий корпус, траверсу с втулкой, внутри которой перемещается шток, соединенный с тарелью, имеющей эластичный уплотнительный элемент (ОСТ 39.096-79. Клапан обратный для бурильных труб, черт. 2).

Недостатком известного обратного клапана является то, что корпус, тарель, шток, втулка траверсы подвергаются во время работы интенсивному трению и износу, уплотняющие поверхности тарели и корпуса от взаимных ударов разрушаются, от этого герметичность клапана нарушается, пружина, работая в среде буровой жидкости, теряет свою эластичность и преждевременно разрушается. Кроме того, при открывании и закрывании обратного клапана бурильной колонны эластичный уплотнительный элемент непроизводительно трется о стенки корпуса, из-за этого дополнительно истирается, изнашивается и преждевременно приходит в негодность.

Таким образом известный обратный клапан бурильной колонны характеризуется недостаточной надежностью и долговечностью особенно при работе с повышенными обратными перепадами давления.

Наиболее близким к предлагаемому обратному клапану забойных механизмов по технической сущности является устройство для шламозащиты опор шарошечного долота.

Известное устройство содержит полый корпус, имеющий радиальные отверстия, пустотелую цилиндрическую вставку из эластичного материала, сопряженную с внутренней поверхностью корпуса цилиндрической частью и закрепленную на траверсе.

Недостатком известного устройства является то, что при больших обратных перепадах давления, вызванных аварийными выбросами из продуктивного пласта, пустотелая вставка из эластичного материала взаимодействует с острыми кромками траверсы, надвигается на них, перегибается вокруг них, вследствие чего преждевременно разрушается.

Кроме того недостатком известного устройства является и то, что незакрепленный свободный конец пустотелой вставки из эластичного материала выполнен цилиндрическим. В связи с этим во-первых, при прямом потоке буровой жидкости цилиндрическая ее часть, деформируясь потоком, оказывает дополнительное гидравлическое сопротивление, от этого вставка преждевременно истирается, изнашивается и приходит в негодность; во-вторых, при обратном повышенном перепаде давления, вызванном аварийными выбросами из продуктивного пласта, цилиндрическая часть пустотелой вставки прижимается к корпусу и силами трения удерживается от осевого перемещения, а ее коническая часть, продолжая перемещаться в осевом направлении под действием избыточного давления, разрывается, приводя обратный клапан в негодность.

Таким образом известное устройство для шламозащиты опор шарошечного долота характеризуется при работе с повышенными обратными перепадами давления недостаточной надежностью и долговечностью.

Целью изобретения является повышение надежности и долговечности обратного клапана забойных механизмов при работе с повышенными обратными перепадами давления.

Цель достигается тем, что в обратном клапане забойных механизмов, содержащем полый корпус, внутри которого установлен с кольцевым зазором обтекатель с юбкой, закрепленный одним концом в обтекателе эластичный запорный элемент с конусной частью, перекрывающей кольцевой зазор, юбка обтекателя выполнена в виде полого цилиндра с торцевой поверхностью, перпендикулярной оси обтекателя, а на наружной поверхности эластичного запорного элемента выполнена ступень, сопряженная с торцевой поверхностью обтекателя, причем внешний диаметр ступени, ограниченный торцевой поверхностью эластичного запорного элемента, меньше внешнего диаметра цилиндра обтекателя.

Конусная часть эластичного запорного элемента до ступени выполнена переменной толщины, увеличивающейся в сторону ступени, и равной в средней своей части величине кольцевого зазора.

Выполнение в обратном клапане забойных механизмов, содержащем полый корпус, внутри которого установлен с кольцевым зазором обтекатель с юбкой, закрепленный одним концом в обтекателе эластичный запорный элемент с конусной частью, перекрывающей кольцевой зазор, юбки обтекателя в виде полого цилиндра с торцевой поверхностью, перпендикулярной оси обтекателя, а на наружной поверхности эластичного запорного элемента выполнена ступень, сопряженная с торцевой поверхностью обтекателя, обеспечивает при работе с повышенными обратными перепадами давления гашение обратного гидравлического удара, вызванного аварийными выбросами из продуктивного пласта, без разрушения обратного клапана, предотвращение осевого перемещения и связанного с ним излишнего истирания, износа и преждевременного разрушения эластичного запоpного элемента.

Благодаря тому, что внешний диаметр ступени, ограниченный торцевой поверхностью эластичного запорного элемента, меньше внешнего диаметра цилиндра обтекателя, исключается возможность ненужного излишнего перегиба и связанного с ним преждевременного разрушения эластичного запорного элемента на внешней кромке обтекателя при работе с повышенными обратными перепадами давления.

В связи с тем, что конусная часть эластичного запорного элемента до ступени выполнена переменной толщины, увеличивается в сторону ступени, и равна в средней своей части величине кольцевого зазора, исключается дополнительное истирание и износ эластичного запорного элемента при работе с повышенными обратными перепадами давления, так как предотвращается возможное осевое перемещение его конусной части в кольцевой зазор и связанное с ним излишнее трение эластичного запорного элемента о корпус. Осевому перемещению конусной части препятствует торцевая поверхность полого цилиндра обтекателя, которая кроме того служит в качестве расклинивающей поверхности для плотного запирания обратного клапана забойных механизмов, предотвращения утечек жидкости и связанных с ними размывов и преждевременного разрушения деталей.

В результате реализации существенных признаков предложенного обратного клапана забойных механизмов повышается надежность и долговечность при работе с повышенными обратными перепадами давления, т. е. достигается цель изобретения.

На чертеже показан предлагаемый обратный клапан забойных механизмов (вырезана 1/4 часть).

Обратный клапан забойных механизмов содержит полый корпус 1, внутри которого установлен с кольцевым зазором а обтекатель 2 с юбкой 3, закрепленный одним концом в обтекателе 2 эластичный запорный элемент 4 с конусной частью 5, перекрывающий кольцевой зазор a. Юбка 3 обтекателя 2 выполнена в виде полого цилиндра с торцевой поверхностью 6, перпендикулярной оси обтекателя 2. На наружной поверхности эластичного запорного элемента 4 выполнена ступень 7, сопряженная с торцевой поверхностью 6 обтекателя 2. Внешний диаметр d ступени 7, ограниченный торцевой поверхностью эластичного запорного элемента 4, выполнен меньше внешнего диаметра D цилиндра обтекателя 2.

Конусная часть 5 эластичного запорного элемента 4 до ступени 7 выполнена переменной толщины, увеличивающейся в сторону ступени 7, и равна в средней своей части величине кольцевого зазора a.

Юбка 3 обтекателя 2 совместно с эластичным запорным элементом 4 внутри образуют полoсть 8, ограниченную внутренним объемом эластичного запорного элемента 4.

Работает обратный клапан забойных механизмов следующим образом.

Буровая жидкость, подаваемая от насоса, поступает в обратный клапан забойных механизмов, омывает обтекатель 2 и юбкой 3 обтекателя 2, и полым корпусом 1 в кольцевом зазоре d формируется в кольцевой поток постоянной скорости и с постоянным направлением движения. Ликвидация ускорений и неизменность направления потока буровой жидкости обуславливает наименьшее гидравлическое сопротивление, наименьшее истирание и износ омываемых деталей.

Кольцевым потоком буровой жидкости конусная часть 5 эластичного запорного элемента 4 отжимается от полого корпуса 1, и буровая жидкость поступает к забойным механизмам.

При прекращении подачи буровой жидкости или при работе с повышенными обратными перепадами давления (например, при аварийном выбросе из продуктивного пласта) конусная часть 5 эластичного запорного элемента 4 под действием сил упругости возвращается в первоначальное (исходное) положение и закрывает обратный клапан забойных механизмов. Дальнейшее возрастание обратного перепада давления приводит к частичному изменению формы и плотному прижатию эластичного запорного элемента 4 к обтекателю 2, а его конусной части 5 к полому корпусу 1. При этом торцевая поверхность 6 обтекателя 2 препятствует осевому перемещению конусной части 5 эластичного запорного элемента 4 и предотвращает его дополнительное истирание и износ, а увеличение объема полости 8 способствует гашению энергии обратного гидравлического удара, вызванного аварийными выбросами из продуктивного пласта.

Таким образом при обратном перепаде давления обеспечивается плотное запирание обратного клапана забойных механизмов.

Энергия обратного гидравлического удара прижимает эластичный запорный элемент 4 к внутренней поверхности обтекателя 2, частично отражается, а цилиндрическим участком юбки 3 обтекателя 2 отражается по радиусу и взаимно гасится. Благодаря этому сила гидравлического удара значительно ослабевает, а юбка 3 обтекателя 2, выполненная в виде полого цилиндра, не позволяет разрушаться эластичному запорному элементу 4 и сохраняет его в целостности на более длительный период.

Таким образом, при прямом потоке буровой жидкости через обратный клапан забойных механизмов достигается уменьшение гидравлического сопротивления, предотвращается излишний износ омываемых деталей, а при обратном повышенном перепаде давления обеспечивается надежное запирание обратного клапана забойных механизмов, предотвращающее просачивание буровой жидкости и связанные с ним размывы деталей, исключается осевое перемещение, дополнительное истирание и износ эластичного запорного элемента 4, предотвращаются его разрушительные перегибы вокруг острых кромок обтекателя 2.

Все это позволяет повысить надежность и долговечность обратного клапана забойных механизмов при работе с повышенными обратными перепадами давления.