обратный клапан для обсадных колонн

Формула изобретения

Обратный клапан для обсадных колонн, включающий корпус с размещенным в нем эластичным седлом и шаровым затвором, ограничитель перемещения шарового затвора с центральным каналом и размещенным в нем дросселем и периферийными отверстиями, перекрываемыми снизу вверх кольцевой перегородкой, отличающийся тем, что клапан снабжен ловителем шарового затвора, расположенным под седлом соосно с ним и центральным каналом ограничителя и выполненным в виде закрепленного на верхнем торце ограничителя патрубка с канавкой на внутренней поверхности для размещения в ней эластичного уплотнительного кольца, внутренний диаметр которого меньше диаметра шарового затвора, причем нижняя стенка канавки расположена в одной плоскости с плоскостью наибольшего сечения шарового затвора в его нижнем положении в ловителе, высота патрубка больше диаметра шарового затвора, а расстояние от седла до верхнего торца патрубка меньше диаметра шарового затвора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для их цементирования.

Известен обратный клапан для обсадных колонн, включающий корпус с размещенным в нем эластичным седлом под шаровой затвор и расположенный под ними жестко связанный с корпусом диск с центральным дросселирующим отверстием и с периферийными промывочными отверстиями, перекрываемыми снизу эластичной мембраной [1].

Недостатком этого обратного клапана является низкая надежность заполнения обсадной колонны скважиной жидкостью через дросселирующее отверстие при спуске в скважину из-за постоянного сечения этого отверстия при переменных условиях в скважине.

Известен также обратный клапан для обсадных колонн, свободный от указанного недостатка. Этот клапан, являющийся по технической сущности прототипом предлагаемого клапана, включает корпус с размещенным в нем седлом, подшаровой затвор и расположенный под ними жестко связанный с корпусом диск с перекрываемыми подпружиненной пластиной периферийными отверстиями и установленной в его центральном канале подпружиненной дросселирующей втулкой [2].

Недостатком прототипа является низкая надежность его работы в наклонных и горизонтальных скважинах из-за размыва потоком бурового и особенно тампонажного растворов шарового затвора и отклонения последнего от седла потоком жидкости.

В процессе промывки скважины перед ее цементированием шаровой затвор подвергается воздействию потока бурового раствора и совершает хаотические движения внутри клапана, изнашиваясь при этом, и за счет эрозионного воздействия потоком, и за счет механического трения и ударов о металлические поверхности деталей клапан.

Аналогичным образом, но в большей степени шаровой затвор изнашивается в процессе продавливания тампонажного раствора через клапан.

По окончании операции продавливания тампонажного раствора шаровой затвор либо тонет, либо всплывает в нем в зависимости от соотношения его плотности с плотностью тампонажного раствора.

Если клапан при этом находится на наклонном участке ствола скважины, шаровой затвор отклоняется от оси клапана, а значит, и его седла в обоих случаях - и когда тонет, и когда всплывает в тампонажном растворе, как это показано на фиг. 4, где изображен клапан-прототип. Положение A и B на фиг. 4 соответствуют утонувшему и всплывшему шару. Восходящий поток тампонажного раствора, направленный вдоль оси клапана (см. по стрелкам C) еще больше отклоняет шар от оси потока и седла.

Износом шара и отклонением его от оси потока объясняется большинство фиксируемых случаев отказа обратных клапанов по прототипу из-за негерметичности.

Целью предлагаемого обратного клапана для обсадных колонн является повышение надежности его работы в наклонных и горизонтальных скважинах путем предотвращения размыва потоком тампонажного раствора шарового затвора и отклонения его от оси седла.

В предлагаемом клапане поставленная цель достигается за счет того, что он снабжен ловителем шарового затвора, расположенным под седлом соосно с ним и центральным каналом ограничителя, и выполненным в виде закрепленного на верхнем торце ограничителя патрубка с канавкой на внутренней поверхности для размещения в ней эластичного уплотнительного кольца, внутренний диаметр которого меньше диаметра шарового затвора, причем нижняя стенка канавки расположена в одной плоскости с плоскостью наибольшего сечения шарового затвора в его нижнем положении в ловителе, высота патрубка больше диаметра шарового затвора, а расстояние от седла до верхнего торца патрубка меньше диаметра шарового затвора.

В достижении поставленной цели существенной является и совокупность отличительных признаков, и каждый из них в отдельности. Так, наличие в предлагаемом клапане ловителя шарового затвора, расположение его под седлом и соосно с ним и центральным каналом ограничителя и выполнение его в виде патрубка является необходимым условием для предотвращения размыва шарового затвора и отклонения его от оси седла. Наличие в патрубке канавки и размещенного в ней уплотнительного кольца, соотношение высоты патрубка и внутреннего диаметра уплотнительного кольца с диаметром шарового затвора и положение нижней стенки канавки относительно шарового затвора в его нижнем положении являются достаточным условием для предотвращения размыва шара потоком тампонажного раствора. Так как надежно исключается непосредственное воздействие потока на шар с помощью буфера из неподвижного объема жидкости в патрубке над шаром, а также из-за герметичного перекрытия кольцевого зазора между шаром затвора и патрубком ловителя.

Соосное с седлом положение ловителя и то, что расстояние от седла до верхнего торца патрубка ловителя меньше диаметра шарового затвора, является достаточным условием для исключения возможности отклонения затвора от оси седла.

Закрепление патрубка ловителя на верхнем торце ограничителя шарового затвора обеспечит надежное перемещение шарового затвора потоком тампонажного раствора непосредственно на его посадочное место в седле.

На фиг. 1 показан клапан в разрезе в конце операции продавки тампонажного раствора; на фиг. 2 - укрупненный вид на шаровой затвор в его нижнем положении; на фиг. 3 - клапан в разрезе по окончании продавки тампонажного раствора.

Предложенный обратный клапан для обсадных колонн состоит из корпуса 1 с размещенным в нем эластичным седлом 2 под шаровой затвор 3, ограничителя перемещения шарового затвора 4 с периферийными отверстиями 5, перекрываемыми кольцевой перегородкой 6, и центральным клапаном 7 для размещения дросселя (дросселирующей втулки) 8, подпружиненной пружиной 9 между ее съемным буртом 10 и кольцевой перегородкой 6. На верхнем торце ограничителя шарового затвора 4 закреплен соосно с ним ловитель шарового затвора 11, выполненный в виде патрубка 12 с канавкой на его внутренней поверхности 13 для размещения уплотнительного кольца 14. Высота патрубка 12 h больше диаметра шарового затвора, а расстояние l от седла до верхнего торца патрубка меньше диаметра шарового затвора (фиг. 1).

Внутренний диаметр уплотнительного кольца 14 меньше диаметра шарового затвора 3. Нижняя стенка канавки 13 расположена в одной плоскости с плоскостью наибольшего сечения шарового затвора (фиг. 2).

Работает предлагаемый клапан обратный обсадных колонн следующим образом.

Колонну с обратным клапаном спускают в скважину без шара 3. При этом буровой раствор заполняет колонну, поступая в нее из скважины через дросселирующую втулку 8.

Шар 3 бросают в колонну в процессе промывки скважины перед цементированием и доставляют его потоком жидкости к клапану. Далее шар 3 проскакивает через эластичное седло 2, попадает в ловитель 11, входит с натягом в уплотнительное кольцо 14 и занимает свое крайнее нижнее положение. При этом промывочная жидкость, а затем и тампонажный раствор обтекает верхний торец патрубка и направляется в периферийные отверстия 5, не воздействуя на шар, из-за образования неподвижного буфера между потоком и шаром.

По окончании цементирования обратный поток тампонажного раствора сначала закрывают отверстие 5 пластиной 6, а затем выталкивает шар 3 из ловителя 11 до посадки его непосредственно на седло 2, после чего обратное движение тампонажного раствора из затрубного пространства в колонну прекращается (фиг. 3).

Надежная работа предлагаемой конструкции клапана позволит сразу по окончании цементирования снять избыточное давление внутри колонны и демонтировать цементировочную головку. В условиях кустового бурения наклонных скважин буровой станок может быть передвинут на новую точку без задержки.

Экономическая эффективность применения предложенного устройства обусловлена экономией дополнительных затрат, связанных с простоем бурового станка из-за отказа в работе обратного клапана.

Предложенная конструкция клапана, предотвращающая износ шарового затвора на промежуточных операциях до включения его в работу в нужный момент, может найти эффективное практическое использование в качестве обратного клапана для бурильных колонн с целью повышения его долговечности и надежности работы.