RU2407876C1

RU2407876C1 - Overflow valve of downhole motor

Info

Publication number: RU2407876C1
Application number: RU2009115549/03A
Authority: RU
Inventors: Вигдор Соломонович Будянский (RU); Вигдор Соломонович Будянский; Александр Сергеевич Брудный-Челядинов (RU); Александр Сергеевич Брудный-Челядинов; Сергей Юльевич Брудный-Челядинов (RU); Сергей Юльевич Брудный-Челядинов; Игорь Леонидович Константинов (RU); Игорь Леонидович Константинов; Михаил Васильевич Крекин (RU); Михаил Васильевич Крекин
Original assignee: Вигдор Соломонович Будянский
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-12-27
Also published as: RU2009115549A

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: overflow valve includes housing and piston systems coaxial to each other, the first one of which includes branch pipe with the channels hydraulically connecting the cavity inside the housing to after-tube space, hydraulic cylinder barrel, valve lock, piston travel restrictors, and the second one includes hydraulic cylinder piston with central channel, switch of the valve with overflow channels to connect the central channel to annular cavity, compression spring with stop adjustment rings, which restricts the piston with the switch in upper position. Compression spring is located towards the flow below the overflow channels of the switch and lock of the valve.

EFFECT: increasing drilling properties.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, к устройствам для бурения нефтяных и газовых скважин забойными двигателями, а именно для заполнения и опорожнения бурильной колонны при спускоподъемных операциях.The invention relates to drilling equipment, to devices for drilling oil and gas wells with downhole motors, namely to fill and empty the drill string during tripping.

Известен переливной клапан двигателя фирмы Dyna Drill (см. Балденко Д.Ф. и другие. Винтовые забойные двигатели, «Недра», 1999, стр.72, 73, рис.3.19). Недостатками клапана являются быстрый износ и нестабильное закрытие, особенно при применении утяжеленных буровых растворов из-за попадания при бурении шлама в зону расположения нажимной пружины поршня.Known engine overflow valve company Dyna Drill (see. Baldenko DF and others. Screw downhole motors, "Nedra", 1999, p. 72, 73, Fig. 3.19). The disadvantages of the valve are rapid wear and unstable closure, especially when using heavier drilling fluids due to the ingress of drilling mud into the area of the piston pressure spring.

Известен переливной клапан (см. патент США №3,005,507, фиг.1, 2, 10, 11). Недостатками клапана являются ненадежность и нестойкость торцовой клапанной пары, малая площадь сечения центрального канала поршня, вызывающая повышение давления при бурении.Known overflow valve (see US patent No. 3,005,507, figure 1, 2, 10, 11). The disadvantages of the valve are the unreliability and instability of the mechanical valve pair, the small cross-sectional area of the Central channel of the piston, causing an increase in pressure during drilling.

Известно также клапанное устройство забойного двигателя (см. патент РФ №2224866). Недостатками этого устройства также являются износ и засорение при бурении пружины клапана мелким шламом и соответственно ненадежная его работа.Also known valve device downhole motor (see RF patent No. 2224866). The disadvantages of this device are wear and clogging while drilling the valve spring with fine cuttings and, accordingly, its unreliable operation.

Переливной клапан бурильной колонны (см. патент РФ №2204688) имеет такие же недостатки, усугубленные наличием кольцевой тупиковой щели, в которой возможно накопление шлама и его неконтролируемый выброс в рабочую зону пружины, что приводит к нестабильному закрытию клапана. Кроме того, заявленное отношение периметров поверхностей скольжения поршня, нижний предел которого составляет 0,33, приводит к чрезмерному сужению проточного канала поршня, что вызывает повышенные потери давления при промывке и бурении (прототип).The overflow valve of the drill string (see RF patent No. 2204688) has the same disadvantages, exacerbated by the presence of an annular dead end gap, in which accumulation of sludge and its uncontrolled discharge into the working area of the spring is possible, which leads to unstable valve closure. In addition, the claimed ratio of the perimeters of the sliding surfaces of the piston, the lower limit of which is 0.33, leads to excessive narrowing of the flow channel of the piston, which causes increased pressure loss during flushing and drilling (prototype).

Причем вследствие того, что в суженном центральном канале поршня срабатывается повышенный перепад давлений при подъеме бурильных труб, возможно срабатывание клапана на закрытие, то есть неисполнение его основной функции: перепуска жидкости.Moreover, due to the fact that in the narrowed central channel of the piston, an increased pressure drop is triggered when the drill pipes are raised, the valve may be able to close, that is, its main function: liquid bypass.

Основная техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности переключения и срока службы клапана при установке его над забойным двигателем.The main technical problem to which the invention is directed is to increase the reliability of switching and the service life of the valve when installing it above the downhole motor.

Это достигается тем, что переливной клапан забойного двигателя нормально открытого типа, включающий соосные между собой системы корпуса и поршня, первая из которых содержит скрепленные между собой патрубок с присоединительными резьбами, радиальными каналами, гидравлически сообщающими полость внутри системы корпуса с затрубным пространством, гильзу гидроцилиндра дифференциального типа, замыкатель клапана золотникового типа с уплотнением, верхний и нижний ограничители хода поршня, а вторая содержит поршень гидроцилиндра с центральным проточным каналом и уплотнением, переключатель клапана с радиальными перепускными каналами, сообщающими центральный проточный канал с полостью внутри системы корпуса, пружину сжатия с упорными регулировочными кольцами, удерживающую систему поршня в верхнем положении, при этом пружина сжатия расположена ниже по ходу потока относительно замыкателя и перепускных каналов переключателя клапана, причем пружина сжатия расположена в расточке патрубка корпуса между уступом системы корпуса и торцом системы поршня.This is achieved by the fact that the overflow valve of the downhole motor is of a normally open type, including housing and piston systems coaxial with each other, the first of which contains a pipe connected with each other with connecting threads, radial channels hydraulically communicating the cavity inside the housing system with the annulus, a differential cylinder sleeve type, spool-type valve closure with gasket, upper and lower piston stroke limiters, and the second contains a hydraulic cylinder piston with central m with a flow channel and a seal, a valve switch with radial bypass channels communicating a central flow channel with a cavity inside the housing system, a compression spring with thrust adjusting rings holding the piston system in the upper position, while the compression spring is located downstream of the contactor and bypass valve switch channels, and the compression spring is located in the bore of the housing pipe between the ledge of the housing system and the end of the piston system.

Кроме того, целесообразно для повышения надежности переключения клапана и ускорения спуска бурильной колонны, чтобы радиальные перепускные каналы системы поршня имели повышенный коэффициент расхода при движении жидкости из затрубного пространства вовнутрь бурильной колонны и наоборот, пониженный коэффициент расхода при движении жидкости в противоположном направлении. Например, эти каналы целесообразно выполнять сужающимися от полости внутри системы корпуса к центральному проточному каналу.In addition, it is advisable to increase the reliability of valve switching and accelerate the descent of the drill string, so that the radial bypass channels of the piston system have an increased flow rate when the fluid moves from the annulus into the drill string and vice versa, a reduced flow rate when the fluid moves in the opposite direction. For example, it is advisable to perform these channels tapering from a cavity inside the housing system to the central flow channel.

Кроме того, для повышения износостойкости клапана при одновременном повышении надежности его переключения, а также для повышения энергетической эффективности, целесообразно снизить затраты давления, срабатываемого в клапане при прокачке через него буровой жидкости. Для чего целесообразно увеличение соотношения диаметра центрального проточного канала поршня гидроцилиндра по отношению к его наружному диаметру на входе, выражаемое заявленным диапазоном соотношений 0,45…0,75.In addition, to increase the wear resistance of the valve while increasing the reliability of its switching, as well as to increase energy efficiency, it is advisable to reduce the cost of pressure that is triggered in the valve when pumping drilling fluid through it. Why it is advisable to increase the ratio of the diameter of the Central flow channel of the piston of the hydraulic cylinder with respect to its outer diameter at the inlet, expressed by the claimed range of ratios of 0.45 ... 0.75.

На фиг.1 показан продольный разрез варианта конструкции клапана согласно изобретению в нормально открытом положении.Figure 1 shows a longitudinal section of a design variant of the valve according to the invention in a normally open position.

На фиг.2 показан продольный разрез другого варианта конструкции клапана с выполнением некоторых его элементов отдельными деталями в закрытом положении.Figure 2 shows a longitudinal section of another embodiment of the valve design with the implementation of some of its elements as individual parts in the closed position.

На фиг.3 показан вариант клапана с перепускными каналами переключателя, обеспечивающими различный коэффициент расхода в зависимости от направления потока буровой жидкости.Figure 3 shows a variant of the valve with the bypass channels of the switch, providing a different flow rate depending on the direction of flow of the drilling fluid.

Конструктивно клапан включает соосные между собой систему корпуса и систему поршня.Structurally, the valve includes a housing system coaxial with each other and a piston system.

В варианте, указанном на фиг.1, система корпуса включает патрубок 1 корпуса с присоединительными резьбами 2 и 3 на концах и радиальными каналами 4 с фильтрами 5, сообщающими полость 16 внутри системы корпуса с затрубным пространством 27, гильзу 6 (как часть патрубка 1 корпуса) дифференциального гидроцилиндра, нижний и верхний ограничители осевого хода системы поршня соответственно 7 (уступ 7) и 8 (упорное кольцо 8), замыкатель клапана 9 (часть патрубка 1) с уплотнением 10, расположенным в канавке 11.In the embodiment shown in FIG. 1, the housing system includes a housing pipe 1 with connecting threads 2 and 3 at the ends and radial channels 4 with filters 5 communicating a cavity 16 inside the housing system with an annular space 27, a sleeve 6 (as part of the housing pipe 1 ) differential hydraulic cylinder, the lower and upper limiters of the axial stroke of the piston system, respectively 7 (ledge 7) and 8 (thrust ring 8), valve closure 9 (part of the pipe 1) with a seal 10 located in the groove 11.

Система поршня включает поршень 12 гидроцилиндра с уплотнением 14, имеющий наружный диаметр на входе D и центральный проточный канал 13 диаметром d, нижерасположенный, скрепленный с поршнем 12 переключатель 25 клапана с радиальными перепускными каналами 15, сообщающими центральный проточный канал 13 с полостью 16 внутри системы корпуса и, следовательно, с радиальными отверстиями 4 и затрубным пространством 27, пружину сжатия 17 с упорными регулировочными кольцами 18 и 19, удерживающую поршень в верхнем положении с упором в верхний ограничитель 8 осевого хода системы поршня.The piston system includes a piston 12 of a hydraulic cylinder with a seal 14 having an outer diameter at the inlet D and a central flow channel 13 of diameter d, a downstream valve switch 25 connected to the piston 12 with radial bypass channels 15 communicating the central flow channel 13 with a cavity 16 inside the housing system and therefore with radial holes 4 and annular space 27, a compression spring 17 with thrust adjusting rings 18 and 19, holding the piston in the upper position with emphasis on the upper limiter 8 axes th stroke system.

Пружина сжатия 17 с регулировочными кольцами 18 и 19 расположена в расточке 20 патрубка 1 корпуса между уступом 21 системы корпуса и торцом 22 системы поршня. Система поршня может быть снабжена стабилизатором устойчивости 23 пружины. Гильза 6 и поршень 12 образуют силовой гидроцилиндр с функциональной возможностью перемещения системы поршня вниз по ходу потока под действием на поршень 12 перепада давлений 28-29 (см. фиг.2). Преодолев сопротивление пружины 17, клапан золотникового типа перейдет в положение, когда переключатель клапана 25 расположится в его замыкателе 9, перепускные каналы 15 будут гидравлически заблокированы.Compression spring 17 with adjusting rings 18 and 19 is located in the bore 20 of the housing pipe 1 between the step 21 of the housing system and the end face 22 of the piston system. The piston system may be provided with a spring stabilizer 23. The sleeve 6 and the piston 12 form a power hydraulic cylinder with the ability to move the piston system downstream under the action of the differential pressure 28-29 on the piston 12 (see figure 2). Having overcome the resistance of the spring 17, the spool type valve will switch to the position when the valve switch 25 is located in its closure 9, the bypass channels 15 will be hydraulically blocked.

На фиг.2 показан продольный разрез другого варианта конструкции клапана, в котором гильза 6, нижний ограничитель хода 7 и цилиндрический замыкатель клапана 9 с канавкой 11 уплотнения 10 выполнены в виде отдельной вставки, плотно скрепленной с патрубком 1 корпуса, например, на прессовой посадке. Причем часть радиальных каналов 4 выполнена во вставке. Дополнительным фиксирующим средством упомянутой вставки в патрубке 1 является ограничитель хода 8 вверх. Отличие вариантов обусловлено оптимизацией технологии изготовления элементов системы корпуса, а именно наличием заготовок стандартизованного проката, металлообрабатывающего оборудования, не изменяет сущности изобретения и поэтому не может являться отдельным изобретением.Figure 2 shows a longitudinal section of another embodiment of the valve design, in which the sleeve 6, the lower stroke limiter 7 and the cylindrical valve closure 9 with the groove 11 of the seal 10 are made in the form of a separate insert tightly fastened to the nozzle 1 of the housing, for example, on a press fit. Moreover, part of the radial channels 4 is made in the insert. An additional locking means for said insert in the pipe 1 is an upward stop 8. The difference between the options is due to the optimization of the manufacturing technology of the elements of the housing system, namely the presence of standardized rolled stocks, metal-working equipment, does not change the essence of the invention and therefore cannot be a separate invention.

На фиг.2 изображен клапан в закрытом положении. Поршень 12 с переключателем 25 и стабилизатором 23 находятся в нижнем положении с упором в нижний ограничитель 7, при этом перепускные каналы 15 заблокированы (перекрыты) замыкателем 9. Кроме того, пружина 17 дополнительно защищена (экранирована от внутритрубного пространства) стабилизатором 23.Figure 2 shows the valve in the closed position. The piston 12 with the switch 25 and the stabilizer 23 are in the lower position with an emphasis on the lower limiter 7, while the bypass channels 15 are blocked (blocked) by the contactor 9. In addition, the spring 17 is additionally protected (shielded from the tube space) by the stabilizer 23.

На фиг.3 показан целесообразный вариант исполнения формы радиального перепускного канала 15 переключателя 25 клапана. Канал сужается вдоль его оси 24 в направлении от кольцевой полости 16 к центральному проточному каналу 13 системы поршня. Такая форма канала позволяет иметь повышенный коэффициент расхода при движении жидкости в направлении к центральному проточному каналу 13.Figure 3 shows a suitable embodiment of the shape of the radial bypass channel 15 of the valve switch 25. The channel narrows along its axis 24 in the direction from the annular cavity 16 to the Central flow channel 13 of the piston system. This shape of the channel allows you to have an increased flow coefficient when the fluid moves in the direction of the Central flow channel 13.

Переливной клапан устанавливается над двигателем. Обычно применяется следующая компоновка низа бурильной колонны: долото - забойный двигатель - шламоуловитель - обратный клапан - переливной клапан нормально открытого типа - бурильные трубы.An overflow valve is installed above the engine. Typically, the following bottom hole arrangement is used: chisel - downhole motor - sludge trap - check valve - normally open type overflow valve - drill pipes.

Работает клапан следующим образом.The valve operates as follows.

При спуске бурильной колонны буровая жидкость перетекает из затрубного пространства 27 через радиальные каналы 4 (см. фиг.1), полость 16 внутри системы корпуса, радиальные перепускные каналы 15 переключателя 25 клапана, центральный проточный канал 13 в вышерасположенные бурильные трубы (не показаны) и заполняет внутритрубное пространство 30. Ускорению процесса перетекания способствует сужающаяся форма каналов 15 (см. фиг.3), что исключает «всплывание» (отставание заполнения буровой жидкостью бурильных труб) и способствует увеличению скорости спуска.When the drill string is lowered, drilling fluid flows from the annulus 27 through radial channels 4 (see FIG. 1), a cavity 16 inside the housing system, radial bypass channels 15 of the valve switch 25, a central flow channel 13 into upstream drill pipes (not shown) and fills the in-tube space 30. The narrowing shape of the channels 15 (see FIG. 3) contributes to the acceleration of the overflow process, which eliminates “floating up” (lag in the drilling fluid filling of the drilling fluid) and helps to increase the joint velocity ska.

При включении насосов и подаче бурового раствора в колонну бурильных труб буровая жидкость интенсивно протекает через каналы 15, вследствие чего возникает перепад давлений 28-29 (см. фиг.2). Указанный перепад давлений на поршне 12 создает соответствующее усилие, действующее вниз, которое преодолевает сопротивление пружины и сдвигает систему поршня вниз до упора в ограничитель 7. Переключатель 25 клапана входит в замыкатель 9 клапана, который блокирует перепускные каналы 15. То есть клапан закрывается. Буровая жидкость далее направляется в двигатель, долото (не показаны) и далее в затрубное пространство 27.When you turn on the pumps and supply the drilling fluid to the drill pipe string, the drilling fluid flows intensively through the channels 15, resulting in a pressure drop of 28-29 (see figure 2). The pressure differential across the piston 12 creates a corresponding downward force that overcomes the spring resistance and pushes the piston system down all the way to the stop 7. The valve switch 25 enters the valve closure 9, which blocks the bypass channels 15. That is, the valve closes. Drilling fluid is then sent to the engine, a bit (not shown) and further into the annulus 27.

Для описанного закрытия клапана не требуется уменьшения диаметра d центрального канала 13 (усилие на поршень 12 создается за счет перепада в перепускных каналах 15). Как следствие этого, снижаются затраты давления на прохождение жидкости через клапан при бурении.For the described valve closure, it is not necessary to reduce the diameter d of the central channel 13 (the force on the piston 12 is created due to the difference in the bypass channels 15). As a result of this, the pressure on the passage of fluid through the valve during drilling is reduced.

Пока имеет место циркуляция, давление 28 на поршень 12 сверху превышает давление 29 на поршень снизу (см. фиг.2) на величину давления, срабатываемого в двигателе и долоте, вследствие чего возникает гарантированное усилие, направленное вниз и удерживающее клапан в закрытом положении.As long as circulation takes place, the pressure 28 on the piston 12 from above exceeds the pressure 29 on the piston from below (see FIG. 2) by the amount of pressure that is actuated in the engine and the bit, resulting in a guaranteed force directed downward and holding the valve in the closed position.

Основным отличием работы клапана согласно изобретению является то, что пружина 17 при бурении (циркуляции) сохраняет свои упругие свойства благодаря ее изоляции от воздействия потока буровой жидкости, содержащей абразивные частицы выбуренной породы.The main difference in the operation of the valve according to the invention is that the spring 17 during drilling (circulation) retains its elastic properties due to its isolation from the influence of the flow of drilling fluid containing abrasive particles of drill cuttings.

По окончании циркуляции, при смене долота или наращивании бурильной колонны усилие пружины 17 сдвигает систему поршня вверх до ограничителя 8, происходит открытие клапана и соответственно сообщение затрубного и внутритрубного пространств (см. фиг.1). Так как место расположения пружины 17 свободно от шлама, ее заклинивание шламом исключено, и открытие клапана не осложнено.At the end of the circulation, when changing the bit or building up the drill string, the force of the spring 17 shifts the piston system up to the limiter 8, the valve opens and, accordingly, the annulus and in-pipe spaces communicate (see figure 1). Since the location of the spring 17 is free from sludge, its jamming by the sludge is excluded, and opening the valve is not complicated.

При подъеме бурильной колонны, заполненной жидкостью, благодаря надежному открытию клапана обеспечивается своевременное опорожнение той части бурильных труб, которая отсоединяется от бурильной колонны, то есть предотвращается сифон (выброс буровой жидкости при отсоединении труб в буровой).When lifting a drill string filled with fluid, due to the reliable opening of the valve, timely emptying of that part of the drill pipe that is disconnected from the drill string is ensured, that is, a siphon is prevented (discharge of drilling fluid when pipes are disconnected in the drill).

Клапан согласно изобретению имеет высокий срок службы, обеспечивается долговечность его пружины, что позволяет уменьшить затраты на ремонт, гарантировать надежное открытие и закрытие переливного клапана в процессе бурения и, как следствие, повысить показатели бурения в целом.The valve according to the invention has a high service life, the durability of its spring is ensured, which allows to reduce repair costs, guarantee reliable opening and closing of the overflow valve during drilling and, as a result, increase drilling performance as a whole.

Claims

1. Normally open downhole overflow valve, including body and piston systems coaxial with each other, the first of which contains a pipe connected to each other with connecting threads and channels, hydraulically communicating the cavity inside the body system and the annular space, a cylinder sleeve, a valve closure with a seal , the upper and lower piston stroke limiters, and the second contains a hydraulic cylinder piston with a central flow channel and a seal, a valve switch with a bypass channel E fluidly communicates the central flow passage with the cavity within the housing of the system, a compression spring with a thrust shims, retaining the piston of the hydraulic cylinder with the switch in the upper position, characterized in that the compression spring is disposed downstream relative to the bypass channel and valve switch contactor.

2. The overflow valve according to claim 1, characterized in that the bypass channels of the valve switch are made tapering from the cavity inside the housing system to the central channel.

3. Overflow valve downhole motor according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of the diameter of the Central flow channel and the outer diameter of the piston at the inlet is 0.45 ... 0.75.