Перепускной клапан, применяемый в узле внутренней трубы для использования в колонковой трубе - RU2654928C2
Код документа: RU2654928C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к керновому бурению и, в частности, хотя не исключительно, к устройствам и способам для доставки и удаления узла внутренней трубы в буровой колонне или установке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В алмазном керновом бурении используется кольцевая головка бура, соединенная с узлом колонковой трубы. Колонковая труба прикреплена к концу ряда штанг, соединенных с образованием колонны. При бурении постепенно перемещают цилиндрические стержни горной породы или материала, через который бур и труба бура подаются с использованием последовательных рейсов. В этом типе бурения используется узел внутренней трубы, который имеет внутреннюю трубу для размещения керна, соединенную с узлом головки. Узел головки включает тело фиксатора, соединенное с корпусом клапана, который в свою очередь соединен с корпусом подшипника, который в свою очередь соединен с соединителем внутренней трубы. Узел внутренней трубы присоединен к соединителю внутренней трубы и может включать внутреннюю трубу, керноподъемную трубу и клетку подъемника. Узел внутренней трубы расположен внутри колонковой трубы, которая включает комбинацию головки бура, инструмента для расширения скважины, наружной трубы, посадочного кольца и закрепляющего соединения. Узел внутренней трубы может быть отведен на поверхность, когда внутренняя труба заполнена. Пустые узлы внутренней трубы могут быть доставлены от поверхности к концу буровой колонны для возобновления бурения.
Головка бура подается путем вращения буровой колонны при приложении направленного вниз давления. При этом буровая жидкость такая, как вода или буровые растворы, нагнетаются через центр буровой колонны, проходя узел внутренней трубы, и через конец головки бура, чтобы вынести выбуренную породу и другие обломки на поверхность через кольцевое пространство между стенкой скважины и наружной поверхностью буровой колонны.
Пробуриваемая скважина может быть расположена вертикально, под углом вниз, горизонтально, с наклоном вверх или прямо вверх. Пробуриваемая скважина может быть нормальной или сухой.
В сухих скважинах буровая жидкость отводится или частично отводится естественно через трещины или другие отверстия в породной толще, чрез которую проходит бурение. В нормальных скважинах буровая жидкость не отводится. Далее нормальные скважины, которые удерживают воду или частично удерживают воду, будут обозначены как мокрые скважины. Конечно, в случае горизонтальных или около горизонтальных скважин, вероятно, что буровая жидкость отводится естественно особенно при отводе узла буровой трубы или после его обратного нагнетания в конец буровой колонны.
Одним из способов вставления пустого узла внутренней трубы от поверхности назад к буровому наконечнику буровой колонны является использование жидкости, нагнетаемой позади узла внутренней трубы, чтобы толкать его вдоль буровой трубы внутри колонковой трубы к его положению для бурения. Пустой узел внутренней трубы размещается в буровой трубе на поверхности, а промывочный сальник привинчивается к концу буровой трубы, чтобы позволить нагнетание в нее жидкости. Это толкает узел внутренней трубы к концу буровой трубы, где он закрепляется на месте в его положении для бурения в колонковой трубе перед возобновлением операции бурения.
Когда узел внутренней трубы закреплен на месте, в результате произойдет увеличение давления нагнетаемой жидкости, которое будет отмечено и обеспечит указание на то, что узел внутренней трубы дошел до его положения для бурения и закреплен. Для того чтобы позволить это и для того чтобы позволить узлу внутренней трубы перемещаться в закрепленное положение, должен быть предотвращен проход жидкости через узел внутренней трубы. Также, когда узел внутренней трубы достигнет закрепленного положения, необходимо, чтобы жидкость имела возможность проходить через узел внутренней трубы, как часть процесса бурения, чтобы отвести выбуренную породу.
Для выполнения обеих этих функций перепускной клапан устанавливается в узле внутренней трубы, чтобы контролировать движение жидкости на различных фазах нагнетания и бурения.
Соответственно, когда узел внутренней трубы перемещается в положение, перепускной клапан находится в первом положении, которое закрывает расходные отверстия, через которые в противном случае жидкость могла бы протекать через узел внутренней трубы. После достижения узлом внутренней трубы колонковой трубы и положения для бурения, перепускной клапан будет установлен в закрытое положение, которое затем в результате приведет к скачку давления, которое дает оператору на поверхности указание на то, что узел внутренней трубы достиг закрепленного положения.
Это увеличение давления может поддерживаться или не поддерживаться до того, как оператор откроет клапан, чтобы сбросить давление. Перепускной клапан расположен так, что будет перемещаться в его второе положение самостоятельно или при сбросе давления в нагнетаемой жидкости, при этом расходные отверстия для жидкости в узле внутренней трубы открыты так, что закрепленный узел внутренней трубы готов к бурению. В этом положении расходные отверстия для жидкости теперь являются открытыми, и буровая жидкость имеет возможность проходить для выполнения нормальной операции бурения через узел внутренней трубы.
Однако перед возобновлением бурения и нагнетания буровой жидкости через буровую трубу жидкость в буровой трубе и пробуриваемой скважине является свободной для отвода из скважины. Это особенно относится к случаю сухой скважины, где жидкость имеет возможность естественно отводиться в толщу породы, или по отношению к скважинам, которые являются горизонтальными или наклоненными вверх.
Очевидно, это является нежелательным, поскольку операция бурения приостанавливается до нагнетания дополнительной жидкости в буровую колонну, чтобы возобновить операцию бурения. Это требует также опытного оператора, чтобы знать, когда жидкость находится в головке бура и бурение не возобновится без необходимой смазки, охлаждения и отвода обломков породы, которые обеспечиваются буровой жидкостью. Если головка бура движется без буровой жидкости, может произойти ее поломка.
Уровень техники и указанные выше проблемы привели в результате к разработке настоящего изобретения.
Конкретные объекты и преимущества настоящего изобретения станут понятными из последующего описания в связи с приложенными рисунками, в которых посредством иллюстрации и примера раскрыт вариант настоящего изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание узла внутренней трубы, в котором клапанная часть узла является контролируемой и ответной на давление жидкости, подаваемой через колонковую трубу к узлу внутренней трубы, чтобы открывать и закрывать клапан в процессе, например, установки узла внутренней трубы в колонковой трубе и в процессе кернового бурения.
Задачи достигаются путем создания узла внутренней трубы, имеющего возможность транспортировки в закрепленное положение внутри колонковой трубы посредством рабочей жидкости и сохранения столба рабочей жидкости позади себя, перед, в процессе закрепления и в закрепленном положении на колонковой трубе. В частности, клапан предложенного узла выполнен, чтобы быть чувствительным к давлению рабочей жидкости на его заднем конце. Дополнительно, другое преимущество предложенного изобретения состоит в том, чтобы создать устройство клапана, которое является чувствительным к «состоянию» внутренней трубы, которая может быть как пустой, так и заполненной керном, готовым для отвода назад через скважину.
В соответствии с первым объектом настоящего изобретения предложен узел внутренней трубы, с возможностью освобождения закрепляемый в колонковой трубе буровой установки для кернового бурения, при этом узел внутренней трубы включает: корпус клапана, имеющий первый передний конец и второй задний конец и определяющий внутреннее отверстие, продолжающееся по оси в направлении между первым и вторым концами; по меньшей мере одно расходное отверстие для жидкости, выполненное через корпус клапана, чтобы позволить соединение по жидкости с областью, окружающей корпус клапана и отверстие; тело клапана с возможностью скольжения вдоль оси, размещенное в отверстии, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие; смещающий элемент, действующий на тело клапана, чтобы смещать его в первом осевом направлении в отверстии; и направляющую положения для направления и контролирования положения тела клапана в отверстии по отношению к расходному отверстию; причем телу клапана придана форма для перемещения во втором обратном осевом направлении в отверстии, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие посредством давления в жидкости, действующей на тело клапана через второй конец корпуса.
Возможно, узел дополнительно включает штифт клапана, установленный с возможностью осевого перемещения в отверстии, чтобы контактировать с телом клапана, смещающему элементу придана форма, чтобы смещать штифт до контакта с телом клапана. Штифт клапана в комбинации со смещающим элементом является действенным для обеспечения плавающего положения тела клапана в отверстии, чтобы быть чувствительным к давлению жидкости, размещенной в отверстии от открытого на поверхности конца скважины.
Предпочтительно, направляющая положения включает паз, выполненный в корпусе, и направляющий штифт, продолжающийся радиально от тела клапана, чтобы быть подвижным в пазу. Устройство в виде паза и направляющего штифта является благоприятным для обеспечения надежного и работоспособного закрепляющего механизма для тела клапана при минимальных радиальных размерах узла. Предпочтительно, паз включает отрезок, имеющий угловую часть, направляющий штифт имеет возможность перемещения вдоль отрезка и прохода угловой части. Более предпочтительно, угловая часть включает V-образный профиль. Такое устройство благоприятно для обеспечения контроля относительного положения направляющего штифта в пазу и частично для обеспечения сопротивления перемещению штифта в периферийном направлении с тем, чтобы обеспечить частичное закрепляющее устройство в виде выемки.
Предпочтительно, узел дополнительно включает подшипниковый узел, соединенный с первым концом корпуса клапана, по меньшей мере, часть подшипникового узла является подвижной вдоль оси по отношению к корпусу клапана, чтобы закрывать и открывать расходное отверстие. Подшипниковый узел передает осевое усилие на тело клапана так, что оно является чувствительным к открыванию и закрыванию расходного отверстия в соответствии с усилием, действующим на узел клапана от подшипникового узла.
Предпочтительно, устройство дополнительно включает удлиненный шпиндель, продолжающийся по оси между корпусом клапана и подшипниковым узлом, который дополнительно включает корпус подшипника, который продолжается по оси поверх шпинделя. Возможно, шпинделю придана форма для осевого перемещения в отверстии для контакта и воздействия на тело клапана для перемещения его в первом осевом направлении, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие. Такое устройство является благоприятным, чтобы обеспечить механизм смещения тела клапана для закрытия расходного отверстия, когда внутренняя труба заполнена керном и бурение вперед временно отложено, чтобы позволить отвод керна из скважины.
Возможно, шпиндель жестко соединен с корпусом, а корпусу подшипника придана форма для скольжения по оси относительно корпуса клапана, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие с его радиально наружной стороны. Предпочтительно, узел дополнительно включает смещающий компонент, установленный на шпинделе в узле подшипника, чтобы сообщать осевое перемещение корпусу подшипника или шпинделю относительно корпуса клапана. Возможно, узел может дополнительно включать втулку, установленную с возможностью скольжения вокруг области корпуса клапана вблизи расходного отверстия, втулка соединена с телом клапана через направляющий штифт и имеет форму для открывания и закрывания расходного отверстия посредством опоры на корпус подшипника. Благоприятно, что втулка и осевое перемещение шпинделя обеспечивают требуемый уровень осевого перемещения тела клапана в соответствии с усилиями на переднем конце узла так, чтобы изменить клапан между открытым и закрытым состояниями и обеспечить сигнал обратной связи для оператора через изменение давления рабочей жидкости.
Предпочтительно, узел дополнительно включает фиксатор, выполненный на или в направлении второго конца корпуса клапана, чтобы закреплять с возможностью освобождения узел внутренней трубы в по существу зафиксированном положении в колонковой трубе. Фиксатор является эффективным для захвата обращенной внутрь поверхности колонковой трубы и взаимодействия с дополнительными компонентами такими, как узлы ловильного инструмента, и компоненты отвода головки, общеизвестные из уровня техники.
В соответствии со вторым объектом настоящего изобретения предложен способ контроля течения рабочей жидкости в бурильной установке, включающий: рабочий клапан в узле внутренней трубы, чтобы поддерживать расходное отверстие жидкости узла в закрытом положении и позволить давлению жидкости толкать узел внутренней трубы в закрепленное положение в колонковой трубе буровой установки: i) в то время, когда давление жидкости приложено, чтобы толкать узел внутренней трубы в закрепленное положение; ii) когда узел внутренней трубы достигает закрепленного положения; iii) в то время, когда узел внутренней трубы закреплен, а давление жидкости сбрасывается на время; приложение дополнительного давления к жидкости для перемещения клапана в открытое положение, чтобы позволить жидкости протекать через узел внутренней трубы в процессе операции бурения.
Возможно, способ может дополнительно включать силовое перемещение тела клапана во внутреннем отверстии корпуса клапана путем приложения к нему давления жидкости через второй задний конец корпуса клапана.
Возможно, способ может дополнительно включать смещение тела клапана, чтобы закрыть расходное отверстие путем приложения давления жидкости, которое меньше, чем смещающее усилие на теле клапана i) в то время, когда узел внутренней трубы толкается в направлении закрепленного положения, ii) когда узел внутренней трубы достигает закрепленного положения и iii) в то время, когда узел внутренней трубы закреплен, и давление жидкости сбрасывается на некоторое время.
В качестве другого объекта предложен перепускной клапан в узле внутренней трубы, причем узел внутренней трубы с возможностью освобождения закреплен в колонковой трубе, имеющей головку бура, при этом давление жидкости используется для толкания узла внутренней трубы в его закрепленное положение в конце колонковой трубы, перепускной клапан работает, чтобы поддерживать расходные отверстия жидкости в узле внутренней трубы закрытыми, чтобы посредством этого позволить давлению жидкости толкать узел внутренней трубы в его закрепленное положение (а) в то время, когда давление жидкости приложено, чтобы толкать узел внутренней трубы в его закрепленное положение (b) когда узел внутренней трубы дошел до остановки в его закрепленном положении и (с) в то время, когда узел внутренней трубы закреплен, а давление жидкости на некоторое время сброшено, причем перепускной клапан после сброса давления на некоторое время работает на дальнейшее приложение давления жидкости на открытие расходных отверстий, чтобы позволить операцию бурения головкой бура колонковой трубы.
Предпочтительно, когда узел внутренней трубы достигает его закрепленного положения, расходные отверстия для жидкости в нем остаются закрытыми, посредством чего предотвращается отвод столба жидкости над узлом внутренней трубы. Это будет иметь значительные преимущества в операции бурения, поскольку в результате достигаются минимальные задержки между закреплением узла внутренней трубы и последующей готовностью к возобновлению операции бурения.
Перепускной клапан может включать тело клапана, которое является в основном цилиндрическим и которое вставлено в осевое отверстие в узле внутренней трубы. Тело перепускного клапана может перемещаться по оси в этом отверстии, чтобы открывать и закрывать расходные отверстия для жидкости. Давление жидкости может быть использовано для перемещения тела клапана в одном направлении, и сила может быть приложена посредством упругих средств (например, пружина) для перемещения тела клапана в противоположном направлении при сбросе давления жидкости.
Перепускной клапан может иметь направляющие средства, которые включают направляющий паз в осевом отверстии и направляющий штифт, установленный на теле перепускного клапана. Расположение направляющих паза и штифта может быть обратным таким, что направляющий паз расположен на теле клапана.
Направляющий паз может быть сформирован для контроля положения тела клапана, как при приложении давления жидкости, так и при его сбросе. Например, тело клапана может быть установлено в первое положение на конце направляющего паза, причем упругая сила, приложенная к телу клапана, удерживает его в этом положении. Усилие, обеспечиваемое посредством упругих средств, является достаточным, чтобы удерживать его в этом положении пока узел внутренней трубы перемещается посредством давления жидкости в колонковой трубе в его закрепленное положение и положение для бурения. При закреплении узла внутренней трубы и достаточном увеличении давления жидкости, чтобы преодолеть предопределенное усилие, приложенное посредством упругих средств, тело клапана перемещается и поворачивается, поскольку направляющий штифт на нем движется в направляющем пазу. Направляющий паз может быть расположен под углом так, что давление жидкости вызывает осевое и вращательное перемещение тела клапана ко второму положению, где оно удерживается давлением жидкости. В обоих первом и втором положениях тело клапана находится в таком положении, что расходные отверстия для жидкости являются закрытыми.
При сбросе давления жидкости упругие средства будут прикладывать достаточное усилие к телу клапана, чтобы переместить его снова по оси в третье положение. Направляющий паз снова расположен под углом, чтобы вызвать как осевое, так и вращательное перемещение тела клапана. Снова в третьем положении тело клапана закрывает расходные отверстия для жидкости, чтобы посредством этого предотвратить любой отвод жидкости, используемой для перемещения узла внутренней трубы в его закрепленное положение.
От третьего положения направляющий паз является в основном продольным таким, что приложение или сброс давления жидкости будет вызывать только осевое перемещение вдоль продольной оси осевого отверстия. Это осевое перемещение из третьего положения в четвертое положение приведет в результате к перемещению тела клапана от положения, где расходные отверстия для жидкости закрыты к четвертому положению, где расходные отверстия для жидкости открыты. Соответственно, когда давление снова прикладывается к телу клапана в третьем положении, оно будет перемещаться к открытому положению, в котором нормальная операция бурения может начаться. Приложенное давление будет достаточным для удерживания тела клапана в четвертом, открытом положении при бурении.
В другом объекте изобретения, когда узел внутренней трубы становится полным или заблокирован на торце головки бура, внутренняя труба будет действовать для перемещения перепускного клапана в положение, где расходные отверстия для жидкости закрыты. Это увеличивает давление жидкости, которое будет обнаружено на поверхности, после чего оператор будет знать, что внутренняя труба заполнена или блокирована. Когда это случится, оператор выполнит операцию отвода, причем ловильный инструмент подается в буровую трубу для прикрепления к узлу внутренней трубы. Ловильный инструмент действует, чтобы освободить фиксатор, удерживающий узел внутренней трубы на колонковой трубе, и затем отвести узел внутренней трубы на поверхность.
Перед направлением ловильного инструмента оператор поднимет буровую колонну от забоя скважины. Это приводит к разрушению керна вблизи головки бура и также снимает давление заполненной или блокированной внутренней трубы, действующее на перепускной клапан. В этом случае при отводе буровой колонны от забоя скважины вес столба жидкости в буровой колонне может быть достаточным, чтобы протолкнуть перепускной клапан в положение, где расходные отверстия для жидкости являются открытыми. Когда это происходит, жидкость в буровой колонне будет свободна для отвода в скважину.
Ловильный инструмент обычно имеет собственное устройство, которое будет взаимодействовать с узлом внутренней трубы, чтобы захватить его и в то же время освободить крепление узла внутренней трубы от колонковой трубы. Ловильный инструмент имеет трос, выходящий на поверхность, который используется для отвода узла внутренней трубы и ловильного инструмента. Это дает возможность удаления керна, после чего цикл повторяется с пустым узлом внутренней трубы, подаваемым в закрепленное положение в буровой трубе и колонковой трубе.
Узел внутренней трубы может иметь пару компонентов, которые перемещаются телескопически один по отношению к другому и расположены так, что подвижный вверх участок, который прикреплен к внутренней трубе, опирается на перепускной клапан. Упругие средства могут быть расположены между телескопическими компонентами, которые под заранее определенным давлением будут перемещаться, чтобы позволить одному из участков воздействовать на перепускной клапан, чтобы посредством этого переместить его в положение, в котором он закроет расходные отверстия для жидкости. Как упоминалось выше, это является указанием, посредством увеличения давления, которое показывает оператору, что внутренняя труба заполнена или блокирована.
В дополнение к заполнению колонковой трубы имеются другие обстоятельства, такие как блокирование внутренней трубы или износ бура до такой степени, что он теряет работоспособность и останавливает бурение. Это приведет в результате к перемещению перепускного клапана в положение, где он закроет расходные отверстия для жидкости. Эта неисправность при бурении снова обеспечит указание оператору на необходимость выполнения определенных действий.
Детальное описание одного или более вариантов изобретения обеспечено ниже с приложенными чертежами, которые показывают в том числе пример действия изобретения. Поскольку изобретение описано в связи с такими вариантами, следует понимать, что изобретение не ограничивается любым из описанных вариантов. С целью примера многочисленные конкретные детали представлены в последующем описании, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Конкретное выполнение настоящего изобретения теперь будет описано только в качестве примера и с отсылкой к приложенным чертежам, на которых:
фиг. 1 показывает сечение узла головки, включающего перепускной клапан,
фиг. 2а и 2b показывают сечение узла головки с перепускным клапаном в положении для нагнетания, причем фиг. 2b является увеличенным участком фиг. 2а,
фиг. 2с показывает перепускной клапан и направляющие средства для него, причем перепускной клапан показан в положении для нагнетания,
фиг. 3а и 3b показывают сечение узла головки с перепускным клапаном во втором положении,
фиг. 3с показывает перепускной клапан и направляющие средства, причем перепускной клапан находится во втором положении,
фиг. 4а и 4b показывают сечение узла головки с перепускным клапаном в его третьем положении,
фиг. 4с показывает перепускной клапан и направляющие средства для него, причем перепускной клапан находится в его третьем положении,
фиг. 5а и 5b показывают сечение узла головки с перепускным клапаном в его четвертом положении,
фиг. 5с показывает перепускной клапан и направляющие средства, причем перепускной клапан находится в его четвертом положении,
фиг. 6а и 6b показывают сечения узла головки, где участок узла головки был перемещен заполненной колонковой трубой в положение, где перепускной клапан был перемещен, чтобы закрыть расходные отверстия для жидкости,
фиг. 6с показывает перепускной клапан и направляющие средства, причем перепускной клапан перемещен в закрытое положение в результате заполнения внутренней трубы,
фиг. 7 показывает сечение узла головки, использующей эластомерные кольца для блокирования потока жидкости, когда колонковая труба является заполненной,
фиг. с 8 (а и b) по 12 (а и b) показывают второй вариант средств для контроля перемещения перепускного клапана 30, который включает втулку, расположенную вокруг наружной поверхности корпуса клапана.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает сечение узла головки 10. Он включает соединитель 11 внутренней трубы, корпус 12 подшипника, корпус 13 клапана и тело 14 фиксатора. Узел головки 10 присоединен к внутренней трубе (не показана), которая принимает керн. Внутренняя труба посредством резьбы соединена с соединителем 11. Внутренняя труба и узел головки 10 вместе составляют узел внутренней трубы.
Корпус 12 подшипника посредством резьбы взаимодействует с соединителем 11 внутренней трубы и содержит нижний подшипник 16 и верхний подшипник 17. Шпиндель 18 размещен внутри и между подшипниками 16 и 17. Конец головки 19 шпинделя 18 расположен в корпусе 13 клапана. Конец головки 19 шпинделя 18 опирается на заплечик 20 корпуса 13 клапана и посредством этого действует, чтобы удерживать корпус 13 клапана по отношению к корпусу 12 подшипника. Пружина 22 сжатия воздействует на конец шпинделя 18, который в свою очередь через головку 19 шпинделя воздействует на корпус 13 клапана в направлении корпуса 12 подшипника и против сжимающихся тарельчатых пружин 23. Упорный подшипник 24 расположен в корпусе 12 подшипника и опирается на конец пакета тарельчатых пружин 23. Натяжная гайка 21 используется для регулирования сжимающего усилия, прикладываемого пружиной 22 сжатия и тарельчатыми пружинами 23. Это устройство позволяет вращение соединителя 11 внутренней трубы и корпуса 12 подшипника по отношению к корпусу 13 клапана.
Тело 14 фиксатора посредством резьбы взаимодействует с верхним концом корпуса 13 клапана. Оно включает пару закрепляющих рычагов 25, которые с возможностью поворота соединены с телом 14 фиксатора через штифты 26. Верхний конец каждого рычага 25 фиксатора смещен наружу посредством эластомерного кольца 27, которое расположено вокруг нижнего конца каждого рычага 25 фиксатора.
Перепускной клапан 30, имеющий в основном цилиндрическое тело, размещен в осевом отверстии 31 в корпусе 13 клапана. Перепускной клапан 30 имеет направляющий штифт 33, который расположен в направляющем пазу 34, наиболее хорошо видимом на фиг. 2с. Перепускной клапан 30 опирается на штифт 35, установленный в пружине 36, которая расположена в осевом отверстии 37 в шпинделе 18. Пружина 36 действует, чтобы поджимать штифт 35 к перепускному клапану 30.
Расходное отверстие 38 для жидкости продолжается от осевого отверстия 31 к наружной поверхности корпуса 13 клапана. Затвор для жидкости образован между гибким уплотнением 39, установочным заплечиком 40 и установочным кольцом (не показано), которое находится сверху наружной трубы (не показана) колонковой трубы. Следовательно, когда узел внутренней трубы находится в его положении для бурения, буровая жидкость, которая нагнетается вниз буровой трубы, должна затем протекать через тело 14 фиксатора в корпус 13 клапана и через расходные отверстия 38, чтобы затем проделать свой путь к головке бура между внутренней трубой и наружной трубой колонковой трубы. Буровая жидкость затем возвращается на поверхность через кольцевое пространство, образованное стенкой пробуренной скважины и наружной поверхностью буровой колонны.
Узел внутренней трубы, который включает узел головки 10 и внутреннюю трубу (не показана), прикрепленную к соединителю 11, предназначен как быть отведенным, когда внутренняя труба заполнена керном или блокирована, так и быть вставленным в буровую трубу после его отвода и опорожнения внутренней трубы. В зависимости от ориентации пробуриваемой скважины узел внутренней трубы может как быть опускаемым посредством ловильного инструмента и троса в его положение для бурения, так и альтернативно подаваться в его положение для бурения с помощью давления жидкости. В некоторых случаях плотность буровой жидкости может быть такой, что узел колонковой трубы может свободно падать в его положение для бурения в случае вертикальной скважины или скважины близкой к вертикальной. В случае вертикальной сухой скважины, где нет присутствия жидкости в буровой колонне, может быть необходимым опускание с поверхности с помощью ловильного инструмента и троса. Обычно, давление жидкости также может быть использовано для перемещения узла внутренней трубы в его положение для бурения. В случае настоящего изобретения это означает, что столб воды будет уже заполнять буровую трубу, когда узел внутренней трубы достигает его положения для бурения (также обозначенного как закрепленное положение), вследствие чего бурение может быть начато немедленно, скорее, чем снова ожидать заполнения трубы, что может быть в случае, если позволен отвод буровой жидкости.
В случае горизонтальной скважины будет необходимым перемещение узла внутренней трубы в его положение для бурения с помощью давления жидкости. Фиг. 2а, 2b и 2с показывают перепускной клапан 30, расположенный для перемещения узла внутренней трубы в его положение для бурения с помощью давления жидкости. В этом положении перепускной клапан 30 закрывает расходные отверстия 38 для жидкости. Установочный заплечик 40, который включает гибкое уплотнение 39, образует достаточный затвор для жидкости с внутренней стенкой буровой трубы (не показана), посредством чего по существу предотвращается проход жидкости через гибкое уплотнение 39 и установочный заплечик 40. Соответственно, когда перепускной клапан находится в положении, показанном на фиг. 2а, 2b и 2с, давление жидкости может быть использовано для перемещения узла внутренней трубы в его положение для бурения.
Как видно на фиг. 2с, направляющий штифт 33 перепускного клапана 30 расположен в конце 41 направляющего паза 34 (первое положение). Первый участок 34' направляющего паза 34 расположен под углом по отношению к продольной оси корпуса 13 клапана с концом 41, расположенным сверху по отношению к корпусу 13 клапана, и с нижним концом 42 паза 34’, расположенным впереди верхнего конца 41. В этом положении пружина 36 штифта 35 сжата так, что штифт 35 поджимает перепускной клапан 30, чтобы удерживать направляющий штифт 33 в верхнем конце 41 паза 34'.
Поджимающее усилие, приложенное пружиной 36, является таким, что жидкость, используемая для перемещения узла внутренней трубы в положение для бурения, не вызывает перемещения перепускного клапана 30, в связи с чем расходные отверстия 38 для жидкости остаются закрытыми в процессе нагнетания. Перепускной клапан 30 остается в положении, показанном на фиг. 2а, 2b и 2с, поскольку узел внутренней трубы перемещается к его положению для бурения.
Фиг. 3а, 3b и 3с показывают узел внутренней трубы в его положении для бурения или закрепленном положении. Когда установочный заплечик 40 входит в контакт с установочным кольцом, перемещение узла внутренней трубы прекращается и фиксаторы 25 располагаются позади закрепляющего соединения (не показано) на колонковой трубе выше наружной трубы (не показана). Это закрепляет узел внутренней трубы по отношению к колонковой трубе, в результате чего узел внутренней трубы останавливается. Это в свою очередь приводит к пику давления в нагнетаемой жидкости, который дает указание на поверхности оператору, что узел внутренней трубы закреплен в его положении для бурения.
Это увеличение давления является достаточным, чтобы переместить перепускной клапан 30 в его второе положение, показанное на фиг. 3с. Это перемещение контролируется направляющим штифтом 33 и направляющим пазом 34 так, что, поскольку перепускной клапан 30 перемещается внутрь, он также поворачивается, поскольку направляющий штифт 33 перемещается вдоль первого направляющего паза 34'. Когда направляющий штифт 33 достигает нижнего конца 42 паза 34', он удерживается в этом положении давлением жидкости. Второй направляющий паз 34'' расположен под углом вверх так, что первый направляющий паз 34' и второй направляющий паз 34'' образуют форму в виде буквы v c нижним концом 42 в основании каждого соответствующего паза. Непрерывное поддержание давления жидкости будет, следовательно, удерживать перепускной клапан 30 в этом положении и поддерживать указание увеличенного давления для оператора на поверхности. В то же время, как показано на фиг. 3а и 3b, перепускной клапан 30 держит расходные отверстия 38 для жидкости закрытыми. Это означает, что увеличение давления жидкости будет оставаться до тех пор, пока оператор отключит нагнетание и откроет сбрасывающий клапан на поверхности.
Фиг. 4а, 4b и 4с показывают перепускной клапан 30 в его третьем положении, которое является следствием отключения нагнетания потока жидкости и открытия перепускного клапана на поверхности. При уменьшении давления жидкости над перепускным клапаном 30 штифт 35 и пружина 36 толкают перепускной клапан 30 в его третье положение. Как показано на фиг. 4с, направляющий штифт 33 теперь перемещен к верхнему концу 43 второго направляющего паза 34''. Снова в этом положении перепускной клапан 30 держит расходные отверстия 38 для жидкости закрытыми. Это поддержание закрытия расходных отверстий 38 для жидкости является важным, поскольку это предотвращает отвод жидкости в буровой колонне над узлом внутренней трубы. Если бы расходные отверстия 38 для жидкости были открыты, в случае горизонтальной скважины или наклоненной вверх скважины или в случае сухой скважины, тогда столб жидкости над узлом внутренней трубы был бы свободен для отвода. Поскольку на поверхности подготовка буровой колонны для работы в режиме бурения занимает некоторое время, эта потеря жидкости, которую придется восстанавливать, вызовет задержку в возможности возобновления операции бурения. Возобновление операции бурения при отсутствии какого-либо потока жидкости, проходящего через головку бура является, очевидно, нежелательным и может привести в результате к перегреву и пережогу режущих элементов головки бура. Соответственно, путем поддержания столба жидкости в буровой колонне, операция бурения может быть возобновлена с минимальной задержкой.
Фиг. 5а, 5b и 5с показывают перепускной клапан 30 в его положении для бурения. В этом варианте требуется достаточное давление, чтобы переместить перепускной клапан 30 в его четвертое положение, как показано на фиг. 5а, 5b и 5с. Это давление нагнетания будет преодолевать усилие, прикладываемое штифтом 35 и пружиной 36. Как видно на фиг. 5с, третий направляющий паз 34''' продолжается параллельно продольной оси узла головки 10, что в свою очередь вызывает перемещение перепускного клапана 30 вдоль осевого отверстия 31 так, что он опирается на конец головки 19 шпинделя 18. В этом положении расходные отверстия 38 для жидкости являются открытыми, что позволяет буровой жидкости проходить к головке бура. Перепускной клапан 30 будет удерживаться в этом открытом положении при поддержании требуемого давления в потоке жидкости. Если по какой-либо причине давление в потоке жидкости будет сброшено или уменьшено, тогда перепускной клапан 30 будет перемещаться по оси снова к верхнему концу 43 паза 34'''. Это означает, что перепускной клапан 30 готов к перемещению в его четвертое открытое положение, как только давление жидкости снова приложено.
Фиг. 6а, 6b и 6с показывают относительное перемещение между корпусом 12 подшипника и корпусом 13 клапана, когда керн блокирует или заполняет внутреннюю трубу. Когда это происходит, непрерывная подача буровой трубы по отношению к забою скважины заставляет керн во внутренней трубе (или внутреннюю трубу в случае блокирования) толкать соединитель 11 внутренней трубы и через него толкать корпус 12 подшипника по отношению к корпусу 13 клапана так, что сжимаются тарельчатые пружины 23. Это в свою очередь в результате приводит к тому, что головка 19 шпинделя 18 перемещается по оси в осевом отверстии 31. Перепускной клапан 30, который контактирует с головкой 19 шпинделя 18, в свою очередь перемещается в осевом отверстии 31 до точки, где он снова закроет расходные отверстия для жидкости. Это в свою очередь приводит к скачку давления жидкости, который воспринимается на поверхности оператором. Оператор знает, что внутренняя труба заполнена или имеется проблема и что узел внутренней трубы нуждается в отводе. Оператор тогда начинает порядок отвода узла внутренней трубы, который включает использование ловильного инструмента для соединения с телом 14 фиксатора. Действие ловильного инструмента (не показан) состоит в том, чтобы закрыть фиксатор для освобождения узла внутренней трубы от колонковой трубы при одновременном позитивном взаимодействии с телом 14 фиксатора так, что узел внутренней трубы может быть удален на поверхность.
Перед отводом узла внутренней трубы буровая колонна и бур поднимаются от забоя скважины, чтобы оторвать керн от пробуриваемой скважины обычным путем. При подъеме буровой колонны от забоя скважины давление на внутреннюю трубу, которое вызывает относительное перемещение между корпусом 12 подшипника и корпусом 13 клапана, сбрасывается. В результате это приведет к восстановлению тарельчатых пружин 23, которое в свою очередь отведет головку 19 шпинделя 18, толкающую перепускной клапан 30 в положение, где он закроет расходные отверстия 38 для жидкости. В этом положении усилие прикладываемое пружиной 36 и штифтом 35 к перепускному клапану 30 может быть недостаточным, чтобы выдержать усилие, приложенное столбом воды в буровой трубе. Если это случится, перепускной клапан 30 переместится в открытое положение и позволит отвод столба жидкости из буровой трубы. Это будет в случае вертикальной или близкой к вертикальной скважины. Когда буровая колонна поднята от забоя скважины, трос, прикрепленный к ловильному инструменту, может быть затем использован для отвода узла внутренней трубы.
Второй вариант перепускного клапана 30 представлен на фиг. 8 (а и b) - 12 (а и b) и показывает устройство, где головка 19 шпинделя 18 посредством резьбы взаимодействует с осевым отверстием 31. Это обеспечивает более жесткое соединение между корпусом 13 клапана и корпусом 12 подшипника. Однако, это теперь означает, что шпиндель 18 не будет перемещаться по отношению к корпусу 13 клапана, когда внутренняя труба заполнена или блокирована, и, следовательно, головка 19 шпинделя 18 не будет перемещать опирающийся на нее перепускной клапан 30, когда он находится в положении для бурения, чтобы закрыть расходные отверстия 38 для жидкости.
Как видно на фиг. 8b, втулка 45 теперь расположена на наружной поверхности корпуса 13 клапана и имеет лапки 46, которые соединены со штифтом 35. В этом варианте пара диаметрально противолежащих направляющих пазов 34 может быть выполнена в корпусе 13 клапана и также пара штифтов 33 установлена в перепускном клапане 30. Лапки 46 прикреплены соответственно к штифтам 33. Втулка 45 имеет скользящую посадку на наружной поверхности корпуса 13 клапана и, следовательно, свободно перемещается при перемещении перепускного клапана 30 в осевом отверстии 31. Втулка 45 будет перемещаться как продольно по отношению к корпусу 13 клапана, так и поворачиваться, поскольку штифт 33 перепускного клапана 30 перемещается в направляющих пазах 34.
Работа перепускного клапана 30, как видно на фиг. 8 (а и b) - 11 (а и b) будет такой же, как описано выше. Однако, как видно на фиг. 12а и 12b, когда внутренняя труба заполнена или блокирована, корпус 12 подшипника перемещается вверх по отношению к корпусу 13 клапана, шпиндель 18, вследствие того что головка 19 взаимодействует посредством резьбы с корпусом 13 клапана, остается зафиксированным по отношению к корпусу 13 клапана, вследствие чего корпус 12 подшипника будет перемещаться вверх по отношению к шпинделю 18. Это в свою очередь вызовет сжатие пружины 22 вследствие перемещения верхнего подшипника 17 в корпусе 12 подшипника. В то же время корпус 47, в котором расположены тарельчатые пружины 23, будет перемещаться вверх по отношению к корпусу 13 клапана. При этом конец 48 корпуса 47 будет контактировать с втулкой 45 и перемещать ее и прикрепленные направляющие штифты 33 и перепускной клапан 30 вверх в осевом отверстии 31, чтобы закрыть расходные отверстия 38 для жидкости. Соответственно, перепускной клапан 30 будет действовать, чтобы предотвратить поток буровой жидкости и, следовательно, обеспечить указание на то, что внутренняя труба заполнена или блокирована.
Как может быть видно из приведенного выше описания, перепускной клапан 30, использованный в этих вариантах, обеспечивает значительное преимущество над обычной известной системой в том, что перепускной клапан 30 будет поддерживать столб воды в буровой трубе после закрепления узла внутренней трубы в его положении для бурения. Перепускной клапан 30 также обеспечивает преимущество, связанное с указанием, когда внутренняя труба является заполненной, по сравнению с известными системами. В известных системах отсекающий клапан включает эластомерные кольца, которые при сжатии расширяются до внутренней стенки буровой трубы. Хотя эта система длительное время является удовлетворительной, перепускной клапан, как описано здесь, обеспечивает полезную альтернативу, которая, как полагают изобретатели, является улучшением по сравнению с прежде известными системами.
Альтернативно, вместо головки 19 шпинделя 18, предназначенной для толкания перепускного клапана 30, когда внутренняя труба является заполненной, чтобы переместить его для закрытия расходных отверстий 38 для жидкости, узел головки 10 может включать эластомерные кольца 50, которые сжимаются для закрытия скважины, чтобы обеспечить указание по давлению, что внутренняя труба является заполненной. Это устройство показано на фиг. 7.
Специалистам будет также понятно, что узел внутренней трубы, описанный выше, и, в частности, закрепляющее устройство облегчают использование единого комплекта инструментов из ловильных узлов и внутренней трубы, которые могут быть использованы во множестве различных типов скважин, которые являются как сухими, так и мокрыми, и во множестве скважин, имеющих различные наклоны от вертикально вниз до вертикально вверх и во всех положениях между ними. Это является следствием того, что узел внутренней трубы имеет возможность подачи как под давлением жидкости, так и опускания с использованием ловильного инструмента и также тот же ловильный инструмент имеет возможность подачи под давлением жидкости или опускания к фиксатору с узлом внутренней трубы. Это будет значительным преимуществом для буровиков, которым до этого изобретения требовалось выполнять различные установки инструментов для различных типов скважин. Это изобретение обеспечивает, следовательно, унифицированный комплект инструментов, который может быть использован в любом типе скважины.
Для специалистов должно быть понятно, что изобретение не ограничено в использовании описанным частным случаем. Настоящее изобретение не ограничено в предпочтительном варианте в отношении частных элементов и/или признаков, описанных или отображенных здесь. Следует понимать, что изобретение не ограничено раскрытым вариантом или вариантами, но возможны различные переделки, модификации и замещения без отхода от объема изобретения.
Реферат
Группа изобретений относится к керновому бурению скважин. Узел внутренней трубы содержит узел головки и выполнен с возможностью освобождения закрепляемой в колонковой трубе установки для кернового бурения. Корпус клапана образует внутреннее отверстие, продолжающееся вдоль оси в направлении между первым и вторым концами корпуса. По меньшей мере одно расходное отверстие для жидкости выполнено через корпус клапана для обеспечения гидравлического сообщения с областью, окружающей корпус клапана и отверстие. Тело клапана выполнено с возможностью скольжения, установлено вдоль оси в отверстии, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие. Смещающий элемент действует на тело клапана для перемещения его в первом осевом направлении в отверстии. Направляющая положения выполнена для направления и контроля положения тела клапана в отверстии. Тело клапана имеет форму, обеспечивающую перемещение во втором обратном осевом направлении в отверстии, чтобы открывать и закрывать расходное отверстие посредством давления жидкости, действующего на него через второй конец корпуса. Узел дополнительно содержит штифт клапана, установленный с возможностью осевого перемещения в отверстии для контакта с телом клапана, причем смещающий элемент имеет форму, обеспечивающую смещение штифта до контакта с телом клапана. Направляющая положения содержит паз, выполненный в корпусе, и направляющий штифт, продолжающийся радиально от тела клапана с возможностью перемещения в пазу. Паз включает участок, имеющий угловую часть. Направляющий штифт выполнен с возможностью перемещения вдоль участка и прохождения через угловую часть, между первым участком направляющего паза, вторым участком и третьим участком. Участок третьего направляющего паза продолжается параллельно продольной оси узла головки. Повышается чувствительность клапана на давление жидкости и повышается степень его контролируемости. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 27 ил.
