преобразователь давления буровой жидкости

Формула изобретения

1. Преобразователь давления буровой жидкости для установки над буровой коронкой в нижнем конце буровой трубы для глубокого бурения, в частности на нефть и газ, и для создания потока жидкости повышенного давления с использованием энергии протекающей через буровую трубу промывочной жидкости, содержащий корпус, полость которого образована цилиндрическими поверхностями различного диаметра, поршневое средство, выполненное в виде поршня, размещенного в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью большего диаметра, и коаксиально расположенным на поршне штоком, размещенным в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью меньшего диаметра, причем поршневое средство установлено в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения с ходом сжатия и обратным ходом и с образованием под поршнем штоковой камеры, и канал высокого давления, отличающийся тем, что поршневое средство установлено в корпусе с образованием нижней стенкой корпуса и свободным торцом штока плунжерной камеры, сообщенной каналом с обратным клапаном с каналом высокого давления и полостью буровой трубы, штоковая камера сообщена каналами с затрубным пространством, причем преобразователь давления снабжен золотником, предназначенным для управления ходом поршневого средства и установленным на входе в полость поршневой камеры из полости буровой трубы, и приводом переключения золотника энергией потока буровой жидкости.

2. Преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что он снабжен размещенной в штоковой камере между корпусом и поршневым средством пружиной, преимущественно пружиной сжатия.

3. Преобразователь давления по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одним обратным клапаном, установленным на входе в полость плунжерной камеры из канала высокого давления.

4. Преобразователь давления по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одним дополнительным обратным клапаном, установленным на входе в полость плунжерной камеры из полости буровой трубы.

5. Преобразователь давления по пп.1 3 или 4, отличающийся тем, что поршневое средство установлено в корпусе с возможностью свободного перемещения в аксиальном направлении под воздействием буровой жидкости или давления пружины.

6. Преобразователь давления по одному из пп.1 5, отличающийся тем, что поршневое средство установлено в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения в продольном направлении буровой трубы.

7. Преобразователь давления по пп.1 6, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными блоками, каждый из которых образован корпусом и поршневым средством, при этом поршневые камеры основного и дополнительных блоков сообщены с полостью бурильной трубы и затрубным пространством, а плунжерные камеры основного и дополнительных блоков сообщены с каналом высокого давления.

8. Преобразователь давления по одному из пп.1 7, отличающийся тем, что каналы для сообщения штоковой камеры и затрубного пространства выполнены в виде патрубков, анкерующих частично преобразователь давления в буровой трубе.

9. Преобразователь давления по одному из пп.1 8, отличающийся тем, что привод золотника выполнен в виде турбины, размещенной в основной части потока буровой жидкости на входе преобразователя давления.

10. Преобразователь давления по п.7, отличающийся тем, что он снабжен установленными в отверстиях, выполненных в корпусах основного и дополнительных блоков и связанных между собой ведущими осями для привода золотников каждого из блоков.

11. Преобразователь давления по одному из пп.1 10, отличающийся тем, что золотник выполнен в виде пластины со смещенным относительно центральной оси сквозным осевым отверстием, установленной с возможностью вращения относительно центральной оси, совпадающей с продольной осью буровой трубы.

12. Преобразователь давления по одному из пп.1 11, отличающийся тем, что он снабжен установленной над золотником плоской фасонной крышкой, имеющей радиальные каналы для впуска потока буровой жидкости и выпуска возвратного потока в затрубное пространство и сообщенные с радиальными каналами дугообразные щели, угловые размеры которых относительно центральной оси превышают по величине угловые размеры отверстия в золотнике относительно той же оси.

13. Преобразователь давления по п.11, отличающийся тем, что на боковой поверхности золотника выполнены зубья для кинематической связи с ведущей осью.

14. Преобразователь давления по п.13, отличающийся тем, что он снабжен шестерней, закрепленной на ведущей оси, и промежуточной шестерней, установленной в корпусе и находящейся в зацеплении с шестерней на ведущей оси и золотником.

15. Преобразователь давления по пп.11 14, отличающийся тем, что он снабжен установленными с обеих сторон пластины износостойкими несущими плитами со сквозными щелями, совпадающими с соответствующими щелями, выполненными в крышке.

16. Преобразователь давления по пп.12 и 15, отличающийся тем, что щели в крышке и несущих плитах выполнены с меньшими угловыми размерами относительно центральной оси по сравнению с угловыми размерами отверстия в пластине относительно той же оси.

17. Преобразователь давления по пп.7 и 10, включающий группу блоков, отличающийся тем, что отверстия в пластинах или щели в крышках каждого из блоков установлены со смещением между собой относительно центральной оси для обеспечения работы со сдвигом фаз и выравнивания результирующего давления в канале высокого давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения нефти и газа, а более точно касается преобразователя давления буровой жидкости для установки над буровой коронкой в нижнем конце буровой трубы для глубокого бурения, в частности нефти и газа, с целью создания возрастающего давления жидкости путем использования энергии потока буровой жидкости, стекающего вниз через буровую трубу.

Известен способ, описанный в международной заявке на патент PCT/EP 82/00147. В этом способе используется ударное воздействие, вызываемое потоком буровой жидкости и используемое в качестве источника энергии для усиления бурового действия. Известен преобразователь давления буровой жидкости (патент США N 3112800), устанавливаемый над буровой коронкой в нижнем конце буровой трубы для глубокого бурения на нефть и газ и для создания потока жидкости повышенного давления с использованием энергии протекающей через буровую трубу промывочной жидкости.

Этот преобразователь содержит корпус, полость которого образована цилиндрическими поверхностями различного диаметра, поршневое средство, выполненное в виде поршня и штока. Поршень размещен в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью большего диаметра. Шток коаксиально расположен на поршне и размещен в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью меньшего диаметра. Поршневое средство установлено в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения с ходом сжатия и обратным ходом и с образованием над поршнем поршневой камеры, сообщенной с полостью бурильной трубы и под поршнем штоковой камеры. Преобразователь содержит также канал высокого давления, сообщенный с полостью корпуса.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности бурения посредством создания высокого давления буровой жидкости, подаваемой на буровую коронку.

Технический результат достигается тем, что в преобразователе давления буровой жидкости для установки над буровой коронкой в нижнем конце буровой трубы для глубокого бурения, в частности на нефть и газ, и для создания потока жидкости повышенного давления с использованием энергии протекающей через буровую трубу промывочной жидкости, содержащем корпус, полость которого образована цилиндрическими поверхностями различного диаметра, поршневое средство, выполненное в виде поршня, размещенного в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью большего диаметра, и коаксиально расположенном на поршне штоком, размещенным в части полости корпуса, образованной цилиндрической поверхностью меньшего диаметра, причем поршневое средство установлено в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения с ходом сжатия и обратным ходом и с образованием над поршнем поршневой камеры, сообщенной с полостью буровой трубы, а также с образованием под поршнем штоковой камеры, и канал ысокого давления, согласно изобретению, поршневое средство установлено в корпусе с образованием нижней стенки корпуса и свободным торцом штока плунжерной камеры, сообщенной каналом с обратным клапаном с каналом высокого давления и полостью буровой трубы, штоковая камера сообщена каналами с затрубным пространством, причем преобразователь давления снабжен золотником, предназначенным для управления ходом поршневого средства и установленным на входе в полость поршневой камеры из полости буровой трубы, и приводом переключения золотника энергией потока буровой жидкости.

На фиг. 1 изображена схема потока, показывающая обычную зависимость давления в связи с обсадной колонной, снабженной преобразователями давления; на фиг. 2 вариант выполнения преобразователя давления с частичным разрезом; на фиг. 3 то же,с внутренними частями, включая подвижно съемные части; на фиг. 4 крышка, устанавливаемая в верхней части преобразователя, с частичным разрезом; на фиг. 5 вид в плане золотника, используемого в преобразователе давления, показанном на фиг. 2; на фиг. 6 сечение по А-А на фиг. 2; на фиг. 7 система из четырех преобразователей давления, выполненных согласно фиг. 2, в группе, снабженной верхней частью и нижней частью; на фиг.8,а-8,б верх и низ группы, показанной на фиг.7, при установке в буровой трубе.

Основные процессы, которые имеют место в обсадной буровой колонне и сопровождающие типичные примеры зависимости давления при использовании преобразователей, согласно изобретению, для преобразования из жидкости, имеющей относительно низкое давление в пределах от 200 до 340 бар, в меньшее количество жидкости, имеющей высокое давление в пределах от 1500 до 2000 бар (относительные величины), показаны на фиг. 1.

Поток жидкости А поступает из насосной системы, выходя под давлением около 200 бар и максимум 340 бар, и в количестве около 2000-4000 л/мин в зависимости от длины обсадной колонны и емкости системы.

Буровая жидкость входит в группу преобразователей давления, состоящую из четырех блоков, куда она пропускается В турбиной для управления золотником. Считается, что при прохождении через обсадную колонну через турбину давление падает до 50 бар.

Буровая жидкость разделяется на два потока. Один примерно от 400 до 600 л/мин проходит через преобразователи давления, в то время как остальная часть проходит через систему в буровую коронку, где вследствие струйных сопел давление падает до 180-270 бар. После прохождения через буровую коронку возникает обратный поток Н, имеющий падение давления примерно до 20 бар до возвращения потока в буровой модуль в верхней части обсадной колонны, где поток как обычно подается в открытый отстойник (1 бар).

В каждом преобразователе давления поток жидкости С будет совершать свою работу посредством возрастания давления в меньшем количестве буровой жидкости, и в силу этого давление в этом потоке падает от 200-290 до 20 бар. Затем поток проходит по трубе Д и выходит в возвратный поток Н, который проходит снаружи обсадной колонны или трубки внутри обычного кожуха и под давлением примерно 20-40 бар.

Меньшая часть потока жидкости, которой была сообщена энергия, подвергалась увеличению давления от 200-290 до 1500-2000 бар. Этот поток жидкости проходит через канальную систему Е вниз в буровую коронку. В частях буровой коронки установлены особые сопла высокого давления, которые делают возможным "врезание" в горную породу.

Противодавление является таким же, как для буровой жидкости, примерно 20 бар, при прохождении через сопла давление падает от 1500-2000 бар минус 20 бар и становится около 1480-1980 бар.

Потоки F и G соединяются и переносят раздробленные и свободные частицы на поверхность, т.е. потоки F и G вливаются в общий возвратный поток Н.

Преобразователь давления (фиг.2)содержит корпус 1, полость которого образована цилиндрическими поверхностями 2, 3 (фиг. 3) различного диаметра, и поршневое средство, выполненное в виде поршня 4, размещенного в части полости корпуса 1, образованной цилиндрической поверхностью 2 большего диаметра, и коаксиально расположенного на поршне 4 штоком 5, размещенным в части полости корпуса 1, образованной цилиндрической поверхностью 3 меньшего диаметра.

Поршень 4 установлен в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения с ходом сжатия и обратным ходом. Он может свободно передвигаться аксиально под влиянием изменяющихся давлений буровой жидкости на торцевые поверхности поршня 4 и штока, а также под влиянием пружины 6.

Пружина размещена в штоковой камере 7, образованной под поршнем 4. Над поршнем 4 образована поршневая камера 8, сообщенная с полостью буровой трубы 9 (фиг. 8,а). Между нижней стенкой корпуса 1 и свободным торцом штока 5 образована плунжерная камера 10, сообщенная каналом 11 с обратным клапаном 12 с каналом 13 высокого давления и полостью буровой трубы 9.

Как очевидно из следующего описания, поршневая камера 8 является камерой низкого давления, а плунжерная камера 10 является камерой высокого давления.

Канал 13 проходит через корпус 1 по всему продольному его направлению с целью соединения нескольких преобразователей давления в группу. Такое размещение группы будет более подробно показано на фиг.7 и 8,а,б.

Преобразователь давления снабжен золотником, предназначенным для управления ходом поршневого средства и установленным на входе в полость поршневой камеры 8. Этот золотник выполнен в виде круглой пластины 14, имеющей зубья по окружности, как видно на фиг. 5.

Диаметрально противоположно каналу 13 через всю длину корпуса 1 предусмотрена расширенная часть стенки, имеющая отверстие проходящей насквозь ведущей оси 15, на концах которой имеются средства, предназначенные для соединения с соответствующими преобразователями давления на обоих концах.

Ведущая ось 15 имеет малую шестерню 16, которая через вторую малую шестерню (не показана), установленную на оси 17, служит для вращения пластины 14 относительно центральной оси преобразователя давления, совпадающей с осью буровой трубы 9, в которой установлен преобразователь давления.

Пластина 14 обеспечивает направление части потока буровой жидкости в поршневую камеру 8 и из нее. В верхней части корпуса 1 под пластиной 14 установлена плоская фасонная крышка 18, имеющая два радиальных, расположенных напротив друг друга каналы 19, 20 продолжающиеся в стенку корпуса 1.

Канал 19 предназначен для впуска потока буровой жидкости,канал 20 для выпуска возвратного потока в затрубное пространство между обсадной колонкой или трубой 9 и корпусом 1. Каналы 19, 20 сообщены с дугообразными щелями 21, 22 (фиг. 4) соответственно, угловые размеры которых относительно центральной оси превышают по величине угловые размеры сквозного осевого отверстия 23 (фиг. 5), выполненного в пластине 14 со смещением относительно той же оси. Обе щели 21, 22 открыты вниз для сообщения с отверстием 23 при вращении пластины 114. С обеих сторон пластины 14 установлены износостойкие несущие плиты 24, 25 со сквозными щелями, совпадающими с соответствующими щелями, выполненными в крышке 18. Пластина 14 в комплекте с крышкой 18 наверху и несущей плитой 25 внизу удерживается на месте прежде всего верхним блокирующим кольцом 26, а затем нижним блокирующим или несущим кольцом 27.

Кроме того, на фиг. 4 показан центральный болт 28, который, помимо всего прочего, представляет собой ось для вращения пластины 14. Пластина 14 и плиты 24, 25 могут быть выполнены из различных материалов, но для того, чтобы противостоять жесткой окружающей среде, которую представляет циркулирующая буровая жидкость, может быть предпочтительным применять высококачественные материалы, можно и в виде покрывающих поверхностей, например, керамические материалы, которые, в частности, могут быть применены для обеих несущих плит 24 и 25.

На фиг.2 и 3, кроме того, показаны (три из четырех) патрубки 29, 30 и 31 для сообщения штоковой камеры 7 с возвратным перепускным каналом для прохождения буровой жидкости вверх в кольцевое пространство между буровой трубой 9 или обсадкой и самим корпусом 1.

Как видно их фиг. 6, плунжерная камера 10, 32, 33 сообщена с двумя каналами с установленными в них соответствующими обратными клапанами 34, 35 для обеспечения притока буровой жидкости из основного ее потока внутрь буровой трубы 9.

Преобразователь давления работает следующим образом. Начиная с верхней неподвижной точки поршня 4, происходит ход сжатия в нижнем направлении, когда отверстие 23 в пластине 14 перемещается ниже впускной щели 22 в плите 18, в силу чего буровая жидкость под давлением около 200-300 бар входит через впускной канал 19 и оказывает направленное вниз управляющее воздействие на верхнюю торцевую поверхность поршня 4. Нижняя торцевая поверхность поршня 4 подвергается воздействию более низкого давления, обычно около 20-40 бар, в то время как пружина 6 может обладать выталкивающим силовым воздействием, например, в пределах от 2 до 400 кг.

Движущая сила воздействует вниз на верхнюю торцевую поверхность поршня 4, однако не будет воспринимать противодействие снизу и повлечет за собой желаемый ход сжатия. При этом движении вниз буровая жидкость перед нижней торцевой поверхностью поршня 4 будет выталкиваться через патрубки 29, 30, 31 в тот момент, когда пружина 6 будет сжиматься и частично входить в кольцевое углубление, в котором она удерживается. Опорная стена вверху углубления (фиг. 3) может служить для ограничения максимального движения вниз при ходе сжатия.

Преднамеренное формирование высокого давления происходит в плунжерной камере 10, и буровая жидкость под высоким давлением выталкивается через канал 11 и обратный клапан 12 в канал 13.

Угловое размещение и разделение обеих отдельных щелей 21 и 22 в крышке 18, а также соответствующее расположение щелей по существу такое же, как в несущих плитах 24 и 25, наряду с конструкцией сквозного отверстия 23 в пластине 14 определяют осуществление описанного выше хода сжатия и обратного хода, в результате которого поршень 4 переходит из нижнего положения или нижней мертвой точки в верхнем направлении к верхнему положению, которое является исходной точкой хода сжатия.

Обратный ход начинается, когда отверстие в пластине 14 через выпускной канал 20 сообщает поршневую камеру 8 с кольцевым пространством между буровой трубой 9 и корпусом 1, т.е. при упомянутом более низком давлении в возвратном потоке буровой жидкости. Затем сначала давление на верхнюю и нижнюю торцевые поверхности поршня 4 будет уравниваться, а пружина 6 сжатия обеспечивает начало движения вверх поршня 4. В этой фазе уже будет существовать высокое давление в плунжерной камере 10 ниже 1500 бар, которое также принимает участие в движении вверх поршня 4. Клапан 12 будет закрыт для установления высокого давления буровой жидкости в канале 13. При движении поршня 4 вверх объем плунжерной камеры 10 увеличивается, и впускные клапаны 34 и 35 (фиг. 6) откроются для выталкивания буровой жидкости в буровую трубу 9 под давлением примерно 200-300 бар. Это также входит в общее направленное вверх толкающее силовое воздействие. В процессе этого обратного хода возникает поток буровой жидкости внутрь через патрубки 29, 30 и 31 в штоковую камеру 7. В связи с описанным здесь принципом действия должно быть выполнено то, чтобы промежутки между концами щелей 21 и 22 и соответствующими щелями в плитах 24 и 25 были бы достаточно большими по сравнению с размером отверстия 23 в пластине 14 для предупреждения любого сквозного потока или "короткого замыкания" от высокого давления буровой жидкости до давления обратного потока.

Выше был описан только один блок преобразователя давления и его принцип действия. На фиг. 7 и 8,а,б показано объединение блоков преобразователя в группу для получения более высокой общей производительности или мощности.

На фиг. 7 показаны четыре блока 36, 37, 38, 39 преобразователя давления, соединенные друг с другом встык в продольном направлении, с верхней частью 40, смонтированной на основном блоке 36, и нижней частью 41, установленной на блоке 39.

На блоке 36 преобразователя показаны патрубки 29 и 30, как на фиг. 2 и 3, а также ведущая ось 15, которая с возможностью вращения соединена с ведущими осями дополнительных блоков, то есть осями 42, 43 и 44 соответственно.

На верхней части 40 установлен привод золотника, выполненный в виде турбины 45, которая может приводиться в действие потоком буровой жидкости, благодаря чему зубчатая передача переносит мощность от оси турбины 45 на связанные с ней ведущие оси 15, 42, 43, 44 для их совместного вращения и тем самым обеспечивает принудительное управление золотников блоков 36, 37, 38, 39 преобразователя.

Предпочтительно, чтобы существовал сдвиг фаз, то есть со взаимным угловым смещением для того, чтобы ходы сжатия и в силу этого выход высокого давления из каждого блока 36, 37, 38, 39 в общий канал 13 были сглажены и выравнили результирующее давление потока в канале 13.

Позицией 46 показан канал, который проходит в нижнюю часть 41, имеющую центральное выпускное отверстие для дальнейшего течения жидкости в зону буровой коронки (не показана).

Объединенная группа преобразователей давления монтируется свободно стоящей в буровой трубе 9 с опорой на нижнюю плиту.

На фиг. 8, а, б показаны в связи с этим некоторые части вверху и внизу группы соответственно. Блоки преобразователя 36 и 39 показаны полностью, в то время как блоки 37 и 38 показаны только частично. Окружающая буровая труба 9 образует кольцевой проходной канал 47 для жидкости снаружи и вокруг блоков 36-39 преобразователя давления для обеспечения нормального движения основной части потока буровой жидкости вниз в буровую коронку. Полный поток буровой жидкости сверху указан стрелкой 48 на фиг.8,а. Через сужающуюся впускную часть внутри буровой трубы 9 поток буровой жидкости поступает на турбину 45, размещенную на входе в группу преобразователей.

Описанные ранее патрубки 29, 30, 31, выходящие в кольцевое пространство 49 снаружи буровой трубы 9, из которых показан на фиг.8,а только патрубок 29, при необходимости могут содействовать анкеровке и выравниванию всей группы преобразователей в буровой трубе 9. Это кольцевое пространство 49 предназначено для возвратного потока буровой жидкости.

Даже если каждый отдельный преобразователь давления сам по себе может иметь слишком небольшую производительность по отношению к его выходу жидкости высокого давления по сравнению с актуальным требованием, соединение преобразователей в группы, как было рассмотрено выше, может сделать возможным достижение достаточно большой совокупной производительности.

Каждый отдельный блок преобразователя давления будет иметь мощность (л/мин), которая также зависит от скорости хода поршневого средства.

Основным фактором в связи с этим и значительным для работы в целом является то, что турбина 45 не нуждается в особенно высокой выходной мощности, так как ее целью является только перемещение золотников, которые управляют потоками буровой жидкости в поршневые средства и из них, которые являются частью конструкции, которая должна иметь сравнительно большую мощность.

Объединенная группа, например, из 15 20 блоков преобразователя может иметь общую длину? около 6 м и может устанавливаться свободно стоящей на донной части секции буровой трубы или обсадной буровой колонны, имеющей соответствующую длину, возможно с подпорками между внутренней стороной буровой трубы или колонны и блоками преобразователя давления.

Для дополнительного увеличения мощности можно соединить несколько таких секций или длин около 6 м.

Поскольку нет необходимости в каком-либо прямом соединении преобразователей давления с поверхностью, например, бурового приспособления, не считая потока буровой жидкости, который подается объединенными насосами буровой жидкости, контроль и регулирование работы преобразователя давления могут осуществляться с учетом этого.

Довольно важным фактором в связи с этим является падение давления через буровую коронку в процессе работы. Перед операцией бурения с одновременным формированием буровой жидкости высокого давления, как описано выше, целесообразно и нормально произвести следующее:

регулировку постоянно установленных сопел в буровой коронке для ограничения падения давления в зависимости от проходящего через нее потока буровой жидкости;

регулировку или установку падения давления в буровой жидкости, подаваемой в преобразователи давления, а также падения давления в возвратном потоке буровой жидкости;

падение давления сквозь турбину, которая обеспечивает движение клапана.

Различными параметрами, которыми влияют на процесс преобразования давления, являются скорость течения и объем, а также давление. Противодавление может также быть параметром, который желательно изменять для управления процессом в блоках преобразователя.

Теоретически надо иметь возможность определять увеличение давления и объем в преобразователе, следующим образом:

за счет увеличения скорости жидкости турбина во время работы золотника будет иметь возрастающую скорость вращения, и то же самое относится к скорости чередований в системе золотников; она будет увеличиваться вплоть до достижения максимума для впуска или выпуска, соответственно, жидкости в отдельных блоках и движения поршня;

за счет увеличения или снижения давления от насосов, падение давления через буровую коронку будет возрастать или падать соответственно, и в силу этого результирующее давление в подаваемой жидкости высокого давления будет возрастать или падать, соответственно.

Даже если описанный преобразователь давления в первую очередь предназначен для подачи жидкости высокого давления в струйные сопла для врезания в породу, существует также возможность разных применений такой буровой жидкости под возрастающим давлением, например, для приведения в действие конкретных буровых устройств.

Среди возможных модификаций в объеме изобретения следует указать, что взаимодействующие отверстия и щели в золотнике, несущие плиты и крышка могут быть расположены наоборот относительно вышеописанного примера реализации изобретения, то есть с небольшим угловым растяжением щелей в крышке и несущих плитах, в то время как отверстие в золотнике может иметь более вытянутую форму щели с большим угловым растяжением относительно центральной оси.