скважинный клапан-отсекатель

Формула изобретения

Устройство для перекрытия ствола скважины, содержащее пакер с корпусом, запорный орган с цангой, снабженной лепестками с головкой, механизм управления запорным органом, шток с отверстиями и кольцевой проточкой для взаимодействия с головкой лепестков, отличающееся тем, что шток снабжен клеткой обратного клапана в верхней части, кольцевым поршнем в средней и механизмом управления в виде ступенчатого кольцевого поршня на нижнем конце, поджатым гайкой и снабженным стаканом с кольцевым выступом, образующим подвижное соединение с удлинителем, связанным с корпусом, выполненным разъемным, снабженным в месте разъема разделительной шайбой и нижним переходником, в осевом канале которого выполнена расточка с посадочным седлом, ступенчатый кольцевой поршень снабжен гильзой, образующей подвижное соединение в расточке нижнего переходника и кольцевую камеру с удлинителем, гидравлически связанную дренажным отверстием с осевым каналом гильзы, полости над кольцевым поршнем и над кольцевым выступом гидравлически связаны отверстиями с полостью под пакером, полость кольцевой камеры над разделительной шайбой связана отверстием с осевым каналом штока, причем фигурная гайка связана с корпусом перепускного клапана, снабженного посадочной поверхностью на торцовой части, обращенной к посадочному седлу нижнего переходника, в осевом канале которого установлено седло с подпружиненным шаровым клапаном, цанга установлена в разъемном корпусе с возможностью взаимодействия головок лепестков с проточкой штока, а суммарная площадь поперечного сечения ступенчатого кольцевого поршня и кольцевого выступа принята равной площади поперечного сечения корпуса перепускного клапана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для использования при проведении подземного ремонта скважин без ее глушения.

Известно устройство для перекрытия скважины (см. а.с. № 742581 Мкл Е21В 43/00, опубл. 25.06.80 г., бюл. № 23). Устройство содержит пакер, с механизмом распакеровки. К корпусу пакера присоединен запорный орган с отверстиями и проточкой на наружной поверхности. Устройство снабжено пробкой и цангой, на лепестках которой выполнены выступы.

К нижнему концу насоса подсоединен механизм управления запорным органом, в виде полого штока с отверстиями и проточкой на внутренней поверхности, в которой размещены выступы лепестков цанги.

При необходимости смены насоса, производят подъем колонны насосно-компрессорных труб. Полый шток с проточкой на внутренней поверхности действует на выступы лепестков цанги, при перемещении которой перекрываются отверстия в теле запорного органа.

При упоре цанги в пробку, выступы лепестков выходят из этой проточки и входят в проточку на наружной поверхности запорного органа, с освобождением от взаимодействия с полым штоком.

Тем самым происходит разобщение ствола скважины от продуктивного пласта и появляется возможность осуществить замену электронасоса.

К недостаткам конструкции относятся:

- невозможность проверить надежность изоляции полости скважины от осевого канала лифтовой колонны труб до момента подъема насоса.

Известна конструкция клапана-отсекателя для скважин, эксплуатируемых механизированными способами (см. «Современные конструкции клапанов-отсекателей». Серия «Машины и нефтяное оборудование». Вып. 10(20). Москва. 1982 г. С.12-14).

Забойный клапан-отсекатель состоит из корпуса, на котором крепится втулка, с образованием кольцевой полости, в которой размещен поршень-золотник, удерживаемый в положении «закрыть» пружиной. Поршень-золотник с корпусом и втулкой образуют рабочую камеру, для сообщения клапана-отсекателя, с нагнетательной полостью глубинного насоса. Корпус снабжен отверстиями, перекрытыми в исходном положении телом поршня-золотника, в котором также выполнен ряд отверстий.

На нижнем конце корпуса закреплена гайка, ограничивающая ход поршня - золотника, который опирается на пружину.

Рабочая камера устройства - кольцевая полость - при помощи трубки сообщается с нагнетательной полостью глубинного насоса.

Всю сборку спускают в скважину, предварительно оборудованную пакером, с клапаном на нижнем конусе. Корпус устройства проходит канал ствола пакера, с открытием клапана и герметизацией кольцевого зазора уплотнительными кольцами.

Работа отсекателя.

При включении глубинного насоса, происходит откачка пластовой жидкости из затрубного пространства, с ростом давления в нагнетательной полости глубинного насоса. Это давление по трубке передается на площадь поперечного сечения поршня-золотника, который перемещается в крайнее нижнее положение с совмещением отверстий в корпусе, с отверстиями в теле поршня-золотника, что обеспечивает приток пластовой жидкости из продуктивного пласта скважины.

При остановке глубинного насоса, давление в нагнетательной полости насоса и затрубном пространстве выравнивается и усилием пружины поршень-золотник возвращается в исходное положение, с перекрытием отверстий в корпусе и прекращением гидродинамической связи полости под пакером с полостью труб лифтовой колонны. Тем самым изолируется продуктивный пласт.

К недостаткам конструкции следует отнести:

- необходима точная привязка по длине лифтовой колонны труб, достаточной чтобы открыть клапан в осевом канале пакера;

- контроль герметичного перекрытия клапана в осевом канале пакера может быть осуществлен только после начала процесса подъема лифтовой колонны труб вместе с глубинным насосом;

- при достаточно большой длине труб лифтовой колонны, необходимо также учитывать ее термическое удлинение, чтобы не передать осевую нагрузку на пакер;

- при закрытом клапане в осевом канале ствола пакера, после подъема глубинного насоса существует достаточно высокий перепад давления, действующий со стороны продуктивного пласта на площадь клапана. Это усилие необходимо учитывать при спуске глубинного насоса, чтобы создать достаточно большое осевое усилие для открытия этого клапана.

Следует также учитывать тот фактор, что при резком открытии клапана существуют условия генерации гидравлического удара, которое негативно воздействует на внутрискважинное оборудование.

Известен клапан-отсекатель [Зайцев Ю.В., Максутов Р.А., Асфандияров Х.А. Оборудование для предотвращения открытых фонтанов нефтяных и газовых скважин. М.; «Недра», 1973 г.], состоящий из отсекателя, предназначенного для перекрытия центрального канала лифтовой колонны труб при аварийной ситуации, уравнительного клапана, для выравнивания давлений над и под отсекателем и открытия клапана, замка для герметичной и надежной установки в ниппеле.

Отсекатель состоит из корпуса с отверстиями, в которых монтируются сменные штуцеры. В центральном канале корпуса размещен клапан, шарнирно соединенный со штоком. На хвостовик надета пружина, опирающаяся на переходник и выступы фасонной шайбы, которые пропущены в пазы хвостовика. Усилие пружины регулируется гайкой.

К верхнему концу корпуса отсекателя присоединен уравнительный клапан, корпус которого имеет гнездо в стенке для обратных клапанов, сообщающих внутреннюю полость отсекателя со скважиной. На внешней стороне корпуса установлена самоуплотняющаяся манжета. К верхнему концу корпуса уравнительного клапана присоединен замок, имеющий цангу с зацепами для ловителя.

Перед спуском отсекателя в скважину, производят настройку на критическую производительность, которая выбирается на 15-20% больше оптимальной.

Спуск и установка клапана в скважину осуществляется с применением тросовой техники.

Известна конструкция скважинного глубинного клапана (см. а.с. № 1.810.492 Мкл. Е21В 34/06, опубл. 23.04.93 г., бюл. № 15)

Устройство подсоединяется к погружному центробежному или диафрагменному электронасосу.

Глубинный клапан содержит корпус с радиальными отверстиями, запорный орган в виде поршня с центральным осевым и радиальными каналами, узел перемещения запорным органом с ловильной головкой в верхней части. Узел перемещения запорным органом выполнен в виде цангового захвата, со скосами в верхней и нижней частях, а центральный осевой канал выполнен со скосами в верхней и нижней частях. Запорный орган снабжен уплотнительным кольцом.

Технический результат, который может быть получен при реализации предполагаемого изобретения заключается в следующем:

- закрытие клапана-отсекателя происходит до момента начала операции по замене насоса;

- при закрытом клапане-отсекателе, последний сохраняет свою работоспособность при любом изменении перепада давления.

Технический результат достигается тем, что устройство для перекрытия ствола скважины состоит из пакера с корпусом, запорного органа с цангой, снабженной лепестками с головкой, механизма управления запорным органом, штока с отверстиями и кольцевой проточкой, снабженного клеткой обратного клапана в верхней части, кольцевым поршнем в средней части и механизмом управления в виде ступенчатого кольцевого поршня на нижнем конце, снабженного стаканом и образующим подвижное соединение с удлинителем, связанным с корпусом, который выполнен разъемным, снабженным в месте разъема разделительной шайбой и нижним переходником, в осевом канале которого выполнена расточка с посадочным седлом; ступенчатый кольцевой поршень снабжен гильзой, образующей подвижное соединение с нижним переходником в его расточке, гильза установлена с возможностью образования кольцевой камеры с удлинителем, гидравлически связанную дренажным отверстием с осевым каналом гильзы. Полость над кольцевым поршнем и над кольцевым выступом гидравлически связаны с полостью скважины под пакером, полость кольцевой камеры над разделительной шайбой связана отверстием, с осевым каналом штока, причем фигурная гайка установлена на корпусе перепускного клапана, снабженного посадочной поверхностью на торцовой части, обращенной к посадочному седлу нижнего переходника. В осевом канале корпуса перепускного клапана установлено седло и подпружиненный шаровой клапан. Цанга установлена в верхней части разъемного корпуса, с возможностью взаимодействия головок лепестков с проточкой штока. Суммарная площадь поперечного сечения ступенчатого кольцевого поршня и кольцевого выступа принять равной площади поперечного сечения корпуса перепускного клапана.

Конструкция клапана-отсекателя поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 - клапан-отсекатель в разрезе в исходном транспортном положении деталей;

- на фиг.2 - взаимное положение деталей устройства после подачи сигнала на закрытие клапана-отсекателя.

Клапан-отсекатель состоит из разъемного корпуса 1 верхний конец которого связан с переводником 2. В осевом канале 3 установлен цанговый фиксатор 4, головки 5 лепестков которого располагаются в кольцевом зазоре 6, образованным полым штоком 7 и внутренней поверхностью переводника 2. Полый шток 7 на верхнем конце имеет кольцевую проточку 8 и снабжен кольцевым поршнем 9, образующим подвижное соединение с разъемным корпусом 1. В месте соединения частей разъемного корпуса 1 установлена разделительная шайба 10, охватывающая полый шток 7, с образованием кольцевой камеры 11, гидравлически связанной отверстиями 12, с осевым каналом 13 полого штока 7. Кольцевой поршень 9 опирается на пружину 14, установленную на разделительную шайбу 10. В осевом канале 13 полого штока 7 в верхней части установлена клетка 15 обратного клапана 16, с седлом 17.

Внутренняя полость клетки 15 гидравлически связана каналом 18 с осевым каналом 3 переводника 2. Нижняя часть 19 разъемного корпуса 1 снабжена удлинителем 20, с нижним переходником 21, в осевом канале которого выполнено технологическая расточка 22 с посадочным седлом 23. На нижнем конце полого штока 7 выполнена проточка, на которой установлен ступенчатый кольцевой поршень 24, перекрывающий живое сечение гидравлической камеры 25, образованной полым штоком 7 и нижней частью 19 разъемного корпуса 1, полость которой связана каналом 26 с полостью скважины.

Ступенчатый кольцевой поршень 24 снабжен стаканом 27 с кольцевым выступом 28, которым опирается на пружину 29 и образует подвижное соединение с удлинителем 20. Ход ступенчатого кольцевого поршня 24 относительно полого штока 7 ограничен гайкой 30. Кольцевая полость 31 над кольцевым выступом 28, связана отверстием 32 с полостью скважины. Стакан 27 снабжен гильзой 33, входящей противоположным концом внутрь технологической расточки 22 нижнего переходника 21, с образованием подвижного соединения. Между наружной поверхностью гильзы 33 и внутренней поверхностью удлинителя 20 выполнена кольцевая камера 34, гидравлически связанная дренажным отверстием 35 в теле гильзы 33 с внутренней полостью устройства. Осе симметрично гильзе 33 в осевом канале 36 размещен корпус 37 перепускного клапана, с фигурной гайкой 38 на наружной поверхности корпуса 37, установленной внутри стакана 27 между гайкой 30 и поршнем гильзы 33.

В осевом канале 39 корпуса 37 установлен подпружиненный шаровой клапан 40, с опорой на верхнее седло 41.

Регулировка поджима шарового клапана 40 пружиной осуществляется перфорированной втулкой 42. В теле фигурной гайки 38 выполнен ряд перфорированных отверстий 43 для связи технологической расточки 22 нижнего переходника 21, с осевым каналом 13 полого штока 7. На нижнем конце корпуса 37 клапана-отсекателя выполнена посадочная поверхность 44, располагающаяся в исходном положении над посадочным седлом 23 в нижнем переводнике 21. Кольцевой поршень 8 снабжен уплотнительным кольцом 45. Разделительная шайба 9 снабжена уплотнителем 46. Ступенчатый кольцевой поршень 24 снабжен уплотнительными кольцами 47 и 48, а кольцевой выступ 28 снабжен уплотнителем 49. На верхнем конце переводника 2 выполнена резьба 50 для подсоединения к пакеру (на фиг.1 и 2 пакер не показан).

Работа клапана-отсекателя.

Через переводник 2 клапан-отсекатель резьбой 50 подсоединяется к пакеру и устанавливается в скважине на заданной глубине.

Лифтовая колонна труб отсоединяется от пакера и поднимается на поверхность для оснащения электроцентробежным насосом и вводится в скважину с расположением над пакером.

Подключают насос и ведут отбор пластового флюида. При этом обратный клапан 16 отрывается от седла 17, с расположением внутри клетки 15 над каналами 18, и пластовая жидкость проходит в осевой канал 3 переводника 2 и далее на прием насоса. Корпус 37 перепускного клапана, связанный через фигурную гайку 38 с полым штоком 7, находится в крайнем верхнем положении относительно седла 23, выполненного в расточке 22 нижнего переходника 21. Тем самым обеспечивается свободная подача пластовой жидкости из подпакерной полости в осевой канал 36 гильзы 33. Через перфорированные отверстия 43 в теле фигурной гайки 38 и осевой канал 12 полого штока 7, пластовая жидкость подается в полость клетки 15, откуда через каналы 18 в осевой канал 3.

Под давлением пластовой жидкости, сообщаемым через отверстия 32, дренажные отверстия 35 и каналом 26, ступенчатый кольцевой поршень 24 находится в крайнем верхнем положении.

При закрытии и посадке корпуса 37 клапана-отсекателя существуют условия, когда в осевом канале 13 полого штока 7 образуется замкнутая полость с повышенным давлением, что препятствует надежному перекрытию подпакерной полости от подачи пластовой жидкости в осевой канал 13. Для обеспечения надежной герметизации клапана, часть жидкости из осевого канала 13 сбрасывается в осевой канал 39, путем отжима шарового клапана 40 от верхнего седла 41.