Скважинный отсекатель пласта

 

СКВАЖИННЫЙ ОТСЕКАТЕЛЬ ПЛАСТА, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненной вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненный порщень, узел , поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и щаром , камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая заполнена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой .узла управления затвором, отличающийся тем, что,, с целью повышения надежности работы его за счет улучшения герметизирующей способности, он снабжен гибкими средоразделителями, установленными над и под камерой узла управления затвором, образующими с корпусом и подпружиненным порщнем полости, связанные между собой и с кольцевой полостью, заполненной вязкой жидкостью, а в корпусе выполнена дополнительная камера, связанная через управляющий клапан с каi мерой узла управления затвором, причем На боковых поверхностях шара и сегменСП тов выполнены пазы, а направляющие элементы выполнены в виде роликов, свободно размещенных в пазах шара и сегментов .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК уапц Е 21 В 34/06 .

CO

С0

СО

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

О 3 (21) 3340803/22-03 (22) 17.09.81 (46) 30.01.84. Бюл. № 4 (72) Д. Х. Курамшин (53) 622.276.53 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2758757/03, кл. Е 21 В 43/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2960164/03, кл: E 21 В 43/00, !980 (прототип). (54) (57) СКВАЖИННЫЛ ОТСЕКАТЕЛЪ

ПЛАСТА, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненной вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненный поршень, узел, поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и ша„„SU„„1070301 А ром, камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая заполнена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой узла управления затвором, отличающий ся тем, что,. с целью повышения надежности работы его за счет улучшения герметизирующей способности, он снабжен гибкими средоразделителями, установленными над и под камерой узла управления затвором, образующими с корпусом и подпружиненным поршнем полости, связанные между собой и с кольцевой полостью, заполненной вязкой жидкостью, а в корпусе выполнена дополнительная камера, связанная через управляющий клапан с камерой узла управления затвором, причем на боковых поверхностях шара и сегментов выполнены пазы, а направляющие элементы выполнены в виде роликов, свободно размещенных в пазах шара и сегментов.

1О7ОЗО1

40

55

Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для перекрытия ствола скважины выше продуктивных пластов при проведении подземного ремонта.

Известен забойный запорный клапан, со дерн.аший корпус с кольцевой гидрокамерой, сед.ш, между которыми размешен

::а . нор, выполненный в виде шара с осевым каналом, подпружиненный поршень, образующий с корпусом дополнительную гидрока меру (1).

Недостатком указанного клапана является низкая надежность его работы из-за возможной разгерметизации камер в процессе эксплуатации вследствие значительной разности давлений в скважине на глубине установки клапана и в его гидрокамерах.

Возникновение в данной конструкции отсекателя значительных перепадов давлений в гидрокамерах и скважине обусловлено следующим обстоятельством: перед спуском клапана в скважину в его гидрокамеру нагнетают нейтральный газ с такими термодинамическими параметрами, чтобы при спуске клапана на заданную глубину давление в гидрокамере стало равным давлению в скважине. Однако в процессе эксплуатации скважины термодинамические параметры (давление, температура) скважинной жидкости на глубине установки забойного запорного клапана значительно изменяются, при этом конструкция клапана не обеспечивает выравнивание давлений в скважине и гидрокамер ах.

Изменение давления по стволу скважины вызывается различными причинами. Так при работе погружных электронасосов перепад между пластовым и забойным давлениями достигает 10 МПа и более. При подземном ремонте, напротив, забойное давление может превышать пластовое до 2 МПа и более. Изменения давления и температуры но стволу скважины возникают так же при подземных работах, связанных с воздействием на пласт с целью увеличения производительности скважины и др.

Клапан такой конструкции перед спуском в скважину должен быть настроен так, чтобы при кратковременных остановках глубинной насосной установки не произошло его самопроизвольное закрытие из-за возможного повышения статического уровня жидкости в скважине вследствие, например, увеличения закачки жидкости в смежные нагнетательные скважины. Самопроизвольное закрытие клапана осложнит последующий запуск глубинной насосной установки, в особенности ее автоматический запуск, так как до запуска установки необходимо открыть забойный клапан, для чего сна1 чала надо понизить давление в скважине, при этом привод затвора придет в исходное положение (подвижный поршень займет свое верхнее крайнее положение), а затем повысить давление в скважине до давления срабатывания (открытия) клапана. Устранение самопроизвольного закрытия клапана вследствие возможного повышения давления в скважине приводит к необходимости повышения расчетной разности давлений в скважине и гидрокамерах клапана, необходимой для его срабатывания.

Повышенные перепады давлений- между скважиной и гидрокамерами ускоряют разгерметизацию последних и приводят к потере работоспособности клапана.

Кроме того, конструктивная схема кла пана предполагает для герметизации второй гидрокамеры применение подвижных эластичных уплотнительных элементов.

Как известно такие уплотнения не обеспечивают полной герметизации и плохо противостоят действию абразивных частиц, содержащихся в скважинной жидкости. Абразивные частицы ускоряют износ уплотнений, повышают трение и могут привести к заклиниванию подвижного поршня. Помимо этого статическое трение (трение покоя) резиновых колец о металлические поверхности зависит от длительности неподвижного контакта и при длительном контактировании резко возрастает, что приводит либо к разрушению резиновых колец, либо к увеличению давления нагнетания в скважину технологической жидкости для срабатывания клапана.

Указанные недостатки подвижных эластичных уплотнений усугубляются в скважинах, эксплуатация которых осложнена образованием солеотложений в скважинном оборудовании. Образование солеотложений на рабочих поверхностях подвижных соединений приводит к значительному увеличению трения скольжения и к заклиниванию подвижного поршня.

У данного клапана так же сложно добиться высокой степени герметизации затвора, так как положение «закрыто» образуется при двух разных положениях шара, чередуюшихся через его поворот на 180 . Это приводит к необходимости обеспечения одинакового плотного прилегания обоих седел к всей рабочей поверхности шара, что практически очень сложно.

Наиболее близким к предлагаемому является скважинный обтекатель пласта, содержащий корпус, седла, между которыми раз мешен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненный вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненный поршень, узел поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и ша!

07030! з ром, камеру с эластичной диафрагмой, де4 деляющей ее на две кольцевые полости а ляшей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая заполнена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой узла управления затвором (21.

Недостатком указанного отсекателя является его низкая надежность работы, обусловленная низкой надежностью герметизации.

Цель изобретения — повышение надежности работы ахо за счет улучшения герметизирующей способности .

Указанная цель достигается тем, что скважинный отсекатель пласта, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненной вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненйъ|Й поршень, узел поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и шаром, камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на . две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая запол иена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой узла управления затвором, снабжен гибкими средоразделителями, установленными над и под камерой узла управления затвором, образующими с корпусом и подпружиненным поршнем полости, связанные между собой и с кольцевой полостью, заполненной вязкой жидкостью, а в корпусе выполнена дополнительная камера, связанная через управляющий клапан с камерой узла управления затвором, причем на боковых поверхностях шара и сегментов выполнены лазы, а направляющие элементы выполнены в виде роликов, свободно размещенных в пазах шара и сегментов.

На фиг. 1 показана схема компановки 40 скважинного оборудования совместно с предлагаемым скважинным отсекателем пласта; на фиг. 2 — скважинный отсекатель в открытом положении; на фиг. 3— вид по стрелке А на фиг. 2 (шаровой затвор в открытом положении); на фиг. 4 — разрез Б — Б на фиг. 3; на фиг. 5 — вид по стрелке А на фиг. 2;(на сегмент, шар и ролик при закрытом положении затвора, возникающего в конце рабочего хода подвижного поршня).

Скважинный отсекатель пласта 1 (фиг. 1) устанавливается в скважине совместно с пакером 2 ниже погружного насоса 3 и содержит (фиг. 2) корпус, состоящий из скрепленных между собой частей 4 — 6.

Корпусная часть 4 содержит дополнитель ную камеру 7, а часть 6 — камеру 8, снабженйую эластичной диафрагмой 9; рази в. Корпусная деталь 5 совместно с подвижным поршнем 10, подпружиненным пружиной 11, образует камеру узла управления затвором 12 и полости 13 и 14, уплотненные гибкими средоразделителями 15 и 16.

Камера 8 служит для выравнивания давлений в дополнительной камере 7, узле управления затвором 12 и скважине на глубине установки отсекателя, при изменении давления в последней в расчетном диапазоне. Полость а камеры 8 и полости 13 и 14 с помощью металлической трубки 17 сообщаются между собой. Полость о камеры 8 сообщается со скважиной через отверстие 18. Дополнительная камера 7 сообщается с камерой узла управления затвором 12 с помощью металлической трубки

19. Трубки 17 и 19 уложены в специальные пазы, выполненные на наружной поверхности корпуса отсекателя и защищены от механических повреждений (не показано) .

Для разобщения дополнительной камеры 7 от камеры узла управления затвором

12 до спуска отсекателя в скважину на расчетную глубину служит управляющий клапан 20. Управляющий клапан 20 открывается под действием расчетного давления, несколько, меньшего забойного давления, устанавливающегося при выходе электропогружной установки на режим, на величину, учитывающую неточностьрасчета, возможное повышение забойного давления во время эксплуатации отсекателя и т. д. Таким образом, управляющий клапан 20 открыт на весь период нахождения отсекателя в скважине, независимо от естественного изменения давления в ней. Включение управляющего клапана 20 в отсекатель -позволяет закачать в дополнительную камеру 7 расчетное количество газа под большим давлением, которое не передается на манжетные уплотнения 15 и 16 и диафрагму 9 в процессе зарядки газом, спуска в скважину и подъема из скважины отсекателя. Это позволяет при незначительной прочности гибких средоразделителей 15 и 16 и диафрагмы 9, в несколько раз уменьшить емкость дополнительной камеры 7, камеры 8 и в целом габариты всего отсекателя.

В корпусной детали 5 расположен золотниковый клапан 21, который в зависимости от величины давления окружающей среды, открывает или закрывает канал 22, соединяющий камеру узла управления затвором 12 с полостью 14. Расчетное давление, при котором происходит запирание канала

22 зол отниковым клапаном 21, несколько больше пластового давления на величину, учитывающую возможное увеличение пластового давления за время нахождения отсекателя в скважине, неточность настройки и погрешность срабатывания отсека еля, воз1070301

5 можное долговременное превышение забойного давления в остановленной скважине над пластовым давлением при текущем ремонте и т.д. К корпусной детали 5, симметрично относительно оси отсекателя прикреплены сегменты 23, с выполненными в них фигурными пазами 24 (фиг. 2 — 5).

Внутри подвижного поршня 10 размещен шаровой затвор (фиг. 2 — 5), состоящий из шара 26, с симметрично выполненными пазами 27 и подвижных седел 28, подпру- 10 жиненных пружинами 29. Шаровой затвор

25 взаимодействует с сегментами 23 посредством направляющих элементов 30.

Направляющие элементы 30 размещены в месте пересечения пазов 24 с лазами 27. 15

Кроме того, скважинный отсекатель снабжен наливным клапаном 31 (фиг. 2), предназначенным для заполнения полости а камеры 8, узла управления затвором 12 и полостей 13 и 14 вязкой жидкостью, а для выпуска воздуха — пробкой (не показана).

Для зарядки дополнительной камеры 7 нейтральным газом и вязкой жидкостью служит клапан известной конструкции (не показан) и пробка 32.

Подвижный поршень 0 уплотнен к 25 внутренним цилиндрическим поверхностям диаметрами D> и D- корпусной детали 5 поршневыми кольцами (не показаны). Негерметичность уплотнений подвижного поршня по цилиндрическим поверхностям диаметром D u D в определенных пределах З0 не сказывается на работоспособности отсекател я.

Г1еред спуском отсекателя в скважину камеру 8 узла управления затвором 12 и полости 13 и 14 заполняют вязкой. жидкостью, например минеральным маслом

35 с теплостойкостью, соответствующей скважинным условиям, и сроком службы не менее средней наработки до отказа отсекателя, а в дополнительную камеру 7 нагнетают расчетное количество той же вяз- 40 кой жидкости и такое количество нейтрального газа, например, азота, которое в месте установки отсекателя в скважине, при равенстве забойного и пластового давлений и установившейся температуре занимает расчетную часть (половину) ее объема.

Во время спуска скважинного отсекателя в скважину на определенной глубине, под действием давления скважинной жидкости, передаваемого через диафрагму 9 и жидкость,50 заполняющую отсекатель, открывается управляющий клапан 20, и дальнейший спуск происходит при открытом сообщении дополнительн1 и камеры 7 с камерой узла управления затвором 12.

Устройство работает следующим обра- 55 зом.

При забойном давлении работающей скважины, меньшем или равном пластовому

6 давлению, клапаны 20 и 21 открыты, давления в полостях и камерах отсекателя уравновешены и, благодаря диафрагме 9, практически равны давлению скважинной жидкости в месте установки отсекателя.

При уравновешенных давлениях в камере узла управления затвором 12 и скважине подвижной поршень 10 под действием пружины 11 находится в своем верхнем крайнем положении. Затвор 25 открывается или закрывается только при движении подвижного поршня 10 вниз, а при движении его вверх вращение шара 26 не происходит.

Если скважинный отсекатель находится в открытом положении, то для его закрытия необходимо остановить скважину и нагнетанием в нее жидкости обеспечить возрастание давления в скважине. При определенном текущем значении возрастающего давления в скважине, золотниковый клапан 21 перекроет канал 22 и между камерой узла управления затвором 12 и скважиной образуется возрастающий перепад давления.

Этот перепад давления, достигнув требуемой величины, определяемой диаметрами D и

D камеры узла управления затвором 12 и кинематикой привода затвора 25, создает достаточное усилие для перемещения подвижного поршня 10 с шаровым затвором 25 вниз. При перемещении шарового затвора вниз шар 26 своими пазами 27 воздействует на цилиндрические ролики 30, которые западают в выемки с пазов 24 сегментов 23, и их оси становятся неподвижными относительно корпуса отсекателя, вследствие чего шар 26, перемещаясь вниз, одновременно поворачивается на 90 .

При снижении давления в скважине золотниковый клапан 21 открывается, а подвижный поршень 10 вместе с затвором 25 под действием пружины 11 возвращается в исходное (верхнее) положение. Шар 26, перемещаясь вверх, своими пазами 27 увлекает направляющие элементы 30, выводит их из выемок с пазов 24 и перемещает вдоль последних в противоположные крайние положения. При этом шар 26 не поворачивается, так как возникающий крутящий момент несравненно меньше крутящего момента, необходимого для его поворота.

Аналогична процедура открытия отсекателя, при этом направляющие элементы 30 западают в выемки е пазов 24 сегментов

23, и шар 26 повернется в противоположную сторону.

Две рабочие грани пазов 27 шара 26 (фиг. 5) выполнены под углом Y к третьей рабочей грани. Величина угла 3 определяется из условия

У>г.р где P =

Если шар, ролики и сегменты выполнены из материалов. обеспечивающих коэффици1070301

7 ент трения, равный 0,02 (например, сталь

38Х2МЮА), то угол ф должен быть больше 0,04 рад или 2 18.

Угол необходим для гарантирования правильной работы затвора, т.е. исключения случая захвата направляющих элементов 30

5 пазами шара и сегментов при неблагоприятном положении шара (пазы шара параллельны или почти параллельны пазам сегментов).

Неблагоприятное положение шара возникает при создании давления в скважине, со- 10 ответствующего перемещению подвижного поршня вниз на половину хода и последующем его снижении.

Испытания модели затвора показали, что выполнение этого условия исключает закли15 нивание роликов.

Применение предлагаемого скважинного отсекателя пласта обеспечивает по сравнению с известными, значительное повышение надежности его работы за счет более надежного уплотнения подпружиненного поршня к корпусу отсекателя, уменьшения влияния механических примесей в продукции скважин и изменения давления в скважине на работоспособность привода затвора и стабильность величины требуемого давления срабатывания отсекателей; исключения образования отложений солей на сопрягаемых поверхностях подпружиненного поршня и корпуса отсекателя, а также уменьшение их влияния на работоспособность отсекателя; уп„ рощения кинематики привода затвора, обе спечивающей его закрытие только при одном положении шара (в прототипе закрытие про исходит при двух разных положениях шара), что повышает надежность работы затвора и устраняет необходимость подгонки или притирки обоих седел к всей рабочей поверхности шара.

1070301 зо

ЕЛИ

Риг. 5

Составитель В. Борнскина

Техред И. Верес Корректор М. Демчик

Тираж 569 Подписное

ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная. 4

Редактор Ю. Середа

Заказ 11291/33