Циркуляционный клапан

 

Изобретение относится к области подземного скважинного оборудования и может быть использовано при глушении, освоении и промывке скважин. Циркуляционный клапан включает корпус в виде ступенчатого цилиндра с осевым каналом и седлом в днище, подвижно размещенный в корпусе полый подпружиненный ступенчатый золотник. Золотник выполнен с жестко связанным с ним кольцевым поршнем и образует с корпусом кольцевую камеру. Диаметр ступенчатого кольцевого поршня в нижней части больше, чем в верхней. Устройство снабжено торцевым клапаном. Корпус выполнен разъемным в виде верхней и нижней частей с седлом на верхнем торце нижней части корпуса. Клапаны в корпусе, связывающие кольцевую камеру с межтрубным пространством, выполнены продольными в месте разъема корпуса. Канал, связывающий осевой канал корпуса с кольцевой камерой, выполнен дроссельным. В нижней части разъемного корпуса выполнено сужение с уплотнительным кольцом. Торцевой клапан охватывает верхнюю часть разъемного корпуса и имеет возможность взаимодействия с седлом на верхнем торце нижней части корпуса. Ход полого ступенчатого золотника с поршнем ограничен торцем верхней части разъемного корпуса. Поршень при взаимодействии с уплотнительным кольцом образует герметичное соединение. Повышается надежность работы устройства с одновременным повышением эффективности технологических операций. 3 ил.

Изобретение относится к области подземного скважинного оборудования и может быть использовано при глушении, промывке и освоении скважин, преимущественно в газовых и газоконденсатных скважинах с аномально низким пластовым давлением.

Известен циркуляционный клапан [1] , содержащий корпус с радиальными каналами, в осевом канале которого установлен ступенчатый золотник, имеющий в верхней части кольцевой поршень большего диаметра, чем в нижней части. Ход золотника вверх и вниз ограничен стопорными кольцами. Между корпусом и золотником образована кольцевая полость, гидравлически связанная радиальными отверстиями в корпусе с полостью скважины и через кольцевой клапан, с полостью лифтовой колонны труб. Данное устройство выбрано в качестве ближайшего аналога.

Недостатком конструкции устройства является: закрытие циркуляционного клапана при подаче промывочной жидкости по лифтовой колонне труб, но при прорыве газа циркуляционный клапан не может осуществить изоляцию внутритрубного и межтрубного пространства, поскольку площади верхнего и нижнего поршней различны.

Прекращение гидравлической связи внутритрубного и межтрубного пространства возможно только в случае создания избыточного давления между межтрубным и внутритрубным пространством. При прекращении гидравлической связи ступенчатый золотник занимает крайнее верхнее положение.

Однако в случае подачи промывочного агента по лифтовой колонне труб на забой скважины под действием избыточного давления золотник вновь займет крайнее нижнее положение с соответствующим образованием гидродинамической связи внутритрубного и межтрубного пространства, что нежелательно.

Известен циркуляционный клапан [2].

Клапан предназначен для освоения, глушения и промывки нефтяных и газовых скважин.

Клапан состоит из корпуса с перепускными и циркуляционными отверстия. С внешней стороны корпус снабжен подпружиненной ступенчатой втулкой с образованием кольцевой камеры высокого давления и дополнительной камерой, сообщающимися друг с другом и внутритрубным пространством. Полость камеры высокого давления отделена кольцевым поршнем от полости дополнительной камеры.

Камеры сообщаются посредством канавки и залиты смазочной жидкостью.

Работа клапана. При создании избыточного давления во внутритрубном пространстве рабочий агент через циркуляционные отверстия поступает в камеру высокого давления и перемещает ступенчатую втулку вверх, а кольцевой поршень - вниз. После совмещения камер ступенчатая втулка перемещается вверх и открывает циркуляционные отверстия. После сброса давления усилием предварительно сжатой пружины втулка возвращается в исходное положение. Условие постоянства объема смазочной жидкости и необходимые осевые перемещения связаны размерами сопрягаемых деталей устройства, от точного изготовления и соотношения размеров зависит работоспособность устройства. При потере части объема смазочной жидкости устройство теряет свою работоспособность.

В случае подачи промывочной рабочей жидкости по лифтовой колонне труб на забой скважины для промывки песчаной пробки возможно повторное открытие циркуляционного клапана и, как следствие, прекращение подачи рабочей жидкости на забой скважины с необходимым расходом.

Известно устройство для пуска газлифтных скважин [3].

Устройство включается в состав лифтовой колонны труб и состоит из муфты с каналами, в которых размещены шариковые клапана, установленные с возможностью взаимодействия со скользящей втулкой и дополнительной втулкой, жестко связанной с ее верхней частью. В верхней части муфты установлено дополнительное ограничительное кольцо для взаимодействия с шайбой в верхнем положении скользящей втулки.

Регулировка момента отсечки газа, т.е. изоляции межтрубного пространства от внутритрубного, производится путем настройки пружины. При нагнетании газа в межтрубное пространство скважины газ через шариковые клапаны поступает в лифтовую колонну труб, что способствует аэрации жидкости и снижению давления. При этом увеличивается скорость газожидкостного потока, что приводит к перемещению вверх скользящей втулки с упором шайбой в дополнительное ограничительное кольцо. При дальнейшем увеличении скорости газа скользящая втулка занимает крайнее верхнее положение, а шариковые клапаны перекрывают поступление газа в лифтовую колонну труб.

Но как только это произойдет, скользящая втулка усилием пружины вернется в исходное положение с восстановлением гидродинамической связи межтрубного пространства с внутритрубным, т.е. скользящая втулка будет совершать возвратно-поступательное перемещение.

В случае применения устройства в режиме образования гидродинамической связи полости лифтовой колонны с межтрубным пространством скважины и промывки забоя скользящая втулка займет крайнее нижнее положение с опорой на нижнее ограничительное кольцо. Газ или двухфазная пена через радиальные каналы в торце подается к шариковым клапанам, которые даже при малом избыточном давлении садятся на седло с прекращением циркуляции, что нежелательно. При включении скважины в работу, когда имеется избыточное давление в межтрубном пространстве, шариковые клапана откроются, и поток газа поступит в лифтовую колонну через устройство, что нежелательно.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: - повышение надежность работы устройства за счет применения в качестве рабочего тела технологического флюида с одновременным повышением эффективности технологических операций, связанных с промывкой песчаной пробки на забое скважины и недостаточным давлением газа в промысловом коллекторе, которое намного меньше гидростатического; - возможность прекращения гидравлической связи межтрубного пространства с лифтовой колонной труб при запуске скважины в эксплуатацию; - возможность многократного ведения процесса по промывке песчаной пробки при наличии гидродинамической связи внутритрубного и межтрубного пространства.

Технический результат достигается с помощью известного циркуляционного клапана, содержащего корпус в виде ступенчатого цилиндра с осевым каналом и седлом в днище, подвижно размещенный в корпусе полый ступенчатый золотник, выполненный с жестко связанным с ним кольцевым поршнем и образующий с корпусом кольцевую камеру. Корпус снабжен торцевым клапаном и выполнен разъемным в виде верхней и нижней частей с седлом на верхнем торце нижней части корпуса. Каналы в корпусе, связывающие кольцевую камеру с межтрубным пространством, выполнены продольными в месте разъема корпуса, канал, связывающий осевой канал корпуса с кольцевой камерой, выполнен дроссельным. В нижней части разъемного корпуса выполнено сужение с уплотнительным кольцом, торцевой клапан охватывает верхнюю часть разъемного корпуса и имеет возможность взаимодействия с седлом на верхнем торце нижней части корпуса, ход полого ступенчатого золотника с жестко связанным с ним ступенчатым кольцевым поршнем ограничен торцем верхней части разъемного корпуса, при этом ступенчатый кольцевой поршень при взаимодействии с уплотнительным кольцом образует герметичное соединение, ступенчатый золотник подпружинен, а диаметр ступенчатого кольцевого поршня в нижней части больше, чем в верхней.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: совокупность конструктивных элементов отличительной части формулы изобретения, дающих вышеуказанный технический результат, не выявлена по имеющимся источникам научно-технической и патентной литературы.

В совокупности с известными признаками предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу.

Это в свою очередь дает основание сделать вывод, что изобретение обладает изобретательским уровнем.

Изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как не является очевидным для специалистов в данной области знания.

Изобретение промышленно применимо, так как макетный образец устройства прошел всесторонние стендовые испытания с положительными результатами.

На фиг. 1 показана в разрезе конструкция циркуляционного клапана в исходном положении.

На фиг.2 - конструкция циркуляционного клапана в положении существования гидродинамической связи полости лифтовой колонны труб через дроссельный канал ступенчатого золотника с межтрубным пространством при открытом торцевом клапане в момент удаления жидкости из лифтовой колонны труб и межтрубного пространства на поверхность.

На фиг. 3 - конструкция циркуляционного клапана в положении перекрытия гидравлической связи между полостью лифтовой колонны труб и межтрубным пространством после удаления жидкости и прорыва газа через клапан.

Циркуляционный клапан содержит разъемный корпус 1, в ступенчатом осевом канале 2 установлен ступенчатый золотник 3, опирающийся на седло 4 в днище 5 разъемного корпуса 1 и поджатый к нему пружиной 6. Между разъемным корпусом 1 и телом ступенчатого золотника 3 образована кольцевая камера 7, в которой расположен ступенчатый кольцевой поршень 8, жестко связанный со ступенчатым золотником 3. Кольцевая камера 7 гидравлически связана дроссельным каналом 9 с осевым каналом ступенчатого золотника 3 и продольными каналами 10 в теле разъемного корпуса 1 в месте сопряжения верхней 11 и нижней 12 частей с межтрубным пространством скважины. Верхний торец нижней части 12 разъемного корпуса 1 является седлом для торцевого клапана 13, охватывающего верхнюю часть 11 разъемного корпуса 1. Ход торцевого клапана 13 относительно седла ограничен стопорным кольцом 14.

Ход ступенчатого золотника 3 с кольцевым поршнем 8 внутри кольцевой камеры 7 ограничен торцом 15 верхней части 11 разъемного корпуса 1. В нижней части 12 разъемного корпуса 1 выполнено сужение 16 с уплотнительным кольцом 17, с которым взаимодействует ступенчатый кольцевой поршень 8 с образованием герметичного соединения при нахождении последнего в крайнем верхнем положении.

Pабота циркуляционного клапана Циркуляционный клапан включается в состав лифтовой колонны труб и опускается в скважину на заданную глубину. Обвязывают устье скважины для подачи рабочего агента и осуществляет промывку глинисто-песчаной пробки. В качестве рабочего агента в газовых скважинах с аномально низким пластовым давлением обычно применяют двух- и трехфазные пены.

В начале технической операции в лифтовую колонну труб осуществляют подачу газа из шлейфа. Это приводит к вытеснению рабочего агента через дроссельный канал 9 и продольные пазы 10, с открытием торцового клапана 13 - в межтрубное пространство скважины.

Диаметр дроссельного канала 9 подобран исходя из свободного пропуска через него рабочего агента под расчетным перепадом давления, при превышении которого происходит отрыв ступенчатого золотника 3 вместе с кольцевым поршнем 8 от седла 4 и перемещение его вверх до контакта кольцевого поршня 8 с торцом 15 верхней части 11 разъемного корпуса 1 и герметизации кольцевого поршня 8 с торцом 15 верхней части 11 разъемного корпуса 1 и герметизации кольцевой камеры от межтрубного пространства.

Увеличение перепада давления на дросселирующем канале 9 происходит при удалении рабочей жидкости из межтрубного пространства и свободном прорыве газа. Тем самым прекращается гидравлическая связь полости лифтовой колонны труб с межтрубным пространством скважины.

Избыточное давление воспринимается всей площадью ступенчатого кольцевого поршня 8 и ступенчатого золотника 3, поскольку он имеет снизу больший диаметр, чем сверху, что способствует изоляции межтрубного пространства от полости лифтовой колонны труб и подаче рабочего агента к башмаку с осуществлением гидродинамического воздействия на песчаную пробку и выносом механических частиц на поверхность. В качестве рабочего агента применяют обычно двухфазную пену, что обусловлено низкими пластовыми давлениями в зоне продуктивного пласта. После осуществления технологической операции по промывке песчаной пробки двухфазной пеной прекращают ее генерацию и подачу на забой скважины, что приводит к выравниванию давления в лифтовой колонне труб и межтрубном пространстве. Усилием предварительно сжатой пружины 6 ступенчатый золотник 3 совместно со ступенчатым кольцевым поршнем 8 перемещается вниз в разъемном корпусе 1 до посадки на седло 4, что приводит к образованию гидравлической связи полости лифтовой колонны труб с кольцевой камерой 7.

В таком положении после освоения ведется эксплуатация газовой скважины. Торцевой клапан 3 избыточным давлением газа в затрубном пространстве поджимается к седлу на торце нижней части 12 разъемного корпуса 1, что исключает поступление газа через циркуляционный клапана в лифтовую колонну труб при его добыче.

В случае необходимости осуществить повторную обработку призабойной зоны с последующим переходом на режим добычи циркуляционный клапан может быть включен в работу без дополнительных технологических приемов.

Заявленное устройство прошло всесторонние стендовые испытания в составе имитатора лифтовой колонны труб Ду 73 мм. В результате испытаний определены основные параметры по открытию и закрытию циркуляционного клапана, перепад давления на дроссельном канале при использовании различных рабочих агентов - жидкости, газа, двухфазной пены; доказана работоспособность устройства и оно предложено для оснащения газовых скважин на месторождениях с аномально низким пластовым давлением.

Источники информации 1. А.с. 567806, Мкл Е 21 В 43/00.

2. А.с. 1266968, Мкл Е 21 В 34/06. Опубл. 30.10.86, Бюл. 40.

3. А.с. 1143 828, Мкл Е 21 В 34/06. Опубл. 07.03.85, Бюл. 9.

Формула изобретения

Циркуляционный клапан, содержащий корпус в виде ступенчатого цилиндра с осевым каналом и седлом в днище, подвижно размещенный в корпусе полый ступенчатый золотник, выполненный с жестко связанным с ним кольцевым поршнем и образующий с корпусом кольцевую камеру, каналы в корпусе, связывающие кольцевую камеру с межтрубным пространством и осевой канал корпуса с кольцевой камерой, отличающийся тем, что он снабжен торцевым клапаном, корпус выполнен разъемным в виде верхней и нижней частей с седлом на верхнем торце нижней части корпуса, каналы в корпусе, связывающие кольцевую камеру с межтрубным пространством, выполнены продольными в месте разъема корпуса, канал, связывающий осевой канал корпуса с кольцевой камерой, выполнен дроссельным, в нижней части разъемного корпуса выполнено сужение с уплотнительным кольцом, торцевой клапан охватывает верхнюю часть разъемного корпуса и имеет возможность взаимодействия с седлом на верхнем торце нижней части корпуса, ход полого ступенчатого золотника с жестко связанным с ним ступенчатым кольцевым поршнем ограничен торцем верхней части разъемного корпуса, при этом ступенчатый кольцевой поршень при взаимодействии с уплотнительным кольцом образует герметичное соединение, ступенчатый золотник подпружинен, а диаметр ступенчатого кольцевого поршня в нижней части больше, чем в верхней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3