Клапан опрессовочный мембранный, скважинная компоновка и способ эксплуатации клапана

Изобретение относится к клапанным устройствам, применяемым для опрессовки насосно-компрессорных труб и организации сообщения затрубного пространства и внутренней полости насосно-компрессорных труб. Клапан опрессовочный мембранный содержит верхний и нижний переводники, соединенные посредством резьбы, плавающую пробку, установленную во внутреннем пространстве нижнего переводника с возможностью аксиального перемещения. Плавающая пробка содержит нижний корпусный элемент, в котором установлены два срезающих кольца и разрушаемая мембрана между ними, и верхний корпусный элемент, соединяемый посредством резьбы с нижним корпусным элементом и закрепляющий срезающие кольца с установленной между ними разрушаемой мембраной в нижнем корпусном элементе. Боковая часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнена с канавками, а нижняя часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки представляет собой сферический конус. Изобретение также относится к скважинной компоновке, содержащей такой клапан, и способу его эксплуатации. Изобретение направлено на повышение надежности и эффективности проведения технологических операций в скважине, требующих опрессовки колонны насосно-компрессорных труб. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к клапанным устройствам, применяемым для опрессовки насосно-компрессорных труб (НКТ) и организации сообщения затрубного пространства и внутренней полости насосно-компрессорных труб НКТ, и может быть использовано для технологических операций, проводимых в скважинах. Изобретение также относится к скважинной компоновке, содержащей такой клапан, и способу его эксплуатации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При проведении различных технологических операций в скважине одним из обязательных этапов является опрессовка колонны НКТ. Традиционно применяют опрессовочные клапаны, в конструкции которых используют уплотнительный элемент шар-седло (клапанная пара). Соответственно, возникает необходимость применения обратной промывки или специального ловильного оборудования для подъема шара (запорного органа) из седла полностью из скважины и/или на заданную высоту над седлом для обеспечения протекания флюида. В любом случае требуется дополнительное время на проведение данной операции, что ведет к дополнительным временным, технологическим и экономическим издержкам при проведении ремонтных или эксплуатационных работ.

В уровне техники известно устройство для опрессовки бурильных труб в скважине (Авт.св-во СССР № 1051 235; МПК E21B 34/06; опубл. 30.10.1983), которое состоит из корпуса с верхним и нижним упорами, плавающей циркуляционной втулки с осевыми центральным и периферийным каналами, снабженными клапанами прямого действия с запорным органом. После достижения забоя восстанавливают прямую циркуляцию и повышением давления производят опрессовку колонны труб. При восстановлении циркуляции запорный орган клапана закрывает проход каналов, и втулка смещается вниз до нижнего упора, давление внутри колонны постепенно повышается и после превышения значения давления опрессовки бурильных труб мембрана разрывается и достигается возможность прямой циркуляции промывочного агента.

Соответственно, известное устройство позволяет частично решить обозначенную выше проблему использования клапанной пары шар-седло. Однако известное устройство имеет довольно сложную конструкцию и обладает рядом недостатков, в частности, наличие клапанов в периферийных каналах снижает надежность работы устройством в целом, т.к. при нарушении в одном из них (или во всех), устройство не будет работать должным образом, что приведет к необходимости подъема колонны НКТ, замене запорного органа или целиком клапана, и повторному спуску устройства для опрессовки.

Также в уровне техники известно устройство для опрессовки бурильных труб в скважине (Авт. св-во СССР № 973796; МПК E21B 34/06; опубл. 15.11.1982), ближайшее по своей технической сущности к предложенному изобретению. Известное устройство содержит корпус, в расточке которого свободно установлена втулка с периферийными отверстиями и осевым каналом, перекрытым мембраной. Мембрана закреплена резьбой шайбой. В бурильной колонне создается давление, необходимое для опрессовки. После завершения опрессовки и установления герметичности бурильной колонны в трубах создается избыточное давление, достаточное для разрыва мембраны. Таким образом, после разрыва мембраны создается возможность промывки скважины и бурения.

Недостатком этого устройства являются узкое проходное сечение основного осевого канала из-за наличия периферийных отверстий, а также риск неплотного прилегания втулки к седлу клапана в результате скопившейся грязи при спуске устройства в скважину, что снижает надежность работы устройством в целом, и может привести к тому, что устройство не будет работать должным образом, что приведет к необходимости подъема колонны НКТ, замене клапанного устройства, и повторному спуску устройства для опрессовки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на устранение обозначенных выше проблем уровня техники и решает задачу повышения надежности и эффективности проведения технологических операций в скважине, требующих опрессовки колонны НКТ.

В одном из аспектов изобретения предложен клапан опрессовочный мембранный, содержащий:

верхний переводник и нижний переводник, соединенные посредством резьбы,

плавающую пробку, установленную во внутреннем пространстве нижнего переводника с возможностью аксиального перемещения,

при этом плавающая пробка содержит нижний корпусной элемент, в котором установлены два срезающих кольца и разрушаемая мембрана между ними, и верхний корпусной элемент, соединяемый посредством резьбы с нижним корпусным элементом и закрепляющий срезающие кольца с установленной между ними разрушаемой мембраной в нижнем корпусном элементе,

при этом боковая часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнена с канавками, а нижняя часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки представляет собой сферический конус.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором разрушаемая мембрана выполнена из растворимого в кислотной среде материала.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором срезающие кольца выполнены с острыми кромками.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором канавки на боковой части внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнены проходящими аксиально вдоль плавающей пробки.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором канавки на боковой части внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнены проходящими по спирали вдоль плавающей пробки.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором предусмотрено уплотнительное кольцо между верхним и нижним переводниками.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором предусмотрены фиксирующие винты для предотвращения раскручивания верхнего и нижнего переводников.

В одном из дополнительных аспектов предложена скважинная компоновка, содержащая колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с установленным на ней клапаном по первому аспекту изобретения.

В одном из еще дополнительных аспектов предложен способ эксплуатации описанного выше клапана при проведении технологических операций в скважине, включающий в себя этапы, на которых:

устанавливают клапан на колонне НКТ;

осуществляют спуск колонны НКТ с установленным клапаном на необходимую глубину;

нагнетают жидкость во внутреннюю полость колонны НКТ до достижения заданного давления опрессовки, которое ниже давления разрыва разрушаемой мембраны клапана;

выдерживают заданное время опрессовки;

при достижении положительного результата опрессовки повышают давление в колонне НКТ до давления разрыва разрушаемой мембраны;

после открытия проходного отверстия проводят технологические операции в скважине.

Благодаря настоящему изобретению во всех его аспектах и вариантах осуществления обеспечивается технический результат, состоящий в повышении эффективности проведения технологических операций при проведении работ по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин. В частности, благодаря тому, что боковая часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнена с канавками, а нижняя часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки представляет собой сферический конус, обеспечивается беспрепятственное прохождение скважинной жидкости при спуске колонны НКТ для ее самозаполнения, а также плотное прилегание плавающей пробки к седлу при последующей опрессовке колонны НКТ.

Эти и другие преимущества будут подробно раскрыты в последующем описании, где также показаны и более подробно описаны варианты осуществления предложенного изобретения. Следует понимать, что чертежи и описание, по характеру, должны рассматриваться в качестве иллюстративных, а не в качестве ограничительных.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предложенное изобретение поясняется на чертежах, где:

на фиг. 1 показан предложенный клапан в поперечном сечении,

на фиг. 2-5 схематично показана эксплуатация предложенного клапана при проведении технологических операций в скважине.

Фигуры выполнены в приблизительном масштабе, некоторые элементы могут быть показаны более крупно для ясности, некоторые элементы могут быть показаны более мелко для упрощения. Следует понимать, что варианты осуществления, проиллюстрированные на фигурах, не являются ограничивающими объем прилагаемой формулы изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к клапанным устройствам, применяемым для опрессовки насосно-компрессорных труб (НКТ) и организации сообщения затрубного пространства и внутренней полости насосно-компрессорных труб НКТ, и может быть использовано для технологических операций, проводимых в скважинах. Изобретение также относится к скважинной компоновке, содержащей такой клапан, и способу его эксплуатации.

Предложенное изобретение поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан предложенный клапан в поперечном сечении, на фиг. 2-5 схематично показана эксплуатация предложенного клапана при проведении технологических операций в скважине. На фиг. 2-5 стрелками показано направление протекания флюида.

Далее, продолжая в целом по фиг. 1-5, в одном из аспектов изобретения предложен клапан опрессовочный мембранный, содержащий верхний переводник 1 и нижний переводник 2, соединенные посредством резьбы, плавающую пробку 3, установленную во внутреннем пространстве нижнего переводника 2 с возможностью аксиального перемещения, при этом плавающая пробка 3 содержит нижний корпусной элемент 32, в котором установлены два срезающих кольца 5 и разрушаемая мембрана 4 между ними, и верхний корпусной элемент 31, соединяемый посредством резьбы с нижним корпусным элементом 32 и закрепляющий срезающие кольца 5 с установленной между ними разрушаемой мембраной 4 в нижнем корпусном элементе 32, при этом боковая часть 34 внешней поверхности нижнего корпусного 32 элемента плавающей пробки 3 выполнена с канавками, а нижняя часть 33 внешней поверхности нижнего корпусного элемента 32 плавающей пробки 3 представляет собой сферический конус. В предпочтительном варианте верхний корпусной элемент 31 выполнен в виде гайки с пазами на внешней поверхности, обеспечивающими протекание скважинной жидкости при спуске колонны НКТ с установленным клапаном и ее самозаполнении, как будет описано более подробнее ниже.

Благодаря этому обеспечивается беспрепятственное прохождение скважинной жидкости при спуске колонны НКТ с установленным клапаном для ее самозаполнения, а также плотное прилегание плавающей пробки к седлу при последующей опрессовке колонны НКТ, как это будет более подробно описано ниже. Таким образом, обеспечивается технический результат, состоящий в повышении эффективности проведения технологических операций при проведении работ по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин, за счет сокращения временных и технологических затрат на заполнение колонны НКТ жидкостью для проведения опрессовки, и кроме того снижения риска утечки жидкости из-за неплотного прилегания плавающей пробки к седлу при проведении опрессовки.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором разрушаемая мембрана 4 выполнена из растворимого в кислотной среде материала. Элементы клапана, включая корпусные элементы плавающей пробки выполнены из стали, не подверженной отрицательному воздействию кислотной среды скважины. В совокупности с незначительными толщиной и весом мембраны это обеспечивает полное растворение фрагментов мембраны после ее разрушения, тем самым, не засоряя забойную зону скважины.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором срезающие кольца 5 выполнены с острыми кромками. Благодаря такой конструкции разрушение мембраны происходит при меньшей величине приложенного давления, способствуя большей эффективности предложенного клапана при проведении технологических операций.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором канавки на боковой части 34 внешней поверхности нижнего корпусного элемента 32 плавающей пробки 3 выполнены проходящими аксиально вдоль плавающей пробки. Благодаря этому обеспечивается равномерное протекание скважинной жидкости при спуске колонны НКТ, на которой установлен предложенный клапан, для самозаполнения колонны НКТ, способствуя большей эффективности предложенного клапана при проведении технологических операций.

В одном из вариантов предложен клапан, в котором предусмотрено уплотнительное кольцо 7 между верхним и нижним переводниками 1, 2, обеспечивающее надежную герметизацию соединения верхнего и нижнего переводников. Кроме того, в одном из вариантов предложен клапан, в котором предусмотрены фиксирующие винты 8 для предотвращения раскручивания верхнего и нижнего переводников 1, 2, что также обеспечивает надежное соединение верхнего и нижнего переводников, повышая надежность клапана в целом.

Далее описано использование клапана при проведении технологических операций в скважине. Первоначально необходимо собрать клапан, для этого разрушаемую мембрану 4 устанавливают между срезающих колец 5, которые располагают в нижнем корпусном элементе 32. В нижний корпусной элемент 32 вводят верхний корпусной элемент 31 и соединяют их посредством резьбы, выполненной на внутренней поверхности нижнего корпусного элемента 32 и на внешней поверхности верхнего корпусного элемента 31. Верхний корпусной элемент 31 ввинчивают в нижний корпусной элемент 32 до упора срезающих колец в соответствующие выступы нижнего корпусного элемента (не обозначены на фигурах). Это обеспечивает надежную фиксацию срезающих колец 5 с разрушаемой мембраной 4 между ними в нижнем корпусном элементе 32.

Собранную описанным выше образом плавающую пробку 3 располагают во внутреннем пространстве нижнего переводника 2, и сверху вводят верхний переводник 1 и соединяют их посредством резьбы, выполненной на внутренней поверхности нижнего переводника 2 и на внешней поверхности верхнего переводника 1. Верхний переводник 1 ввинчивают в нижний переводник 2 до упора заплечиков (не обозначены) верхнего переводника 1 о торцевую поверхность нижнего переводника 2. При этом расстояние между торцевой поверхностью верхнего переводника 1 и седлом 21, выполненным в виде конуса в нижнем переводнике 2, обеспечивает возможность аксиального перемещения плавающей пробки 3 во внутреннем пространстве клапана. Таким образом, ход плавающей пробки ограничен верхним переводником 1.

Для более надежного герметичного соединения верхнего и нижнего переводников 1, 2 в области соединения устанавливают уплотнительное кольцо 7. Кроме того, для предотвращения раскручивания верхнего и нижнего переводников 1, 2 они могут быть закреплены дополнительными фиксирующими винтами 8.

Собранный описанным выше образом клапан устанавливают на колонну НКТ. Для удобства монтажа клапан может быть изготовлен в нескольких стандартных исполнениях по типу присоединительной резьбы НКТ.

Возвращаясь к способу эксплуатации предложенного клапана, начинают спуск колонны НКТ с установленным клапаном до заданной глубины. При этом плавающая пробка 3 аксиально смещена вверх, а содержащаяся в скважине жидкость проходит через нижнее отверстие клапана, и далее по канавкам, предусмотренным в боковой части 34 внешней поверхности нижнего корпусного элемента 32 плавающей пробки 3, поступает во внутреннее пространство колонны НКТ.

После установки клапана на необходимой глубине в составе колонны НКТ нагнетают жидкость во внутреннюю полость колонны труб до достижения требуемого давления опрессовки, которое ниже давления разрыва разрушаемой мембраны (фиг. 2). Плавающая втулка 3 опускается в седло 21 и надежно к нему прилегает благодаря форме нижней части 33 внешней поверхности нижнего корпуса 32, уплотняя клапан и предотвращая дальнейшее поступление скважинной жидкости из затрубного пространства в колонну НКТ.

Затем проводят опрессовку колонны НКТ или оборудования с выдержкой заданного времени (фиг. 2). При достижении положительного результата опрессовки давление повышают до давления разрыва мембраны (фиг. 3) для полного открытия проходного отверстия и организации сообщения затрубного пространства и внутренней полости колонны НКТ.

Давление разрыва мембраны зависит от исполнения клапана, а именно от толщины и материала мембраны. Таким образом, при сборке клапана выбирают мембрану, соответствующую требуемому давлению опрессовки, т.е. выдерживающую его без разрушения.

После полного открытия проходного отверстия проводят необходимые технологические операции в соответствии с планом технологических работ или иным нормативно-техническим документом, например, работ по текущему и капитальному ремонту скважин (фиг. 4-5), включая: прямую промывку скважины; обратную промывку скважины; кислотную обработку скважины; исследование скважины с помощью геофизических приборов и пр.

Таким образом, в одном из дополнительных аспектов предложена скважинная компоновка, содержащая колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с установленным на ней клапаном по первому аспекту изобретения.

В одном из еще дополнительных аспектов предложен способ эксплуатации описанного выше клапана при проведении технологических операций в скважине, включающий в себя этапы, на которых:

устанавливают клапан на колонне НКТ;

осуществляют спуск колонны НКТ с установленным клапаном на необходимую глубину;

нагнетают жидкость во внутреннюю полость колонны НКТ до достижения заданного давления опрессовки, которое ниже давления разрыва разрушаемой мембраны клапана;

выдерживают заданное время опрессовки;

при достижении положительного результата опрессовки повышают давление в колонне НКТ до давления разрыва разрушаемой мембраны;

после открытия проходного отверстия проводят технологические операции в скважине.

Благодаря настоящему изобретению во всех его аспектах и вариантах осуществления обеспечивается технический результат, состоящий в повышении эффективности проведения технологических операций, например, при проведении работ по текущему и капитальному ремонту нефтяных и газовых скважин. В частности, как было описано выше, благодаря тому, что боковая часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнена с канавками, а нижняя часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки представляет собой сферический конус, обеспечивается беспрепятственное прохождение скважинной жидкости при спуске колонны НКТ для ее самозаполнения, а также плотное прилегание плавающей пробки к седлу при последующей опрессовке колонны НКТ.

Кроме того, предложенное изобретение, как было подробно пояснено выше, характеризуется рядом дополнительных положительных эффектов:

- Увеличенный проходной диаметр пробки способствует беспрепятственному прохождению геофизических приборов, при этом диаметр проходного сечения клапана зависит от величины и типа присоединительной резьбы.

- Вследствие выполнения из сплава, растворимого в кислотной среде скважины, и незначительного веса фрагменты мембраны после разрушения полностью растворяются, не засоряя забойную зону.

- Снижение затрат по времени для проведения технологических операций после выполнения опрессовки.

- Уплотнительная поверхность клапана имеет форму окружности на пологом конусе, предотвращающую не герметичность клапана из-за скапливания твёрдых частиц на контактной поверхности конуса.

- Установка пробки в клапан при сборке исключает риск повреждений пробки, возникающий в случае сбрасывания её с устья скважины.

- Канавки для прохождения жидкости увеличенного проходного сечения на наружной поверхности пробки минимизируют риск засорения клапана при спуске и эксплуатации.

- Возможность проведения ревизии клапана в условиях мастерской бригады текущего и капитального ремонта скважин.

В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как «над», «верх», «ниже», «низ», «верхний», «нижний» и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. В общем, «над», «верхний» «вверх» и аналогичные термины связаны с направлением к земной поверхности относительно скважины, и «ниже», «нижний», «вниз» и аналогичные термины связаны с направлением от земной поверхности относительно скважины.

1. Клапан опрессовочный мембранный, содержащий:

верхний переводник и нижний переводник, соединенные посредством резьбы,

плавающую пробку, установленную во внутреннем пространстве нижнего переводника с возможностью аксиального перемещения,

при этом плавающая пробка содержит нижний корпусный элемент, в котором установлены два срезающих кольца и разрушаемая мембрана между ними, и верхний корпусный элемент, соединяемый посредством резьбы с нижним корпусным элементом и закрепляющий срезающие кольца с установленной между ними разрушаемой мембраной в нижнем корпусном элементе,

при этом боковая часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнена с канавками, а нижняя часть внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки представляет собой сферический конус.

2. Клапан по п. 1, в котором разрушаемая мембрана выполнена из растворимого в кислотной среде материала.

3. Клапан по п. 1, в котором срезающие кольца выполнены с острыми кромками.

4. Клапан по п. 1, в котором канавки на боковой части внешней поверхности нижнего корпусного элемента плавающей пробки выполнены проходящими аксиально вдоль плавающей пробки.

5. Клапан по п. 1, в котором предусмотрено уплотнительное кольцо между верхним и нижним переводниками.

6. Клапан по п. 1, в котором предусмотрены фиксирующие винты для предотвращения раскручивания верхнего и нижнего переводников.

7. Скважинная компоновка, содержащая колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) с установленным на ней клапаном по п. 1.

8. Способ эксплуатации клапана по п. 1 при проведении технологических операций в скважине, включающий в себя этапы, на которых:

устанавливают клапан на колонне НКТ;

осуществляют спуск колонны НКТ с установленным клапаном на необходимую глубину;

нагнетают жидкость во внутреннюю полость колонны НКТ до достижения заданного давления опрессовки, которое ниже давления разрыва разрушаемой мембраны клапана;

выдерживают заданное время опрессовки;

при достижении положительного результата опрессовки повышают давление в колонне НКТ до давления разрыва разрушаемой мембраны;

после открытия проходного отверстия проводят технологические операции в скважине.