Запорный клапан

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к технологии строительства глубоких скважин, в частности, к спуску потайных обсадных колонн в сложных горно-геологических условиях.
Основной проблемой на ряде месторождений нефти и газа юга Сибирской платформы, возникающей в процессе спуска потайных обсадных колонн в высокопроницаемых продуктивных коллекторах, является возникновение дифференциального прихвата в открытом стволе скважины вследствие высокой разницы значений между гидростатическим и пластовым давлениями. В результате дифференциального прихвата возникает необходимость в проведении аварийных работ по скважине, увеличивается время строительства скважины, снижается экономическая эффективность. В некоторых случаях ликвидация дифференциальных прихватов не представляется возможной, что несет огромные риски по потери скважины для компании-оператора месторождения углеводородов. Необходима разработка специального устройства для заканчивания скважины спуском потайной обсадной колонны в условиях возникновения дифференциального прихвата, обеспечивающего возможность снижения уровня промывочной жидкости в скважине в процессе спуска обсадных колонн.
Сущность физических явлений в скважине при вскрытом забоем продуктивном пласте, сопутствующих прихвату колонны труб под действием перепада давления, в общем виде известна [Аварийные ситуации в бурении // Заливин В.Г., Вахромеев А.Г. - Учебное пособие. - Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2016 - 500 с.]. При движении колонны труб между ней и фильтрационной коркой на стенках открытого ствола скважины находится буровой раствор, который равномерно фильтруется в стволе скважины в пласт по всем направлениям. При оставлении колонны труб без движения из-за изгиба под действием осевой нагрузки в застойной зоне, образующейся вследствие эксцентричного расположения колонны труб, в скважине произойдет дифференциальный прихват.
На колонну труб действует сила адгезии (прилипания), препятствующая движению труб, а также сила прижатия к стенке скважины под действием дифференциального давления, величина которого пропорциональна площади контакта и величине этого давления. Под действием дифференциального давления бурильные или обсадные трубы вдавливаются в фильтрационную корку, что обусловливает дальнейшее возрастание силы прижатия. Росту величины прижатия способствует интенсивное нарастание толщины фильтрационной корки, вызванное увеличением содержания твердой фазы за счет фильтрации промывочной жидкости в контактной зоне [Аварийные ситуации в бурении // Заливин В.Г., Вахромеев А.Г. - Учебное пособие. - Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 201 6 - 500 с.].
Решением проблемы может стать использование при спуске потайной обсадной колонны запорного клапана с дистанционным управлением (открытие), обеспечивающим герметичность либо сообщение между транспортировочной и потайной обсадной колоннами
За счет разницы статических уровней в затрубном и трубном пространстве в процессе спуска потайной обсадной колонны (по трубному пространству долив обеспечивается не полностью, согласно предварительному расчету), запорный клапан после срабатывания обеспечивает выравнивание общего уровня в скважине, формируя при этом равновесие в системе «пласт-скважина» на момент входа потайной обсадной колонны в открытый горизонтальный ствол. Далее в условиях сформированного равновесия в интервале открытого горизонтального ствола продолжают спуск потайной обсадной колонны до планового забоя «на равновесии».
Известен запорно-поворотный клапан (ЗПК) для проведения испытания пласта в процессе бурения скважины (Сухоносов Г.Д. Справочник по испытанию необсаженных скважин. 1985, с. 247). ЗПК позволяет создавать область пониженного забойного давления в подпакерной зоне испытателя пластов за счет сниженной величины статического уровня в бурильных трубах выше ЗПК (при закрытом ЗПК). Долив трубного пространства бурильного инструмента при спуске испытателя пластов в скважину осуществляется согласно расчету. После приведения в действия ЗПК поворотом бурильной трубы ЗПК открывается, подпакерная зона испытателя пластов начинает сообщаться с трубным пространством, формируя депрессию на испытываемый пласт-коллектор.
Запорно-поворотный клапан имеет существенный недостаток, а именно не может быть использован при спуске потайных обсадных колонн, так как не обеспечивает возможность прохождения через внутреннее проходное сечение продавочной пробки и активационных шаров.
Известно техническое решение узла с требуемой функцией разобщения-сообщения трубного и затрубного пространства в скважине: забойный клапан DDV компании «Везерфорд» («Weatherford»), позволяющий герметизировать трубное пространство обсадной колонны при проведении спуско-подъемных операций (https://www.weatherford.com/en/products-and-services/drilling/pressure-control/downhole-deployment-valves/).
Система забойного клапана (DDV) - это управляемая с поверхности система, которая спускается в составе обсадной колонны в скважину для повышения безопасности и устранения необходимости спуска труб в скважину под давлением или глушения скважины в процессе бурения с контролем давления.
Забойный клапан используется в случаях, когда бурильная колонна поднимается из скважины или устанавливается в скважине при наличии давления на устье. Когда возникает необходимость поднятия бурильной колонны из ствола, подъем бурильной колонны осуществляется до тех пор, пока компоновка низа бурильной колонны (КНБК) не окажется над клапаном. После этого клапан закрывается. Давление над клапаном стравливается, и бурильную колонну после этого можно безопасно поднять. Затем бурильная колонна снова спускается в скважину до тех пор, пока КНБК не окажется над забойным клапаном. После этого забойный клапан заново открывается, и бурильная колонна спускается для продолжения работы.
Система забойного клапана состоит из входящего в состав обсадной колонны забойного отсекающего клапана типа створчатой заслонки, который управляется с поверхности с помощью сдвоенной, покрытой оболочкой линии управления, спускаемой в затрубном пространстве между колоннами обсадных труб. Работа клапана осуществляется за счет подачи давления к одной из линий управления для открытия или закрытия, соответственно. Чтобы открыть клапан, давление подается в одну из двух линий управления. Для закрытия клапана давление подается в другую линию.
Недостатком данного забойного клапана является гидравлический канал связи посредством укладки дополнительной линии гидравлической связи вдоль обсадной колонны в процессе ее спуска. Данный канал является ненадежным и исключает возможность вращения инструмента, необходимого для отсоединения от подвески потайной обсадной колонны.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является узел створчатого клапана с уравнительным устройством для применения в случаях захлопывания шарнирной заслонки с высокой скоростью (патент на изобретение RU №2354807, 06.01.2006). Узел створчатого клапана состоит из шарнирной заслонки с напорной и ненапорной стороной, установленной с возможностью поворота между открытым и закрытым положениями, и расположенным в шарнирной заслонке уравнительным устройством для управляемого уравнивания давлений текучей среды по обе стороны шарнирной заслонки, имеющим выполненное в шарнирной заслонке уравнительное отверстие, выпускной клапанный элемент, расположенный в уравнительном отверстии с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, стопорный элемент, закрепленный в шарнирной заслонке с радиальной и осевой фиксацией и образующий опору для выпускного клапанного элемента, препятствующую выпадению последнего из уравнительного отверстия, и сжимаемую пружину, расположенную между выпускным клапанным элементом и стопорным элементом для поддавливания выпускного клапанного элемента в направлении закрытого положения. Шарнирная заслонка для применения в узле створчатого клапана, содержит изогнутый по дуге корпус, имеющий, по существу, плоскую возвышающуюся контактную площадку для контакта с нижним торцом управляющей трубы.
Недостатком данного створчатого клапана является необходимость уравнивания давления над и под клапаном для его закрытия/открытия и непосредственно его открытия с помощью управляющей трубы, которая приводится в действие давлением гидравлической жидкости или смещающими инструментами. При этом для решения поставленной выше задачи гидравлический канал связи исключается, в связи с частичным или полным отсутствием жидкости над клапаном. Использование смещающих инструментов предполагает дополнительные спуско-подъемные операции внутри транспортировочной колонны и длительную остановку работ по спуску хвостовика, что невозможно в условиях возникновения дифференциального прихвата в открытом стволе скважины.
Задачей заявленной полезной модели является разработка эффективной конструкции устройства, обеспечивающего возможность дистанционно управляемой разгерметизации трубного пространства бурильного инструмента в процессе спуска потайной обсадной колонны с сохранением проходного внутреннего сечения транспортировочной колонны бурильных труб для регулирования забойного давления в области открытого горизонтального, наклонного либо вертикального ствола скважины, чтобы исключить риск дифференциального прихвата.
Техническим результатом является технологическая надежность устройства для проведения спуска потайных обсадных колонн при строительстве скважин на нефть и газ в условиях возникновения дифференциального прихвата.
Задача решается тем, что заявлен запорный клапан, содержащий корпус, пружину, шарнирную заслонку с шарнирным механизмом, при этом в нижнюю часть клапана включен опорно-подшипниковый узел, кольцевой посадочный упор, защелка, шток с переводником, срезная шпонка-фиксатор шарнирной заслонки.
Применение полезной модели: принудительное дистанционное управление разделяющим запорным клапаном за счет вращения транспортировочной колонны на 45 градусов для разобщения и последующего сообщения трубного и затрубного пространства в стволе скважины в процессе спуска потайной обсадной колонны. За счет формирования общего статического уровня в трубном и затрубном пространстве создается равновесие в системе «скважина-пласт». Создание равновесия осуществляется за счет снижения забойного давления на пласт при сниженном статическом уровне от устья скважины. Долив в трубное пространство бурильной колонны осуществляется строго в расчетном объеме (либо вообще не производится), позволяя после открытия клапана уравнять пластовое и гидростатическое давление на уровне открытого горизонтального, наклонного либо вертикального ствола скважины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг. 1 показан запорный клапан в разрезе;
На фиг. 2 показано открытое положение шарнирной заслонки;
На фиг. 3 - закрытое положение шарнирной заслонки;
На фиг. 4 - положение срезной шпонки-фиксатора шарнирной заслонки до поворота бурильной колонны на 45 градусов;
На фиг. 5 - положение срезной шпонки-фиксатора шарнирной заслонки после поворота бурильной колонны на 45 градусов;
где 1 - корпус, 2 - пружина, 3 - шарнирная заслонка, 4 - кольцевой посадочный упор, 5 - защелка, 6 - шарнирный механизм, 7 - шток с переводником, 8 - опорно-подшипниковый узел, 9 - срезная шпонка-фиксатор шарнирной заслонки.
Устройство работает следующим образом:
Запорный клапан устанавливается на первой бурильной трубе транспортировочной колонны сразу за подвеской потайной обсадной колонны. Перед спуском в закрытом положении клапан фиксируется срезной шпонкой-фиксатором 9 шарнирной заслонки 3. При спуске осуществляется долив трубного пространства бурильных труб транспортировочной колонны в расчетом объеме (либо вообще не осуществляется). При выходе из башмака эксплуатационной колонны на 150-200 м производится открытие клапана путем поворота бурильной колонны на 45 градусов вправо. При выходе из башмака эксплуатационной колонны путем вращения на 45 градусов, шпонка-фиксатор 9 шарнирной заслонки 3 срезается, клапан открывается, шток 7 фиксируется в корпусе 1 для предотвращения дальнейшего повторного вращения. Клапан открывается под воздействием давления и пружины 2, так как открывается вверх в сторону устья. После открытия клапан фиксируется защелкой 5 на теле корпуса 1. Также дополнительно поднятию шарнирной заслонки 3 способствует избыточное давление затрубного пространства. Открытие клапана приводит к перетоку жидкости из затрубного в трубное пространство, уровни выравниваются, тем самым обеспечивается гидродинамическое равновесие забойного давления с пластовым на уровне горизонтального ствола. В этих условиях спуск колонны продолжается без долива. Спуск колонны уже происходит в условиях искусственно созданных текущих забойных давлений в открытом стволе скважины, близких по величине к пластовому давлению нефтяной залежи, что минимизирует риск возникновения дифференциального прихвата.
При этом внутренний диаметр элементов запорного клапана соответствует диаметрам шаров активации подвески, пакеров и продавочным пробкам, которые используются в последующих циклах крепления потайной обсадной колонны, благодаря чему сохранен общий алгоритм действий по спуску, заякориванию, креплению потайных обсадных колонн и последующего отсоединения транспортировочной колонны.