Клапан механический циркуляционный
MECHANICAL CIRCULATION VALVE

Изобретение относится к области эксплуатации нефтегазовых скважин, а именно к клапанным устройствам, и может быть использовано для различных технологических операций при эксплуатации и ремонте скважин.
Скважинный циркуляционный клапан (патент RU № 2765940, МПК Е21В 34/10, опубл. 07.02.2022), содержащий корпус с циркуляционными отверстиями, шток, установленный внутри корпуса с возможностью осевого перемещения. В верхней части корпуса выполнены гидравлические каналы, соединенные сверху с гидравлическими линиями для подвода управляющей жидкости к штоку, который образует с корпусом верхнюю и нижнюю кольцевые полости, один гидравлический канал соединен с нижней кольцевой полостью, а другой - с верхней кольцевой полостью, причем при подаче жидкости в одну гидравлическую линию шток перемещается вверх, открывая циркуляционные отверстия корпуса, а при подаче жидкости в другую гидравлическую линию - вниз, закрывая циркуляционные отверстия корпуса, кроме того шток поджат пружиной через цангу, которая в исходном закрытом положении клапана упирается лепестками в верхний буртик на наружной поверхности штока и зажата снаружи втулкой, фиксируя клапан в закрытом положении, при этом цанга установлена с возможностью осевого перемещения и выхода из зацепления с верхним буртиком штока при его перемещении вверх под действием управляющей жидкости и зацепления с нижним буртиком на наружной поверхности штока для фиксации клапана в открытом положении, при этом на внутренней поверхности штока выполнены канавки для установки инструмента механического управления клапаном.
Недостатки данного клапана:
- во-первых, сложность конструкции клапана;
- во-вторых, низкая надежность работы, связанная с наличием пружины сжатия, имеющей ограниченный ресурс знакопеременных нагрузок, поломка пружины приводит к отказу устройства в работе;
- в-третьих, невозможность проведения обратной и комбинированной промывок;
- в-четвертых, отсутствие возможности слива жидкости при подъеме колонны труб на поверхность;
- в-пятых, значительная металлоемкость конструкции.
Известен циркуляционный клапан (патент RU № 2439290, МПК Е21В 34/06, опубл. 10.01.2012), содержащий верхний и нижний переходники, корпус с радиальным гидравлическим каналом и установленный в стакане нижнего переходника полый поршень, имеющий спиральную пружину, канавки под уплотнительные элементы, радиальный гидравлический канал и фиксатор перемещения поршня, корпус собран из двух частей, соединенных между собой, с верхним и нижним переходниками резьбой и крепежными винтами, поршень выполнен с уступом, кольцевым выступом с уплотнительным кольцом, упором и посадочной поверхностью для его спиральной пружины, снабженной поджимной гайкой, которая по резьбе перемещается по внутренней поверхности одной части корпуса. Клапан предназначен для работы в пакерных компоновках подземного оборудования при проведении скважинных работ, связанных с прокачкой жидких или газообразных сред для многократного сообщения затрубного и внутритрубного пространств по заданному давлению во внутритрубном пространстве.
Недостатки данного клапана:
- во-первых, сложность конструкции клапана;
- во-вторых, низкая надежность работы, связанная с наличием пружины сжатия, имеющей ограниченный ресурс знакопеременных нагрузок, поломка пружины приводит к отказу устройства в работе;
- в-третьих, невозможность проведения обратной и комбинированной промывок;
- в-четвертых, отсутствие возможности слива жидкости при подъеме колонны труб на поверхность;
- в-пятых, значительная металлоемкость конструкция.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является клапан механический, содержащий корпус, который на резьбе установлен на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), в корпусе выполнена внутренняя кольцевая выборка, в которой с возможностью ограниченного осевого перемещения установлен поршень, уплотнительные кольца, в корпусе выполнены отверстия, служащие для сообщения трубного и затрубного пространств, клапан снабжен центратором, установленным на колонне штанг, при этом центратор выполнен с возможностью перемещения внутри НКТ и внутри корпуса клапана, при прохождении которого происходит перемещение поршня внутри корпуса клапана в верхнее положение, при котором обеспечивается сообщение трубного и затрубного пространств (патент RU № 2685360, МПК Е21В 34/14, опубл. 17.04.2019). Корпус клапана снабжен цангой с внутренними и наружными буртиками. Центратор имеет отверстия, предназначенные для уменьшения сопротивления потока добываемой и закачиваемой жидкости между центратором и внутренней поверхностью колонны НКТ.
Недостатки данного клапана:
- во-первых, низкая надежность конструкции, обусловленная высокой вероятностью поломки буртиков цанги при механическом взаимодействии центратора на цангу, что приводит к отказу клапана в работе;
- во-вторых, низкая эффективность работы клапана при закачке жидкости или химических реагентов. Это обусловлено наличием сопротивления закачки жидкости через клапан ввиду наличия в конструкции центратора цилиндрический формы, установленного между штангами, находящегося внутри колонны НКТ по которой происходит закачка жидкости. Даже те отверстия, которые выполнены в центраторе не позволяют исключить сильного местного сопротивления жидкости, которое создает центратор данной конструкции. Таким образом, при закачке жидкости через данный клапан резко поднимается давление закачки и снижается расход жидкости, что делает работу клапана не эффективной;
- в-третьих, низкое качество работы поршня в корпусе клапана при переключениях клапана из положений открыто-закрыто, из-за отсутствия надежной фиксации поршня в корпусе клапана в крайних положениях, что вызывает самопроизвольное перемещение поршня в корпусе клапана.
Техническими задачами изобретения являются повышение надежности конструкции клапана и повышение эффективности работы клапана при закачке жидкости или химических реагентов, а также повышение качества работы поршня в корпусе клапана при переключениях клапана из положений открыто-закрыто.
Технические задачи решаются клапаном механическим циркуляционным, содержащим корпус, который на резьбе установлен на колонне насосно-компрессорных труб - НКТ, отверстия в корпусе, выполненные для сообщения трубного и затрубного пространств, поршень, установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения внутри корпуса по выполненной внутри корпуса кольцевой выборке, центратор, выполненный с возможностью перемещения внутри НКТ и внутри корпуса клапана, установленный на колонне штанг, обеспечивающий перемещение поршня внутри корпуса клапана в верхнее положение и сообщение трубного и затрубного пространств, и уплотнительные элементы в сопрягаемых поверхностях поршня и корпуса.
Новым является то, что полый поршень оснащен наружной цилиндрической канавкой, в которой установлено пружинное стопорное кольцо, причем во внутренней кольцевой выборке корпуса выполнена нижняя и верхняя внутренние кольцевые проточки, при этом центратор закреплен на теле штанги с помощью винта, а на наружной поверхности центратора установлен пружинный фонарь, выполненный в виде изогнутых пластин, прикрепленных к наружной поверхности полой втулки, причем в транспортном положении поршень перекрывает отверстие корпуса и своим нижним торцом взаимодействует с нижним торцом внутренней кольцевой выборки корпуса, а пружинное стопорное кольцо размещено в нижней внутренней кольцевой проточке, при этом в рабочем положении при перемещении колонны штанг с центратором внутри НКТ вверх поршень имеет возможность взаимодействия с пружинным фонарем центратора и ограниченного осевого перемещения вверх в пределах внутренней кольцевой выборки корпуса до тех пор, пока
верхний торец поршня не упрется в верхний торец внутренней кольцевой выборки корпуса, при этом пружинное стопорное кольцо попадет в верхнюю внутреннюю кольцевую проточку, поршень фиксируется неподвижно относительно корпуса, а центратор с пружинным фонарем выходят из взаимодействия с поршнем и перемещаются выше корпуса внутри НКТ.
Техническими задачами изобретения являются упрощение конструкции клапана, снижение металлоемкости с возможностями слива жидкости при подъеме на поверхность колонны труб и проведения обратной и комбинированной промывок.
На фиг. 1 изображен клапан механический циркуляционный в транспортном положении.
На фиг. 2 изображен клапан механический циркуляционный в рабочем положении.
На фиг. 3 изображено сечение А-А клапана механического циркуляционного.
Клапан механический циркуляционный (фиг. 1, 2) содержит корпус 1, который на внутренней резьбе 2 установлен на колонне НКТ 3 (фиг. 1, 2, 3).
Корпус 1 оснащен отверстиями 4 (фиг. 1, 2) для сообщения трубного и затрубного пространств (на фиг. 1-3 не показаны).
В корпусе 1 выполнена внутренняя кольцевая выборка 5 (фиг. 1, 2), в которой с возможностью ограниченного осевого перемещения установлен поршень 6.
Поршень 6 оснащен наружной цилиндрической канавкой 7, в которой установлено пружинное стопорное кольцо 8 (например, круглого сечения). В корпусе 1 выполнена нижняя 9 (фиг. 1, 2) и верхняя 10 внутренние кольцевые проточки.
Клапан механический циркуляционный оснащен центратором 11 (фиг. 1-3), установленным на колонне штанг 12, при этом центратор выполнен с возможностью перемещения внутри НКТ 3 и внутри корпуса 1 клапана.
Центратор 11 выполнен в виде полой втулки, закрепленной на теле штанги 12 с помощью винта 13 (фиг. 1-3). На наружной поверхности центратора установлен пружинный фонарь 14, выполненный в виде пластин, например 4 штук, прикрепленных к наружной поверхности центратора 11. Верхние концы пластин закреплены жестко к наружной поверхности центратора, например с помощью сварки, а нижние концы пластин прижаты к наружной поверхности центратора 11 с возможностью продольного перемещения на расстояние h.
Пластины выполнены из пружинной стали, например марки 65 Г по ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия», позволяющей пружинному фонарю 14 радиально сжиматься и расширяться в процессе работы.
В транспортном положении (фиг. 1) поршень 6 своим нижним торцом взаимодействует с нижним торцом 15 (фиг. 1) внутренней кольцевой выборки 5 корпуса 1, а пружинное стопорное кольцо 8 размещено в нижней внутренней кольцевой проточке 9.
В рабочем положении (фиг. 2) поршень 6 имеет возможность взаимодействия с пружинным фонарем 14 центратора 11 и ограниченного осевого перемещения вверх в пределах внутренней кольцевой выборки 5 корпуса 1 до тех пор, пока верхний торец поршня 6 не упрется в верхний торец 16 (фиг. 1, 2) внутренней кольцевой выборки 5 корпуса 1, при этом пружинное стопорное кольцо 8 попадет в верхнюю внутреннюю кольцевую проточку 10.
Поршень 6 фиксируется неподвижно относительно корпуса 1, а центратор 11 с пружинным фонарем 14 выходят из взаимодействия с поршнем 6 и перемещаются выше корпуса внутри НКТ 3.
Сопрягаемые поверхности полого поршня 6 и корпуса 1 оснащены уплотнительными элементами 17, выполненных из резиновых уплотнительных колец круглого сечения по ГОСТ 9833-73.
Клапан механический циркуляционный работает следующим образом.
Сначала на колонне НКТ 3 (фиг. 1) в скважину (на фиг. 1-3 не показана) спускают корпус 1 (фиг. 1) клапана, в котором размещен поршень 6. Далее на колонне штанг 12 производят спуск центратора 11 с пружинным фонарем 14.
При прохождении центратора 11 через поршень 6 пружинный фонарь 14 сначала упирается в верхнюю фаску 18 (фиг. 1, 2) поршня 6 и при дальнейшем спуске колонны штанг вниз за счет силы тяжести колонны штанг 12 пружинный фонарь 14 сжимается радиально внутрь, уменьшаясь в диаметре благодаря расстоянию - h, например 3 см = 0,03 м, на которое смещаются вниз пластины пружинного фонаря 14 (см. фиг. 1 и 3), например в центраторе 11 под каждой из четырех пружинной пластиной выполнен паз (на фиг. 1 и 2 показано условно), в котором перемещается штифт (на фиг. 1 и 2 показан условно), жестко соединенный с пластиной пружинного фонаря 14.
Далее сжатый пружинный фонарь 14 (см. фиг. 1), находящийся на колонне штанг 12 и соединенный с центратором 11 винтом 13, проходит сквозь поршень 6 вниз внутри колонны НКТ 3, и пружинный фонарь 14 разжимается радиально наружу. Клапан механический циркуляционный занимает транспортное положение (см. фиг. 1).
В транспортном положении клапан механический циркуляционный закрыт. (отверстие 4 корпуса 1 перекрыто изнутри поршнем 6 (фиг. 1)).
Открытие клапана происходит при перемещении колонны штанг 12 (фиг. 1 и 2) с центратором 11 и пружинным фонарем 14 вверх. Пружинный фонарь 14 упирается в нижнюю фаску 19 (фиг. 1, 2) поршня 6 и перемещает поршень 6 вверх до упора верхнего торца полого поршня 6 в верхний торец 16 внутренней кольцевой выборки 5 корпуса 1, при этом пружинное стопорное кольцо 8 размещается в верхней внутренней кольцевой проточке 10 (фиг. 2) при дальнейшем натяжении колонны штанг вверх, за счет усилия натяжения колонны штанг 12, пружинный фонарь 14 сжимается радиально внутрь уменьшаясь в диаметре благодаря расстоянию - h = 0,03м, на которое смещаются вниз пластины пружинного фонаря 14 (см. фиг. 1 и 3) и пружинный фонарь 14, находящийся на колонне штанг 12 и соединенный с центратором 11 винтом 13, проходят сквозь поршень 6 вверх внутрь колонны НКТ 3, а пружинный фонарь 14 разжимается. Клапан механический циркуляционный занимает рабочее положение (см. фиг. 2).
В рабочем положении клапан механический циркуляционный открыт (отверстие 2 корпуса 1 не перекрыто изнутри поршнем 6 (фиг.2))
В открытом положении клапана (фиг. 2) можно: закачивать реагент в призабойную зону эксплуатируемого пласта скважины по колонне НКТ, минуя эксплуатируемый насос; при необходимости проводить прямую, обратную или комбинированную промывки колонны НКТ и эксплуатационной колонны от АСПО с выходом промывочной жидкости на поверхность.
Закрытие клапана (транспортное положение фиг. 1) происходит при перемещении колонны штанг 12 (фиг. 1 и 2) с центратором 11 и пружинным фонарем 14 вниз.
Пружинный фонарь 14 сначала упирается в верхнюю фаску 18 поршня 6 и при дальнейшем спуске колонны штанг вниз за счет силы тяжести колонны штанг 12 пружинный фонарь 14 сжимается радиально внутрь уменьшаясь в диаметре благодаря расстоянию - h, например 3 см = 0, 03 м, на которое смещаются вниз пластины пружинного фонаря (см. фиг. 1 и 3) и пружинный фонарь 14, находящийся на колонне штанг 12 и соединенный с центратором 11 винтом 13, проходит сквозь поршень 6 вниз внутри колонны НКТ, т.е. занимает транспортное положение (см. фиг. 1).
При необходимости извлечения клапана из скважины сначала на колонне штанг 12 поднимают центратор 11 с пружинным форнарем 14, далее на колонне НКТ 3 поднимают корпус 1 клапана с полым поршнем 6.
Повышается надежность работы конструкции, так как из конструкции клапана исключена цанга с буртиками и применена конструкция центратора с пружинным фонарем, выполненным из пружинных пластин, обеспечивающих надежное перемещение поршня при переводе клапана из положения закрыто в открыто, и наоборот. Открытие-закрытие отверстий клапана обеспечивается пружинным фонарем сжимающимся и разжимающимся в процессе работы при перемещении клапана из положения закрыто в открыто, и наоборот. Поломка пружинных пластин в процесс работы исключена, что полностью исключает отказ клапана в работе.
Повышается эффективность работы клапана при закачке жидкости или химических реагентов. Это обусловлено практически полным отсутствием гидравлического сопротивления со стороны центратора. Центратор закреплен на теле штанги винтом и выполнен в виде полой втулки с размещенным на ней пружинным фонарем, выполненным в виде пластин. Это кратно минимизурует сопротивление потоку закачиваемой жидкости или химическому реагенту, что позволяет закачать жидкость или химический реагент с заданными параметрами расхода и давления.
Повышается качество работы поршня в корпусе клапана благодаря надежной фиксации поршня в корпусе клапана в крайних положениях при помощи пружинного стопорного кольца. Это исключает самопроизвольное перемещение поршня относительно корпуса клапана в процессе его работы.
Клапан механический циркуляционный обеспечивает:
- повышение надежности конструкции;
- повышение эффективности работы клапана при закачке жидкости или химических реагентов;
- повышение качества работы поршня в корпусе клапана при переключениях клапана из положений открыто-закрыто.