УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ В СКВАЖИНЕ
WELL CIRCULATION CONTROL DEVICE

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для освоения глубоких нефтяных и газовых скважин.
Известно скважинное посадочное устройство (см. а.с.№1.451.259, М кл. Е21В 34/06, опубл. 15.01.89 г., Бюл. №2), предназначенное для многократного включения - выключения механизмов, входящих в компоновку труб.
Устройство включает корпус с седлом в осевом канале, фиксирующие элементы в виде вкладышей с гнездами, подпружиненных толкателей, рычагов, поршней, упоров с шариками. В корпусе выполнены радиальные пазы и каналы. Толкатели установлены в гнездах вкладышей с возможностью взаимодействия с шариками. Поршни размещены в радиальных корпусах, а рычаги установлены в его радиальных пазах с возможностью взаимодействия с поршнями и подпружиненным толкателем.
Недостатки конструкции:
- сложным представляется установить в осевом канале устройства цилиндрическое седло с шаровым клапаном, с установкой на упоры, поскольку они подаются с поверхности;
- многократность использования устройства может быть реализована только в случае установки седла с шаровым клапаном в осевом канале устройства;
- сложность конструкции устройства снижает надежность и эффективность работы;
- устройство может быть установлено в колонне труб только в одном месте и не может быть применено для освоения нефтяных и газовых скважин, при невозможности создания гидродинамической связи осевого канала колонны труб с межтрубным пространством.
Известна конструкция управляемого циркуляционного клапана (см. а.с. СССР №1.139.828, М кл. Е21В 34/06, опубл. 15.02.85 г., Бюл. №6).
Циркуляционный клапан управляется за счет спускаемого в скважину захвата и состоит из корпуса с золотником. Между корпусом и золотником установлены промежуточная и защитная втулки с цангой, зажимные кулачки которой имеют внешние и внутренние конусные буртики. Зажимные кулачки цанги, в закрытом положении клапана, взаимодействуют с расточкой корпуса и наружной поверхностью золотника. В открытом положении клапана зажимные кулачки взаимодействуют с проточкой и упорным буртиком, выполненным на золотнике, и внутренней поверхностью корпуса.
Циркуляционный клапан позволяет, при управлении сверху, образовывать гидродинамическую связь внутритрубного и межтрубного пространства и ликвидировать эту связь, также путем спуска в скважину захвата.
К недостаткам конструкции следует отнести следующее:
- необходимость спуска и извлечения из скважины захвата для управления открытием - закрытием золотника и образования гидродинамической связи;
- устройство может применяться в составе колонны труб в одном экземпляре, поскольку необходимо управлять последним с поверхности;
- данное устройство не может быть использовано для освоения глубоких скважин, где требуется применение нескольких клапанов, размещенных по глубине скважины, включаемых последовательно по мере освоения - удаления жидкости из межтрубного пространства, над местом установки каждого из клапанов;
- работоспособность устройства вызывает сомнение из-за наличия герметичной камеры между золотником и корпусом, перекрытой сверху и снизу защитной и промежуточной втулками.
Известно устройство для управления циркуляцией в скважине (см. а.с. СССР, М кл. Е21В 34/08 №1.800.67 дата регистрации 09.07.90 г.), принятое авторами за прототип.
Устройство состоит из корпуса, образованного соединением переводников, с образованием между ними проточки, в которой размещена подвижная втулка, с ограничительными элементами в виде выступов, положение которых зафиксировано пружиной, размещенной на нижнем торце опорной втулки, установленной, в свою очередь, на внутреннем торце проточки корпуса устройства.
Внутри корпуса, напротив подвижной подпружиненной втулки, размещена втулка, выполненная из отдельных звеньев. На наружной поверхности этой втулки выполнена проточка, посредством которой подвижная втулка, через ограничительные упорные элементы, фиксирует положение подвижных звеньев втулки. В исходном положении звенья втулки сомкнуты в верхней части с образованием посадочного седла под шар и разомкнуты в нижней части. Наружная поверхность звеньев втулки выполнена конической, чтобы взаимодействовать с ограничительными выступами подвижной втулки и верхним торцом опорной втулки, при движении втулки вниз, и последовательном смыкании нижней части звеньев, при взаимодействии с нижней втулкой, с образованием посадочного седла под шар.
Устройство встраивают в компоновку колонны труб. При необходимости в осевой канал сбрасывают шар с посадкой его на верхнее посадочное седло, образованное сомкнутыми звеньями втулки.
При увеличении давления над шаром звенья втулки перемещают вниз, со сжатием пружины.
Верхние торцы подвижных звеньев втулки, при провороте последних относительно ограничительных элементов, заходят в проточку корпуса и, размыкаясь, освобождают от фиксации шар, со смыканием нижней части подвижных звеньев и образованием нижнего посадочного седла, на которое падает шар, с перекрытием свободного перетока жидкости и обеспечением удержания подвижной втулки.
При этом обеспечивается прохождение части от суммарного расхода рабочей жидкости через щелевые каналы между звеньями втулки.
При прекращении подачи рабочей жидкости подвижные звенья втулки, под воздействием нижней втулки с пружиной, возвращаются в исходное положение, проворачиваясь относительно ограничительных элементов, размыкаясь в нижней части и смыкаясь в верхней. Шар освобождается и падает на исполнительный механизм внутрискважинного оборудования. Аналогичным образом можно повторить операцию по срабатыванию устройства и подаче шара вниз.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что при подаче шара на верхнее седло и переключении - переходе на нижнее седло, при наличии избыточного давления над шаром, отсутствует возможность создания гидродинамической связи осевого канала бурильной или лифтовой колонны труб с межтрубным пространством скважины. Это необходимо для удаления пластовой жидкости из межтрубного пространства, при освоении глубоких нефтяных и газовых скважин, с использованием азотно-компрессорных установок.
Выполнение втулки из отдельных звеньев, охваченных снаружи подвижной втулкой, вызывает определенные трудности при монтаже и вводе в осевой канал корпуса, поскольку вручную их надо равномерно распределить по периметру, внутри подвижной втулки, и сохранять это положение как в процессе монтажа и спуска в скважину, так и при взаимодействии с ними шара.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность создания гидродинамической связи осевого канала лифтовой колонны труб с межтрубным пространством скважины;
- возможность изоляции межтрубного пространства от внутритрубного после удаления шара из осевого канала устройства;
- возможность последовательной передачи шара с верхнерасположенного устройства на расположенное ниже, с повторением процесса образования - ликвидации гидродинамической связи осевого канала лифтовой колонны труб с межтрубным пространством, при подаче рабочего агента (например, газа) сверху, в осевой канал лифтовой колонны труб;
- возможность освобождения осевого канала в нижерасположенном устройстве от шара, и запуск скважины в эксплуатацию;
- повышение надежности формирования посадочной поверхности верхнего и нижнего седел, за счет применения двух цанг, связанных механически друг с другом в средней части.
Технический результат достигается тем, что устройство для управления циркуляцией в скважине состоит из разъемного корпуса с верхним и нижним переводниками, кольцевой проточкой и подпружиненной подвижной втулкой внутри.
Неподвижная втулка жестко связана с нижним переводником и снабжена внутренней фаской. Узел фиксации шара выполнен в виде верхней цанги, снабженной наружным кольцевым выступом, и нижней цанги, жестко связанной с верхней цангой в средней части.
Разъемный корпус снабжен циркуляционными отверстиями, герметично перекрытыми подвижной втулкой, установленной с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом верхней цанги. Узел фиксации шара установлен в кольцевой проточке разъемного корпуса, с возможностью взаимодействия с его конусной фаской головками верхней цанги и конусной фаской неподвижной втулки головками нижней цанги.
Проведенный патентный поиск по данной отрасли техники показал, что известна конструкция циркуляционного клапана (см. пат. РФ №2.211.915, М кл. Е21В 34/06, опубл. 10.09.2003 г., Бюл. №25), который применяется в составе лифтовой колонны. Устройство состоит из корпуса в виде ступенчатого цилиндра с осевым каналом и седлом в днище.
Внутри подвижно размещен полый подпружиненный ступенчатый золотник, с которым связан кольцевой поршень. В месте установки, в корпусе, они образуют кольцевую камеру. Диаметр кольцевого поршня, в нижней части, больше диаметра кольцевого поршня в верхней части. Устройство снабжено торцовым клапаном, опирающимся на торец в нижней части. Кольцевая камера связана через обратный клапан с межтрубным пространством скважины. Осевой канал устройства также связан с кольцевой камерой через дроссельный канал.
Лифтовая колонна труб снабжена несколькими такими циркуляционными клапанами, расстановленными по глубине, для осуществления поинтервального освоения глубоких скважин. После сброса давления, в осевом канале лифтовой колонны труб, шток с торцовым клапаном, усилием пружины, садится на торцовый клапан. Но при этом сохраняется гидродинамическая связь осевого канала с межтрубным пространством через дроссельный канал, что является препятствием при проведении эксплуатации скважин.
Известна конструкция циркуляционного клапана (см. пат. РФ №1.787.194, М кл. Е21В 34/06, опубл. 07.01.93 г., Бюл. №1). Клапан снабжен корпусом с перепускным и циркуляционным каналами.
Перепускной канал выполнен сообщающимся с соответствующим циркуляционным каналом, в котором размещен шаровой клапан.
Шар может занимать двойное положение и может обеспечить гидродинамическую связь осевого канала лифтовой колонны труб с межтрубным пространством. Клапан, при сбросе давления и переходе на режим добычи скважины, не обеспечивает изоляцию осевого канала лифтовой колонны труб от межтрубного пространства.
Известна конструкция циркуляционного клапана (см. а.с. СССР №949162, М кл. Е21В 34/06, опубл. 07.08.82 г., Бюл. №29). В клапане имеется два седла - верхнее и нижнее, причем верхнее седло выполнено в виде кулачков, установленных во втулке, с возможностью их радиального перемещения и взаимодействия с корпусом и рабочим инструментом - шаром. Т.е. реализован принцип съема - пропуска шара на нижнее седло.
Конструкция устройства для управления циркуляцией в скважине поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 показана конструкция устройства в исходном положении в момент подачи на верхнее посадочное седло шарового клапана;
- на фиг.2 - конструкция в момент перемещения шара с верхнего седла на нижнее и открытия гидродинамической связи осевого канала устройства с межтрубным пространством;
- на фиг.3 - устройство после сброса шара с нижнего седла.
Устройство состоит из разъемного корпуса 1 с верхним 2 и нижним 3 переводниками.
Внутри разъемного корпуса 1 выполнена кольцевая проточка 4, в которой установлена подвижная втулка 5, с возможностью перекрытия циркуляционных отверстий 6, выполненных в теле разъемного корпуса 1. Нижним концом подвижная втулка 5 охватывает верхний конец неподвижной втулки 7, жестко связанной с нижним переводником 3, и опирается на пружину 8.
Верхнее седло выполнено в виде цанги 9, головки 10 которой введены в осевой канал 11 и сжаты в радиальном направлении к центру.
Нижнее седло выполнено в виде цанги 12, головки 13 которой в исходном положении располагаются над торцовой поверхностью неподвижной втулки 7, внутри которой выполнена коническая фаска 14. Верхнее и нижнее седло выполнены из цанг 9 и 12 соответственно, головки цанг перекрывают полностью периметр в сжатом положении, на чертеже показаны условно. В разъемном корпусе 1, в месте выполнения кольцевой проточки 4, выполнена коническая фаска 15 с возможностью взаимодействия с ней головок 10 цанги 9. Цанга 9 и цанга 12 связаны друг с другом посредством резьбы. Цанга 9 снабжена выступом 16 и опирается, при сборке, на торцовую поверхность подвижной втулки 5. Кольцевой зазор между внутренней поверхностью разъемного корпуса 1 и наружной поверхностью подвижной втулки 5 герметизирован уплотнительными кольцами 17.
Для управления работой устройства на верхнее седло устанавливают шар 18.
Для оснащения глубоких нефтяных и газовых скважин в состав лифтовой колонны труб включают несколько устройств, разнесенных по глубине скважины, исходя из мощности, развиваемой компрессорной установкой, и возможности удаления столба пластовой жидкости из межтрубного пространства скважины.
Работа устройства:
Лифтовая колонна труб оснащается несколькими устройствами, в процессе ее спуска в скважину, разнесенными по ее длине.
В исходном положении осевой канал разъемного корпуса 1, каждого из устройств, свободно сообщается с осевым каналом лифтовой колонны труб.
После подготовки технологического оборудования к проведению операции по освоению скважины, в осевой канал лифтовой колонны труб, с поверхности, сбрасывают шар 18, с посадкой его на головки 10 цанги 9, которые, в сжатом состоянии, образуют верхнее седло. При подключении осевого канала лифтовой колонны труб к азотно-компрессорной или иной установке создают перепад давления на шаре 18, который взаимодействует с цангой 9, сообщает осевое усилие, через выступ 16, на подвижную втулку 5 и перемещает ее вниз, в кольцевой проточке 4 разъемного корпуса 1.
Головки 10 цанги 9 скользят по внутренней поверхности сужения, в разъемном корпусе 1, до момента выхода в полость кольцевой проточки 4. Лепестки цанги 9, при взаимодействии с шаром 18, разводятся в радиальном направлении, с обеспечением прохода шара 18 внутрь. Одновременно, при перемещении соединения цанг 9 и 12 головки 13 нижней цанги 12 входят во взаимодействие с конической фаской 14, неподвижной втулки 7, с радиальным перемещением головок 13 к центру. Тем самым, формируется нижнее седло, на которое садится шар 18, с перекрытием осевого канала разъемного корпуса 1 и сохранением положения подвижной втулки 5.
Жидкость глушения, из осевого канала лифтовой колонны труб, выходит в межтрубное пространство через циркуляционные отверстия 6.
После выдавливания пластовой жидкости из осевого канала лифтовой колонны труб над местом расположения устройства и из межтрубного пространства сбрасывают давление.
Усилием предварительно сжатой пружины 8 подвижная втулка 5 перемещается внутри кольцевой проточки 4, с перекрытием гидравлической связи осевого канала устройства, через циркуляционные отверстия 6, с межтрубным пространством.
Одновременно, головки 10 верхней цанги 9 выходят во взаимодействие с конической фаской 15 и перемещаются в радиальном направлении к оси устройства. Головки 13 нижней цанги 12 перемещаются вверх относительно неподвижной втулки 7 и при выходе из ее осевого канала деформируются в радиальном направлении к внутренней поверхности подвижной втулки 5. Шар 18 выводится из взаимодействия с головками 13, нижней цанги 12 и проходит в осевой канал лифтовой колонны труб, до места установки следующего аналогичного устройства. Шар 18 садится на верхнее седло, сформированное головками 10 верхней цанги 9, и процесс повторяется.
После выполнения технологической операции по удалению жидкости глушения из осевого канала лифтовой колонны труб, в межтрубное пространство, на уровне расположения второго устройства, также прекращают подачу под давлением рабочего агента, в осевой канал лифтовой колонны труб.
Тем самым, происходит передача шара 18 из осевого канала второго устройства на следующее, расположенное ниже, с повторением процесса работы устройства, как описано ранее.
Источники информации
1. Скважинное посадочное устройство А.с. СССР №1.451.259, М кл. Е21В 34/06, опубл. 15.01.1989 г., Бюл. №2.
2. Циркуляционный клапан А.с. СССР №1.139.828 М кл. Е21В 34/06, опубл. 15.02.1985 г., Бюл. №6.
3. Устройство для управления циркуляцией в скважине А.с. СССР №1.800.867, М кл. Е21В 34/08, опубл. 09.07.1990 г. (прототип).
4. Циркуляционный клапан Пат. РФ №2.211.915, М кл. Е21В 34/06, опубл. 10.09.2003 г., Бюл. №25.
5. Циркуляционный клапан Пат. РФ №1.787.194, М кл. Е21В 34/06, опубл. 07.01.1993 г., Бюл. №1.
6. Циркуляционный клапан А.с. СССР №949.162, М кл. Е21В 34/06, опубл. 07.08.1982 г., Бюл. №29.