Клапан перепускной управляемый
BYPASS CONTROLLED VALVE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к перепускным скважинным клапанам, управляемым перепадом давлений с устья скважины, и предназначенным для промывки скважины или сброса избыточного давления.
Известно устройство для предпусковой очистки скважины (патент RU № 2531149, МПК Е21В 37/00, опубл. 20.10.2014 Бюл. № 29), содержащее электроцентробежный насос, подвешенный на колонне насосно-компрессорных труб, образующей со стволом скважины кольцевое пространство, пусковую муфту, соединяющую электроцентробежный насос с колонной насосно-компрессорных труб, в стенке которой выполнен аэратор, имеющий возможность сообщения канала насосно-компрессорных труб с кольцевым пространством ствола скважины, полый запорный клапан, канат, управляемый с устья скважины, причем полый запорный клапан выполнен в виде сбивного пальца, установленного в аэратор пусковой муфты с возможностью разрушения под действием веса груза, сбрасываемого в колонну насосно-компрессорных труб с устья скважины, и сообщения канала насосно-компрессорных труб с кольцевым пространством ствола скважины, при этом пусковая муфта выше аэратора оснащена внутренней кольцевой канавкой, в которой установлено стопорное кольцо, а снизу в пусковой муфте выполнена внутренняя кольцевая выборка, причем в пусковой муфте выше аэратора срезным элементом зафиксирована полая втулка, снабженная сверху посадочным седлом, при этом полая втулка имеет возможность разрушения срезного элемента и осевого перемещения вниз до упора во внутреннюю кольцевую выборку под действием избыточного давления, создаваемого в колонне насосно-компрессорных труб после сбрасывания в нее запорного органа и его размещения на посадочном седле полой втулки, с фиксацией полой втулки стопорным кольцом за ее верхний торец и герметичным перекрытием изнутри полой втулкой аэратора пусковой муфты, причем запорный орган выполнен в виде полушара с жестко закрепленным к нему сверху штоком, оснащенным центратором, при этом верхний конец штока снабжен ловильной головой под ловильный инструмент, спускаемый в колонну насосно-компрессорных труб на канате, управляемом с устья скважины для извлечения запорного органа.
Недостатками данного устройства являются наличие сбивного клапана, который после разрушения со сбивным грузом остаются в скважине над насосом и мешают проходу перекачиваемой жидкости, открытый сбивной клапан до опускания полой втулки остается открытой при перекачке газо-жидкостной смеси, что значительно снижает эффективность работы насоса и очистки скважины, для возвращения в исходное состояние полой втулки необходимо разобрать устьевую арматуру, установить подъемник для спуска лощильного инструмента, поднимающего полую втулку в исходное состояние, для открытия канала сбивного клапана, что требует больших затрат времени и денег.
Известен также клапан перепускной управляемый (патент RU № 2610953, МПК E21B 34/10, E21B 21/10, опубл. 17.02.2017 Бюл. № 5), содержащий верхний и нижний переводники с цилиндрической полостью, полый корпус, размещенный между переводниками, выполнен с радиальным сквозным отверстием, подпружиненный поршень, на поверхности которого выполнен фигурный управляемый паз, штифт управляющий, сопло, размещенное в поршне под верхним переводником, стакан, заглушку сливную, подшипник, уплотнительные кольца и соответствующие им пазы в стакане, верхнем и нижнем переводниках, пружину спиральную, подпружинивающую поршень, причем верхний переводник выполнен с полостью переменного сечения: коническая часть переходит в цилиндрическую, полый корпус в верхней части выполнен с продольными пазами на внутренней поверхности, поршень подпружинен в стакане и выполнен Т-образной формы, горизонтальная составляющая, ограничивающая перемещение поршня, выполнена с выступами, соответствующими продольным пазам на внутренней поверхности корпуса, вертикальная составляющая выполнена с управляемым кодовым фигурным пазом с конечной проекцией на плоскость, штифт управляющий для фигурного кодового паза выполнен переменного сечения: большее сечение выполнено резьбовым и закреплено резьбой в стакане, меньшее сечение штифта выполнено с гладкой поверхностью и размещено в нижней части управляемого кодового фигурного паза, пружина нижним торцом закреплена жестко в стакане, стакан выполнен цилиндрической формы постоянного сечения с радиальным отверстием соосно радиальному отверстию в нижней части корпуса, с заглушкой перепускной, жестко соединенной на нижнем торце стакана, выполненной с радиальным сквозным отверстием, соосным радиальным отверстиям корпуса и стакана, стакан с заглушкой перепускной и пружиной в нем установлен над нижним переводником на заглушке сливной с возможностью вращения на ней, заглушка сливная выполнена с эксцентрично размещенным в ней вертикальным сквозным отверстием соосно вертикальному сквозному отверстию, эксцентрично выполненному в заглушке перепускной, заглушка сливная имеет выступы, которыми жестко закреплена в корпусе, поверхности заглушек, контактирующие между собой, выполнены с коэффициентом трения, обеспечивающим антифрикционные свойства.
Недостатками данного клапана являются узкая область применения из-за наличия большого количества вставляемых коаксиально деталей, что делает невозможность использования в скважинах малого диаметра (с обсадными трубами ø 114 мм и менее), низкая надежность, сложность изготовления и обслуживания из-за сложных и мелких полого элемента (запорного органа) и заглушки, отвечающих за отсечение и перераспределение потока жидкости, которые выпилены мелкими с большим количеством сложных преточных каналов.
Наиболее близким по технической сущности является скважинное клапанное устройство (патент RU № 2587654, МПК Е21В 34/08, опубл. 20.06.2016 Бюл. № 17), содержащее корпус с кольцевым выступом на внутренней поверхности, ниже которого в корпусе выполнены сливные каналы, подвижный в осевом направлении золотник, имеющий верхний и нижний хвостовики меньшего диаметра, в верхней части верхнего хвостовика выполнены сливные окна и установлен ограничительный бурт, а нижний хвостовик золотника уплотнен относительно корпуса, кроме того, золотник снабжен сквозным осевым каналом, в котором размещен обратный клапан, золотник установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры, в которой на верхнем хвостовике размещен аксиально-подвижный двухступенчатый поршень, на верхней ступени которого установлен полый цилиндр, в стенках которого размещены цанги и сливные окна, причем полый цилиндр жестко соединен и совмещен наружной стороной с верхней ступенью аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, а на внутренней стороне верхняя ступень аксиально-подвижного двухступенчатого поршня образует кольцевой посадочный выступ, выполненный с возможностью герметичной посадки ограничительного бурта верхнего хвостовика золотника, кроме того, кольцевая пусковая камера сообщена с осевым каналом золотника посредством отверстий в нижней части верхнего хвостовика, при этом наружная поверхность нижней ступени большего диаметра аксиально-подвижного двухступенчатого поршня выполнена с возможностью уплотнения относительно внутренней поверхности корпуса, а верхняя ступень выполнена с возможностью перекрытия сливных каналов корпуса и выполнена с возможностью уплотнения относительно кольцевого выступа корпуса при крайнем верхнем положении поршня, кроме того, цанги установлены с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом корпуса и с ограничительным буртом, причем площадь, ограниченная уплотненными сторонами ступеней аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, выполнена с возможностью превышения площади, ограниченной наружным диаметром нижнего хвостовика золотника, отличающееся тем, что на нижнем хвостовике золотника размещен клапан сброса давления с подпружиненным запорным органом и выполненный с возможностью сброса давления из пусковой камеры, а на корпусе установлена регулировочная втулка, причем регулировочная втулка установлена с возможностью взаимодействия с запорным органом клапана сброса давления при создании импульса давления для открытия сообщения внутренней полости НКТ с затрубным пространством.
Недостатками данного клапанного устройства являются узкая область применения из-за наличия большого количества вставляемых коаксиально деталей, что делает невозможность использования в скважинах малого диаметра (с обсадными трубами ø 114 мм и менее), низкая надежность из-за наличия мелкого клапан сброса с пружиной, которые быстро выходят из строя, а для ремонта необходимо извлечение всего устройства на поверхность, большое снижение коэффициента полезного действия (КПД) при работе с глубинными циклическими насосами (например, плунжерными, высокопроизводительными или т.п.) из-за большого хода шара и необходимости постоянного смещения внутренних втулок, что значительно увеличивает время открытия и закрытия клапанного устройства.
Технической задачей предполагаемого изобретения является создание конструкции клапана перепускного управляемого, позволяющей работать в скважинах малого диаметра из-за малого количества вставляемых в друг друга деталей, повысить надежность за счет крупный и простых в изготовлении и обслуживании запорного элемента и седла клапана и клапана и не снижать значительно КПД за счет короткого хода запорного органа.
Техническая задача решается клапаном перепускным управляемым, включающим корпус с кольцевым выступом на внутренней поверхности и сливными радиальными каналами, ограничено подвижный в осевом направлении золотник, перекрывающий сливные каналы при перемещении вверх и открывающий сливные каналы при перемещении вниз, и пружину сжатия, причем золотник снабжен сквозным осевым каналом - седлом, в котором размещен запорный элемент обратного клапана.
Новым является то, что кольцевой выступ расположен ниже сливных каналов, пружина установлена между кольцевым выступом и золотником, который изготовлен с возможностью плотно прилегания к внутренней поверхности корпуса, причем золотник оснащен снаружи расположенными диагонально радиальными штифтами, которые для ограничения продольного перемещения вставлены во внутреннюю проточку закольцованную проточку корпуса, которая выполнена из симметричных чередующихся коротких и длинных продольных выборок соединенных фигурным пазом, позволяющим при возвратно-поступательном перемещении в корпусе золотника под действием давления и пружины последовательно располагаться соответствующим шрифтам в длинных выборках для закрытия сливных каналов и коротких выборках для открытия сливных каналов, при этом усилие пружине выше усилия давящего на золотник столба жидкости.
Новым является также то, что запорный элемент выполнен в виде бросового с устья скважины шара.
Новым является также то, что золотник выше запорного элемента оснащен негерметичной перегородкой, удерживающий запорный элемент внутри.
На чертеже изображен клапан с частичным продольным разрезом.
Клапан перепускной управляемый включает корпус 1 с кольцевым выступом 2 на внутренней поверхности 3 и сливными радиальными каналами 4, ограничено подвижный в осевом направлении золотник 5, перекрывающий сливные каналы 4 при перемещении вверх и открывающий сливные каналы 4 при перемещении вниз, и пружина сжатия 6. Золотник 5 снабжен сквозным осевым каналом – седлом 7, в котором размещен запорный элемент 8 обратного клапана. Кольцевой выступ 2 расположен ниже сливных каналов 4. Пружина 6 установлена между кольцевым выступом 2 и золотником 5, который изготовлен с возможностью плотно прилегания к внутренней поверхности 3 корпуса 2. Золотник 5 оснащен снаружи расположенными диагонально радиальными штифтами 9, которые для ограничения продольного перемещения вставлены во внутреннюю проточку закольцованную проточку 10 корпуса 1, которая выполнена на внутренней поверхности 3 из симметричных чередующихся коротких 11 и длинных 12 продольных выборок соединенных фигурным пазом 13, позволяющим при возвратно-поступательном перемещении в корпусе 1 золотника 5 под действием избыточного давления сверху и пружины 6 снизу последовательно располагаться соответствующим шрифтам 9 в длинных выборках 12 для закрытия сливных каналов 4 и коротких выборках 11 для открытия сливных каналов 4. Для исключения несанкционированного срабатывания клапана пружину 6 выбирают с усилием выше усилия давящего на золотник 5 столба жидкости.
При установке выше скважинного оборудования (пакера, насоса или т.п. – не показаны) запорный элемент 8 может быть выполнен в виде бросового с устья скважины шара.
При установке ниже скважинного оборудования золотник 5 выше запорного элемента 8 может быть оснащен негерметичной перегородкой 14, удерживающий запорный элемент 8 внутри золотника 5 для исключения несанкционированного попадания с восходящим потоком в скважинное оборудование.
Конструктивные элементы, технологические соединения и уплотнения, не влияющие на работоспособность клапана, на чертеже не показаны или показаны условно.
Клапан работает следующим образом.
Пример 1.
Клапан устанавливают в колонне лифтовых труб (не показаны) выше электропогружного насоса (не показан). Для этого корпус 1 без перегородки 14 и запорного элемента 8 присоединяют (например, резьбой, муфтами или т.п. -  не показаны) к колонне лифтовых труб. При этом штифты 9 золотника 5 располагаются в длинных выборках 12 проточки 10 корпуса, а золотник 5, плотно взаимодействуя с внутренней поверхностью 3 корпуса 1, герметично перекрывает сливные каналы 4. При работе насоса жидкость через корпус 1 по колонне лифтовых труб поднимается на поверхность.
При необходимости извлечения насоса, чтобы не поднимать колонну лифтовых труб с жидкостью, заполняющую ее, в лифтовую колонну труб кидают бросовый шар – запорный орган 8, который садится в седло 7 золотника 5, сверху создают избыточное давление закачкой жидкости устьевым насосом (не показан). Под действием давления золотник 5 с запорным органом 8, сжимая пружину 6 перемещается вниз, а штифты 9 из длинных выборку 12 – в фигурный паз 13, открывая сливные каналы 4. Это регистрируется снижением давления закачки и/или возникновением циркуляции жидкости в затрубье лифтовой колонны труб. После чего закачку жидкости прекращают и давление в лифтовой колонне труб снижается. После чего под действием пружины 6, которая упирается в кольцевой выступ 2, золотник 5 перемещается вверх, штифты 9 из фигурного паза 13 – в кроткую выборку 11, оставляя открытыми сливные каналы 4. При подъеме насоса на колонне лифтовых труб, жидкость из них сливается в скважину через сливные каналы 4 корпуса 1, снижая нагрузку на подъемное оборудование (не показано) и не изливаясь на устье скважины. После извлечения из скважины корпус 1 отсоединяют от колонны лифтовых труб, запорный элемент 8 извлекают из золотника 5, механически сверху воздействуют на золотник 5, сжимая пружину 6, которая разжимаясь после снятия механического воздействия расправляется, переводя штифты 9 из фигурного паза 13 в длинную выборку 12 с закрытием золотником 5 сливных каналов 4, в результате клапан готов к работе в составе другой лифтовой колонны труб.
Пример 2
Клапан устанавливают выше фильтра (не показан) вместо предохранительного клапана, но ниже замкового механизма пакера для вставного насоса (не показаны). Для этого корпус 1, оснащенным золотником 5 с запорным элементом 8 и перегородкой 14, присоединяют (например, резьбой, муфтами или т.п. -  не показаны) сверху фильтра перед спуском вместе с пакером в скважину. При этом штифты 9 золотника 5 располагаются в длинных выборках 12 проточки 10 корпуса, а золотник 5, плотно взаимодействуя с внутренней поверхностью 3 корпуса 1, герметично перекрывает сливные каналы 4. Пакер устанавливают выше продуктивного пласта (не показан), потом спускают насос с ниппелем до его герметичного взаимодействия с фиксацией с замковым механизмом пакера. При работе насоса жидкость через фильтр и корпус 1 по колонне лифтовых труб поднимается на поверхность.
При необходимости воздействия реагентами на продуктивный пласт без снятия пакера и извлечения его с фильтром на поверхность, насос с лифтовой колонной труб отсоединяют натяжкой от замкового механизма, по затрубью лифтовой колонны в скважину нагнетают устьевым насосом необходимый реагент, создавая избыточное давление выше золотника 5. Под действием давления золотник 5 с запорным органом 8, сжимая пружину 6 перемещается вниз, а штифты 9 из длинных выборку 12 – в фигурный паз 13, открывая сливные каналы 4. Это регистрируется снижением давления закачки. После чего под действием пружины 6, которая упирается в кольцевой выступ 2, золотник 5 перемещается вверх, штифты 9 из фигурного паза 13 – в кроткую выборку 11, оставляя открытыми сливные каналы 4. После закачки необходимого объема реагента производительность устьевого насоса резко повышают (подключением второго технологического насоса или увеличением скорости вращения ротора насоса), повышая давление выше пакера. Под этого повышенного давления золотник 5 перемещается вниз, сжимая пружину 6, которая разжимаясь после снятия механического воздействия расправляется, переводя штифты 9 из фигурного паза 13 в длинную выборку 12, закрывает золотником 5 сливные каналы 4. Спускают насос с ниппелем до его герметичного взаимодействия с фиксацией с замковым механизмом пакера. После технологической выдержки, достаточной для реакции реагента в пласте, насос запускают в работы для подъема на поверхность продукции пласта.
При необходимости извлечения пакера с фильтром на поверхность, насос с лифтовой колонной труб отсоединяют натяжкой от замкового механизма и извлекают на поверхность. В скважину спускают технологическую колонну с ловителем-съемником (не показаны) до взаимодействия с пакером. В скважину нагнетают устьевым насосом технологическую жидкость (техническую воду, минеральную оду или т.п.), создавая избыточное давление выше золотника 5. Под действием давления золотник 5 с запорным органом 8, сжимая пружину 6 перемещается вниз, а штифты 9 из длинных выборку 12 – в фигурный паз 13, открывая сливные каналы 4. Это регистрируется снижением давления закачки. После чего под действием пружины 6, которая упирается в кольцевой выступ 2, золотник 5 перемещается вверх, штифты 9 из фигурного паза 13 – в кроткую выборку 11, оставляя открытыми сливные каналы 4. При этом закачку прекращают, а давление выше и ниже пакера через сливные каналы 4 выравнивается, облегчая срыв пакера с интервала установки, после чего осуществляют подъем пакера с фильтром на поверхность на технологической колонне. После извлечения из скважины корпус 1 отсоединяют от фильтра, механически сверху воздействуют на золотник 5, сжимая пружину 6, которая разжимаясь после снятия механического воздействия расправляется, переводя штифты 9 из фигурного паза 13 в длинную выборку 12 с закрытием золотником 5 сливных каналов 4, в результате клапан готов к применению в составе другого фильтра.
Использование в корпусе 1 только одной коаксиальной детали – золотника 5, позволяет использовать его в скважинах малого диаметра. При этом золотник 5 и запорный элемент 8 просты в изготовлении и/или стандартные изделия, надежны в эксплуатации, так как не имеют мелких и технически слабых элементов, а штыри 9 перекрыты золотником 5 от воздействия агрессивной текучей среды внутри корпуса 1. А обычная конструкция обратного клапана (седло 7 и запорный элемент 8 с коротким ходом) при перекачке через него жидкости не сильно снижает КПД насоса (как показала практика не более 1 – 2 %).
Предлагаемый клапан перепускной управляемой позволяет работать в скважинах малого диаметра из-за малого количества вставляемых в друг друга деталей, повысить надежность за счет крупный и простых в изготовлении и обслуживании запорного элемента и седла клапана и не снижать значительно КПД за счет короткого хода запорного органа.