Обратный клапан для ремонта нагнетающих скважин

Полезная модель относится к элементам внутрискважинного оборудования, связанного с добычей нефти, предотвращающим поток жидкости в направлении снизу вверх (клапанам), управляемым перепадом давлений среды по обе стороны клапана и преимущественно устанавливаемым на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб. Иногда такие устройства называют дифференциальными клапанами. Особенностью предложенной полезной модели является низкий (около 0,5 ат≈50 кПа) порог срабатывания по перепаду давлений.
2
В дальнейшем описании будут подразумеваться клапаны, продольная ось которых вертикальна, а выходное отверстие, то есть то, через которое выходит жидкость при открытом клапане, находится внизу. Признаки «продольный», «поперечный», «верхний», «нижний» будут относиться к такому расположению клапана. В качестве единицы давления использована техническая атмосфера 1 ат=1 кГ/см.
Одним из популярных способов интенсификации отдачи нефтяного пласта является использование нагнетательных скважин, вытесняющих нефть закачиваемой в них водой в направлении добывающей скважины.
Вода закачивается в пласт под давлением, на десятки и даже сотни атмосфер превышающем гидростатическое давление водяного столба в скважине. Поэтому пластовое давление приблизительно равно сумме давления закачки и гидростатического давления. При необходимости ремонта подземного оборудования (замена лифта насосно-компрессорных труб или пакера) возникает проблема глушения скважины. При прекращении закачки и снятии избыточного давления пласт начинает выдавливать воду вверх, преодолевая гидростатическое давление в стволе скважины. Давление в пласте падает очень медленно, и скважина извергает воду порой еще целый год, не позволяя заглушить ее. При этом вода обычно оказывается засоленной и загрязненной углеводородами, что порождает проблему ее обезвреживания.
Известным приемом глушения скважины является повышение гидростатического давления над пластом путем закачки в скважину жидкости с большей чем у воды плотностью, что сопряжено со значительными расходами.
Вполне очевидным решением этой проблемы является установка пакерной группы, оборудованной обратным, или дифференциальным, клапаном, закрывающимся при минимальном превышении внутрипластового давления над давлением в скважине и не позволяющим тем самым воде из пласта подниматься в скважину.
Известен целый ряд обратных клапанов с установленным в корпусе запорным элементом, выполненным в виде шара, установленного в направляющем элементе с возможностью продольного перемещения, включающих также седло для запорного элемента и переводники для присоединения клапана к другим элементам скважинного оборудования. Направляющий элемент известных клапанов включает ряд продольных каналов, по которым жидкость, обходя запорный элемент, проходит через клапан.
Функцию направляющего элемента может выполнять корпус, продольные каналы в котором выполнены в виде пазов, образованных расточкой или рассверливанием корпуса до вскрытия приблизительно наполовину цилиндрических или конических сверленых каналов, расположенных по окружности [RU № 56940]. Недостатками такого клапана являются нетехнологичность и неремонтопригодность. В случае износа пазов бракуется весь корпус.
Близким к описанному являются более технологичные и ремонтопригодные клапаны [RU №№ 70544 и 76379], в которых направляющий элемент выполнен в виде отдельной, вставляемой в корпус детали, а сверленые отверстия выполнены коническими. Надежность такого клапана невысока из-за частого засорения отверстий, приводящего к падению его пропускной способности.
Известен также обратный клапан, включающий корпус, седло, запорный элемент в виде шара, установленного с возможностью свободного осевого перемещения в полости направляющего элемента (в уровне техники иногда называемого ограничителем, клеткой или фонарем), выполненного в виде тонкостенной цилиндрической втулки с гофрированными стенками, при минимальном зазоре между внутренними стенками, точнее, вершинами внутренних гофров, и запорным элементом [RU № 87745]. Известный клапан может работать в вертикальном положении, когда седло находится выше запорного элемента, только при перепаде давления на нем порядка нескольких атмосфер, когда поток жидкости достаточно велик, чтобы поднять тяжелый запорный элемент и прижать его к седлу. Это объясняется тем, что стремление разработчиков снизить гидравлическое сопротивление клапана, увеличивая площадь сечения обходящих запорный элемент каналов, приводит к повышению расхода жидкости, необходимого для закрытия клапана в положении «седло сверху». При попытке снизить порог срабатывания клапана по давлению за счет уменьшения размеров гофров и зазора между запорным элементом и направляющим элементом снижается надежность клапана из-за того, что запорный элемент может быть легко подклинен песчинками в направляющем элементе.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан, включающий корпус, направляющий элемент (ограничитель), седло и запорный элемент в виде шара, установленного с возможностью свободного осевого перемещения в полости направляющего элемента, в котором с целью обеспечения работоспособности клапана в наклонном или горизонтальном положениях запорный элемент выполнен из материала плотностью (2...3) г/см³, а минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками направляющего элемента составляет (1,05...1,3) диаметра запорного элемента [RU № 175104]. При этом направляющий элемент выполнен в виде втулки, в стенках которой имеются сквозные отверстия (окна) в форме прямоугольников с углами, скругленными небольшим по сравнению с размерами сторон радиусом, и содержит ограничитель продольных перемещений запорного элемента, выполненный в виде поперечного стержня, проходящего по диаметральной линии направляющего элемента.
Известный клапан работоспособен и в перевернутом, седло сверху, положении, но для его срабатывания в этом случае давление снизу, со стороны пласта, должно превышать давление сверху, в скважине, на несколько атмосфер. А это означает, что даже при небольшом падении давления клапан откроется, и вода вновь начнет поступать в скважину. Между тем, даже перепад в одну атмосферу соответствует высоте водяного столба в 10 метров, и расход воды может быть огромен.
Целью настоящей полезной модели является создание обратного клапана, способного закрываться при минимальном превышении давления снизу, что сокращает время ремонта нагнетающих скважин и улучшает экологическую обстановку за счет уменьшения количества пластовой воды, попадающей на земную поверхность.
Технический результат от использования предложенной полезной модели состоит в уменьшении превышения давления снизу, вызывающего его закрытие, что снижает объемы поступающей на поверхность межпластовой воды и позволяет быстрее приступить к ремонту скважины.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном обратном клапане, содержащем корпус, направляющий элемент в виде цилиндрической втулки с прямоугольными окнами, седло, запорный элемент в виде шара из материала плотностью (2...3) г/см³ и ограничитель продольных перемещений запорного элемента, седло расположено над запорным элементом, расстояние от указанного ограничителя до верха указанных окон лежит в пределах (0,67…0,73) диаметра запорного элемента, а минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя составляет (1,02…1,05) диаметра запорного элемента.
Благодаря расположению седла над запорным элементом клапан закрывается при превышении давления снизу, что и требуется для прекращения поступления межпластовой воды в ствол скважины.
Благодаря тому, что расстояние от ограничителя продольных перемещений запорного элемента до верха окон направляющего элемента лежит в пределах (0,67…0,73) диаметра запорного элемента, клапан срабатывает при перепаде давлений на запорном элементе, не превышающем 0,5 ат. Если это расстояние больше, чем 0,73 диаметра, гидравлическое сопротивление окон направляющего элемента в области обхода запорного элемента становится меньше и клапан срабатывает при большем, чем 0,5 ат, перепаде давлений. Если это расстояние меньше 0,67 диаметра, гидравлическое сопротивление клапана становится неприемлемо большим.
Из-за того что минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя лежит в пределах (1,02…1,05) диаметра запорного элемента, клапан срабатывает при перепаде давлений на запорном элементе, не превышающем 0,5 ат. Если это расстояние больше, чем 1,05 диаметра, гидравлическое сопротивление кольцевого зазора между запорным элементом и стенками направляющего элемента уменьшается настолько, что для подъема запорного элемента к седлу перепада давлений в 0,5 ат становится недостаточно. Если же оно меньше, чем 1,02 диаметра, то снижается надежность клапана из-за возможного подклинивания песчинками запорного элемента.
3
3
Технический результат при заявленных соотношениях размеров достигается, если плотность материала запорного элемента лежит в пределах (2…3) г/см. При большей плотности перепад давлений, необходимый для срабатывания клапана, превышает 0,5 ат. Материалы, пригодные для запорного элемента, имеющие плотность ниже 2 г/см, заявителю неизвестны.
Существо полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен в разрезе предложенный клапан, находящийся в вертикальном положении.
Предложенный клапан содержит корпус 1, выполненный в виде отрезка цилиндрической трубы круглого сечения. По концам труба корпуса снабжена внутренней цилиндрической резьбой 2, в которую завернуты верхняя резьбовая втулка 3 и нижняя концевая втулка 4. В зависимости от конкретной схемы пакерной группы конец резьбовой втулки 3 может иметь внутреннюю или наружную коническую резьбу. На чертеже в качестве примера показана резьбовая втулка 3 с внутренней конической резьбой. Резьбовая втулка 3 служит опорой для седла 5, выполненного в виде ступенчатой втулки, входящей по тугой посадке в выточку 6 в торцевой части резьбовой втулки 3.
3
Запорный элемент 7 клапана выполнен в виде шара из твердого износостойкого материала плотностью (2…3) г/см, например плавленого кварца или ситалла.
Для ограничения поперечных относительно оси клапана перемещений запорного элемента 7 и центровки его относительно седла 5 служит направляющий элемент (в уровне техники встречаются также названия «клетка», «фонарь», «ограничитель») 8, выполненный в виде цилиндрической втулки с прямоугольными окнами 9 на боковой поверхности. Углы окон 9 могут быть скруглены небольшим (не более 1/5 от их ширины) радиусом. Диаметр направляющего элемента 8 в области расположения окон 9 на доли миллиметра меньше, чем по концам, что облегчает его установку в корпус 1 по скользящей посадке.
В нижней части направляющего элемента 8 перпендикулярно его оси установлен ограничитель 10 продольных перемещений запорного элемента 7, выполненный, как показано в качестве примера на чертеже, в виде шпильки, установленной поперек ограничителя 10 и ввернутой в резьбовое отверстие 11.
Расстояние h от ограничителя 10 до верха окон 9 лежит в пределах (0,67…0,73) диаметра запорного элемента d, а минимальное расстояние D между противоположными внутренними стенками ограничителя составляет (1,02…1,05) диаметра запорного элемента. Такие соотношения размеров должны выполняться для того, чтобы клапан мог закрываться при перепаде давлений не более 0,5 ат, или, в иной записи, должны выполняться соотношения h=(0,67…0,73)d и D=(1,02…1,05)d.
Герметичность клапана обеспечивают кольцевые уплотнительные прокладки 12.
Предложенный клапан работает следующим образом.
В режиме закачки воды в пласт давление над клапаном, складывающееся из гидростатического давления и напора насоса, составляет обычно сотни атмосфер. Поэтому заниженное по сравнению с известными обратными клапанами проходное сечение запирающего узла оказывается достаточным для обеспечения требуемого расхода, тем более что этот расход ограничен сопротивлением пласта.
При остановке насоса остаточное давление в пласте оказывается выше гидростатического давления над клапаном. Если бы клапан закрывался при перепаде давлений, например, в 3 ат, а превышение составляло бы 2,5 ат, это означало бы извержение из устья скважины потока грязной межпластовой воды под давлением 2,5 ат в течение неопределенного, порой до нескольких месяцев, времени. Благодаря тому, что предложенный клапан закрывается при перепаде всего в 0,5 ат, выброс воды избыточным межпластовым давлением оказывается небольшим, что ускоряет переход к ремонтным работам и улучшает экологическую обстановку в зоне скважины.