Скважинный клапан
DOWNHOLE VALVE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к конструкции скважинного клапана, который может быть использован для эксплуатации газовых, газоконденсатных, нефтяных обсаженных скважин и скважин поддержания пластового давления.
Известен циркуляционный клапан, внутри корпуса которого установлен поршень с пружиной в верхней части и цангой в нижней части. При срывании цанги с конусного выступа пружина перемещает поршень в нижнее положение. Вскрываются радиальные каналы и происходит сообщение полости труб с областью затрубного пространства, обеспечивая циркуляцию жидкости в прямом и обратном направлениях с помощью продавочных агрегатов (RU 2195553, 27.12.2002).
Недостатком известного устройства является невозможность замены циркуляционного клапана без подъема всей компоновки оборудования на поверхность.
Наиболее близким аналогом является циркуляционный клапан, который содержит уравновешенный полый поршень с уплотнительными элементами и цангой, корпус с радиальными каналами и внутренним выступом для фиксации цанги. В поршне выполнены продольные прорези, в которых шарнирно установлены подпружиненные рычаги. В корпусе выполнена проточка, к поверхности которой прижаты концы рычагов с возможностью перемещения поршня под действием толкателя на противоположные концы рычагов (RU 46039, 10.06.2005).
Недостатком известного циркуляционного клапана является недостаточная надежность, а также невозможность замены клапана, например при присыпании, потере герметичности поршня, без подъема всей компоновки с клапаном на поверхность.
Техническим результатом изобретения является снижение затрат на проведение спуско-подъемных операций.
Поставленная задача решается заявляемым скважинным клапаном, содержащим цилиндрический корпус с циркуляционными отверстиями и кольцевой проточкой, выполненной на его внутренней поверхности, цангу, уплотнительные элементы, при этом, согласно изобретению, скважинный клапан включает вставку, выполненную съемной,  корпус которой выполнен с возможностью захвата его ловильным инструментом, при этом скважинный клапан содержит посадочное место для установки съемной вставки, выполненное в виде выступа на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, а цанга установлена на корпусе съемной вставки с возможностью фиксации ее буртика в кольцевой проточке цилиндрического корпуса при установке съемной вставки на посадочное место.
Кроме того, корпус съемной вставки выполнен глухим в нижней части, в стенке корпуса съемной вставки выполнены радиальные каналы с возможностью совмещения их с циркуляционными отверстиями цилиндрического корпуса при установке съемной вставки на посадочное место, в нижней части стенки корпуса съемной вставки имеется канал выравнивания давления, перекрытый установленным внутри корпуса съемной вставки штоком и выполненный с возможностью сообщения с внутритрубным пространством под скважинным клапаном, шток имеет осевой внутренний канал и поджат пружиной, установленной между выступом штока и внутренним кольцевым буртиком корпуса съемной вставки.
Кроме того, внутри корпуса съемной вставки установлен обратный клапан, выполненный с возможностью перекрытия проходного канала корпуса съемной вставки при движении жидкости в направлении сверху вниз, корпус съемной вставки выполнен из верхней и нижней частей, связанных при помощи срезных штифтов, при этом нижняя часть корпуса съемной вставки содержит канал, перекрытый верхней частью корпуса съемной вставки и выполненный с возможностью сообщения с внутритрубным пространством под скважинным клапаном.
Кроме того, в стенке корпуса съемной вставки выполнен узел отвода газа с возможностью совмещения его с циркуляционными отверстиями цилиндрического корпуса при установке съемной вставки на посадочное место, при этом узел отвода газа содержит седло с шариком, поджатым пружиной, и канал отвода газа, сообщающийся с внутренней полостью съемной вставки, имеющей сужение в месте выполнения канала отвода газа и расширение в верхней и нижней частях корпуса съемной вставки.
Кроме того, в стенке корпуса съемной вставки выполнены радиальные каналы с возможностью совмещения их с циркуляционными отверстиями цилиндрического корпуса при установке съемной вставки на посадочное место, при этом радиальные каналы оснащены штуцерами.
Снижение затрат на проведение спуско-подъемных операций достигается тем, что при разрушении, присыпании или потере герметичности вставки, геофизическим подъемником извлекают и заменяют только вставку скважинного клапана, что позволяет исключить подъем всей компоновки внутрискважинного оборудования.
Замена вставок обеспечивает возможность изменения режима работы скважинного клапана в различных режимах без подъема всей компоновки и корпуса скважинного клапана на поверхность. Такая возможность обеспечивается выполнением отдельных элементов вставок универсальными (корпус вставки, выполненный с возможностью захвата его ловильным инструментом, установленная на корпусе цанга, нижняя часть которой выполнена в виде буртика, уплотнительные элементы, служащие для обеспечения герметичности). В зависимости от требуемых технологических операций производят установку съемных вставок в корпус скважинного клапана. Установка и извлечение вставки производится стандартным или специальным инструментом с помощью геофизического подъемника или колтюбинга. При необходимости может содержать устройство для увеличения нагрузок – усилитель удара (ясс) механический  для облегчения установки и извлечения вставки.
На фиг. 1 представлен скважинный клапан.
На фиг. 2, 5, 8, 10 приводится ряд исполнений съемной вставки скважинного клапана, а именно на фиг. 2  – перекрывающая съемная вставка, на фиг. 5 – обратная съемная вставка, на фиг. 8 – перепускная съемная вставка и на фиг. 10 – штуцируемая съемная вставка. На фиг. 3 и 4 представлен скважинный клапан с перекрывающей съемной вставкой, на фиг. 6 и 7 – с обратной съемной вставкой, на фиг. 9 – с перепускной съемной вставкой, на фиг. 11 – со штуцируемой съемной вставкой.
Скважинный клапан (фиг. 1) состоит из цилиндрического корпуса 1 с циркуляционными отверстиями 2 и посадочным местом 3 для установки съемной вставки, выполненным, например, в виде выступа на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. На внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 также выполнена кольцевая проточка 4. Съемная вставка содержит корпус 5, выполненный в верхней части с возможностью захвата его ловильным инструментом, для чего имеется место захвата ловильным инструментом 6, установленную на корпусе 5 цангу 7, нижняя часть которой выполнена в виде буртика 8, уплотнительные элементы 9.
Скважинный клапан работает следующим образом.
В скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) спускают компоновку внутрискважинного оборудования (на фиг. не показана), в составе которого размещен цилиндрический корпус 1 скважинного клапана. Компоновку устанавливают на заданной глубине. На ловильный инструмент (на фиг. не показан), смонтированный на геофизический кабель, устанавливают съемную вставку. Далее спускают геофизический кабель с ловильным инструментом и съемной вставкой в скважину до ее установки на посадочное место 3 цилиндрического корпуса 1 скважинного клапана. При этом циркуляционные отверстия 2 цилиндрического корпуса 1 перекрываются, а буртик 8 цанги 7 съемной вставки устанавливается в кольцевой проточке 4 цилиндрического корпуса 1  (фиг. 1). Таким образом, съемная вставка надежно фиксируется в цилиндрическом корпусе 1. Давление от сопротивления потока жидкости, поступающей снизу через вставку, способствует прижиманию цанги 7 к цилиндрическому корпусу 1.
Натяжением геофизического кабеля происходит отсоединение ловильного инструмента от съемной вставки и подъем первого на поверхность.
При необходимости проверки на герметичность скважинного клапана с установленной вставкой, проводят опрессовку межтрубного пространства скважины.
Съемная вставка позволят прекратить сообщение между трубным и затрубным пространствами скважины, что дает возможность осуществлять эксплуатацию скважины.
При необходимости замены съемной вставки, производят ее извлечение, для чего на геофизическом кабеле спускают ловильный инструмент, которым поднимают съемную вставку на поверхность.
Предусмотрены следующие частные случаи выполнения съемной вставки, в зависимости от требуемых технологических операций.
Перекрывающая съемная вставка (фиг. 2) содержит корпус 5, место захвата ловильным инструментом 6, установленную на корпусе 5 цангу 7, нижняя часть которой выполнена в виде буртика 8, уплотнительные элементы 9. Корпус 5 вставки выполнен глухим в нижней части, а в стенке его выполнены радиальные каналы 10. Для выравнивания давления при извлечении вставки, в нижней части стенки корпуса 5 выполнен канал выравнивания давления 11, перекрытый установленным внутри корпуса 5 штоком 12. Канал выравнивания давления 11 выполнен с возможностью сообщения с внутритрубным пространством под скважинным клапаном. Шток 12 имеет осевой внутренний канал 13 и поджат пружиной 14, установленной между выступом 15 штока 12 и внутренним кольцевым буртиком 16 корпуса 5 вставки.
Перекрывающую съемную вставку устанавливают в цилиндрический корпус 1 вышеописанным образом. После установки вставки на посадочное место 3 цилиндрического корпуса 1, циркуляционные отверстия 2 совмещаются с радиальными каналами 10 вставки, а буртик 8 цанги 7 вставки устанавливается в кольцевой проточке 4 цилиндрического корпуса 1 (фиг. 3). Натяжением геофизического кабеля происходит отсоединение ловильного инструмента от вставки и подъем первого на поверхность.
Перекрывающая съемная вставка позволяет проводить следующие технологические операции:
- перекрытие внутреннего пространства НКТ под скважинным клапаном для предотвращения течения жидкости от пространства под скважинным клапаном до устья скважины;
- проведение замещения объема скважинной жидкости над скважинным клапаном для вызова притока жидкости из пласта в скважину и/или последующего ее глушения;
- временное отсечение пласта без его глушения для проведения работ в скважине без кольматации пласта, или временной консервации во время ожидания обустройства скважины;
- проведение прямой или обратной промывок скважины для очистки от шлама.
После проведения необходимых технологических операций производят извлечение перекрывающей съемной вставки: на геофизическом кабеле спускают ловильный инструмент, залавливают шток 12 и поднимают вверх (фиг. 4). При натяжении штока 12 пружина 14 сжимается, и происходит сообщение канала выравнивания давления 11 с осевым внутренним каналом 13 штока 12. В результате происходит выравнивание давления столба жидкости, находящегося в НКТ над скважинным клапаном и под скважинным клапаном. После выравнивания давления столба жидкости производят подъем вставки без усилий на поверхность.
Обратная съемная вставка (фиг. 5) содержит корпус 5, место захвата ловильным инструментом 6, установленную на корпусе 5 цангу 7, нижняя часть которой выполнена в виде буртика 8, уплотнительные элементы 9.  Внутри корпуса 5 вставки установлен обратный клапан, содержащий седло 17 с шаром 18, перекрывающим проходной канал 19 корпуса 5 вставки при движении жидкости в направлении сверху вниз, и клетку 20 с отверстиями, которая ограничивает перемещение шара 18 внутри корпуса 5 вставки. Для выравнивания давления перед извлечением обратной вставки, корпус 5 вставки выполнен из верхней 21 и нижней 22 частей, связанных при помощи срезных штифтов 23. При этом нижняя часть 22 корпуса вставки содержит канал 24, перекрытый верхней частью 21 корпуса вставки. Канал 24 выполнен с возможностью сообщения с внутритрубным пространством под скважинным клапаном.
Обратную съемную вставку устанавливают в цилиндрический корпус 1 вышеописанным образом. После установки вставки на посадочное место 3 цилиндрического корпуса 1, циркуляционные отверстия 2 перекрываются, а буртик 8 цанги 7 вставки устанавливается в кольцевой проточке 4 цилиндрического корпуса 1  (фиг. 6). Затем натяжением геофизического кабеля происходит отсоединение ловильного инструмента от вставки и подъем первого на поверхность.
Обратная съемная вставка позволяет проводить следующие технологические операции:
- перекрытие циркуляционных отверстий корпуса скважинного клапана и прекращение сообщения между трубным и затрубным пространствами;
- перекрытие движения жидкости сверху вниз и обеспечение движения жидкости снизу вверх за счет оснащения вставки обратным клапаном.
После проведения технологических операций извлекают обратную съемную вставку. Для этого ловильным инструментом залавливают корпус 5 вставки и поднимают вверх, при этом под действием давления столба жидкости, находящегося в НКТ над скважинным клапаном и внутри корпуса 5 вставки, происходит срезание штифтов 23 и перемещение верхней части 21 относительно нижней части 22 корпуса вставки и открытие канала 24 (фиг. 7). В результате через канал 24 и отверстия клетки 20 происходит выравнивание давления над и под съемной вставкой, благодаря чему подъем вставки на поверхность производится без усилий.
Перепускная съемная вставка (фиг. 8) содержит корпус 5, место захвата ловильным инструментом 6, установленную на корпусе 5 цангу 7, нижняя часть которой выполнена в виде буртика 8, уплотнительные элементы 9. В стенке корпуса 5 вставки выполнен узел отвода газа, содержащий седло 25 с шариком 26, поджатым пружиной 27, и канал отвода газа 28, сообщающийся с внутренней полостью 29 перепускной съемной вставки, имеющей сужение (конфузор) в месте выполнения канала отвода газа 28 и расширение (диффузор) в верхней и нижней частях корпуса 5 вставки.
Перепускную съемную вставку устанавливают в цилиндрический корпус 1 вышеописанным образом. После установки вставки на посадочное место 3 цилиндрического корпуса 1, циркуляционные отверстия 2 совмещаются с узлом отвода газа перепускной вставки, а буртик 8 цанги 7 вставки устанавливается в кольцевой проточке 4 цилиндрического корпуса 1 (фиг. 9). Затем натяжением геофизического кабеля происходит отсоединение ловильного инструмента от вставки и подъем первого на поверхность.
Установку электроприводного центробежного насоса (УЭЦН), установленную в компоновке под скважинным клапаном, запускают в работу, благодаря чему создается поток пластовой жидкости через перепускную съемную вставку. При накоплении газа в затрубном пространстве,  под действием давления происходит сжатие пружины 27 шариком 26, и газ поступает в канал отвода газа 28 и далее – во внутреннюю полость 29 вставки, где смешивается с пластовой жидкостью, облегчая ее, что уменьшает нагрузку на УЭЦН. Далее пластовая жидкость с газом поднимается на поверхность. Внутренняя полость 29 перепускной съемной вставки выполнена в виде эжектора с сужением и расширением, благодаря чему создается эжекция, которая способствует всасыванию и перепуску газа из затрубного пространства.
Перепускная съемная вставка позволяет проводить следующие технологические операции:
- отвод газа из затрубного пространства, что позволяет снизить затрубное давление в НКТ и повысить динамический уровень пластовой жидкости в скважине, а также облегчить пластовую жидкость, что уменьшает нагрузку на УЭЦН.
При остановке потока пластовой жидкости, движение пластовой жидкости из НКТ в затрубное пространство перекрыто: шарик 26 поджат к седлу 25 пружиной 27.
Для извлечения перепускной съемной вставки, на геофизическом кабеле спускают ловильный инструмент, которым поднимают вставку на поверхность.
Штуцируемая съемная вставка (фиг. 10) содержит корпус 5, место захвата ловильным инструментом 6, установленную на корпусе 5 цангу 7, нижняя часть которой выполнена в виде буртика 8, уплотнительные элементы 9. В стенке корпуса 5 вставки выполнены радиальные каналы 10, оснащенные штуцерами 30.
Штуцируемую съемную вставку устанавливают в цилиндрический корпус 1 вышеописанным образом. После установки вставки на посадочное место 3 цилиндрического корпуса 1, циркуляционные отверстия 2 совмещаются с радиальными каналами 10 вставки, а буртик 8 цанги 7 вставки устанавливается в кольцевой проточке 4 цилиндрического корпуса 1 (фиг. 11). Затем натяжением геофизического кабеля происходит отсоединение ловильного инструмента от вставки и подъем первого на поверхность.
Штуцируемая съемная вставка позволяет осуществлять регулируемую добычу пластового флюида из затрубного пространства скважины при глушении проходного канала ниже скважинного клапана заглушкой или другим оборудованием. Диаметр отверстий штуцеров 30 регулируется путем извлечения вставки и замены щтуцеров 30.
Для извлечения штуцируемой съемной вставки, на геофизическом кабеле спускают ловильный инструмент, которым поднимают вставку на поверхность.
Таким образом, использование скважинного клапана позволяет производить обслуживание скважинного оборудования без его подъема на поверхность и извлечения из скважины, что снижает затраты на проведение спуско-подъемных операций. При разрушении, присыпании или потере герметичности съемной вставки, геофизическим подъемником извлекают и заменяют только вставку.
Возможно использование в компоновке спускаемого в скважину оборудования нескольких скважинных клапанов, в корпуса которых устанавливаются съемные вставки различных исполнений, с целью выполнения различных технологических операций.