КЛАПАН ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ
CIRCULATING VALVE

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для промывки скважины от парафиноотложений, преимущественно в осевом канале лифтовой колонны труб.
Известен циркуляционный клапан (I) (см. Ю.В.Зайцев, Р.А.Максутов, О.В.Чубанов и др. Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин. - М., Недра, 1984 г., с.85-91).
Клапан циркуляционный состоит из корпуса, в осевом канале которого установлена гильза с перепускными отверстиями и двумя расточками для плашек толкателя управляемого инструмента. Гильза герметизирована уплотнениями и фиксируется в двух положениях. Открытие и закрытие клапана - за счет перемещения гильзы до совпадения ее перепускных отверстий с отверстиями в корпусе. Для установки и эксплуатации циркуляционного клапана его устанавливают в составе лифтовой клоны труб над пакером.
Недостатки конструкции:
- необходимость включения в состав компоновки дополнительно пакера для обеспечения перекрытия межтрубного пространства под циркуляционным клапаном;
- усложнение технологии по оснащению скважины лифтовой колонной, в которую введен пакер, что требует проведения специальных операций по его посадке и извлечению;
- для управления циркуляционным клапаном необходимо применение специальной тросовой техники с затратами рабочего времени на ее управление.
Известна конструкция циркуляционного клапана (II) (см. «Строительство газовых и газоконденсатных скважин». Сб. научных трудов ВНИИГАЗ, Москва, 1997 г., с.18-21).
Клапан состоит из ствола, связанного с лифтовой колонной труб. Корпус охватывает ствол с образованием кольцевой камеры, связанной циркуляционными отверстиями с осевым каналом ствола, оснащенного кольцевым поршнем, образующим подвижное соединение с корпусом. Кольцевая камера снизу перекрыта ввертышем и содержит упорную втулку. В теле корпуса выполнены циркуляционные отверстия на уровне расположения втулки.
Корпус поджат к кольцевому поршню на стволе за счет усилия пружины.
При подаче под давлением рабочей жидкости в межтрубное пространство корпус перемещается вверх относительно ствола с расположением циркуляционных отверстий в корпусе на уровне расположения циркуляционных отверстий ствола.
Пружина на внешней стороне ствола сжата.
После сброса давления усилием сжатой пружины корпус возвращается в исходное положение с прекращением гидравлической связи межтрубного пространства с осевым каналом труб лифтовой колонны.
При избыточном давлении внутри осевого канала труб лифтовой колонны клапан закрыт.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- при установке устройства в составе лифтовой колонны труб на скважинах, эксплуатируемых штанговыми насосами, где имеют место отложения парафина на внутренней поверхности труб лифтовой колоны, существует необходимость его удаления. Технология удаления заключается в подаче по межтрубному пространству через циркуляционный клапан нагретой рабочей жидкости. Перепад давления, при котором произойдет открытие клапана, зависит от глубины установки и усилия пружины;
- подача горячей жидкости по межтрубному пространству ниже места расположения клапана приводит к нежелательному нагреву обсадной колонны и крепи скважины.
Известна конструкция циркуляционного клапана (III) (см. пат. РФ №2211015, М кл. 7 Е21В 34/06, опубл. 10.09.2003 г., бюл. №25), принятая авторами за прототип.
Циркуляционный клапан состоит из разъемного корпуса, в ступенчатом осевом канале которого установлен подпружиненный ступенчатый золотник, опирающийся на седло в днище разъемного корпуса. Между разъемным корпусом и телом ступенчатого золотника образована кольцевая камера, в которой расположен ступенчатый кольцевой поршень, жестко связанный с золотником. Кольцевая камера гидравлически связана дроссельным каналом с осевым каналом в теле разъемного корпуса, выполненными в месте сопряжения верхней и нижней частей. Верхний торец нижней части разъемного корпуса снабжен седлом для торцового клапана, охватывающего верхнюю часть разъемного корпуса. Ход торцового клапана ограничен стопорным кольцом.
Работа циркуляционного клапана
Диаметр дроссельного канала подобран исходя из свободного пропуска через него рабочего агента при расчетном перепаде давления. При его превышении происходит отрыв ступенчатого золотника вместе с кольцевым поршнем от седла и перемещение его вверх до контакта кольцевого поршня с торцом разъемного корпуса и герметизацией кольцевой камеры от межтрубного пространства.
Тем самым прекращается гидравлическая связь полости лифтовой колонны труб с межтрубным пространством скважины.
Избыточное давление воспринимается всей площадью ступенчатого кольцевого поршня, поскольку он имеет снизу больший диаметр, чем сверху, что способствует изоляции межтрубного пространства от полости лифтовой колоны труб и подаче рабочего агента далее к башмаку. Торцовый клапан избыточным давлением газа в затрубном пространстве поджимается к седлу на торце разъемного корпуса, что исключает поступление газа через циркуляционный клапан в лифтовую колон труб.
Недостаток конструкции:
- устройство включается в состав труб лифтовой колонны труб и устанавливается на заданной глубине. В случае применения устройства для оснащения нефтяных скважин, эксплуатируемых штанговыми насосами, имеет место условие, когда возможно несанкционированное образование гидродинамической связи осевого канала лифтовой колоны с межтрубным пространством, при воздействии гидростатического давления в осевом канале лифтовой колонны труб, над местом установки циркуляционного клапана.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность перекрытия межтрубного пространства скважины пакерующим уплотнительным элементом после установки в скважине в составе лифтовой колонны труб;
- возможность образования гидродинамической связи между межтрубным пространством и осевым каналом лифтовой колонны труб после осуществления подачи пластовой жидкости по лифтовой колонне труб на устье скважины;
- возможность подачи горячей рабочей жидкости из межтрубного пространства в осевой канал лифтовой колонны труб при сохранении работы штангового насоса.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено разъемным корпусом с седлом на торце, торцовым клапаном, подпружиненным кольцевым поршнем с золотником. Устройство снабжено манжетой и днищем, в котором установлена шторка, с возможностью образования кольцевого зазора со стволом в осевом канале разъемного корпуса, который связан дренажным каналом в теле днища с полостью скважины. Полость гидравлического цилиндра под кольцевым поршнем связана каналом с осевым каналом ствола. Торцовый клапан установлен на седле в разъемном корпусе, золотник снабжен разжимным конусом с продольным пазом на наружной поверхности и установлен с возможностью взаимодействия с манжетой кольцевого поршня гидроцилиндра, кольцевая камера над кольцевым поршнем связана радиальным отверстием с осевым каналом ствола, а отверстием в теле разъемного корпуса под торцовым клапаном - с межтрубным пространством скважины над устройством.
Конструкция циркуляционного клапана поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена конструкция устройства в разрезе в положении спуска в скважину в составе лифтовой колонны труб;
- на фиг.2 - взаимное положение деталей устройства в положении перекрытия межтрубного пространства уплотнительным элементом при воздействии гидростатического давления;
- на фиг.3 - взаимное положение деталей устройства при подаче горячей рабочей жидкости в межтрубное пространство с выходом в осевой канал лифтовой колонны труб для удаления парафиноотложений.
Циркуляционный клапан состоит из ствола 1, входящего в состав лифтовой колонны труб. На стволе 1 установлен корпус 2, перекрытый в верхней части пробкой 3, с посадочным седлом 4. В кольцевой камере 5 между корпусом 2 и стволом 1 установлен клапан 6 с опорой на посадочное седло 4. Ниже установлен кольцевой поршень 7, связанный с толкателем 8, снабженным разжимным конусом 9, на наружной поверхности которого выполнен продольный паз 10. Кольцевой поршень 7 опирается на пружину 11. Кольцевая камера 5 постоянно гидравлически связана радиальным отверстием 12 в стволе 1 с его осевым каналом 13 и отверстиями 14 в теле корпуса 2 над клапаном 6 - с межтрубным пространством скважины.
Ниже места расположения разжимного конуса 9 на стволе 1 закреплен гидроцилиндр 15, в котором установлен поршень 16 с манжетой 17, охватывающий гильзу 18, жестко связанную с днищем гидроцилиндра 15 и образующую со стволом 1 кольцевой зазор 19, который постоянно гидравлически связан дренажным каналом 20 с полостью скважины. Кольцевая камера 21 под поршнем 16 постоянно гидравлически связана каналом 22 и отверстием 23 с осевым каналом 13 ствола 1.
На наружной поверхности разжимного конуса 9 выполнен желоб 24 для обеспечения гидравлической связи межтрубного пространства над манжетой 17 с полостью скважины ниже места установки циркуляционного клапана.
Положение гидроцилиндра 15 на стволе 1 зафиксировано стопорным кольцом 25. Для подсоединения лифтовой колонны труб на нижнем конце ствола 1 установлена присоединительная муфта 26.
Работа циркуляционного клапана
Устройство в сборе устанавливается в составе лифтовой колонны труб и спускается на заданную глубину, под уровень расположения смолопарафиноотложений в колонне труб.
Скважина оснащается штанговым насосом, при работе которого происходит подъем пластовой жидкости в осевом канале лифтовой колонны и снижение уровня в межтрубном пространстве скважины.
При этом на клапан 6 в кольцевой камере 5 через радиальное отверстие 12 передается гидростатическое давление столба жидкости, существующее в осевом канале труб лифтовой колонны и ствола 1.
Одновременно это давление действует на площадь поперечного сечения кольцевого поршня 7, что приводит к его перемещению вниз и вводу разжимного конуса 9 толкателя 8 в контакт с манжетой 17 в гидроцилиндре 15.
Манжета 17 жестко связана с поршнем 16, кольцевая камера 21 под которым постоянно гидравлически связана дренажным каналом 22 с осевым каналом 13 ствола 1. Это способствует перемещению поршня 16 с манжетой 17 в сторону разжимного конуса 9 и ее деформации к стенке трубы обсадной колонны с перекрытием кольцевого зазора меду ней и лифтовой колонной труб.
В этом положении ведется эксплуатация скважины. При необходимости проведения работ по удалению смолопарафиноотложений на внутренней поверхности труб лифтовой колонны осуществляют подачу под избыточным давлением горячего флюида в межтрубное пространство скважины с его подачей через отверстия 14 в теле корпуса 2. Клапан 6 перемещается вниз с расположением ниже радиальных отверстий 12 в стволе 1, что позволяет подавать горячий флюид в осевой канал 13 ствола 1. После выполнения этой операции по удалению смолопарафиноотложений прекращают подачу под давлением горячего флюида и скважину запускают в работу. Флюид, который находится в межтрубном пространстве, по продольному пазу 10 и желобу 24 в разжимном конусе 9 перетекает в кольцевой зазор 19 между гильзой 18 и стволом 1, откуда через дренажный канал 20 подается в межтрубное пространство скважины под циркуляционным клапаном, освобождая полость скважины над ним для подачи попутного газа, который выделяется из нефти, в процессе работы штангового насоса и может свободно мигрировать в полость скважины над циркуляционным клапаном.