Клапан-отсекатель
CUTOFF VALVE

Изобретение относится к устройствам для регулирования расхода пластовой жидкости, в горизонтальных скважинах, разрабатывающих пласт с применением тепловых методов.
Известен регулятор потока жидкости (см. Патент US №4858644, опубликован 31.05.1988 г.), состоящий из полого корпуса со ступенчатым осевым каналом, в котором размещен подпружиненный поршень со штуцером, опирающийся на пружину, которая играет роль ограничителя расхода пластовой жидкости. Другим концом пружина опирается на посадочное место в переходнике, в котором выполнены циркуляционные отверстия, для связи осевого канала полого корпуса с каналом переходника.
Работа устройства заключается в следующем:
Рабочая (пластовая) жидкость, через осевой канал штуцера, подается в осевой канал поршня и далее внутрь полости, ограниченной витками пружины, в зазоре между которыми жидкость перетекает в камеру, окружающую пружину, и далее через отверстия в теле переходника подается в его осевой канал. За счет уменьшения зазора между витками пружины происходит изменение расхода потока жидкости.
Это достигается путем перемещения поршня, с изменением дифференциального давления.
Регулятор компенсирует скорость потока жидкости в автоматическом режиме.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- ограничение расхода жидкости штуцером и щелевыми зазорами между витками пружины, в зависимости от перепада давления на поршне. Поршень при этом может совершать возвратно-поступательное движение, с положением на поток импульсов расхода и давления, что предопределяет нестабильный во времени расход жидкости.
При этом не имеется возможности полного прекращения подачи жидкости.
Регулятор потока при малом перепаде давления работать не может, поскольку усилие, развиваемое пружиной, недостаточно для возврата клапана на седло.
Известен гидродинамический пульсатор давления (см. патент РФ №2212513, опубликован 20.09.2003 г.).
Изобретение предназначено для воздействия на продуктивные пласты и очистки призабойной зоны скважин.
В корпусе с окнами, перекрытыми подпружиненным элементом, размещены седло и запорный орган, который выполнен в виде подпружиненного поршня, размещенного внутри втулки. Надпоршневая полость поршня сообщается постоянно с полостью высокого давления. Надпоршневая полость сообщена с областью пульсирующего давления через демпфирующее отверстие в нижней крышке корпуса и подпружиненный перепускной клапан, который имеет возможность регулировать гидравлическое сопротивление.
Жесткость пружины втулки выше жесткости пружины поршня. Внутренний диаметр канала в седле выполнен меньше внутреннего диаметра втулки.
Под действием перепада давления, при расчетном значении происходит перемещение поршня, а перепускной клапан остается на прежнем месте. При росте давления внутри пульсатора при его превышении, достаточном для сжатия пружины, клапан отрывается от седла и жидкость с гидроударом поступает через перепускные окна в полость с пульсацией давления. После падения давления поршень с клапаном под воздействием сжатых пружин возвращается в исходное положение, с перекрытием подачи жидкости.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- устройство обладает достаточной сложностью и может работать при достаточно большом перепаде давления.
При этом конструктивно устройство имеет ограничение по диаметру, поскольку применяется в скважине.
Жесткость пружин определяется из возможности удерживать клапан закрытым, при восприятии им высокого перепада давления, порядка ΔР=2÷3 МПа и более.
Применение устройства также ограничено температурой в скважине, что ограничивает его применение при высоких температурах, например, при использовании тепловых методов, где температура может достигать Т=200°С и более. Известна, например, разработка Ярегского месторождения термошахтным способом (см. Обзорная информация "Особенности теплового воздействия в условиях трещиноватопористых коллекторов, содержащих высоковязкую нефть" / A.M. Рузин, Л.Ш. Ибрагимов и другие. Серия "Нефтепромысловое дело". ВНИИОЭНГ. Выпуск №10(99). Москва, 1985 г.).
В данной работе отмечается, что добыча нефти ведется из шахты, в которую выходят трубы из горизонтальных, под небольшим углом, скважин. Разогрев пласта ведется путем подачи пара с поверхности по вертикальным скважинам. При этом температура в шахте может доходить до Т=÷50°С, что опасно для обслуживающего персонала.
В горизонтальных скважинах периодически накапливается нефть и парогазовая смесь. По мере накопления нефти ее сливают путем открытия задвижки, и закрывают в момент начала прорыва пара.
Перепад давления, при котором происходит весь процесс, не превышает ΔР=0,1÷0,15 МПа.
При таком малом перепаде давления и наличия парогазовой смеси, устройство по данному патенту работать не может.
Известна конструкция гидродинамического пульсатора (см. патент РФ №2446269).
Гидродинамический пульсатор состоит из корпуса с перепускными окнами, снабженными нижней крышкой. В осевом канале корпуса, в верхней части размещено седло, к которому пружиной поджат торцовый клапан с втулкой, снабженной внутренним кольцевым выступом на нижнем конце.
Внутри осевого канала клапана установлен кольцевой поршень, поджимаемый к посадочному месту на седле пружиной, опирающейся на внутренний кольцевой выступ втулки. Кольцевой поршень снабжен полым штоком, в осевом канале которого содержится дроссель. Нижняя крышка снабжена иглой, входящей в осевой канал дросселя. Внутренняя полость осевого канала корпуса постоянно гидравлически связана перепускным, или иначе демпфирующим каналом, в теле корпуса, с полостью отводящего патрубка. Ход седла в осевом канале корпуса ограничен стопором.
Игла содержит на внешней стороне продольные пазы, играющие роль дросселирующих каналов, суммарная площадь сечения которых, определяется исходя из дебита скважины и получение необходимой частоты пульсации.
Устройство в сборе устанавливается в осевом канале отводящего патрубка.
При резком открытии торцового клапана происходит резкое увеличение расхода пластовой жидкости и скорости движения потока в осевом канале лифтовой колонны труб. Волна возмущения способствует созданию барьера на пути перемещения молекул парафина к стенке труб лифтовой колонны, с их абсорбцией.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- необходимость иметь достаточно большой диаметр осевого канала полого штока, в сочетании с большим диаметром торцового клапана нужно иметь пружину большого осевого усилия, что достаточно сложно получить, особенно при ограниченных диаметральных размерах конструкции;
- исходя из этого, можно сделать вывод о низкой надежности конструкции;
- сложность настройки на технологический режим работы скважины.
Известна конструкция клапана-отсекателя (см. патент РФ №2533394, опубликован 20.11.2014 г.), принятая авторами за прототип.
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и применяется в скважинах, в составе лифтовой колонны труб. Клапан-отсекатель состоит из разъемного корпуса, с седлом в осевом канале. Ниже установлен полый плунжер с кольцевым выступом, жестко связанный через полую трубку с тарельчатым клапаном. Полый плунжер опирается на пружину с гайкой. В осевом канале полого плунжера выполнен упор, на который опирается втулка, снабженная радиальными отверстиями, чередующимися с осевыми отверстиями, которые соединяют полость под полым плунжером с полостью под седлом. В осевом канале втулки размещена полая трубка, снабженная тарельчатым клапаном. Полый плунжер с кольцевым выступом образует с разъемным корпусом кольцевую камеру, гидравлически связанную через радиальное отверстие в полом плунжере и радиальные отверстия во втулке, с ее осевым каналом и каналом полой трубки. Втулка снабжена донышком, в котором выполнено центральное отверстие и установлен перепускной клапан, перекрывающий своей тарелью перепускные отверстия, соединяющими осевой канал втулки, с осевым каналом разъемного корпуса над полым плунжером, при открытом перепускном клапане, ограниченным по ходу вверх стопорным кольцом. В осевом канале разъемного корпуса установлена упорная втулка, с возможностью образования подвижного соединения с верхним концом полого плунжера. Полость над кольцевым выступом полого плунжера, через отверстие в его теле сообщается с осевым каналом над втулкой. Устройство устанавливается в составе колонны труб.
Тарельчатый клапан усилием сжатой пружины поджимается к седлу, расположенному в осевом канале разъемного корпуса. Давление рабочей жидкости в колонне труб, через осевой канал полой трубки, радиальные отверстия в теле втулки и радиальное отверстие в теле полого плунжера воздействует на кольцевой выступ снизу, что обеспечивает сохранность контакта тарельчатого клапана с поверхностью седла. То же самое давление воспринимается площадью сечения того же тарельчатого клапана.
Площадь сечения кольцевого выступа принимается меньше площади сечения тарельчатого клапана, что обеспечивает его поджим к седлу пружиной. При избыточном давлении над тарельчатым клапаном, превышающим гидравлическое давление от столба рабочей жидкости, тарельчатый клапан отрывается от седла, с образованием гидравлической связи осевого канала труб с осевым каналом разъемного корпуса над втулкой. Рабочая жидкость через осевые отверстия во втулке проходит на забой скважины. Полый плунжер, при отрыве тарельчатого клапана от седла, под воздействием избыточного давления, перемещается до упора в уступ.
После прекращения подачи рабочей жидкости полый плунжер вместе с втулкой и тарельчатым клапаном поднимается вверх в осевом канале разъемного корпуса с посадкой тарельчатого клапана на седло. Это позволяет исключить попадание рабочей жидкости в продуктивный пласт, что важно для сохранения газовых скважин на подземных хранилищах газа.
Недостатки конструкции и работы устройства.
В случае оснащения нефтяных скважин, добыча в которых ведется с применением тепловых методов, устройство работать не может.
При этом давление пластового флюида может быть недостаточным, чтобы открыть тарельчатый клапан и сжать пружину, что также предопределяет несрабатывание устройства.
При установке устройства в составе труб в скважине, невозможно провести перенастройку на новый режим без демонтажа с места применения.
Для открытия тарельчатого клапана при малом перепаде давления невозможно создать достаточное осевое усилие без применения дополнительного силового узла.
Ограничения по диаметральным размерам устройства, накладываемым конструкцией скважины, влияет на пропускную способность устройства из-за малой пропускной способности пластовой жидкости через осевые отверстия во втулке.
Конструкция клапана не предназначена для работы при высоких температурах пластовой жидкости и не может реагировать на изменение этой температуры.
Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в следующем:
- возможность обеспечения работы клапана при малом перепаде давления при попеременном воздействии на него двух сред - пластовой жидкости и парогазовой смеси;
- возможность закрытия клапана при воздействии парогазовой смеси с изоляцией полости шахты от горизонтальной скважины;
- возможность открытия клапана пластовой жидкости на подачу в шахту, обладающей меньшей температурой, чем парогазовая смесь;
- возможность продувки внутренней полости клапана от механических частиц, для очистки посадочной поверхности седла и торцового клапана, от внешнего источника низконапорного инертного газа.
Технический результат достигается тем, что устройство состоит из разъемного корпуса с ниппелем на внешней стороне, с седлом в осевом канале, подпружиненного тарельчатого клапана с толкателем внутри втулки, снабженной ребрами на внешней стороне и донышком в средней части, над которым размещен контейнер, с образованием кольцевого зазора, гидравлически связанного перепускными отверстиями, с осевым каналом разъемного корпуса. Полый плунжер обращен торцовой частью к донышку, в котором выполнено центральное отверстие с ответной расточкой и установлен толкатель с кольцевым выступом, пропущенный верхним концом внутрь контейнера, с расположением нижнего конца в осевом канале полого плунжера и зафиксированного гайкой. Нижний конец полого плунжера, снабжен тарельчатым клапаном. В осевом канале седла установлена гайка с соединительными ребрами и шайбой на верхнем конце, на которую опирается пружина. Контейнер заполнен терморасширяющимся веществом, например, церезином с медными опилками, а седло выполнено из термостойкого материала, например, фторопласта.
Клапан-отсекатель показан на рисунках, где:
- на фиг. 1 - общий вид конструкции в разрезе в положении "открыто";
- на фиг. 2 - конструкция устройства в разрезе в положении "закрыто";
- на фиг. 3 - показана схема монтажа клапана-отсекателя в шахте на выходном конце трубы горизонтальной скважины.
Клапан-отсекатель состоит из разъемного корпуса 1, осевой канал 2 которого перекрыт сверху переходником 3.
На нижнем конце разъемного корпуса 1 установлено седло 4 с защитной шайбой 5, поджимаемые снизу ввертышем 6, в средней части которого установлена гайка 7 с шайбой 8, связанная с ним соединительными ребрами 9.
Над седлом 4 в осевом канале 2 разъемного корпуса 1 установлена втулка 10 с донышком 11, под которым размещен полый плунжер 12 с тарельчатым клапаном 13, в осевом канале 2, поджатым к донышку 11 пружиной 14. Втулка 10 имеет расточку 15 в верхней части, в которой размещается контейнер 16, с образованием кольцевого зазора 17, гидравлически связанного через перепускные отверстия 18, с осевым каналом 2 разъемного корпуса 1. Внутри контейнера 16 установлен отражатель 19 и толкатель 20, пропущенный через донышко 11 и тело полого плунжера 12 тарельчатого клапана 13. Толкатель 20 снабжен кольцевым выступом 21, входящим в ответную расточку 22 в торце полого плунжера 12, и закреплен гайками 23. Внутри контейнер 16 заполнен терморасширяющимся веществом, изолированным от воздействия внешней среды. Контейнер 16 зафиксирован в осевом канале втулки 10 гайкой 24. В полом плунжере 12, в его торцовой части, обращенной к донышку 11, выполнено дренажное отверстие 25. Втулка 10 снабжена ребрами 26, которые входят в расточку 27, в месте соединения частей разъемного корпуса 1.
Кольцевой зазор между втулкой 10 и телом полого плунжера 12, перекрыт уплотнительным кольцом 28. Переходник 3 снабжен ниппелем 29, для соединения осевого канала 2 разъемного корпуса 1 с пневмопроводом, для подачи инертного газа и продувки механических примесей, при их скоплении внутри.
Работа устройства.
Клапан-отсекатель в сборе монтируется на выходном конце трубы горизонтальной скважины в открытом положении.
При открытии зазора между тарельчатым клапаном 13 и седлом 4 пластовая жидкость из осевого канала 2 устройства перетекает через кольцевой зазор между тарельчатым клапаном 13 и седлом 4, за пределы устройства, обтекая соединительные ребра 9.
Пластовая жидкость нагрета до температуры порядка Т=75÷80°С, что приводит к прогреву элементов конструкции.
Скопившаяся порция пластовой жидкости истекает за счет наличия перепада давления от столба жидкости и парогазовой смеси. После слива пластовой жидкости происходит прорыв парогазовой смеси, обладающей более высокой температурой, порядка Т=100÷110°С, что приводит к прогреву контейнера 16 и всей конструкции, в том числе и терморасширяющего вещества внутри контейнера 16. Расширение этого вещества, приводит к росту давления, которое воздействует на площадь сечения толкателя 20, с его перемещением вниз, вместе с полым плунжером 12. Полый плунжер 12 преодолевает сопротивление пружины 14 и тарельчатым клапаном 13 садится на седло 4, с изоляцией осевого канала 2 от внешней среды и прекращением подачи парогазовой смеси в штольню. Затем происходит накопление пластовой жидкости в скважине, со снижением температуры деталей устройства.
При охлаждении пластовой жидкости в осевом канале 2 устройства, за счет конвекционного взаимодействия с окружающей средой, происходит также снижение температуры терморасширяющего вещества внутри контейнера 16.
Усилием сжатой пружины 14 полый плунжер 12 с тарельчатым клапаном 13 перемещается вверх относительно втулки 10, с открытием кольцевого зазора между седлом 4 и тарельчатым клапаном 13.
Это происходит за счет уменьшения объема терморасширяющего вещества внутри контейнера 16.
За счет наличия дренажного отверстия 25 в торцовой части полого плунжера 12, уплотнительное кольцо 28 при открытом положении клапана-отсекателя, находится в нейтральном положении. При закрытом положении уплотнительное кольцо 28 изолирует кольцевой зазор и исключает переток пластовой жидкости из осевого канала 2 разъемного корпуса 1 на выброс в штольню.
В качестве терморасширяющего вещества используют смесь из порошка церезина и гранул меди.
При работе устройства возможно попадание механических частиц внутрь потоком пластовой жидкости, что может помешать герметичной посадки торцового клапана 13 на седле 4. Для этой цели устройство снабжено ниппелем 29, которым подсоединяется к газопроводу с инертным газом, из которого при подаче струи, возможно, удаление механических частиц из устройства, что обеспечивает надежность его работы.