Клапан для обсадных колонн
VALVE FOR CASING STRINGS

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам для их цементирования, предотвращения обратного движения цементного раствора из затрубного пространства в осевой канал обсадной колонны.
Известна конструкция дроссельного обратного клапана [1. А.А. Гайворонский, А.А. Цыбин. Крепление скважин и разобщение пластов. - Москва: Недра, 1981 г., стр. 55-59].
Клапан состоит из корпуса и упорного кольца, на котором установлена диафрагма, закрепленная с помощью гайки. Для предохранения диафрагмы от повреждений во время прохождения шара установлен пакет разрезных шайб. На нижнем конце корпуса установлен ограничитель с мембраной и дросселем.
Работа клапана
Клапан устанавливается в состав обсадной колонны с размещением у башмака. При заключительной промывке скважины, перед цементированием в скважину сбрасывают шар, который проходит через диафрагму и садится на ограничитель, не препятствуя промывке скважины через периферийные отверстия в ограничителе. Установкой шара в осевом канале устройства клапан может выполнять функции обратного. При спуске обсадной колонны в скважину клапан без наличии шара свободно перепускает буровой раствор из скважины внутрь обсадной колонны через дроссель ограничителя. После проведения цементирования скважины и сброса давления за счет разности давлений в кольцевом пространстве и внутри обсадной колонны шар прижимается к диафрагме и разобщает затрубное и внутритрубное пространство.
К недостаткам конструкции устройства относятся:
- после прекращения процесса подачи цементного раствора в межтрубное пространство шаровой клапан отрывается от посадочного места в ограничителе и входит в контакт с резиновой диафрагмой, что приводит к изоляции полости скважины от внутритрубного пространства. Практика применения таких устройств показывает, что в зависимости от перепада гидростатических давлений в межтрубном и внутритрубном пространстве и недостаточной жесткости разрезных шайб имеют место случаи, когда шар проскакивает внутрь обсадной колонны, что нежелательно, поскольку цементный раствор проходит внутрь осевого канала обсадной колонны и требуется дополнительное время на разбуривание.
При использовании клапана такой конструкции в наклонных скважинах, особенно если осевой канал бурильной колонны меньше диаметра шара, то возможен случай, когда он не проходит через диафрагму внутрь корпуса, что подразумевает несработку устройства.
Известен обратный клапан для обсадных колонн [2. Патент Российской Федерации №2115798, М.кл. E21B 33/14. Обратный клапан для обсадных колонн. Заявлен 05.01.1996 г. №96100720/03, опубл. 20.07.1998 г.], который состоит из корпуса с размещенным в нем эластичным седлом и шаровым затвором, ограничителя перемещения шарового затвора с центральным каналом и размещенным в нем дросселем, снабженного периферийными отверстиями, перекрытыми кольцевой перегородкой. Клапан снабжен ловителем шарового затвора, расположенным под седлом, соосно с ним и центральным каналом ограничителя. Корпус снабжен патрубком на верхнем торце и канавкой на внутренней поверхности с эластичным кольцом, внутренней диаметр которого меньше диаметра шарового затвора.
Нижняя стенка канавки расположена в одной плоскости с плоскостью наибольшего сечения шарового затвора в ловителе, в его нижнем положении. Высота патрубка-ловителя шарового затвора больше его диаметра, а расстояние от седла до верхнего торца меньше диаметра шарового затвора.
Работа устройства
Обсадную колонну оснащают обратным клапаном, без наличия шара в осевом канале. Буровой раствор заполняет канал обсадной колонны при его поступлении через дросселирующую втулку. Перед цементированием проводят промывку скважины и бросают шар с транспортировкой к клапану. Шар продавливается через эластичное седло и попадает в ловитель, с входом в контакт с уплотнительным концом и занятием крайнего нижнего положения. Промывочная жидкость и тампонажный раствор обтекают верхний торец патрубка, с направлением в периферийные отверстия, без взаимодействия с шаром.
По окончании процесса цементирования обратный поток тампонажного раствора сначала перекрывает периферийное отверстие пластиной, с выталкиванием шара из ловителя до посадки на седло, с прекращением движения тампонажного раствора. Конструкция клапана предотвращает износ шарового затвора на промежуточных операциях до включения его в работу в нужный момент.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- есть вероятность прорыва шара при высоком перепаде давления через эластичное седло в осевой канал труб обсадной колонны с попаданием в него цементного раствора, что усложняет ведение работ по освоению скважины;
- при тех размерах, которые оговорены в патенте, шар не полностью выходит на ловителя, но уже входит в контакт с седлом, тем самым усложняется процесс перетока пластовой жидкости в осевой канал труб.
Известен обратный клапан для обсадных колонн [3. Авторское свидетельство СССР №1218078, М.кл. E21B 34/10, опубл. 15.03.1986 г. Бюллетень №10], состоящий из корпуса с размещенным в нем под шаровым затвором и расположенным под ним дросселем, выполненным в виде жестко связанного с корпусом диска с перекрываемыми подпружиненной пластиной  периферийными отверстиями и подпружиненной втулки в центральном канале. Втулка выполнена с центральным осевым каналом и окнами в верхней части, частично перекрытыми диском в исходном положении.
Обратный клапан работает следующим образом. Обсадную колонну оснащают клапаном и спускают в скважину, без установки шара. При спуске происходит заполнение обсадной колонны пластовой жидкостью через отверстия и окна в подпружиненной втулке. В результате перепада давления жидкость, поступившая во внутреннюю полость, вначале перемещается в колонну через отверстие во втулке. Затем, преодолевая сопротивление пружины, втулка перемещается вверх, соединяя заколонное и внутритрубное пространство через окна во втулке. При увеличении  подвижная втулка поднимается вверх, с перекрытием окон.
В этом случае жидкость из заколонного пространства внутрь труб обсадной колонны поступает через окна во втулке. При снижении перепада давления втулка усилием пружины возвращается в исходное положение, с уменьшением сечения окон до нуля.
Втулка совершает осевое перемещение при любых колебаниях перепада давления. Перед цементированием внутрь колонны сбрасывают шар, который потоком жидкости транспортируется на свое посадочное место, не перекрывая прямого потока.
При обратном движении потока шар упирается в эластичную поверхность седла, что обеспечивает надежную изоляцию заколонного пространства от внутритрубного.
Недостатки конструкции:
- необходимость сброса шара в осевой канал труб обсадной колонны удлиняет процесс строительства и освоения скважины;
- подача цементного раствора из затрубного пространства через дроссель внутрь устройства может быть нарушена, например, по причине его забивания. В этом случае шар не может переместиться вверх к седлу, чтобы перекрыть подачу цементного раствора внутрь обсадной колонны. Этим самым может быть нарушен технологический процесс цементирования и качество изоляции межтрубного пространства.
Известен клапан для обсадных колонн [4. Авторское свидетельство СССР №1094948, М.кл. E21B 34/10, опубл. 30.05.1984 г.], который состоит из корпуса, в осевом канале которого установлено седло под обратный клапан. В верхней части установлена втулка с радиальными каналами и срезными ограничителями осевого перемещения, перекрывающая в нижнем положении каналы корпуса, соединяющие осевой канал корпуса над и под седлом обратного клапана. Втулка подпружинена относительно корпуса и снабжена разрывной мембраной на торце. При среднем положении втулки радиальные каналы перекрыты.
Работа устройства.
Клапан устанавливается в составе обсадной колонны. В собранном состоянии пружина поджимает ограничитель осевого перемещения к нижнему торцу полости корпуса. В процессе спуска обсадной колонны в скважину шар, обладающий положительной плавучестью, прижат к седлу.
Давление жидкости в заколонном пространстве через обводные каналы корпуса и его осевой канал действует на мембрану. При определенном давлении, воспринимаемом мембраной, происходит перемещение втулки вверх с открытием канала и заполнением его жидкостью.
При спуске в скважину обсадной колонны давление внутри заколонного пространства выравнивается. Пружина возвращает втулку в среднее положение, при котором каналы в теле втулки перекрыты.
При плавном повышении давления внутри обсадной колонны происходит срез ограничителей, что приводит втулку в нижнее положение, с перекрытием канала корпуса. Поднимают давление до давления опрессовки обсадной колонны, выдерживают при этом давлении, с повышением этого давления до давления разрушения мембраны, что позволяет обеспечить работу клапана при прямой циркуляции по пропуску цементного раствора в межтрубное пространство.
Обратный клапан изолирует осевой канал обсадной колонны от попадания в него цементного раствора.
Недостатки:
- шар находится в постоянном контакте с абразивным и коррозионно-активной средой, что не может не сказаться на герметичном контакте схода с седлом;
- поскольку мембрана рассчитана на восприятие давления, которое необходимо для опрессовки обсадной колонны, то давление, при котором происходит разрушение мембраны, значительно превосходит первоначальное значение. При разрыве мембраны происходит явление гидравлического удара, что негативно сказывается как на конструкции, так и на качестве цементирования.
Известен клапан для обсадной колонны [5. Авторское свидетельство СССР №1158745, М.кл. E21B 34/10, опубл. 30.05.1985 г. Бюллетень №20], принятый за прототип.
Клапан состоит из корпуса с седлом и осевым каналом, в котором установлены друг над другом запорный орган и втулка, жестко связанные друг с другом. Втулка связана с корпусом срезным элементом и имеет на верхнем торце седло под бросовый шар. На нижнем конце втулка снабжена окнами, перекрытыми телом корпуса, а запорный орган установлен с зазором относительно седла.
Работа клапана.
При сборке устройства втулка закрепляется в корпусе при помощи срезных штифтов. Запорный орган при этом располагается на расчетном расстоянии, с обеспечением сжатия пружины. Скважинная жидкость проходит через осевой канал и окна во втулке в осевой канал труб обсадной колонны. После спуска обсадной колонны скважину промывают и готовят к цементированию.
Опрессовку обсадной колонны ведут при посадке шара на седло. При этом происходит срез штифтов, что приводит к перемещению втулки с шаром вниз с воздействием на запорный орган и пружину через шток.
После проверки герметичности обсадной колонны давление сбрасывают. Усилием сжатой пружины втулка перемещается вверх в осевом канале корпуса, с расположением продольных окон над торцом в корпусе.
Цементирование проводят при частично открытом запорном органе, с пропуском цементного раствора в заколонное пространство.
После цементажа запорный орган под действием пружины перекрывает проходное сечение осевого канала, после чего скважина остается на ОЗЦ (ожидание затвердения цемента).
Недостатки:
- необходимость сброса с поверхности шара требует затрат рабочего времени;
- достаточно сложная настройка устройства на обеспечение взаимного расположения запорного органа относительно седла, при переходе с одной операции на другую;
- ненадежность работы в наклонных скважинах, поскольку имеет место неплотная посадка шара на седло, следовательно, существует вероятность прорыва цементного раствора в осевой канал обсадной колонны труб.
Технический результат, который может быть получен при внедрении предлагаемого устройства, заключается в следующем:
- обеспечение гидравлической связи осевого канала обсадной колонны с полостью скважины в процессе спуска;
- прекращение гидравлической связи между обсадной колонной и межтрубным пространством скважины путем удаления промежуточного элемента - опорной втулки за счет растворения или расплавления;
- возможность применения устройства в наклонных скважинах за счет фиксированного положения полусферы внутри втулки;
- возможность изоляции межтрубного пространства от внутритрубного за счет подачи полусферы на седло и одновременной посадки пяты на ограничитель нижний.
Технический результат достигается тем, что клапан состоит из корпуса с осевым каналом, седла, подпружиненного запорного органа, связанного со штоком, втулки, связанной с корпусом и снабженной рядом продольных направляющих на внутренней поверхности. Втулка связана с корпусом через верхний и нижний ограничители, с образованием кольцевой камеры, заполненной цементом.
Седло выполнено в верхнем ограничителе, а через нижний ограничитель, снабженный перфорационными отверстиями, пропущен шток с подпружиненной пятой и дополнительной втулкой, поджимаемой к нижнему ограничителю.
Запорный орган выполнен из эластичного материала, а дополнительная втулка выполнена из растворимого в пластовых условиях материала, например твердого ПАВ.
Конструкция клапана для обсадных колонн показана на чертеже, где:
- на фигуре 1 - конструкция клапана в разрезе в положении полусферы в средней части;
- на фигуре 2 - конструкция клапана в разрезе, в положении подачи цементного раствора в межтрубное пространство скважины.
Устройство состоит из корпуса 1, в осевом канале которого установлен верхний ограничитель 2, снабженный седлом 3, охватываемый гайкой нажимной 4.
Ограничитель нижний 5 охватывает втулку 6 и поджимает ее к верхнему ограничителю 2. На внутренней поверхности втулки 6 по периметру размещен ряд продольных направляющих 7. Внутри осевого канала втулки 6 установлена полусфера 8, выполненная из эластичного материала. Внутри полусферы 8 размещается резьбовая втулка 9, с которой соединяется шток 10, пропущенный через ограничитель нижний 5. Шток 10 снабжен пятой 11, на которой установлена опорная втулка 12, поджимаемая к нижней поверхности ограничителя нижнего 5 пружиной 13, с опорой на регулировочную гайку 14. Резьбовая втулка 9 связана с полусферой 8, опирается на пружину 15.
Между внутренней поверхностью корпуса 1, имеющей проточки, и наружной поверхностью втулки 6 образована кольцевая камера 16, которая сверху перекрыта верхним ограничителем 2, а снизу - частично ограничителем нижним 5. Кольцевая камера 16 заполняется цементным раствором. Полусфера 8 размещается в средней части втулки 6, что позволяет иметь гидравлическую связь полости обсадной колонны через продольные пазы, образованные продольными направляющими 7, с полостью скважины ниже места расположения устройства, через перфорационные отверстия 17, выполненные в теле ограничителя нижнего 5.
В исходном положении деталей устройства и наличием опорной втулки 12, выполненной из легкоразрушающего материала, в процессе спуска в скважину обсадной колонны происходит ее заполнение пластовой жидкостью. После оснащения скважины обсадной колонной проводят подготовительные работы по цементированию скважины, например промывку ствола и межтрубного пространства от остатков бурового раствора.
Время разрушения материала опорной втулки 12 определяется исходя от затрат рабочего времени на оснащение обсадной колонной скважины.
Таким материалом могут быть твердые ПАВ, медный купорос. В случае наличия достаточно высокой температуры на забое скважины можно применять вещества, которые за определенный промежуток времени могут расплавиться или потерять свою устойчивость за счет потери формы. Это приводит к перемещению полусферы 8 к седлу 3 усилием пружины 15. Одновременно пята 11 и шток 10 перемещаются в сторону ограничителя нижнего 5 с поджатием к нему пяты усилием предварительно сжатых пружин 13 и 15.
Это приводит к перекрытию, прерыванию гидравлической связи осевого канала обсадной колонны с полостью скважины под устройством, при сбросе давления.
Работа устройства.
В положении, когда полусфера 8 находится в контакте с седлом 3, ведут подготовительные работы и начинают закачку цементного раствора в обсадную колонну, с применением продавочной и разделительных пробок.
С ростом давления полусфера 8 отходит от седла 3, а пята 11 - от ограничителя нижнего 5, с соответствующим сжатием пружины 13 и пружины 15.
Цементный раствор по продольным пазам между продольными направляющими 7 и перфорационными отверстиями 17 в теле ограничителя нижнего 5 подается в межтрубное пространство скважины. После проведения цементажа и прихода разделительной и продавочной пробок к устройству (не показано) прекращают процесс. Это приводит к посадке полусферы 8 на седло 3 и пяты 11 на торец ограничителя нижнего 5, что препятствует продавке цемента из межтрубного пространства внутрь осевого канала обсадной колонны.
В таком положении скважину оставляют на ОЗЦ, ведут работу по освобождению осевого канала от пробок и клапана-отсекателя и проводят освоение скважины.