УПРАВЛЯЕМЫЙ КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ
CONTROLLED SHUTOFF VALVE

Изобретение относится к буровой технике, точнее к внутрискважинным клапанным устройствам, а именно к управляемым клапанам, применяемым для отсечки потока продукции скважины при нарушении установленного режима ее эксплуатации, а также для перекрытия ствола скважины при проведении капитального ремонта или временной приостановке добычи.
8
Ниже представлены толкования или определения терминов, используемых в настоящем описании. В скобках указаны встречающиеся в уровне техники при описании аналогичных устройств эквивалентные названия аналогичных элементов. Определения терминов «клапан» и «затвор» соответствуют тому, как они используются в русской технической и патентной литературе по буровому делу, включая МПК.
Вертикальный - параллельный оси клапана, установленного в вертикальной скважине.
Верх, верхний - ближе к устью скважины. Соответственно, низ, нижний - дальше от устья скважины, чем другие элементы клапана.
Гильзовый затвор - рабочий орган клапана, состоящий из вложенных друг в друга патрубков, имеющих боковые отверстия и уплотнения, закрытие которого происходит при взаимном смещении патрубков.
Глухой патрубок - патрубок, заглушенный с одного конца, имеющий дно. Может иметь радиальные или наклонные отверстия в боковых стенках.
Затвор - рабочий орган клапана, непосредственно перекрывающий поток, запорное устройство. В настоящем описании затвором называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан - устройство для перекрытия потока, включающее привод, затворную часть, присоединительные элементы. В настоящем описании клапаном называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан-отсекатель - в тексте настоящего описания, следующем ниже раздела «Описание прототипа», так называется только клапан, составляющий предмет настоящего изобретения.
Многоходовый кулачковый механизм - механизм, у которого пространственный кулачок, совершая вращательное движение и взаимодействуя с выходным звеном (роликом, рычагом, пальцем), совершает один оборот за несколько циклов возвратно-поступательного движения выходного звена (см. А.Ф. Крайнев. Словарь-справочник по механизмам / М.: «Машиностроение», 1981, стр. 154, схемы поз. р, с, у). Англоязычный синоним такого механизма, используемого в настоящем изобретении, - j-slot mechanism, то есть механизм с J-образным пазом (далее - j-slot механизм). В варианте исполнения такого механизма, использованном в настоящем изобретении, возвратно-поступательное движение с одновременным вращением совершает кулачок, а выходное звено (ролик, рычаг, палец) остается неподвижным относительно корпуса устройства.
Обратный (дифференциальный) клапан - клапан, пропускающий жидкость или газ только в одну сторону.
Патрубок (труба, втулка, стакан, гильза) - отрезок трубы, не обязательно гладкой, сравнительно небольшой (несколько диаметров) длины. Патрубок может быть ступенчатым, иметь отверстия, канавки или буртики на боковых поверхностях.
Палец - звено кулачкового механизма, взаимодействующее с пазом кулачка. Может быть выполнено в виде стержня, рычага или ролика.
Сквозной патрубок - патрубок, открытый с обоих концов.
Известен ряд клапанов-отсекателей с дистанционным гидравлическим управлением, содержащих корпус с установленным в нем затвором, приводимым в действие через гидравлическую линию управления от надскважинной гидростанции (см., например, [RU 2160357, 147964 (ПМ)]). Необходимость в специальном гидравлическом оборудовании для управления и протяженных трубок для его связи с клапаном-отсекателем удорожает такие клапаны, усложняет эксплуатацию и снижает надежность.
Известен также клапан-отсекатель с механическим приводом гильзового затвора, включающий корпус с ввернутым в него переводником, выполненный в виде глухого неподвижного патрубка и установленный в него с возможностью скольжения сквозной подвижный патрубок, снабженные радиальными отверстиями. Привод затвора осуществляется через шток, сопряженный со вставным насосом [RU 2007547]. При опускании насоса в скважину, он действует на шток, открывая затвор, а при извлечении, действуя на шток в обратном направлении, закрывает затвор. Недостатком известного клапана является его узкая специализация, невозможность произвольного управления затвором, не прибегая к использованию внешних механических средств.
Более универсальны клапаны-отсекатели, управляемые перепадами давления среды между внутритрубным пространством и пластом.
Известен клапан-отсекатель, управляемый перепадом давлений среды по обе стороны, включающий нижний переводник с седлом, корпус с установленным в нем подпружиненным ступенчатым скользящим сквозным патрубком с радиальными отверстиями, снабженный в верхней части шаровым обратным клапаном, открываемым давлением снизу, а в нижней - запорным элементом, на котором установлен второй подпружиненный шаровой обратный клапан, открываемый давлением сверху [RU 2516708]. Клапан открывается при включении глубинного насоса под давлением пластовой жидкости и закрывается под действием пружин, взаимодействующих со скользящим патрубком (поршнем) и корпусом.
Известный клапан-отсекатель технически сложен, содержит два шаровых клапана и три пружины, что снижает его надежность. Кроме того, он не обеспечивает защиты от несанкционированного отбора пластовой жидкости, так как для его открытия достаточно просто начать откачку.
Известно использование в приводах клапанов и затворов различных конструкций многоходовых кулачковых механизмов, называемых в англоязычной технической литературе и патентной документации «j-slot mechanism». Он служит для пошагового закрытия затворов. Кулачковый паз этого механизма выполняется в виде замкнутой по окружности патрубка последовательности сообщающихся пазов с чередующимися вертикальным и наклонным участками (см., например, фиг. 27 в US 8893798).
Известен, например, клапан-отсекатель, управляемый внутритрубным давлением, содержащий корпус, установленные в нем с возможностью скольжения сквозные патрубки с радиальными отверстиями и ступенчатой боковой поверхностью, камеру со сжатым газом, давление которого сравнивается с внутритрубным, что при заданном соотношении приводит к запуску механизма, а также шаровой кран, приводимый в действие многоходовым кулачковым механизмом, в котором кулачком служит скользящий патрубок, установленный с возможностью вращения, на наружной поверхности которого расположен кулачковый паз, выполненный в виде замкнутой по окружности патрубка последовательности сообщающихся пазов с чередующимися вертикальным и наклонным участками (j-slot механизм), причем один из вертикальных участков пазов выполнен длиннее прочих, а пальцем - короткий стержень, закрепленный на внутренней стенке корпуса [US №6230807]. В момент повышения давления во внутритрубном пространстве до уровня, превышающего давление сжатого газа в камере, патрубок-поршень смещается, палец, скользя по наклонному участку кулачкового паза, поворачивает кулачок на определенный угол, равный 360°, поделенным на число вертикальных участков. Дальнейший поворот кулачка-патрубка становится возможным после сброса и повторного повышения внутритрубного давления. Возврат привода в начальное положение происходит под действием давления в газовой камере, фактически выполняющей функцию пружины. После ряда циклов палец попадает в длинный вертикальный участок паза, соединенный с ним патрубок смещается в осевом направлении на существенно большее расстояние, приводя тем самым в действие шаровой кран. При спуске бурового инструмента в скважину он, воздействуя на элементы привода, открывает шаровой кран.
Недостатком известного клапана является его техническая сложность и неоптимальность, обусловленная разделением функций затвора и привода. Наличие упругого элемента и, к тому же, выполнение его в виде камеры со сжатым газом снижает его надежность.
Известен также клапан с гильзовым затвором, служащий для разобщения пласта и внутритрубного пространства, включающий оснащенные радиальными отверстиями корпус и установленный в нем скользящий патрубок, соединенный с многоходовым кулачковым механизмом (j-slot механизмом), приводимый в действие через гидравлическую линию управления от надскважинной гидростанции [US №8186439]. Палец кулачкового механизма установлен на внешней стороне скользящего патрубка, а кулачковый паз выполнен на внутренней стенке корпуса.
Известный клапан не является клапаном-отсекателем, а необходимость в специальном гидравлическом оборудовании для управления и протяженных трубок для связи с клапаном удорожает его, усложняет эксплуатацию и снижает надежность.
Известен также пригодный (как сказано в патентном описании аналога столбец 2 строка 42) для управления гильзовым затвором привод, управляемый подъемом и сбросом внутритрубного давления, с многоходовым кулачковым механизмом, содержащий корпус, установленные в нем с возможностью взаимного скольжения и вращения сквозные патрубки, на внешней боковой поверхности одного из которых, выполняющего функцию кулачка, имеются пазы, а на внутренней поверхности охватывающего его второго патрубка - палец указанного механизма [US №8893798].
Помимо технической сложности, известный привод дорог и чувствителен к загрязнениям, так как содержит длинномерные, точно подогнанные друг к другу элементы. Кроме того, он ненадежен и недолговечен из-за того, что значительные усилия, возникающие при работе кулачкового механизма, прикладываются от пальца к пазу, проделанному в тонкостенном и потому легко деформируемом внутреннем патрубке.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является гильзовый клапан-отсекатель, содержащий корпус с установленным в нем гильзовым затвором, включающем подвижный сквозной патрубок и неподвижно соединенный с корпусом глухой патрубок, снабженные радиальными отверстиями, обратный клапан в полости между боковой стенкой глухого патрубка и корпуса, открывающийся при давлении сверху [RU 2102582]. Известный клапан-отсекатель приводится в действие механически - посадкой или отсоединением вставного насоса. Его нельзя открывать и закрывать при необходимости, не вставляя или извлекая насос. Из-за того, что клапан способен работать лишь в паре со вставным насосом, сфера его применения очень узка и функциональные возможности невелики. Кроме того, он не обеспечивает защиты от несанкционированного отбора пластовой жидкости. Случаи такого отбора из законсервированных разведочных или ожидающих ремонта скважин встречаются довольно часто.
Задачами настоящего изобретения являются создание клапана-отсекателя, открываемого и закрываемого без применения механических или гидравлических средств, обеспечение секретности управления клапаном-отсекателем, предотвращающей несанкционированный отбор пластовой жидкости и повышение его эксплуатационной надежности.
В сравнении с прототипом технический результат настоящего изобретения состоит в расширении функциональных возможностей предложенного клапана-отсекателя, в частности, придании ему управляемости без внешнего привода и способности выполнять функции замкового устройства, препятствующего несанкционированному отбору пластовой жидкости.
В сравнении с другими аналогами технический результат от применения предложенного клапана-отсекателя состоит еще и в повышении эксплуатационной надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что известный клапан-отсекатель, содержащий корпус с установленным в нем гильзовым затвором, включающим сквозной и глухой патрубки, снабженные сквозными отверстиями на боковых стенках, уплотнения и обратный клапан, дополнен многоходовым кулачковым механизмом, одним звеном которого является, по меньшей мере, один палец, соединенный со сквозным патрубком, а вторым - сопряженный с глухим патрубком цилиндрический кулачок, имеющий выполненную в виде замкнутой по окружности кулачка последовательности сообщающихся пазов с чередующимися вертикальным и наклонным участками (j-slot механизм). При этом сквозной патрубок неподвижно закреплен в корпусе, глухой патрубок установлен открытым концом кверху с возможностью скольжения внутри сквозного патрубка, обратный клапан выполнен открываемым давлением снизу и установлен на открытом конце глухого патрубка с возможностью его перекрытия.
Кроме того, пазы кулачка выполнены на боковой стенке глухого патрубка.
Кроме того, кулачок выполнен на сплошном массивном участке дна глухого патрубка.
Кроме того, кулачок выполнен как отдельная деталь, соединенная с дном глухого патрубка.
Кроме того, клапан дополнительно содержит поршень-скребок с уплотнениями, сопряженный с нижней частью кулачка.
Благодаря введению кулачкового механизма, позволяющего фиксировать клапан-отсекатель в положениях «закрыто» и «открыто», закреплению сквозного патрубка в корпусе, установке глухого патрубка открытым концом кверху, с возможностью скольжения внутри сквозного патрубка, установке на открытом конце глухого патрубка обратного клапана, открываемого давлением снизу, повышается производительность труда при обслуживании и ремонте скважины, расширяются функциональные возможности предложенного клапана-отсекателя. А именно, создается возможность оперативного управления клапаном-отсекателем посредством изменения соотношения давлений над и под ним без применения вспомогательных механических средств, не прибегая к спуску или извлечению из скважины какого-либо оборудования или инструментов. Тем самым расширяется сфера его применения, повышается универсальность.
Выполнение кулачкового механизма многоходовым (j-slot mechanism), усложняя посредством надлежащего задания профиля кулачкового паза алгоритм циклов повышения и сброса давления, приводящий к открытию клапана, обеспечивает секретность управления клапаном-отсекателем, а также исключает его срабатывание при случайных бросках давления. То есть повышает его эксплуатационную надежность.
Благодаря выполнению пазов кулачка на боковой стенке глухого патрубка упрощается конструкция клапана-отсекателя. Этот вариант исполнения целесообразен для клапанов-отсекателей малого (менее НКТ 73) диаметра.
Благодаря выполнению кулачка на сплошном массивном участке дна глухого патрубка повышается эксплуатационная надежность клапана-отсекателя за счет увеличения жесткости конструкции.
Благодаря выполнению кулачка в виде отдельной детали, соединенной с дном глухого патрубка, повышается эксплуатационная надежность клапана-отсекателя за счет снижения риска заедания при перекосах или загрязнении, снижения износа уплотнений. Также упрощается изготовление деталей клапана-отсекателя и повышается секретность за счет возможности оперативной замены кулачка на другой, с измененной конфигурацией паза, определяющей алгоритм управления.
Введение поршня-скребка с уплотнениями, соединенного с нижней частью кулачка, повышает эксплуатационную надежность за счет снижения вероятности заедания из-за загрязнения кулачкового паза и зазора между кулачком и сквозным патрубком.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «открыто» в исполнении, соответствующем пп. 1…3 формулы изобретения.
На фиг. 2 в увеличенном масштабе изображена часть клапана-отсекателя на уровне отверстий в неподвижном сквозном патрубке в положении клапана «открыто».
На фиг 3. показаны один из возможных вариантов развертки 1/2 окружности кулачкового паза и взаимное положение деталей кулачкового механизма в положении «открыто».
На фиг. 4 показан еще один из возможных вариантов развертки 5/6 окружности кулачкового паза.
На фиг. 5 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «закрыто 1» в исполнении, соответствующем п. 4 формулы изобретения.
На фиг. 6 изображен фрагмент варианта исполнения клапана-отсекателя с поршнем-скребком на нижней части кулачка.
На фиг. 7 показано взаимное положение деталей кулачкового механизма в положении «закрыто».
На фиг. 8 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «Закрыто 2», исполнении, соответствующем п. 6 формулы изобретения.
На фиг. 9 показано взаимное положение деталей кулачкового механизма в положении «Закрыто 2».
На фиг. 10 показано взаимное положение деталей кулачкового механизма в положении «Закрыто, готовность к открытию».
На всех чертежах клапан-отсекатель изображен в вертикальном положении верхним концом к устью скважины. На парах чертежей 1 и 3, 5 и 7 одноименные детали показаны на одном уровне.
Предложенный клапан-отсекатель (фиг. 1) содержит корпус 1, в который с нижнего конца ввернут переводник 2, верхняя часть которого выполнена в виде цилиндрической втулки 3 со сквозными отверстиями 4 в боковой стенке. В настоящем описании под словами «сквозные отверстия» подразумеваются отверстия, проходящие через стенку патрубка или втулки, независимо от того, какой угол их оси составляют с осью клапана и пересекаются ли продолжения их осей с осью клапана. Иными словами, отверстия в боковых стенках патрубков и втулок, в том числе и отверстия 4, могут быть радиальными, наклонными или тангенциальными.
С верхнего конца корпуса в него ввернут переводник 5, резьбовая коническая часть 6 которого в нижней его части переходит во втулку 7, имеющую внизу участок 8 с внутренней резьбой. В эту резьбу ввернут сквозной патрубок 9. Внутренние поверхности переводника 5 и сквозного патрубка 9 являются продолжением одна другой.
Выше участка 8 переводник 5 имеет, по меньшей мере, одну кольцевую канавку, в которой установлено уплотнение 10. Все уплотнения предложенного клапана-отсекателя - обычного типа, например, в виде упругих колец или манжет, помещенных в канавки на наружной стороне цилиндрических деталей. Работа клапана более надежна, когда каждое уплотнение содержит два или три кольца/манжеты, помещенные каждое в свою канавку.
Втулка 3 входит в нижний конец сквозного патрубка 9, центрируя его в корпусе 1.
В верхней части сквозной патрубок 9 имеет сквозные отверстия 11, расположенные немного ниже конца резьбовой части.
Внутри переводника 5 и сквозного патрубка 9 соосно с ними установлен с возможностью скольжения подвижной глухой патрубок 12, имеющий открытый конец сверху и дно в нижней части. В уровне техники подобные элементы с глухим дном иногда называют поршнем или плунжером. Возможность скольжения обеспечена совместной обработкой внутренних поверхностей переводника 5 и патрубка 9 так, чтобы эти поверхности точно продолжали одна другую. В боковой стенке глухого патрубка 12 имеются сквозные отверстия 13. Для того, чтобы при совмещении уровней осей отверстий 11 и 13 проход жидкости через них был обеспечен при любом взаимном угловом положении обоих патрубков, на уровне отверстий 13 наружная поверхность патрубка 12 снабжена лысками 14, отверстия 11 выполнены прямоугольными, а патрубок 9 на уровне отверстий 11 имеет изнутри кольцевую проточку 15 (фиг. 2). На фиг. 5 и 8 отверстия 11 и 13 изображены упрощенно.
Патрубок 9 имеет, по меньшей мере, три уплотнения 16, 17 и 18, расположенные выше и ниже отверстий 13, а также в его верхней части.
В верхней части патрубка 12 над отверстиями 13 установлен обратный клапан, открываемый давлением снизу. На чертежах в качестве примера показан шаровой клапан с запорным телом в виде шара 19, ложащегося на седло 20. Клетка клапана образована расширением внутреннего канала патрубка 12. Выпадение шара 19 предотвращается штифтом 21, устанавливаемым на резьбе или плотной посадке.
На боковой стенке глухого патрубка 12 ниже отверстий 13 и уплотнения 17 имеется замкнутый фигурный кулачковый паз (канавка), опоясывающий патрубок 12 кругом и представляющий собой периодическое чередование вертикальных коротких 22 и длинных 23 участков, соединенных между собой наклонными участками 24 (фиг. 3). Далее эти участки также будут называться пазами. Учитывая различия в местоположении пазов, далее они будут обозначаться под указанными номерами позиций, но с индексами в, с и н, указывающими на их положение: верхнее, среднее и нижнее соответственно. Места перехода наклонных пазов 24 в вертикальные 22 и 23 выполнены так, что с одного конца наклонный паз является продолжением вертикального, а с другой - примыкает к нему сбоку, оставляя тупиковый конец 25 вертикального паза. Далее эти тупиковые концы будут называться тупиками.
По расположению тупиков они подразделяются на три группы: тупики, расположенные в верхней части кулачкового паза (далее они будут обозначаться позицией 25 с индексом в: 25в), тупики, расположенные в средней части кулачкового паза (25с) и тупики, расположенные в нижней части кулачкового паза (25н).
Соответственно, короткие вертикальные пазы, заканчивающиеся тупиком в верхней части кулачкового паза, будут обозначаться как 22в, а заканчивающиеся тупиком в средней части - как 22с. Длинные вертикальные пазы, заканчивающиеся тупиком в верхней части кулачкового паза, будут обозначаться как 23в, а заканчивающиеся тупиком в нижней - как 23н. Наклонные пазы, примыкающие к тупикам в верхней части кулачкового паза, будут обозначаться как 24в, примыкающие к тупикам в средней части - как 24с и примыкающие к тупикам в нижней части - как 24н. Эти позиционные обозначения показаны на фиг. 3.
В кулачковый паз входит и взаимодействует с ним палец 26, установленный в отверстии сквозного патрубка 9. Палец может быть скреплен с патрубком 9. В изображенном на чертежах варианте исполнения палец 26 выполнен грибообразной формы в виде стержня со шляпкой. Его радиальное движение ограничено: внутрь - шляпкой, кнаружи - стенкой корпуса 1. Для снижения вероятности перекоса предпочтительно, чтобы таких пальцев было не менее двух и чтобы они были расположены симметрично по окружности патрубка 9. При любом количестве пальцев 26 кулачковый паз должен быть центральносимметричным относительно точки пересечения оси клапана-отсекателя и горизонтальной плоскости. Это означает, что при повороте кулачкового паза вокруг оси клапана на угол 360/n, где n - количество пальцев 26, он переходит сам в себя.
На фиг. 1 и последующих в качестве примера показаны два пальца 26, установленные на диаметрально противоположных сторонах патрубка 9. Для снижения трения конструкция пальцев может быть усложнена, например, выполнением их в виде роликов.
Пара паз-палец 26 образуют кулачковый механизм, в котором кулачком является глухой патрубок 12 с нанесенным на его боковой стенке пазом. Палец в этом механизме является неподвижным звеном, а кулачок при возвратно-поступательном движении вдоль оси клапана-отсекателя совершает вращательное движение, совершая один оборот за несколько продольных ходов. Поэтому такой механизм называется многоходовым кулачковым механизмом. Подобные механизмы известны из уровня техники и потому его признаки не включены в формулу изобретения.
На фиг. 3 показана развертка окружности паза, построенного по схеме: 23н - 24в - 22в - 24 с - 22 с - 24в - 23в - 24н - 23н. Здесь перечисление участков паза дано при обходе патрубка по часовой стрелке, если глядеть на него сверху.
Конфигурация паза определяет порядок управления клапаном-отсекателем. Поскольку злоумышленнику, желающему осуществить несанкционированный отбор пластовой жидкости, он неизвестен, эту конфигурацию можно назвать кодом управления клапаном, а кулачковый механизм - кодовым устройством. Конфигурация паза, развертка которого показана на фиг. 3, 7 и 9 представлена в качестве примера. Такая конфигурация оптимальна для клапана-отсекателя, устанавливаемого в колонну насосно-компрессорных труб с условным диаметром 73 мм. Если диаметр клапана-отсекателя рассчитан на колонну труб большего диаметра, то на увеличенной по сравнению с вышеприведенным примером окружности глухого патрубка 12 можно разместить больше вертикальных и наклонных пазов, усложнив тем самым код управления. Так, в качестве примера, на фиг. 4 показана развертка паза, в котором на один длинный вертикальный паз 23 приходится два коротких вертикальных паза 22.
Внутренний канал патрубка 12 может заходить внутрь участка, несущего пазы кулачкового механизма, как показано на фиг. 1. Это облегчает патрубок, что особенно важно для клапанов-отсекателей больших диаметров. Для обеспечения приемлемой жесткости толщина стенки патрубка 12 должна, по меньшей мере, быть равной удвоенной глубине пазов. В клапанах малых диаметров участок, несущий пазы, может быть сплошным. Тогда дно внутреннего канала будет находиться на уровне, показанном пунктирными линиями 27 на фиг. 1.
Для снижения чувствительности клапана-отсекателя к перекосам, кулачковая часть патрубка 12 может быть выполнена как отдельная деталь (кулачок) 28 и сопряжена с ним посредством подвижного вращательно-осевого соединения, то есть соединения, фиксирующего детали в осевом направлении и допускающего свободу вращения кулачка 28 относительно патрубка 12 (фиг. 5 и 6). Зазоры в соединении установлены достаточными для независимого центрирования каждой из деталей в патрубке 12. В представленном примере соединение образовано сочетанием Т-образного паза 29 на кулачке 28 с грибообразной головкой 30 на дне глухого патрубка 12. Несмотря на то что Т-образный паз 29 выполнен открытым, бокового взаимного смещения кулачка и патрубка 12 не происходит, поскольку оно ограничено патрубком 9, в котором они оба находятся.
Для предотвращения попадания грязи в кулачковый механизм нижняя часть кулачка 28 может быть выполнена в виде поршня-скребка 31. Самой оптимальной является конструкция, показанная на чертеже фиг. 8. Здесь кулачок 28 сопряжен с глухим патрубком 12 и поршнем-скребком 31, имеющим уплотнения 32 и скребок 33, посредством вращательно-осевых соединений. Разделение глухого патрубка на короткие детали упрощает изготовление подвижной части клапана-отсекателя и снижает его чувствительность к перекосам.
Принцип действия вариантов, представленных на фиг. 1, 5 и 8, - одинаковый.
Предложенный клапан-отсекатель работает следующим образом.
Клапан-отсекатель преимущественно предназначается для работы в комплексе защиты пласта, включающем (перечисление элементов снизу вверх):
- предложенный клапан-отсекатель для разобщения надпакерной и подпакерной зон скважины;
- пакер, предназначенный для герметизации кольцевого межтрубного пространства;
- расцеп и ловильная головка для доставки комплекса в интервал установки и для извлечения его на поверхность;
- протектор для улавливания посторонних предметов, попадающих в скважину.
Нижний конец клапана-отсекателя свободно открыт в подпакерное (пластовое) пространство скважины.
В положении «открыто» (фиг. 1) из скважины производится откачка, и пластовое давление поднимает глухой патрубок 12 с обратным клапаном и кулачком в верхнее положение до совмещения отверстий 11 и 13. Шар 19 обратного клапана давлением пластовой жидкости приподнят над седлом 20, то есть открыт.Дальнейшему смещению вверх патрубка 12 препятствуют пальцы 26, упирающиеся в тупики 25н кулачковой части патрубка 12 (фиг. 3). Смещению патрубка 12 вниз препятствует давление снизу пластовой жидкости.
Пластовая жидкость поднимается через клапан-отсекатель вверх к насосу по пути: отверстия 4 в переводнике 2 - кольцевое пространство между корпусом 1 и сквозным патрубком 9 - совпадающие отверстия 11 и 13 в патрубках 9 и 12 соответственно - зазор между шаром 19 и седлом 20 - верхний переводник 5.
Дальнейшее описание относится к исполнению клапана-отсекателя с отдельным от патрубка 12 кулачком 28, как это показано на фиг. 5, 6 и 8.
При желании закрыть клапан-отсекатель повышают давление над ним до уровня, превышающего давление пласта. Шар 19 обратного клапана прижимается к седлу 20 и под давлением сверху патрубок 12 начинает смещаться вниз. Пальцы 26 при этом скользят в вертикальных длинных пазах 23н, затем попадают в наклонный паз 24в. Взаимодействие пальцев 26 с наклонным пазом поворачивает кулачок 28 до тех пор, пока пальцы 26 не попадут в тупики 25в, расположенные над короткими верхними вертикальными участками 22е паза (фиг. 5 и 7). Отверстия 11 и 13 расходятся по вертикали на расстояние L (фиг. 5) - клапан-отсекатель закрыт (положение «Закрыто 1»).
При попытке открыть клапан-отсекатель из этого положения, начав откачку, патрубок 12 под воздействием пластового давления смещается кверху. Пальцы 26 при этом скользят в вертикальных верхних коротких пазах 22в, затем попадают в наклонный паз 24с. Взаимодействие пальцев 26 с наклонным пазом поворачивает кулачок 28 до тех пор, пока пальцы 26 не попадут в тупики 25с, расположенные под короткими средними вертикальными участками 22с паза (фиг. 8 и 9). Отверстия 11 и 13 сходятся по вертикали до расстояния L (фиг. 8), но не перекрываются - клапан-отсекатель по-прежнему закрыт (Положение «Закрыто 2»).
Для того чтобы вновь открыть клапан-отсекатель из положения фиг. 8 и 9, требуется совершить логически нелепый шаг: еще раз повторить действие, которое привело к закрытию клапана, то есть повторно поднять давление над ним до уровня, превышающего пластовое давление. Пальцы 26 при этом будут скользить в вертикальных коротких пазах 22 с, затем попадут в наклонный паз 24е. Взаимодействие пальцев 26 с наклонным пазом повернет кулачок 28 до тех пор, пока пальцы 26 не попадут в тупики 25в, расположенные над длинными верхними вертикальными участками 23в паза (фиг. 10).
Отверстия 11 и 13 опять разойдутся по вертикали до расстояния L (фиг. 5) - клапан-отсекатель закрыт, но готов к открытию (положение «Закрыто, готовность к открытию»). Теперь, чтобы открыть клапан-отсекатель, достаточно начать откачку. Пластовое давление начнет поднимать патрубок 12, пальцы 26 при этом будут скользить в вертикальных длинных пазах 23в, затем попадут в наклонный паз 24н. Взаимодействие пальцев 26 с наклонным пазом повернет кулачок 28 до тех пор, пока пальцы 26 не попадут в тупики 25н, расположенные под длинным нижним вертикальным участком 23н паза (фиг. 3). Отверстия 11 и 13 совпадут (фиг. 1), шар 19 пластовым давлением будет отдавлен от седла 20 - клапан-отсекатель откроется и будет оставаться открытым, даже если откачка будет прерываться.
Представленное выше описание работы клапана-отсекателя относится к кулачку 28, паз которого имеет конфигурацию, показанную на фиг 3, 7 и 9. Несанкционированный доступ может быть еще больше затруднен применением более сложной конфигурации паза, например, как показано на фиг. 4. В исполнениях, показанных на фиг. 5 и 8, где кулачок 28 выполнен в виде отдельной детали, можно без затруднений и существенных затрат изменять алгоритм отпирания клапана-отсекателя посредством замены только одной его детали - кулачка 28.
Предложенный клапан-отсекатель в исполнении согласно фиг. 8 показал высокую надежность по таким показателям, как наработка на отказ и долговечность. Благодаря кодирующему устройству извлечение посторонними лицами пластовой жидкости исключено.