СКВАЖИННЫЙ ШАРОВОЙ КЛАПАН С ДВУНАПРАВЛЕННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ И МЕХАНИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
MECHANICALLY OPERATED DOWNHOLE BALL VALVE WITH BIDIRECTIONAL SEALING

Настоящее изобретение относится к скважинной запорной арматуре, которая может быть использована в лубрикаторном (гидравлическом) устройстве, позволяющем осуществлять формирование колонны труб в скважине под давлением посредством перекрытия ее нижней части, и, более конкретно, к конструктивным особенностям такой арматуры, связанным с приведением ее в действие механическим образом и обеспечивающим предотвращение ее непреднамеренного открытия вследствие действующего сверху перепада давления.
Клапаны-лубрикаторы используются в скважинах для формирования над ними длинных колонн, когда клапан находится в закрытом состоянии и когда под ним действует скважинное давление. Для получения дополнительной надежности закрывания в условиях действия снизу скважинного давления эти клапаны часто используются совместно с забойными клапанами-отсекателями.
Лубрикаторные устройства используются на поверхности в зоне устья скважины и содержат расположенную над устьем секцию, через которую компоновка низа бурильной колонны (КНБК) соединяется с забойным клапаном, блокирующим действие скважинного давления. Эти поверхностные лубрикаторы имеют ограниченную длину, определяемую размерами используемого бурового оборудования. В скважинных лубрикаторах эти ограничения по длине, связанные с поверхностными лубрикаторами, обходят простым способом с помощью расположенного в скважине лубрикаторного клапана, что позволяет собрать КНБК для ствола скважины длиной в тысячи футов.
В качестве лубрикаторных клапанов ранее использовались шаровые клапаны. Характерная особенность этих клапанов заключалась, как правило, в наличии двух линий управления, подведенных к противоположным сторонам поршня, возвратно-поступательное движение которого приводило к повороту шара на 90º между положениями открытия и закрытия. Удерживаться в обоих положениях шар мог посредством зажимных втулок, а освобождаться - в результате создания определенного давления в одной из линий управления. Примеры подобной конструкции представлены в патентах US 4368871, 4197879 и 4130166. В этих патентах шар вращается вокруг своей оси, установленной в цапфах. В других конструкциях при повороте шара на 90º между положениями открытия и закрытия происходит его поступательное перемещение. Примером такой конструкции является предложенная компанией Expro Group усовершенствованная система перекрытия колонны ELSA 15K, включающая такой лубрикаторный клапан. В других конструкциях вращающийся и поступательно перемещающийся шар комбинируется с отдельной стопорной втулкой с гидравлическим приводом, обеспечивающей фиксацию шара в положении закрытия (патент US 4522370). Некоторые клапаны, такие как лубрикаторный клапан PES LV4 компании Halliburton, спускаются и извлекаются на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). В патенте US 4449587 предложены фиксаторы открытого положения, проходящие сквозь шар. В других конструкциях (например, в патенте US 6109352), применяемых в донной фонтанной арматуре, предусмотрен реечный привод шара, а для переключения клапана между положениями открытия и закрытия используется подводный аппарат с дистанционным управлением, причем каждое из конечных положений является фиксированным, но существует возможность изменения этим подводным аппаратом с дистанционным управлением направления на обратное, вследствие чего становится обратным и клапан. Шаровые клапаны, не используемые в скважинах, представлены в патентах US 6695286, 4289165 и 5417405.
Настоящее изобретение призвано устранить недостатки существующих конструкций путем создания усовершенствованного скважинного клапана шарового типа, предназначенного для использования, например, в целях перекрытия или борьбы с пескопроявлением. В настоящем изобретении предусмотрено приведение шарового клапана в действие механическим образом в результате смещения втулки, которое в одном из вариантов осуществления может производиться сдвигающим устройством, (инструментом) управляемым посредством троса. Кроме того, предлагается механизм уравнивания давлений в исполнительном узле в случае, когда шар находится в положении закрытия, и на него сверху действует перепад давления. Давления уравниваются в исполнительном узле, но не на шаре, благодаря чему предотвращается смещение под действием перепада давления втулки в исполнительном узле, которое в противном случае привело бы к повороту шара и открытию клапана. Эти и другие отличительные признаки настоящего изобретения станут более ясны специалистам в данной области из описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, представленного ниже вместе с приложенными чертежами, и из приведенной формулы изобретения, полностью охватывающей его объем.
В настоящем изобретении предлагается шаровой клапан для скважинного использования в колонне труб, включающий корпус, имеющий верхний и нижний концы и в проходном канале которого находятся шар и уплотнительные элементы, функционально связанные с этим шаром, установленным с возможностью перемещения между положением открытия, когда проходной канал открыт для прохождения потока, и положением закрытия, когда этот канал закрыт; и исполнительный узел, подвижно смонтированный в упомянутом проходном канале между шаром и верхним концом корпуса с возможностью доступа с этого верхнего конца и с возможностью смещения в проходном канале для перемещения шара между положениями открытия и закрытия.
Более конкретно, предлагаемый скважинный шаровой клапан смонтирован на колонне труб и имеет шар, вращающийся вокруг своей оси и размещенный в клетке (гнезде), где предусмотрено уплотнение относительно потоков, направленных в сторону забоя и устья скважины. Клетка взаимодействует с золотником, эксцентричным образом входящим в зацепление с шаром и вызывающим его поворот между положениями открытия и закрытия. Втулка прикреплена к поршневому узлу, который, в свою очередь, прикреплен к золотнику, чем обеспечивается их совместное движение, приводящее к повороту шара. Втулка приводится в движение механическим образом и перемещается в противоположных направлениях сдвигающим устройством, управляемым посредством троса. Перепад давления на шаре, находящемся в положении закрытия, не оказывает влияния на исполнительный поршень вследствие уравнивания давлений на этом поршне, благодаря чему перепад давления на шаре, находящемся в положении закрытия, сохраняется. Запорный клапан способствует уравниванию давлений на исполнительном поршне, в то время как шар остается в положении закрытия.
На чертежах представлено:
фиг.1 - общий вид клапана в разрезе,
фиг.2 - увеличенное изображение верхней части клапана, показанного на фиг.1,
фиг.3 - увеличенное изображение средней части клапана, показанного на фиг.1,
фиг.4 - увеличенное изображение нижней части клапана, показанного на фиг.1,
фиг.5 - перспективное изображение, иллюстрирующее взаимодействие золотника и клетки в процессе работы шарового клапана.
Представленный на фиг.1 и 5 клапан V является частью спускаемой в скважину колонны труб (не показана), с которыми он соединяется верхним концом 10 и нижним концом 12 корпуса 14. Внутренняя втулка 16 содержит внутреннюю канавку 18, обеспечивающую ее зацепление со сдвигающим устройством, управляемым посредством троса, которое перемещает втулку 16 в противоположных направлениях, схематически показанных двойной стрелкой 20. Смещение втулки 16 приводит в движение поршневой узел 22 вместе с золотником 24 относительно неподвижной клетки 26. Шар 28 установлен на противолежащих штифтах 30 с возможностью вращения вокруг них и своей центральной оси. Штифты 32 выступают из ребер 34 и эксцентричным образом входят в зацепление с шаром 28, обеспечивая его вращение в противоположных направлениях при перемещении золотника 24 относительно неподвижной клетки 26. Верхнее седло 36 и нижнее седло 38 поддерживают шар 28 в клетке 26.
Представленное описание основных компонентов позволяет лучше понять подробное описание остальных компонентов, приведенное ниже с использованием увеличенных изображений, показанных на фиг.2-4. Втулка 16 имеет стопорную гайку 40, установленную на ней снаружи на резьбе 42. Гайка 40 упирается в соединительный элемент 44 поршневого узла, обеспечивая совместное перемещение вниз. При перемещении втулки 16 вверх уступ 46 входит в зацепление с соединительным элементом 44, обеспечивая совместное движение. Соединительный элемент 44 крепится к верхнему поршню 48, который, в свою очередь, крепится к нижнему поршню 50 посредством резьбы 52. Нижний поршень 50 перемещается в отверстии 54, выполненном в части 10 корпуса, и уплотнен в отверстии 54 уплотнительными элементами 56. Как видно из фиг.5, нижний конец нижнего поршня 50 крепится к золотнику 24, так что штифты 32 могут смещаться относительно штифтов 30, на которых шар 28 установлен в клетке 26, благодаря чему шар 28 может совершать поворот (в предпочтительном варианте на угол 90º) вокруг штифтов 30 между положениями открытия и закрытия. Одним из способов ограничения движения вниз втулки 16 является соударение уступа 58 с уступом 60 части 10 корпуса. Несмотря на то, что в настоящем описании подробно представлен единственный поршневой узел 22, специалистам в данной области будет ясно, что могут быть использованы дополнительные узлы, в предпочтительном варианте размещаемые на равном удалении по окружности в части 10 корпуса с целью сведения к минимуму любого момента, прикладываемого к золотнику 24 в результате движения, сообщаемого устройством, перемещающим втулку 16.
Часть 10 корпуса содержит по меньшей мере одно отверстие 62 с запорным клапаном 64, обеспечивающим получение в отверстии 62 давления, равного действующему сверху и представленному стрелкой 66, когда шар 28 находится в положении закрытия. Когда шар 28 находится в положении закрытия, проходной канал 68 перекрывается так же как и отверстие 54 благодаря уплотнениям 56 на нижнем поршне 50. В обычных условиях и в отсутствие отверстия 62 и запорного клапана 64 давление могло бы воздействовать на соединительный элемент 44, принуждая поршневой узел 22 сместиться вниз. Это могло бы иметь следствием нежелательное смещение поршневого узла 22 и, в конечном счете, шара 28 из положения закрытия в положение открытия. Наличие отверстия 62 и запорного клапана 64 позволяет избежать приложения к поршневому узлу 22 результирующей силы, обусловленной перепадом давления над шаром 28, находящимся в положении закрытия, путем уравнивания давлений, действующих на поршневой узел 22, но без уравнивания давлений на шаре 28, находящемся в положении закрытия. Эта идея поясняется ниже на основе фиг.3.
На фиг.3 показан еще один запорный клапан 70 у нижнего конца отверстия 62, ориентированный в том же направлении, что и запорный клапан 64, и служащий в качестве резервного для последнего. В предпочтительном варианте эти клапаны являются одинаковыми и содержат тарелку 74, смещаемую относительно седла 76 посредством пружины 78. Вместо этих клапанов могут быть использованы другие устройства одностороннего действия. Отверстие 62 открывается в кольцевое пространство 72, которое также связано с нижним поршнем 50. В этой конфигурации после прохождения потоком запорных клапанов в отверстии 62 и попадания его в кольцевое пространство 72 происходит уравнивание давления, действующего на поршневой узел 22, с давлением в проходном канале 68 над шаром 28, находящимся в положении закрытия.
Верхнее седло 36 содержит уплотнительную пачку 80, обеспечивающую уплотнение относительно части 10 корпуса, и уплотнительный элемент 82 в месте контакта с шаром 28. Вместе эти уплотнительные элементы обеспечивают эффективное блокирование давления над шаром 28, находящимся в положении закрытия, и не допускают создания такого давления в пространстве 84, где расположены золотник 24 и клетка 26. По существу, пространства 72 и 84 прилегают друг к другу. На фиг.3 также показано нижнее седло 38 в сборе с эластичным уплотнительным элементом 86 в месте контакта с шаром 28. Нижнее седло 38 в сборе представлено также на фиг.4, где показана уплотпительная пачка 88, схожая по размеру и функциям с уплотнительной пачкой 80. Уступ 90 на части 10 корпуса поддерживает кольцо 92 и волнистую или тарельчатую пружину 94, упирающуюся в гайку 96, установленную на резьбе 98 на нижнем седле 38. Стопорный винт 100 фиксирует положение гайки 96. Пружина 94 прикладывает предварительную нагрузку к уплотнительным элементам 82 и 86, находящимся в контакте с шаром 28. Уплотнительная пачка 88, как и уплотнительпая пачка 80, обеспечивает блокирование давления в проходном канале 68 и изоляцию от него пространств 84 и 72.
Специалистам в данной области будет ясно, что шаровой клапан, соответствующий настоящему изобретению, можно использовать в скважине и приводить в действие механическим образом в составе колонны труб, предпочтительно с помощью сдвигающего устройства, управляемого посредством троса и обеспечивающего переход из состояния открытия в состояние закрытия и обратно. Возможно также использование других сдвигающих устройств, спускаемых на гибких или жестких насосно-компрессорных трубах. Предусмотренное уравнивание давлений предотвращает непреднамеренный переход шара 28 из положения закрытия в положение открытия вследствие роста давления над ним. Уравнивание давлений происходит на поршневом узле 22, расположенном над шаром, а не на шаре, находящемся в положении закрытия. В положении закрытия шара 28 обеспечивается его уплотнение относительно перепадов давления, действующих в противоположных направлениях, что реализуется посредством уплотнительных элементов 82 и 86, остающихся в контакте с шаром 28 независимо от направления действия перепада давления на этот шар. Уравнивание давлений на поршневом узле 22 не зависит от величины начального поворота шара 28. Волнистая пружина 94 обеспечивает предварительное нагружение, улучшающее контакт шара 28 с уплотнительными элементами 82 и 86 при наличии перепада давления в направлении устья скважины, и препятствует отделению шара 28 от уплотнительного элемента 82 в случаях, когда результирующий перепад давления направлен в сторону забоя.
Следует иметь в виду, что в настоящем описании представлены лишь иллюстративные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, и что настоящее изобретение не предусматривает иных ограничений, кроме указанных в приведенной формуле изобретения.