АКТИВАЦИОННЫЙ КЛАПАН

Область техники
Техническое решение относится к добывающей промышленности, в частности, к устройству активационного клапана, который применяется в компоновках оборудования для проведения многостадийного гидроразрыва пласта (МСГРП) в вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважинах. Заявленный активационный клапан, преимущественно, устанавливается в нижней части компоновки и позволяет создать необходимый перепад давления для активации пакера гидромеханического путем перекрытия внутреннего проходного канала хвостовика.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные варианты конструкции активационных клапанов для нефтегазодобывающей промышленности. В частности, из описания патента РФ на изобретение RU2055152, МПК: E21B33/12, опубликованного 27.02.1996, известен активационный клапан, служащий для закрепления пакеров в эксплуатационных колоннах нефтяных и газовых скважин. Данный клапан состоит из корпуса, в котором на срезных винтах установлена полая втулка с седлом под сбрасываемый шар, размещенная в корпусе с возможностью ограниченного осевого перемещения. При этом верхний торец седла выполнен наклонным, а в корпусе выполнено дополнительное радиальное отверстие.
Срезной активационный посадочный клапан работает следующим образом. После спуска в скважину колонны лифтовых труб с пакером и срезным активационным посадочным клапаном, расположенным ниже пакера, с устья сбрасывается шар, который садится на посадочную фаску наклонного торца седла клапана. Далее на устье скважины создается расчетное избыточное гидравлическое давление, при котором происходит закрепление пакера в эксплуатационной колонне скважины. Затем при давлении, превышающем расчетное, происходит срез винтов, в результате чего седло с шаром устремляется вниз до посадки нижнего торца седла в ограничительный бурт корпуса клапана. Одновременно шар под воздействием потока жидкости скатывается по наклонной плоскости верхнего торца седла, и далее под воздействием веса падает в межтрубное пространство скважины на забой. При этом поток жидкости вместе с шаром проходит через радиальное отверстие корпуса, в результате чего происходит сброс избыточного давления, что исключает возможность гидравлического удара при срезе упомянутых винтов.
Недостатком конструкции известного активационного посадочного клапана является несоответствие его конструкции требованиям к оборудованию для проведения многостадийного гидроразрыва, поскольку корпус клапана имеет дополнительное радиальное отверстие для сброса шара.
Из описания патента РФ на полезную модель RU101488, МПК: E21B 33/14, опубликованного 20.01.2011, известна муфта посадочная, которая устанавливается в нижней части колонны хвостовика, и предназначается для активации гидравлической подвески хвостовика путем посадки запирающей пробки либо шара в герметизирующее седло муфты. Таким образом, муфта посадочная позволяет создать необходимый перепад давления для активации гидромеханического пакера подвески хвостовика путем перекрытия внутреннего проходного канала упомянутой колонны труб хвостовика, то есть выполняет функцию активационного запирающего клапана однократного действия. Данное техническое решение может быть выбрано в качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели.
Из описания и чертежа указанной полезной модели по патенту RU101488 известно устройство в виде клапана, которое содержит полый цилиндрический корпус с концентрично размещенными в нем корпусом седла и седлом, установленным в корпусе седла на срезных винтах. Причем, верхний торец корпуса седла и самого седла выполнены в виде воронки, образующей посадочное гнездо для пробки.
Отмечается, что пробка может иметь различную конфигурацию. Она может быть выполнена в виде очистительной пробки с кольцевой манжетой либо в виде шара.
В описании полезной модели также указано, что корпус седла и седло предпочтительно выполнены из алюминиевого сплава для удобства разбуривания запирающих элементов конструкции данного клапана, которые не имеют повторного применения.
Недостатком описанной выше полезной модели является невысокая надежность устройства, а также то, что после среза винтов, седло падает на забой, засоряя его. Кроме того, устройство имеет низкую герметичность, поскольку не обеспечено уплотнительными элементами в местах соединения деталей корпуса клапана с корпусом седла и седлом.
Заявленная полезная модель направлена на расширение арсенала средств, представляющих собой активационные клапаны для нефтегазовой промышленности.
Заявленная полезная модель также направлена на решение задачи по повышению надежности, работоспособности и экономичности активационного клапана при его использовании в тяжелых эксплуатационных условиях в составе колонны-хвостовика при установке в нефтегазовые скважины оборудования для осуществления гидроразрыва пласта.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат от использования активационного клапана заключается в надежном обеспечении заданной величины дифференциального давления (перепада давления) между внутренней полостью колонны-хвостовика и заколонным пространством за счет повышении герметичности конструкции клапана, а также простого процесса настройки давления закрытия и надежного блокирования подвижных элементов клапана после его закрытия.
Для достижения заявленного технического результата предлагается активационный клапан, содержащий полый корпус клапана с концентрично размещенными в нем корпусом седла и седлом, причем седло установлено в корпусе седла на срезных винтах. Корпус клапана выполнен составным из корпуса муфтовой части и корпуса ниппельной части с образованием на внутренней поверхности корпуса ниппельной части кольцевого выступа, а корпус седла выполнен на внешней стороне с фланцем и установлен в корпус клапана с опорой фланца на кольцевой выступ ниппельной части корпуса клапана, при этом корпус седла в нижней части снабжен корзиной, выполненной со сквозными радиальными каналами в боковой поверхности корзины и с центральным отверстием в ее донной части. Кроме того, на внутренней поверхности корпуса седла выполнена кольцевая проточка, в которой размещено стопорное кольцо, при этом седло размещено в корпусе седла с возможностью ограниченного осевого перемещения и выполнено в виде стакана, в нижней части которого выполнены радиальные каналы в местах, соответствующих каналам корзины. Причем корпус седла и седло на наружной поверхности снабжены кольцевыми проточками с установленными в них уплотнительными элементами.
Запирающим элементом активационного клапана является бросовый шар, выполненный с возможностью посадки на седло при сбрасывании его с устья скважины.
Составной корпус клапана содержит резьбовое соединение корпуса муфтовой части и корпуса ниппельной части, при этом на нижнем конце муфтовой части корпуса дополнительно выполнены отверстия, в которые установлены штифты с упором в кольцевую проточку на ниппельной части корпуса.
Корпус активационного клапана на конце муфтовой части выполнен с внутренней конической резьбой под входной патрубок, а с другой стороны на конце ниппельной части он выполнен с наружной конической резьбой под выходной патрубок.
В заявленном активационном клапане вход в седло выполнен в виде воронки, образованной устьем седла, плотно сопряженным с устьем корпуса седла и с конической расточкой на прилегающем участке муфтовой части корпуса клапана, которые вместе формируют единую коническую поверхность, образующую приемное гнездо для улавливания шара для посадки в седло.
В заявленном активационном клапане в донной части седла выполнена глухая конусная проточка.
При эксплуатации заявленной конструкции активационного клапана возможно два варианта его использования либо с применением одного бросового шара, либо с применением двух бросовых шаров разного размера, что дополнительно повышает надежность заявленного оборудования.
Дополнительным запирающим элементом в заявленной конструкции активационного клапана является шар, выполненный с возможностью посадки на конусную проточку в донной части седла. Такой дополнительный шар выполняют с меньшим размером диаметра по сравнению с ранее описанным шаром, предназначенным для посадки на седло, поскольку дополнительный шар проходит в полость седла и достигает его донной части.
Активационный клапан, как правило, устанавливают в нижнюю часть хвостовика, и он работает в тяжелых условиях при повышенной температуре и в коррозионно-активной среде. Для повышения надежности и работоспособности заявленный клапан может быть выполнен с защитными покрытиями, например, с покрытием для защиты от сероводорода.
Краткое описание чертежей
Чертеж представлен для лучшего понимания полезной модели, однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что раскрытая полезная модель не ограничивается вариантом, представленным на чертеже.
На фиг. 1 представлен общий вид продольного сечения активационного клапана в соответствии с настоящим описанием полезной модели.
Элементы конструкции активационного клапана обозначены на фиг.1 следующими позициями:
1 - корпус муфтовой части;
2 – корпус седла;
3 -  пружинное стопорное кольцо;
4 -  седло (для шара), герметизирующее;
5 - корпус ниппельной части;
6 - шар активационный;
7 - срезные винты;
10 – штифты (с уплотнительными прокладками);
11 – уплотнительные элементы, установленные в кольцевые проточки седла;
12 - уплотнительные элементы, установленные в кольцевые проточки корпуса седла.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 представлен активационный клапан однократного действия, устанавливаемый в нижней части колонны-хвостовика, который позволяет после запирания седла шаром, создать дифференциальное давление (перепад давления) между внутренней полостью колонны-хвостовика и заколонным пространством, необходимое для активации пакера гидромеханического гидравлической подвески хвостовика (на чертеже не показаны).
Активационный клапан содержит полый корпус, в котором концентрично размещены и плотно сопряжены между собой корпус седла 2 и седло 4, причем седло 4 установлено в корпусе седла 2 на срезных винтах 7.
Для удобства установки срезных винтов корпус заявленного клапана выполнен составным из двух частей, а именно, из корпуса муфтовой части 1 и корпуса ниппельной части 5 с образованием на внутренней поверхности корпуса ниппельной части 5 кольцевого выступа на месте соединения между собой указанных частей корпуса клапана.
Корпус седла 2 выполнен на внешней стороне с фланцем и установлен в корпус клапана с опорой фланцем на кольцевой выступ ниппельной части 5 корпуса седла. Корпус седла 2 в нижней части снабжен корзиной, выполненной со сквозными радиальными каналами в боковой поверхности корзины и с центральным сквозным отверстием в ее донной части.
Седло 4 выполнено в форме стакана с глухим дном, при этом в нижней части боковой стенки стакана выполнены радиальные каналы в местах, соответствующих радиальным каналам, имеющимся в корзине, с образованием проточного сообщения между полостью седла 4 и полостью ниппельной части 5 клапана.
На внутренней поверхности корпуса седла 2 выполнена кольцевая проточка, в которой размещено стопорное кольцо 3.
Кроме того, корпус седла 2 и седло 4 на наружной поверхности снабжены парными кольцевыми проточками с установленными в них уплотнительными элементами 11 и 12 соответственно.
Корпус активационного клапана является составным разъемным изделием. Он состоит из корпуса муфтовой части 1 и из корпуса ниппельной части 5, соединенных между собой по резьбе, которые неподвижно закреплены штифтами 10, установленными в отверстия на нижнем конце муфтовой части 1 корпуса с упором в соответствующую проточку на ниппельной части 5 корпуса. Разъемное изготовление корпуса активационного клапана позволяет концентрично установить внутри него соединенные срезными винтами 7 корпус седла 2 и само седло 4, при их плотном сопряжении между собой и с корпусом клапана по всей боковой поверхности упомянутых деталей с соблюдением условий герметичности в отличие от прототипа, в котором между корпусом клапана и корпусом седла имеется кольцевой карман, ослабляющий конструкцию клапана при осевых нагрузках давления активации. Причем герметичность соединения деталей заявленного клапана повышают кольцевые уплотнительные элементы, парно установленные в каждом месте соединения упомянутых деталей, соприкасающемся с жидкой средой.
Срезные винты 7 контролируют величину давления активации, выше которого они срезаются, после чего седло 4 переходит в положение «Закрыто», обеспечивая работоспособность заявленного устройства и возможность активации гидромеханического пакера подвески.
Для повышения надежности клапана в кольцевой проточке корпуса седла 2 размещено пружинное стопорное кольцо 3, установленное напротив смежной проточки, выполненной на внешней поверхности седла 4.  При осевом смещении верхней кромки седла 4 ниже проточки со стопорным кольцом 3 стопорное кольцо 3 разжимается, блокируя седло 4 от обратных осевых перемещений из положения «Закрыто».
При работе заявленного устройства в наклонных скважинах для более надежного улавливания седлом 4 шара 6 заявленный клапан выполнен с приемным гнездом в виде гладкой воронки, образованной устьем седла 4, сопряженным с устьем корпуса седла 2 и конической расточкой на прилегающем участке муфтовой части 1 корпуса клапана, которые образуют единую коническую поверхность. Отсутствие зазоров между перечисленными деталями повышает надежность заявленной конструкции клапана.
Активационный клапан работает следующим образом.
Активационный клапан, запирающий внутренний проходной канал хвостовика, применяется в компоновках для многостадийного гидроразрыва нефтегазоносного пласта (МСГРП) в вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважинах.
Активационный клапан обычно устанавливается в нижней части компоновки над обратным клапаном и позволяет создавать необходимый перепад давления между внутренней полостью колонны-хвостовика и заколонным пространством для активации пакера гидромеханического подвески.
Активационный клапан спускается в скважину на колонне насосно-компрессорных труб в открытом положении в составе компоновки МСГРП.
Срабатывание активационного клапана происходит после сброса с устья скважины шара 6. Под действием силы тяжести шар 6 спускается по каналу колонны насосно-компрессорных труб и достигает корпуса активационного клапана, где садится на седло 4. При повышении давления жидкости во внутренней полости колонны-хвостовика шар 6 давит на седло 4, в результате чего происходит срез винтов 7. Седло 4 смещается вниз до упора в дно корзины, перекрывая сообщение между проточными полостями клапана, герметично запирая боковыми стенками седла 4 сквозные радиальные каналы в боковой поверхности корзины корпуса седла 2, а также центральное отверстие в ее донной части. После перемещения вниз седла 4, стопорное кольцо 3 разжимается, блокируя седло 4 от обратных осевых перемещений.
Таким образом, прочностью срезных винтов 7 контролируется величина давления активации, выше которого винты срезаются, после чего седло 4 переходит в положение «Закрыто». Преимуществом заявленной полезной модели является простой процесс настройки давления закрытия, что повышает надежность активационного клапана.
При эксплуатации активационного клапана в наклонных скважинах для повышения надежности его срабатывания предусмотрена возможность использования в качестве запирающего элемента еще одного шара (на чертеже не показан) меньшего диаметра по сравнению с описанным выше шаром 6.
Вариант работы активационного клапана с двумя шарами предусматривает следующие действия. Сначала с устья скважины сбрасывают активационный шар малого диаметра. Он улавливается приемным гнездом активационного клапана, выполненным в виде воронки, и направляется в полость седла 4, по которой опускается на дно стакана седла. В донной части седла 4 выполнена конусная проточка, которая фиксирует малый шар. Диаметр малого шара выбирается таким образом, чтобы, разместившись в проточке на донной части седла 4, малый шар имел возможность перекрыть входы в радиальные каналы седла 4, после чего сообщение между проточными полостями клапана в муфтовой и ниппельной части прекращается и клапан запирается. В этом случае второй шар 6 большого диаметра будет являться страховочным. Если состояние клапана «Закрыто» достигнуто с помощью малого шара, то запуск второго шара не требуется.
Например, при проходном сечении клапана 70 мм в качестве предпочтительных размеров шаров малый шар может быть выбран диаметром 15,04 мм, а большой шар 6 может быть выбран диаметром 25,4 мм.
Однако, если при продвижении по наклонному каналу компоновки МСГРП малый шар где-то по пути зацепился, и его продвижение остановилось, то вслед за ним запускается страховочный большой шар 6, который продвигает малый шар и дополнительно сам перекрывает седло активационного клапана.
Возможность эксплуатации клапана с двумя шарами разного диаметра повышает надежность и работоспособность заявленной конструкции активационного клапана в условиях наклонных скважин.
Заявленная полезная модель обеспечивает расширение арсенала средств в виде создания нового варианта конструкции активационного клапана для нефтегазовой промышленности, эффективно решающего задачу повышения надежности и работоспособности клапана при его использовании в тяжелых эксплуатационных условиях в составе колонны-хвостовика при установке в нефтегазовые скважины оборудования для осуществления гидроразрыва пласта.
Еще одним преимуществом полезной модели является то, что запирающие элементы активационного клапана не падают на забой, а улавливаются корзиной клапана. Это позволяет осуществить их утилизацию при подъеме компоновки из скважины.
Кроме того, улавливание корзиной запирающих элементов активационного клапана снижает риск незапланированного открытия канала компоновки, поскольку корзина не содержит срезных элементов крепления, что повышает надежность заявленного устройства, как запирающего средства. Для открытия упомянутого канала потребуется разбуривание седла активационного клапана вместе с шаром и корзиной.