КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ
CUTOFF VALVE

Изобретение относится к области нефтегазодобыващей промышленности и может быть использовано для перекрытия ствола скважины при проведении ремонтных работ без глушения.
Известен скважинный клапан-отсекатель, выбранный в качестве аналога, содержащий пакер с корпусом, запорный орган с цангой, снабженной лепестками с головкой, механизм управления запорным органом, шток с отверстиями и кольцевой проточкой. Шток снабжен клеткой обратного клапана в верхней части, кольцевым поршнем в средней и механизмом управления в виде ступенчатого кольцевого поршня на нижнем конце, поджатым гайкой и снабженным стаканом с кольцевым выступом, образующим подвижное соединение с удлинителем, связанным с корпусом, выполненным разъемным, снабженным в месте разъема разделительной шайбой и нижним переходником. Ступенчатый кольцевой поршень снабжен гильзой, образующей подвижное соединение в расточке нижнего переходника и кольцевую камеру с удлинителем, гидравлически связанную дренажным отверстием с осевым каналом гильзы. Полости над кольцевым поршнем и над кольцевым выступом гидравлически связаны отверстиями с полостью под пакером. Полость кольцевой камеры над разделительной шайбой связана отверстием с осевым каналом штока. Причем фигурная гайка связана с корпусом перепускного клапана, снабженного посадочной поверхностью на торцовой части, обращенной к посадочному седлу нижнего переходника, в осевом канале которого установлено седло с подпружиненным шаровым клапаном, цанга установлена в разъемном корпусе (патент РФ №2516708, МПК Е21В 34/06, опубликован 20.05.2014 г.).
Недостатком известного скважинного клапана-отсекателя является сложность конструкции, трудность применения в скважинах малого диаметра.
Известен скважинный затвор, выбранный в качестве аналога, состоящий из корпуса, ограниченного ниппелем и седлом, образующих камеру, в последней размещен сильфон, заполненный сжатым газом, запорного клапана, установленного на штоке привода запорного клапана в движение и соединенного непосредственно с торцом сильфона, сообщающем запорному клапану возвратно-поступательное перемещение. На корпусе герметично закреплена ступенчатая втулка диаметром, меньшим диаметра ствола скважины. В стенках корпуса и втулки выполнены радиальные окна, расположенные друг перед другом, сообщающие камеру с кольцевой полостью. Над корпусом установлен переводник с радиальными отверстиями, предназначенный для спуска скважинного затвора в скважину и подъема из нее. Ступенчатая втулка выполнена с наконечником, устанавливаемым в посадочный ниппель пакера, разобщающего пространства скважины над и под затвором (патент РФ №2465438, МПК Е21В 34/06, опубликован 27.10.2012 г.).
Недостатком известного скважинного затвора является сложность конструкции и высокая стоимость из-за наличия сильфона, а также низкий срок службы из-за нарушения герметичности сильфона.
Наиболее близким к предлагаемому клапану-отсекателю по совокупности признаков является предохранительный клапан, содержащий корпус, внутренняя полость которого разделена на камеры нагнетания, установки пружины запорного органа и слива. В камере слива размещен запорный орган, например в виде шарика или конуса. Запорный орган поджат к седлу пружиной через толкатель в виде плунжера. Плунжер установлен в отверстии внутренней перегородки корпуса. Перегородка разделяет камеру слива и камеру установки пружины запорного органа. Камера установки пружины запорного органа и камера нагнетания сообщены между собой отверстием. Седло запорного органа выполнено в виде втулки (патент РФ №2325575, МПК F16K 17/02, опубликован 27.05.2008 г.).
Недостатком данного клапана является недостаточная надежность его работы, так как камера установки пружины запорного органа гидравлически сообщается с камерой нагнетания, что может привести к поломкам пружины при работе клапана в скважинной среде.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности работы клапана-отсекателя, обеспечение возможности настраивания параметров срабатывания (давления открытия и закрытия) клапана-отсекателя, а также обеспечение возможности его принудительного открытия.
Технический результат достигается клапаном-отсекателем, содержащим корпус, внутренняя полость которого разделена на камеры нагнетания, слива и установки пружины, установленное в камере нагнетания седло, размещенный в камере слива запорный элемент, поджатый к седлу пружиной через шток, который установлен в отверстии внутренней перегородки корпуса, разделяющей камеру слива и камеру установки пружины, причем на штоке выполнен кольцевой выступ, контактирующий с корпусом ниже внутренней перегородки корпуса, над кольцевым выступом штока расположены боковые каналы, сообщающиеся с камерой нагнетания через осевой канал, выполненный в штоке и запорном элементе, при этом верхний конец штока выполнен глухим, в камере слива установлена цанга, головки лепестков которой опираются на коническую втулку, закрепленную на штоке, седло установлено на закрепленную в корпусе резьбовую втулку и поджато сверху упругим элементом и связанной с корпусом гайкой, имея тем самым возможность ограниченного осевого перемещения вверх.
Кроме того, в верхней части штока выполнены боковые отверстия, соединенные с осевым каналом штока и перекрытые втулкой, установленной на штоке с помощью срезных винтов, в корпусе выше штока установлено верхнее седло со сквозными окнами в стенке, связанное с корпусом срезными элементами и имеющее возможность осевого перемещения и взаимодействия с втулкой при сбросе шара и подаче давления, при котором срезаются срезные винты и втулка смещается вниз, а верхнее седло опирается своим буртиком, расположенным над сквозными окнами, на внутренний выступ корпуса, при этом боковые отверстия штока сообщаются через сквозные окна верхнего седла с радиальными отверстиями, выполненными в корпусе.
Выполнение на штоке кольцевого выступа, контактирующего с корпусом ниже внутренней перегородки корпуса, расположение над кольцевым выступом штока боковых каналов, сообщающихся с камерой нагнетания через осевой канал, выполненный в штоке и запорном элементе, при этом выполнение верхнего конца штока глухим, позволяют исключить гидравлическое сообщение камеры установки пружины с камерой нагнетания, сохраняя при этом возможность гидравлического уравновешивания части усилия, воспринимаемого запорным элементом от давления жидкости. Таким образом, пружина защищена от влияния скважинной жидкости, что предотвращает ее поломку, повышая надежность работы клапана-отсекателя.
Установка в камере слива цанги, головки лепестков которой опираются на коническую втулку, закрепленную на штоке, обеспечивает возможность настраивания параметров срабатывания (давления открытия и закрытия) клапана-отсекателя изменением размеров устанавливаемой на штоке конической втулки.
Установка седла на закрепленную в корпусе резьбовую втулку и поджатие сверху упругим элементом и связанной с корпусом гайкой, имея тем самым возможность ограниченного осевого перемещения вверх, обеспечивает герметичность прилегания седла к запорному элементу до достижения настроенного значения перепада давлений для открытия клапана-отсекателя, что повышает надежность работы клапана-отсекателя.
Выполнение в верхней части штока боковых отверстий, соединенных с осевым каналом штока и перекрытых втулкой, установленной на штоке с помощью срезных винтов, установка в корпусе выше штока верхнего седла со сквозными окнами в стенке, связанного с корпусом срезными элементами и имеющего возможность осевого перемещения и взаимодействия с втулкой при сбросе шара и подаче давления, при котором срезаются срезные винты и втулка смещается вниз, а верхнее седло опирается своим буртиком, расположенным над сквозными окнами, на внутренний выступ корпуса, при этом боковые отверстия штока сообщаются через сквозные окна верхнего седла с радиальными отверстиями, выполненными в корпусе, обеспечивают возможность принудительного открытия клапана-отсекателя для выравнивания давления над и под пакером перед подъемом компоновки на поверхность.
На фиг. 1 представлена схема клапана-отсекателя в исходном (закрытом) положении, на фиг. 2 - местная выноска А на фиг. 1, на фиг. 3 - схема клапана-отсекателя в принудительно открытом положении.
Клапан-отсекатель содержит корпус 1, выполненный составным, внутренняя полость которого разделена на камеры нагнетания 2, слива 3 и установки 4 пружины 5. В камере нагнетания 2 установлено седло 6 (фиг. 2), в камере слива 3 - запорный элемент 7, поджатый к седлу 6 пружиной 5 через шток 8. Шток 8 установлен в отверстии внутренней перегородки 9 корпуса 1, разделяющей камеру 4 установки пружины 5 и камеру слива 3. Камера установки 4 пружины 5 заполнена маслом через отверстие 10 корпуса 1. Усилие пружины 5 регулируется кольцами 11, установленными на штоке 8. В отверстии 10 корпуса 1 установлен компенсатор 12 для выравнивания давления внутри и снаружи (над клапаном-отсекателем) камеры 4. Для уменьшения размеров используемой пружины 5 и гидравлического уравновешивания части усилия, воспринимаемого запорным элементом 7 от давления жидкости, на штоке 8 выполнен кольцевой выступ 13, контактирующий с корпусом 1 ниже внутренней перегородки 9, в штоке 8 и запорном элементе 7 выполнен осевой канал 14, а в штоке 8 также боковые каналы 15, сообщающиеся с камерой нагнетания 2 через осевой канал 14. При этом верхний конец штока 8 выполнен глухим.
В камере слива 3 установлена цанга 16, головки 17 лепестков которой опираются на закрепленную на штоке 8 коническую втулку 18. Изменением размеров конической втулки 8 регулируются параметры срабатывания клапана-отсекателя.
Седло 6 установлено на резьбовую втулку 19, закрепленную в корпусе 1. Сверху седло 6 поджато упругим элементом 20 и связанной с корпусом 1 гайкой 21 (фиг. 2). Упругий элемент 20 в данном варианте выполнения представляет собой пружинную волнистую шайбу, установленную с возможностью контактирования снизу - с седлом 6, а сверху - с гайкой 21, связанной с корпусом 1 посредством резьбовой втулки 19 с возможностью восприятия радиальных усилий при сжатии пружинной волнистой шайбы. Таким образом, под действием давления жидкости, седло 6 имеет возможность ограниченного осевого перемещения вверх, в сторону запорного элемента 7, благодаря упругому элементу 20, обеспечивая тем самым герметичность прилегания седла 6 к запорному элементу 7. В исходном положении седло 6 находится в поджатом к резьбовой втулке 19 состоянии. Седло 6 загерметизировано относительно резьбовой втулки 19 с помощью уплотнительного кольца 22.
Для обеспечения возможности принудительного открытия клапана-отсекателя, в верхней части штока 8 выполнены боковые отверстия 23, соединенные с осевым каналом 14 и перекрытые втулкой 24, установленной на штоке 8 с помощью срезных винтов 25. В корпусе 1 выше штока 8 установлено верхнее седло 26 со сквозными окнами 27 в стенке. Предусмотрены два положения седла 26 - верхнее и нижнее. В верхнем положении (фиг. 1) верхнее седло 26 зафиксировано с помощью срезных элементов 28. В нижнем положении (фиг. 3) верхнее седло 26 после срезания срезных винтов 25 и перемещения втулки 24 вниз, опирается своим буртиком 29, расположенным над сквозными окнами 27, на внутренний выступ 30 (фиг. 1) корпуса 1, при этом боковые отверстия 23 штока 8 сообщаются через сквозные окна 27 верхнего седла 26 с радиальными отверстиями 31 (фиг. 2), выполненными в корпусе 1.
В верхней части корпуса выполнены также сливные отверстия 32.
Работа клапан-отсекателя происходит следующим образом.
Клапан-отсекатель устанавливают над пакером (на фиг. не показан). Компоновку, содержащую пакер, клапан-отсекатель, спускают на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) на требуемую глубину. Производят посадку пакера. Колонну НКТ поднимают на поверхность и спускают скважинный насос (на фиг. не показан). Открытие и закрытие клапана-отсекателя осуществляется перепадом давлений между пространствами над и под клапаном-отсекателем. После запуска скважинного насоса гидростатическое давление столба скважинной жидкости уменьшается. При снижении давления над клапаном-отсекателем ниже давления под клапаном-отсекателем, когда перепад давлений достигнет настроенного значения, клапан-отсекатель приводится в открытое положение. До достижения настроенного значения перепада давлений и открытия клапана-отсекателя, седло 6 совместно с запорным элементом 7 под действием давления жидкости начинают перемещаться вверх, сжимая упругий элемент 20. Таким образом, благодаря совместному перемещению запорного элемента 7 с седлом 6, исключается образование зазора между ними и перепуск жидкости до срабатывания цанги 16 и открытия клапана-отсекателя. При достижении настроенного значения перепада давлений, коническая втулка 18 выходит из зацепления с головками 17 лепестков цанги 16, запорный элемент 7 отжимается от седла 6 и через шток 8 сжимает пружину 5, а седло 6 под действием упругого элемента 20 возвращается в исходное положение. Скважинная жидкость из камеры нагнетания 2 перепускается в камеру слива 3, а далее через радиальные каналы 33 корпуса 1 поступает в надпакерную зону и далее на прием насоса.
В случае остановки скважины и увеличения давления над клапаном-отсекателем по сравнению с давлением под клапаном-отсекателем, запорный элемент 7 под действием пружины 5 садится на седло 6 и перекрывает поток жидкости из камеры нагнетания 2 в камеру слива 3.
Для извлечения клапана-отсекателя из скважины необходимо выровнять давления над и под пакером. Для этого в скважину спускают колонну НКТ и соединяют с клапаном-отсекателем. В колонну НКТ бросают шар 34 (фиг. 3), который садится на верхнее седло 26. В колонне НКТ нагнетанием жидкости создают давление, под действием которого срезные элементы 28 срезаются, и верхнее седло 26 перемещается в нижнее положение, толкая при этом вниз втулку 24. Срезные винты 25 срезаются, и верхнее седло 26 своим буртиком 29 опирается на внутренний выступ 30 корпуса 1. В результате, боковые отверстия 23 штока 8 сообщаются через сквозные окна 27 верхнего седла 26 с радиальными отверстиями 31 корпуса 1. Происходит переток скважинной жидкости из надпакерного пространства (на фиг. не показано) в камеру нагнетания 2 через осевой канал 14 штока 8 и запорного элемента 7, в результате давление над и под пакером выравнивается. При подъеме клапана-отсекателя происходит освобождение колонны НКТ от жидкости через сливные отверстия 32 корпуса 1.
Таким образом, предложенная конструкция клапана-отсекателя обеспечивает повышение надежности его работы, возможность настраивания параметров срабатывания (давления открытия и закрытия) клапана-отсекателя, а также возможность принудительного его открытия.