КОНСТРУКЦИЯ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА С УРАВНИТЕЛЬНЫМ КЛАПАНОМ
DESIGN OF A DOWNHOLE TOOL WITH AN EQUALIZATION VALVE

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для герметичного разобщения межколонного пространства при проведении технологических операций в нефтяных и газовых скважинах.
Заявляемая конструкция скважинного инструмента с уплотнительными узлами и уравнительным клапаном для обработки изолированного участка скважины позволяет открывать обходной канал для прохода жидкости при спуске и подъеме инструмента для устранения эффекта поршневания, закрывает обходной канал и разобщает зоны скважины во время проведения работ, снимает избыточное давление в зоне обработки пласта после её окончания, обеспечивает возможность обратной промывки после проведения работ.
Известен (патент на изобретение RU2673682C1) клапан, имеющий свойство активации потоком текучей среды, в силу которого клапан может быть переведен в разрешенное и запрещенное положения манипуляцией относительными осевыми положениями восходящей и нисходящей частей скважинного инструмента.
Недостатками данного устройства являются:
- сложность конструкции, следовательно, предъявляет высокие требования к квалификации обслуживающего персонала;
- конструкция клапана чувствительна к засорению, даже мелкие частицы могут привести к отказу клапана и отсутствию герметичности, появляется необходимость частых промывок;
- необходимость обеспечения создания значительной осевой нагрузки на инструмент во время проведения работ, так как положение клапана, в котором он может быть закрыт, достигается сближением до упора верхней и нижней частей компоновки, при недостаточной осевой нагрузке возможна подвижка верхней части компоновки к устью скважины, вызванная давлением в клапане, которое стремится раздвинуть подвижные части компоновки, клапан при этом откроется.
Перечисленные недостатки увеличивают расходы при использовании данной конструкции, ограничивают возможность её применения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение простоты конструкции и применения с минимальными затратами на изготовление инструмента и гарантированное проведение технологических операций в самых сложных условиях, когда передача осевой нагрузки на инструмент невозможна.
Заявляемый технический результат достигается благодаря конструкции скважинного инструмента с уравнительным клапаном, состоящим из корпуса, представляющего собой полый цилиндр с верхним глухим торцом, положение которого фиксировано внутри скважинного инструмента и имеющего по меньшей мере одно сквозное отверстие в образующей цилиндрическую поверхность стенке, со стороны нижнего открытого торца в который вставлен шток, представляющий собой полый цилиндр, имеющий возможность осевого перемещения в корпусе в ограниченных пределах и герметично уплотнённый по внутренней поверхности корпуса, при одном положении которого сквозное отверстие в корпусе является открытым для сообщения наружного и внутреннего пространства клапана, а при другом положении наружное и внутреннее пространство клапана оказываются разделёнными уплотнительными элементами, корпус и шток сообщаются каждый со своей частью межтрубного скважинного пространства, разделяемого инструментом, который представляет собой два уплотнительных узла, каждый из которых содержит по меньшей мере один чашеобразный уплотнительный элемент, развернутыми навстречу для удержания жидкой среды между ними, центральной части с по меньшей мере одним отверстием для выхода жидкой среды, нагнетаемой с поверхности по колонне труб, кроме того, расположенным выше нижнего уплотнительного узла, но ниже отверстия для выхода жидкой среды по меньшей мере одним отверстием, соединяющим наружную поверхность инструмента с внутренней полостью, сообщающуюся с отверстием в корпусе клапана, расположенного внутри нижней части нижнего уплотнительного узла, механическим якорем, удерживающем инструмент от смещения вниз при закрытии клапана осевым перемещением колонны труб.
Возможно предпочтительное исполнение, в котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной, установленной снаружи на штоке между нижней частью нижнего уплотнительного узла, в которой находится клапан, и конусом, закрепленным на штоке и предназначенным для расклинивания механического якоря.
Возможно исполнение, в котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной, установленной внутри клапана между торцом штока и глухим торцом корпуса.
Возможно исполнение, в котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной, установленной снаружи штока внутри инструмента и упирающейся в торец корпуса и бурт, выполненный на штоке.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «обходной канал» обозначает обособленную полость в устройстве, начинающуюся над нижним уплотнительным узлом, проходящую далее через клапан вдоль оси внутри инструмента и  заканчивающуюся выходом наружу в низу инструмента, образованную соединением отверстий, каналов, полостей, выполненных в деталях инструмента, предназначенную для сообщения зон скважины, расположенных выше и ниже нижнего уплотнительного узла в обход уплотняющих манжет.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 изображена конструкция инструмента с клапаном.
На фиг. 2 изображена предпочтительная конструкция инструмента с клапаном, удерживаемым в открытом состоянии пружиной.
На фиг. 3, 4 изображены возможные варианты установки пружины.
На фиг. 5 изображены взаимные расположения узлов инструмента во время различных этапов проведения работ:
а) – спуск, клапан закрыт;
б) – якорь установлен, клапан закрыт;
в) – натяжение, клапан открыт, выравнивание давления;
г) – подъём инструмента к другому интервалу обработки или на поверхность.
На фиг. 6 изображены взаимные расположения узлов инструмента во время различных этапов проведения работ для предпочтительной конструкции с пружиной:
а) – спуск, клапан открыт;
б) – якорь установлен, клапан принудительно закрыт нагрузкой от веса колонны, сжавшей пружину;
в) – натяжение, клапан открыт, выравнивание давления;
г) – подъём инструмента к другому интервалу обработки или на поверхность.
Клапан состоит (фиг. 1) из корпуса 1, в который вставлен шток 2, уплотняемый уплотнительными элементами 3. В корпусе 1 выполнено по меньшей мере одно радиальное отверстие 4, соединяющее при открытии клапана внутреннее пространство инструмента 5 и нижний канал 6, сообщающийся с нижним скважинным пространством 7. Корпус клапана установлен во втулке 8, накрученной на ниппель 9 нижнего уплотнительного узла. Ниппель 9, в свою очередь, накручен на оправку 10, на которую надет по меньшей мере один чашеобразный уплотнительный элемент 11. Чашеобразный уплотнительный элемент 11 расположен таким образом, что не допускает перетекания жидкой среды из область обработки 13 в пространство 7. В оправке 10 выполнено по меньшей мере одно радиальное отверстие 12, расположенное выше чашеобразного уплотнительного элемента 11 и соединяющее внутреннее пространство инструмента 5 и область обработки 13 скважины. Жидкая среда для обработки нагнетается в область обработки 13 скважины сверху по колонне труб 14 через полость 15 верхнего уплотнительного узла и затем через по меньшей мере одно отверстие 16, выполненное в муфте 17, на нижнюю часть которой накручена оправка 10, а внутри располагается отбойник 18, служащий для направления потока жидкой среды. В верхнюю часть муфты 17 вкручен ниппель 19, в который вкручена оправка 20. На оправку 20 надет по меньшей мере один чашеобразный уплотнительный элемент 21 и центратор 22. Верхняя часть оправки 20 накручена на колонну труб 14. Чашеобразный уплотнительный элемент 21 расположен таким образом, что не допускает перетекания жидкой среды из области обработки 13 в пространство 23. Ниже втулки 8 на шток 2 накручен конус 24. Ниже конуса 24 расположен механический якорь, приводимый в действие осевыми перемещениями колонны труб 14 и состоящий из корпуса 25, в котором свободно установлено кольцо 26 с пальцем 27, который входит в фигурный паз 28 штока 2, подпружиненных фрикционных башмаков 29, клиньев 30 и направляющего пальца 31. Фигурный паз 28 имеет короткий участок 32 и длинный участок 33. Палец 34 вкручен во втулку 8 и входит в паз 35, выполненный в штоке 2, удерживая шток 2 от вращения вокруг своей оси при переключении механического якоря и позволяя перемещаться штоку 2 вдоль оси в корпусе 1.
Предпочтительным является исполнение (фиг. 2), при котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной 36, надетой на шток 2 между втулкой 8 и конусом 24.
Возможно исполнение (фиг. 3), при котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной 37, установленной внутри клапана между торцом штока 2 и глухим торцом корпуса 1.
Возможно исполнение (фиг. 4), при котором открытое состояние клапана поддерживается пружиной 38, надетой на шток 2 между буртом штока 2 и  торцом корпуса 1.
Инструмент с клапаном работает следующим образом (фиг.1-6).
Инструмент спускают в скважину на колонне труб. При этом механический якорь находится в положении спуска, то есть палец 27 находится в коротком участке фигурного паза 28, фрикционные башмаки 29 прижимаются ко внутренней поверхности скважины, создаваемая ими сила трения при этом сопротивляется спуску, а шток 2 через палец 27 проталкивает механический якорь вниз. Конус 24 не может дойти до клиньев 30 и расклинить их, что приведет к невозможности дальнейшего спуска инструмента. Шток 2 свободно перемещается во втулке 8 вдоль оси инструмента, поэтому сопротивление спуску механического якоря сдвигает шток 2 в корпусе 1 до упора, отверстия 4 оказываются между уплотнительными элементами 3, при этом циркуляция жидкой среды через клапан в обоих направлениях невозможна. Снижение эффекта поршневания при спуске обеспечивается положением чашеобразного уплотнительного элемента 11, пропускающего жидкую среду в одну сторону из нижнего скважинного пространства 7 снаружи инструмента до муфты 17, где она через отверстия 16 попадает в полость 15 и поднимается по колонне 14.
Достигнув необходимой глубины, проводят осевые перемещения колонны вверх и  вниз, чем вызывают переключение механического якоря в положение установки (фиг.5 б)). При этом палец 27, установленный в кольце 26, перемещается в длинный участок фигурного паза 28, конус 24 теперь достигает клиньев 30, расклинивает их, механический якорь зацепляется за стенки скважины и препятствует дальнейшему спуску инструмента. Клапан при этом остается закрытым. С поверхности по колонне труб нагнетают жидкую среду, которая выходя из отверстий 16, удерживается чашеобразными уплотнительными элементами 11 и 21 в области обработки 13 скважины. Любые изменения давления в области обработки 13 не влияют на положение клапана. Выполняют запланированные технологические работы на скважине.
После проведения работ колонну труб 14 с инструментом натягивают для перемещения вверх. Шток 2 остается на месте, удерживаемый конусом 24 и расклиненными им клиньями 30, корпус 1 вместе со всем инструментом смещается, отверстие 4 открывается и обеспечивает сообщение  области обработки 13 через отверстие 12, внутреннее пространство инструмента 5, нижний канал 6 со скважинным пространством 7. При этом давления жидкой среды в разных зонах выравниваются, что дает возможность беспрепятственно перемещать инструмент в следующую зону обработки или на поверхность.
При необходимости конструкция позволяет провести обратную промывку, при этом текучая среда подаётся с поверхности в пространство 23 между колонной труб и стенкой скважины, положение чашеобразного уплотнительного элемента 21 позволяет ей пройти в область обработки 13, затем через отверстие 16 в полость 15 и по колонне труб 14 подняться на поверхность.
Предпочтительное исполнение инструмента с пружиной 36 (фиг. 2), расположенной на штоке 2 между конусом 24 и втулкой 8, работает аналогично, за исключением принудительной поддержки пружиной 36 открытого положения клапана при передвижении инструмента.
При спуске инструмента силы трения на фрикционных башмаках 29 механического якоря недостаточно для того, чтобы преодолеть силу упругости пружины 36 и позволить корпусу 1 сместиться вниз по штоку 2, закрыв отверстие 4 (фиг. 2, фиг. 6, а)). Открытый клапан позволяет беспрепятственно перетекать жидкой среде из нижнего скважинного пространства 7 по обходному каналу, состоящему из нижнего канала 6, отверстия 4, внутреннего пространства инструмента 5 и отверстия 12 (фиг. 1), через отверстие 16 и полость 15 в колонну труб 14 и на поверхность, исключая эффект поршневания при спуске инструмента.
После достижения необходимой глубины и установки механического якоря для закрытия клапана осуществляют незначительную по сравнению с весом колонны труб разгрузку веса на инструмент для преодоления силы упругости пружины 36 и закрытия клапана.
После окончания работ при натяжении колонны труб для открытия клапана и выравнивания давления пружина 36 создает дополнительное усилие для удержания штока 2 от перемещения вместе с инструментом и гарантированного открытия клапана.
Таким образом, технический результат достигается при использовании инструмента с уравнительным клапаном описанной выше конструкции, предназначенного для нагнетания текучей среды в определенную изолированную область скважины, что приводит к следующему.
Во-первых, наличие мусора в зоне клапана не влияет на его работу, то есть мусор не может не позволить клапану закрыться, следовательно нет необходимости в частых промывках.
Во-вторых, подача давления не может вызвать раздвижения подвижных частей инструмента и открытия клапана, следовательно нет необходимости удерживать верхнюю часть инструмента от смещения вверх весом колонны труб или дополнительными якорями.
В-третьих, простота конструкции не требует высокой квалификации персонала и увеличения расходов при эксплуатации и обслуживании инструмента.