Запорный клапан для обсадной колонны
SHUT-OFF VALVE FOR CASING STRING

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к цементированию обсадных колонн.
Известен клапан для обсадной колонны (авторское свидетельство SU № 1654547, МПК Е21В 34/10, 33/14, опубл. 07.06.1991 г., бюл. № 21), включающий корпус, во внутренней полости которого размещена втулка с седлом, установленная с возможностью ограниченного осевого перемещения. Под втулкой размещен запорный орган со штоком, который зафиксирован в башмаке срезным элементом. Усилие срезного элемента больше давления опрессовки обсадной колонны, а ход втулки меньше хода штока запорного органа. При закачке цементного раствора в затрубное пространство цементный раствор про ходит осевой канал втулки, смещает вниз запорный орган через окна корпуса выходит в затрубное пространство. После окончания цементирования пружина прижимает запорный орган к седлу втулки и вместе с ней перемещает его вверх до упора втулки в бурт корпуса, предотвращая переток цементного раствора из затрубного пространства внутрь обсадной колонны.
Недостатками данного клапана являются:
- наличие пружины, которая подвержена вероятному слому при многократном сжимании и как следствие, приводящее к заклиниванию работы клапана;
- отсутствие возможности мгновенного перекрытия проходного канала, так как при обратном давлении столба цементного раствора из затрубного пространства часть цементного раствора успевает пройти внутрь колонны, прежде чем клапан сработает на 100%, что в свою очередь приводит к оставлению внутри обсадной колонны над клапанном пространстве остатков цементного раствора, препятствующего в дальнейшем спуску глубинно-насосного оборудования.
Также известен клапан для обсадной колонны (патент RU № 2335619, МПК Е21В 34/06, 33/14, опубл. 10.10.2008 г., бюл. № 28), включающий ограничитель с седлом и боковыми каналами, втулку, имеющую возможность герметичного перекрытия боковых каналов ограничителя. Ограничитель заглушен снизу и соединен с обсадной колонной. Обсадная колонна оборудована снизу нижней муфтой, снабженной внизу изнутри цилиндрической выборкой, куда вставлен с возможностью осевого перемещения вверх полый хвостовик, зафиксированный в нижнем положении срезными штифтами. Втулка жестко установлена в верхнем конце полого хвостовика и имеет возможность взаимодействия в верхнем положении с верхней плоскостью седла ограничителя и герметичного перекрытия боковых каналов ограничителя снаружи. Для герметичного перекрытия изнутри боковых каналов ограничителя применена продавочная пробка с герметизирующей головкой снизу и кольцевой выборкой, выполненной на внутренней поверхности в верхней части ограничителя. Кольцевая выборка ограничителя фиксирует герметизирующую головку продавочной пробки в ограничителе после взаимодействия нижнего торца герметизирующей головки продавочной пробки с заглушкой ограничителя
Недостатками данной конструкции клапана являются наличие дополнительной муфты, увеличивающей количество резьбовых соединений на коротком участке, что может привести к пропускам по резьбовой части, а также ненадежное крепление хвостовика на срезных штифтах, выполняющего роль направляющего башмака всей обсадной колонны, с вероятностью преждевременного среза штифтов при спуске обсадной колонны в скважину при встрече всевозможных уступов и каверн и отсутствие герметизации хвостовика с внутренней частью муфты.
Наиболее близким по технической сущности является клапан для обсадных колонн (патент RU № 2250355, МПК Е21В 34/06, 33/14, опубл. 20.04.2005 г., бюл. № 11), включающий корпус с ограничителем с седлом и боковыми промывочными каналами – цементировочными отверстиями, обратный клапан, втулку, установленную в осевом канале ограничителя над промывочными каналами (цементировочными отверстиями), установленную на срезных элементах с возможностью их перекрытия, при этом ограничитель дополнительно оборудован стопором, взаимодействующим с втулкой в ее нижнем положении, при этом наружная поверхность ограничителя выше боковых каналов снабжена эластичным кольцом с упором и выполнена с возможностью герметичной установки ограничителя в требуемом интервале между трубами обсадной колонны при их сборке, причем седло выполнено с цилиндрической выборкой на нижней плоскости ограничителя, а обратный клапан выполнен тарельчатым, подпружиненным с возможностью поворота относительно крепления к ограничителю, состоящим из жесткосоединенных между собой эластичной манжеты, центратора и цилиндрической пластины, на которой выполнена кольцевая проточка, установленная напротив внутренней нижней плоскости ограничителя, при этом наружная плоскость цилиндрической пластины размещена напротив седла ограничителя, причем эластичная манжета расположена между нижней плоскостью ограничителя и цилиндрической пластиной.
Недостатки известного клапана частично устранены в сравнении с аналогами, однако и он не лишен недостатков. Так, несмотря на закрытие боковых промывочных окон после сдвига втулки, основным запорным элементом является цилиндрическая пластина, закрепленная на эластичной манжете, которая при прокачке цементного раствора может разрушится от переменных нагрузок во время прокачки цемента. В таком случае нижняя пластина не закроется до конца и цементный раствор после получения давления «СТОП» начнет перетекать внутрь колонны.
Технической задачей предложения является создание надежной, герметичной и простой в изготовлении и эксплуатации конструкции клапана, позволяющей сократить материальные и финансовые затраты.
Техническая задача решается предлагаемым запорным клапаном для обсадной колонны, содержащим корпус, герметично зафиксированный в муфтовом соединении колонны труб, с цементировочными отверстиями для прохода цементного раствора, запорную втулку, установленную внутри корпуса над цементировочными отверстиями и зафиксированную срезными элементами.
Новым является то, что корпус выполнен в виде стакана, цементировочные отверстия  выполнены в донной его части, при этом донная часть стакана оснащена герметизирующей прокладкой с отверстиями, совпадающими с цементировочными отверстиями стакана, в нижней внутренней части стакана выполнена конусная проточка с возможностью размещения стопорного кольца, запорная втулка снабжена цементировочными отверстиями, не совпадающими с цементировочными отверстиями донной части стакана, в верхней части запорной втулки выполнено седло с возможностью посадки продавочной пробки, а в нижней части - герметизирующее эластичное кольцо, при этом на наружной стенке запорной втулки выполнены цилиндрические расточки с возможностью установки герметизирующего эластичного кольца и стопорного кольца.
Также новым является то, что стопорное кольцо выполнено в виде разрезного пружинного кольца.
На фиг. 1 изображен предлагаемый запорный клапан для обсадной колонны в продольном разрезе.
На фиг. 2 представлен вид А-А с изображением донной части запорной втулки с выполненными отверстиями.
На фиг. 3 изображен запорный клапан в рабочем положении при перекрытии цементировочной пробкой в продольном разрезе.
На фиг. 4 представлен вид Б-Б с изображением герметизирующей прокладки с отверстиями, повторяющими отверстия на дне корпуса.
Запорный клапан для обсадной колонны содержит корпус, который выполнен в виде стакана 1 (см. фиг. 1), герметично зафиксированного в муфтовом соединении колонны труб, между ниппелями обсадных труб 3 и 4 упором 5 и эластичным кольцом 6, расположенным выше, с цементировочными отверстиями 7 для прохода цементного раствора. Цементировочные отверстия 7 выполнены в донной части стакана 1, расположены эксцентрично, направлены вниз (оси отверстий 7 направлены параллельно оси корпуса). При этом донная часть стакана 1 оснащена герметизирующей прокладкой 8 с отверстиями, совпадающими с цементировочными отверстиями 7 (см. фиг. 4) стакана 1 (см. фиг. 1). В нижней внутренней части стакана 1 выполнена конусная проточка 9 с возможностью размещения стопорного кольца 10. Также запорный клапан включает запорную втулку 11, установленную внутри корпуса над цементировочными отверстиями 7 и зафиксированную срезными элементами 12.  Запорная втулка 11 снабжена цементировочными отверстиями 13 (см. фиг. 2), расположенными эксцентрично и не совпадающими с цементировочными отверстиями 7 (см. фиг. 1) донной части стакана 1, позволяющими цементному раствору свободно проходит сквозь них. В верхней части запорной втулки 11 выполнено седло 14 с возможностью посадки продавочной пробки 15 (см. фиг. 3) или шара (на фиг. 1-4 не изображено), а в нижней части - герметизирующее эластичное кольцо 16 (см. фиг. 1, 3), позволяющее герметично устанавливать запорную втулку 11 (см. фиг. 1). При этом на наружной стенке запорной втулки 11 выполнены цилиндрические расточки 17 и 18 с возможностью установки герметизирующего эластичного кольца 16 и стопорного кольца 10 соответственно. А стопорное кольцо 10 может быть выполнено в виде разрезного пружинного кольца.
Запорный клапан для обсадной колонны работает следующим образом.
В собранном виде запорный клапан доставляют на скважину и устанавливают в муфтовом соединении между ниппелями обсадных труб 3 и 4 (см. фиг.1 и 3) нижнего конца колонны и поджимают эластичным кольцом 6.
В процесс спуска обсадной колонны в скважину на проектную глубину жидкость, находящаяся в скважине, свободно перетекает снизу-вверх сквозь цементировочные отверстия 7 и 13 стакана 1 и запорной втулки 11 (см. фиг. 1) соответственно, заполняя и промывая внутреннее пространство обсадной колонны. После достижения забоя скважины осуществляют закачку тампонажного материала в обсадную колонну. После прокачки расчетного количества продавочной жидкости продавочная пробка 15 (см. фиг. 3) или шар (на фиг. 1-4 не изображен) садится в седло 14 (см. фиг. 1) и при повышении давления до расчетной величины сдвигает запорную втулку 11. При этом срезаются срезные элементы 12, запорная втулка 11 движется вниз до упора о дно стакана 1 корпуса. При этом стопорное кольцо 10 заходит в захват в конусной проточке 9 корпуса 1, размещается в ней, надежно фиксируя запорную втулку 11 в нижнем положении, при этом промывочные отверстия 7 и 13 (см. фиг. 3) перекрываются свободной площадью между отверстиями.
Таким образом, в момент получения давления «СТОП» запорная втулка 11 (см. фиг. 1) мгновенно надежно перекрывает промывочные отверстия 7 и 13, исключает обратное поступление цементного раствора из заколонного пространства скважины внутрь обсадной колонны. Обеспечивается герметичность устройства, а также недопущение оставления части цементного раствора внутри обсадной колонны над клапаном.
Предлагаемый клапан для обсадной колонны имеет простую, надежную и герметичную конструкцию, что повышает качество его сборки и надежность в работе, позволяет сократить общее время на строительство скважины, а значит сэкономить материальные и финансовые затраты при изготовлении и эксплуатации.