СКВАЖИННОЕ КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО
DOWNHOLE VALVE UNIT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к оборудованию скважин, оснащенных электропогружными насосами, и может быть использовано с целью повышения надежности, эффективности проведения технологических операций и расширения функциональных возможностей устройства.
Известно скважинное клапанное устройство (см. описание изобретения к патенту 2150575, МПК Е21В 34/06 от 23.07.1998). Устройство содержит корпус с седлом и радиальными отверстиями и подвижную втулку с обратным клапаном. Кроме того, наружная поверхность верхней части подвижной втулки выполнена в виде усеченного конуса, которая с седлом корпуса образует клапанную пару, а обратный клапан с радиальными отверстиями и пробкой размещен во внутренней полости подвижной втулки и подпружинен относительно подвижной втулки. Подвижная втулка и обратный клапан выполнены с возможностью их перемещения до посадки подвижной втулки на седло корпуса и последующего открытия радиальных отверстий обратного клапана при повышении давления жидкости.
Недостатком данного устройства является то, что предполагается производить слив жидкости с НКТ при каждой остановке скважины, а не только для проведения технологических операций, что вызывает необходимость использования дополнительных затрат энергии на заполнение жидкостью НКТ после остановки скважины.
Наиболее близким к достигаемому результату и по совокупности признаков является устройство - клапанный узел нагнетательного трубопровода скважинного насоса (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №1435836, F04D 15/02 от 13.01.1987). Устройство содержит корпус с кольцевым выступом на внутренней поверхности, ниже которого в корпусе выполнены сливные каналы. Устройство содержит также подвижный в осевом направлении золотник, имеющий в верхней части хвостовик меньшего диаметра, причем золотник снабжен сквозным осевым каналом, в котором помещен обратный клапан, и установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры. Пусковая камера сообщена с осевым каналом золотника посредством отверстий в нижней части хвостовика, а в верхней части последнего выполнены сливные окна, расположенные с возможностью сообщения со сливными каналами корпуса при крайнем нижнем положении золотника. В пусковой камере на хвостовике установлен аксиально-подвижный двухступенчатый поршень, при этом наружная поверхность нижней ступени большего диаметра уплотнена относительно внутренней поверхности корпуса, а верхняя ступень установлена с возможностью перекрытия сливных каналов корпуса при крайнем верхнем положении поршня.
Недостатком данного устройства является то, что для проведения технологических операций необходимо создать повышение давления в затрубном пространстве и заполнение его жидкостью, а это может быть проблематично у скважин с низким пластовым давлением. Кроме того, при пуске насоса, золотник может опережать поршень, а это может привести к невозможности перевода поршня в крайнее верхнее положение и подачи жидкости на поверхность.
Заявленным изобретением решается задача открытия устройством сообщения полости НКТ и затрубного пространства созданием импульса давления в насосно-компрессорных трубах (НКТ) для проведения более эффективных технологических операций и повышения надежности работы устройства, а также увеличения его функциональных возможностей.
Поставленная задача решена тем, что в устройстве, содержащем корпус с кольцевым выступом на внутренней поверхности, ниже которого в корпусе выполнены сливные каналы, подвижный в осевом направлении золотник, имеющий верхний хвостовик меньшего диаметра, в верхней части которого выполнены сливные окна и установлен ограничительный бурт, причем золотник снабжен сквозным осевым каналом, в котором размещен обратный клапан, и установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры, в которой на верхнем хвостовике установлен аксиально-подвижный двухступенчатый поршень, кроме того, кольцевая пусковая камера сообщена с осевым каналом золотника посредством отверстий в нижней части верхнего хвостовика, при этом наружная поверхность нижней ступени большего диаметра уплотнена относительно внутренней поверхности корпуса, а верхняя ступень установлена с возможностью перекрытия сливных каналов корпуса при крайнем верхнем положении поршня. Согласно заявленному изобретению в нижней части золотника установлен нижний хвостовик меньшего диаметра, в верхней части верхнего хвостовика золотника в осевом канале установлен предохранительный клапан, на верхней ступени аксиально-подвижного двухступенчатого поршня установлен полый цилиндр, в стенках которого размещены цанги и сливные окна, причем полый цилиндр жестко соединен и совмещен наружной стороной с верхней ступенью поршня, а на внутренней стороне верхняя ступень аксиально-подвижного двухступенчатого поршня образует кольцевой посадочный выступ, кроме того, нижний хвостовик золотника уплотнен относительно корпуса, а верхняя ступень аксиально-подвижного двухступенчатого поршня уплотнена относительно кольцевого выступа корпуса, причем ограничительный бурт выполнен с возможностью герметичной посадки на кольцевой посадочный выступ верхней ступени аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, а цанги установлены с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом корпуса и с ограничительным буртом, причем площадь, ограниченная уплотненными сторонами ступеней аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, выполнена с возможностью превышения площади, ограниченной наружным диаметром нижнего хвостовика золотника.
Кроме того, в верхней части устройства может быть установлено седло, на которое герметично может быть установлен опрессовочный шар, выполненный из материала пониженной плотности.
Опрессовочный шар может быть выполнен из фенопласта, а золотник может быть выполнен подпружиненным относительно корпуса возвратной пружиной.
Полый цилиндр, в стенках которого установлены цанги и сливные окна, жестко соединенный и совмещенный внешней стороной с верхней ступенью поршня, цанги, выполненные с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом корпуса и с ограничительным буртом, дают возможность повысить надежность работы устройства.
Установленный на внутренней стороне верхней ступени поршня кольцевой посадочный выступ, в верхней части золотника, в осевом канале хвостовика золотника предохранительный клапан, нижнй хвостовик меньшего диаметра, уплотненный относительно корпуса, также верхняя ступень поршня, уплотненная относительно кольцевого выступа корпуса, и ограничительный бурт, установленный с возможностью герметичной посадки на кольцевой посадочный выступ верхней ступени поршня, также площадь, ограниченная уплотненными сторонами ступеней аксиально-подвижного двухступенчатого поршня, выполненная с возможностью превышения площади нижнего хвостовика золотника, дают возможность созданием импульса давления в НКТ открыть сообщение внутренней полости НКТ с затрубным пространством созданием в широком диапазоне давлений импульса в насосно-компрессорных трубах (НКТ) для проведения более эффективных технологических операций.
Установленный на верхней ступени поршня полый цилиндр, цанги, выполненные с возможностью взаимодействия с корпусом и с ограничительным буртом, аксиально-подвижный двухступенчатый поршень, выполненный подпружиненным относительно корпуса возвратной пружиной, установленной в пусковой камере, установленная в верхней части устройства муфта с седлом, на которое может быть установлен шар из материала пониженной плотности, например из фенопласта, золотник выполненный подпружиненным относительно корпуса возвратной пружиной повышают функциональные возможности устройства.
На иллюстрирующих заявляемое решение чертежах схематично представлено:
на Фиг.1 предлагаемое устройство изображено в разрезе, при работающем электроцентробежном насосе;
на Фиг.2 - то же, при остановленном насосе и удержании жидкости в нагнетательном трубопроводе;
на Фиг.3 - то же, при открытом сообщении внутренней полости НКТ и затрубного пространства для проведения технологических операций.
Скважинное клапанное устройство содержит корпус 1 с кольцевым выступом 2 на внутренней поверхности, ниже которого в корпусе 1 выполнены сливные каналы 3. Подвижный в осевом направлении золотник 4 имеет верхний хвостовик 5 меньшего диаметра, в верхней части которого выполнены сливные окна 6 и установлен ограничительный бурт 7. Золотник 4 снабжен сквозным осевым каналом 8, в котором размещен обратный клапан 9. Золотник 4 установлен в корпусе с образованием кольцевой пусковой камеры 10, в которой на верхнем хвостовике 5 установлен аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11. Кольцевая пусковая камера 10 сообщена с осевым каналом 8 золотника 4 посредством отверстий 12 в нижней части верхнего хвостовика 5. Наружная поверхность нижней ступени 13 большего диаметра 14 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 уплотнена относительно внутренней поверхности корпуса 1, а верхняя ступень 15 выполнена с возможностью перекрытия сливных каналов 3 корпуса 1 при крайнем верхнем положении аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11. В нижней части золотника 4 установлен нижний хвостовик 16 меньшего диаметра 17, а в верхней части верхнего хвостовика 5 золотника 4 в осевом канале 8 установлен предохранительный клапан 18. На верхней ступени 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 установлен полый цилиндр 19, в стенках которого размещены цанги 20 и сливные окна 21. Причем полый цилиндр 19 жестко соединен и совмещен наружной стороной с верхней ступенью 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11, а на внутренней стороне верхняя ступень 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 образует кольцевой посадочный выступ 22. Кроме того, нижний хвостовик 16 золотника 4 уплотнен относительно корпуса 1, а верхняя ступень 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 уплотнена относительно кольцевого выступа корпуса 2, причем ограничительный бурт 7 выполнен с возможностью герметичной посадки на кольцевой посадочный выступ 22 верхней ступени 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11, а цанги 20 установлены с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом 2 корпуса 1 и с ограничительным буртом 7, причем площадь, ограниченная уплотненными сторонами ступеней 13 и 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11, выполнена с возможностью превышения площади, ограниченной наружным диаметром 17 нижнего хвостовика 16 золотника 4.
В верхней части устройства может быть установлено седло 23, на которое герметично может быть установлен опрессовочный шар 24, выполненный из материала пониженной плотности, например из фенопласта, а золотник может быть подпружинен относительно корпуса возвратной пружиной 25.
Скважинное клапанное устройство работает следующим образом. При работающем электроцентробежном насосе золотник 4, запорный элемент 26 обратного клапана 9 и также аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 и соответственно полый цилиндр 19 переводятся потоком жидкости (Фиг.1) в крайнее верхнее положение. Жидкость от электроцентробежного насоса поступает в осевой канал 8 и сливные окна 6 верхнего хвостовика 5 золотника 4 и сливные окна 21 (показано одно окно) полого цилиндра 19. Далее жидкость через полость между стенками полого цилиндра 19 и корпусом 1 поступает во внутреннюю полость НКТ, меняя направление, что способствует отделению шлама от жидкости, и далее на устье скважины. В этом положении цанги 20 (показана одна цанга) отжаты ограничительным буртом 7 и надежно фиксируют аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 в корпусе 1. Уплотнение 27 нижней ступени 13 относительно корпуса 1 и уплотнение 28 верхней ступени 15 относительно кольцевого выступа 2 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 надежно перекрывают и предотвращают утечки жидкости через сливные каналы 3 корпуса 1. В полости 29, образованной верхней частью полого цилиндра 19 и верхней частью хвостовика золотника 30, может собираться шлам, который может поступать с добываемой жидкостью, отделяясь от нее, а также со стенок НКТ, например в результате коррозионного износа.
При остановки насоса обратный клапан 9 закрывается, давление под нижним торцом нижнего хвостовика 16 золотника 4 уменьшается и под действием перепада давления золотник 4 перемещается до герметичной посадки ограничительным буртом 7 золотника 4 на кольцевой посадочный выступ 22 верхней ступени 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 (фиг.2). Так как площадь, ограниченная уплотненными сторонами ступеней 13 и 15 аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11, выполнена с возможностью превышения площади сечения нижнего хвостовика 16 золотника 4, усилие по перемещению золотника 4 вниз будет меньше усилия по удержанию аксиально-подвижного двухстухступенчатого поршня 11 в верхнем положение, поэтому аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 будет надежно перекрывать сливные каналы 3 корпуса 1 и удерживать жидкость в полости НКТ. При герметичной посадке ограничительного бурта 7 на кольцевой посадочный выступ 22 образуется изолированная полость 31, сообщаемая с внутренней полостью НКТ через предохранительный клапан 18. Полость 31 снизу ограничена уплотнением 32 нижнего хвостовика 16 золотника 4 с корпусом 1 и обратным клапаном 9, а сверху уплотнением 27 нижней ступени 13 двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 11 с корпусом 1 и герметичной посадкой ограничительного бурта 7 на кольцевой посадочный выступ 22. Рассмотрим условия равновесия золотника 4 и аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 в этом положении.
2
1
1
2
3
1_2
2
3
3
(Р-P)·F +(P-P)·F-(P-P)·F=0, (1)
2
где Р - давление в полости 31;
1
Р- давление во внутренней полости НКТ над предохранительным клапаном 18;
3
Р- давление в затрубном пространстве на уровне устройства;
1
1_2
3
1
2
1
3
F, F, F - площади соответственно образованные диаметрами d верхней ступени 15 аксиально-подвижного поршня 11, разностью площадей ступеней 13 и 15 аксиально-подвижного поршня 11, образованных диаметрами dи d, а также диаметром d 14 нижнего хвостовика 16 золотника 4.
2
Давление Р можно выразить следующим образом
2
г
к
Р=Р+ΔР, (2)
г
где Р - гидростатическое давление жидкости над насосом в момент герметичной посадки ограничительного бурта 7 на кольцевой посадочный выступ 22;
к
ΔР- давление открытия предохранительного клапана 18.
1
г
и
Давление Р=Р+ ΔР, (3)
и
где ΔР- импульс давления, которое необходимо создать для перемещения золотника 4 и двухступенчатого аксиально-подвижного поршня 11.
1_2
3
1
и
Выразим (F - F) через ΔF, а ΔF/F через К, подставим формулы 2,3 в уравнение 1, упростим и решим относительно ΔР.
и
к
г
3
ΔР= ΔР·(1+ К)+( Р- P)·К (4)
к
г
3
и
Из уравнения 4 для каждой скважины можно определить ΔР так как, К характеризует конструктивные особенности устройства, а Р, P определены для данной скважины. ΔР можно принять как среднее давление между устьевым и давлением опрессовки НКТ. На данное давление настраивают предохранительный клапан 18 перед спуском установки в скважину.
Но для перемещения золотника 4 и аксиально-подвижного поршня 11 вниз необходимо также преодолеть силы трения в уплотнениях 27, 28 и 32, поэтому условие перемещения золотника 4 и аксиально-подвижного двухступенчатого поршня 11 можно выразить следующим выражением
и
к
г
3
ΔР> ΔР·(1+ К)+( Р- P)·К
При создании этого условия золотник 4 и аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 перемещаются в крайние нижние положения, создавая сообщение внутренней полости НКТ с затрубном пространством. Жидкость (Фиг. 3) из внутренней полости НКТ поступает через сливные окна 21 полого цилиндра 19 и сливные каналы 3 корпуса 1 в затрубное пространство, перемещая накопленный шлам в полости 29 в затрубное пространство, который осаждается затем в зумпфе скважины.
Таким образом, устройство может выполнять функции самоочищающегося шламоуловителя и, учитывая, что конструктивно устройство не создавалось для этой цели, можно считать «неожиданным эффектом» по применению данного устройства.
В таком положении (Фиг. 3) при подъеме электроцентробежного насоса устройство может выполнять функции сливного клапана.
В этом же положении (Фиг. 3) при спуске в скважину электроцентробежного насоса, с установкой в верхнюю часть устройства опрессовочного шара 24 на седло 23, проводится опрессовка НКТ.
При пуске электроцентробежного насоса из положения, показанного на (Фиг.3), запорный элемент 26 обратного клапана 9, золотник 4 с верхним хвостовиком 5 и нижним хвостовиком 16, а также аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 переместятся под давлением нагнетаемой насосом жидкости в крайнее верхнее положение. При этом золотник 4 не может опережать аксиально-подвижный двухступенчатый поршень 11 до момента перекрытия верхней ступенью 15 сливных каналов 3 корпуса 1, так как ограничительный бурт 7 упирается в цанги 20 и не может их разжать, так как они взаимодействуют с кольцевым выступом 2 корпуса 1. Таким образом, сливные окна 6 верхнего хвостовика 5 золотника 4 надежно перекрываются аксиально-подвижным двухступенчатым поршнем 11 до момента перекрытия сливных окон 3 корпуса 1. Это создает эффект запуска электроцентробежного насоса на «закрытую задвижку», что снижает пусковые токи электродвигателя. После перемещения аксиально-подвижного двухступенчатого поршеня 11 в крайнее верхнее положение, взаимодействие цанг с выступом корпуса заканчивается, и цанги под действием ограничительного бурта разжимаются, что дает возможность золотнику 4 с нижним 16 и верхним 5 хвостовиками переместиться в верхнее положение. Перемещению золотника 4 оказывает сопротивление жидкость в пусковой камере 10, которая сливаясь через отверстия 12 и зазор между золотником 4 и корпусом 1, обеспечивает более плавное перемещение золотника 4 и продолжает эффект запуска электроцентробежного насоса на «закрытую задвижку». При достижении золотником 4 верхнего положения жидкость, как показано выше, от электроцентробежного насоса поступает через устройство во внутреннюю полость НКТ (см. Фиг.1). Если пуск электроцентробежного насоса производится после опрессовки НКТ, то опрессовочный шар 24, который выполнен из материала пониженной плотности, например из фенопласта, легко вымывается потоком жидкости на поверхность.
и
Для промывки внутренней полости электроцентробежного насоса от асфальтосмолопарафиновых (АСПО) отложений нагретой нефтью создается импульс давления ΔР, устройством открывается сообщение внутренней полости НКТ с затрубным пространством (Фиг 3), затем нагретая нефть закачивается в НКТ через устройство и на высокой скорости выводится в затрубное пространство. Далее включается насос, потоком жидкости закрывается сообщение внутренней полости НКТ с затрубным пространством устройством (Фиг.1), и нагретая нефть поступает во внутреннюю полость насоса, расплавляя АСПО. Следует отметить, так как верхняя часть затрубного пространства скважины заполнена газом, то нагретая нефть доводится до насоса из-за сниженного теплообмена с высокой температурой 90-95°С, что и определяет эффективность данной технологической операции.
и
и
Для удаления отложения солей и АСПО с внутренней полости насоса реагентом, созданием импульса давления ΔР открывается сообщение устройством внутренний полости НКТ и затрубного пространства (Фиг 3), реагент закачивается в полость НКТ и выводится через устройство в затрубное пространство, при этом часть реагента с меньшей концентрацией и более загрязненная устанавливается на большем расстоянии от приемной сетки насоса. Поэтому при включении насоса и закрытии устройством сообщения внутренней полости НКТ с затрубным пространством в начальный момент, когда отложения в полости насоса максимальны, в насос будет поступать реагент более концентрированный и менее загрязненный, что определит успешность и эффективность технологической операции. Кроме того, после прохождения всего объема реагента через насос можно остановить насос, созданием импульса давления ΔР снова открыть устройством сообщение с затрубным пространством и перевести реагент в затрубное пространство, включить насос и повторно промыть тем же реагентом насос. Данную операцию можно проводить многократно до полной нейтрализации реагента, что позволит сократить расход реагента и на начальном этапе сохранить его высокую концентрацию и эффективность воздействия на отложения солей и АСПО.
и
В случае, если запуск электроцентробежного насоса проблематичен, вследствие накопления отложений во внутренней полости НКТ, устройство оснащается возвратной пружиной 25. В этом случае, для удаления отложения солей и АСПО с внутренней полости насоса реагентом, созданием импульса давления ΔР открывают сообщение устройством внутренней полости НКТ и затрубного пространства. Далее закачивают в НКТ реагент и самогенерирующую пенную систему (СГС) в таком объеме, чтобы после выравнивания уровней реагент был выведен в затрубное пространство, а СГС в НКТ. Затем проводят технологический отстой на выравнивание уровней. При выравнивании уровней возвратная пружина 25 переводит золотник 4 с хвостовиками 5 и 16 и двухступенчатый аксиально-подвижный поршень 11 в крайнее верхнее положение, таким образом перекрывается сообщение устройством внутренней полости НКТ и затрубного пространства. Затем стравливают давление в НКТ, создавая за счет СГС снижение гидростатического давления в НКТ и обеспечивая, таким образом, поступление реагента во внутреннею полость электроцентробежного насоса. После технологического отстоя на реакцию реагента с отложениями с солями и АСПО в полости электроцентробежного насоса производится запуск электроцентробежного насоса и при необходимости работы по более полной нейтрализации реагента продолжают по вышеописанной схеме. Надо отметить, работы по снижению гидростатического давления для поступления реагента во внутреннюю полость электроцентробежного насоса можно обеспечить проведением свабирования закачкой газовой пачки и т.д.
Следует также отметить, что при проведении технологических операций не создаются повышенные репрессии на пласт, что сокращает процесс освоения скважины и вывода электроцентробежного насоса на режим.
Таким образом, при работающим электроцентробежном насосе нагнетаемая жидкость проходит через устройство, меняя направление, и устройство используется как шламоловитель, а двухступенчатый аксиально-подвижный поршень 11 надежно фиксируется, перекрывая сообщение внутренней полости НКТ с затрубным пространством. При остановки насоса, аналогично работе обратного клапана, жидкость удерживается устройством в полости НКТ. Для проведения технологических операций создается в НКТ импульс давления, величина которого задается настройкой предохранительного клапана 18, через устройство создается сообщение внутренней полости НКТ с затрубным пространством для проведения эффективных технологических операций по удалению с внутренней полости электроцентробежного насоса отложений солей и АСПО и удалению накопленного устройством шлама. В этом положении устройство может выполнять функции сливного клапана, а также опрессовку НКТ при установке опрессовочного шара 24. При пуске электроцентробежного насоса создается условие снижения пусковых токов электродвигателя и надежное перекрытие сливных окон 6 верхнего хвостовика 5 золотника 4 аксиально-подвижным двухступенчатым поршнем 11. Для улучшения запуска электроцентробежного насоса при удалении накопленных в полости электроцентробежного насоса отложений солей и АСПО устройство может оснащаться возвратной пружиной 25.