КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИНЫ

Заявляемая полезная модель относится к области нефтедобычи и может быть использована при эксплуатации скважин, оборудованных установками электроцентробежных насосов.
Известно клапанное устройство для скважины (а.с. СССР №1694863 Е21В 34/06, 30.11.91 г.), включающее установленные в скважинную камеру корпус с верхними и нижними пропускными каналами, наружными уплотнительными элементами и фиксатором, внутри которого размещен регулирующий орган в виде камеры двух сильфонов со штоком, жестко связанный с затвором под седлом.
Данное клапанное устройство имеет следующие недостатки:
- сложную конструкцию из-за дополнительного упругого элемента, значительно осложняющего технологию изготовления и снижающего срок службы устройства;
- низкую пропускную способность, которая обусловлена равенством эффективных площадей дополнительного сильфона и затвора устройства, что сужает диапазон регулирования.
Известен регулятор отсекатель (патент РФ №2229586 Е21В 34/06, 27.05.2004), состоящий из корпуса с верхними и нижними пропускными каналами, наружными уплотнительными элементами и фиксатором, внутри которого размещен регулирующий орган в виде камеры сильфона со штоком и затвором с седлом. К основному недостатку данного устройства можно отнести то, что сильфонный элемент находится под действием высокого давления жидкости в насосно-компрессорных трубах, что снижает его надежность и долговечность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является клапанное устройство для насосной скважины (патент РФ №2042788 Е21В 34/06, 27.08.95 г.), включающее корпус с верхними и нижними пропускными каналами, наружными уплотнительными элементами и фиксатором, внутри
которого размещен регулирующий орган в виде камеры сильфона со штоком, жестко связанного с двумя затворами под седлами, подпружиненными между собой, причем камера сильфона имеет узел зарядки ее сжатым газом.
Недостатками данного устройства являются:
- сложная конструкция, усложняющая технологию изготовления и снижающая надежность и срок службы устройства;
- при работе устройства не обеспечивается точная посадка затвора в седло;
- движение перепускаемой жидкости через основное седло и перемещение затвора имеют противоположные направления, что обуславливает появление пульсации в работе устройства, снижается его надежность;
- установка пружин в корпусе устройства над основным и под дополнительным седлами, или между ними, снижает его пропускную способность и надежность;
- при работе устройства перепускаемая жидкость циркулирует только в интервале размещения клапана и насоса, поэтому электродвигатель погружной установки в это время охлаждается лишь притоком жидкости из пласта, величина которого, при определенных условиях, может быть недостаточной для его нормальной работы, вследствие чего при освоении скважины возможен перегрев электродвигателя и выход его из строя.
Задачей данной модели является упрощение конструкции устройства, повышение эффективности и надежности работы устройства при освоении скважины, оборудованной установкой электроцентробежного насоса.
Указанная задача достигается тем, что в отличии от известного клапанного устройства для насосной скважины, состоящего из корпуса с входными и выходными каналами, дополнительными радиальными каналами, упругого элемента в виде сильфона, установленного в верхней части корпуса и образующего с ним камеру, заполненную сжатым газом и оборудованную узлом зарядки, седла, размещенного в нижней части корпуса,
штока, жестко связанного верхним концом с упругим элементом, а нижним с затвором, установленным под седлом, пропускным каналом для жидкости в нижнюю камеру, оно снабжено пластиной с уплотнительным элементом, диаметр которой равен контактному диаметру затвора с седлом, жестко посаженной на штоке, и перемещающейся в полости стакана, имеющего опорный бурт в нижней части, и расположенного между затвором, с покрытием из нефтестойкой резины и сильфоном, образующей две не связанные между собой камеры, обеспечивающей точную посадку затвора в седло и герметичное закрытие пропускного канала для жидкости.
Клапанное устройство снабжено обводной трубкой для дополнительного охлаждения электродвигателя погружной установки, выводимой из насосно-компресорных труб жидкостью.
На фиг.1, 2 изображены схемы клапанного устройства в открытом и закрытом состоянии. На фиг.3 представлена схема комплектации установки электроцентробежного насоса клапанным устройством с обводной трубкой.
Клапанное устройство 1 для освоения скважины включает корпус 2 с входными 3 и выходными 4 каналами, дополнительными радиальными каналами 5, упругого элемента в виде сильфона 6, установленного в верхней части корпуса 2 и образующего с ним камеру 7, заполненную сжатым газом и оборудованную узлом зарядки 8, седло 9, размещенное в нижней части корпуса 2, шток 10, жестко связанный верхним концом с упругим элементом 6, а нижним с затвором 11, установленным под седлом 9, пропускной канал для жидкости 12 в нижнюю камеру 13. Клапанное устройство 1 снабжено пластиной 14 с уплотнительным элементом 15, диаметр которой равен контактному диаметру затвора 11 с седлом 9, жестко посаженной на штоке 10 и перемещающейся в полости стакана 16, имеющего опорный бурт 17 в нижней части, и расположенного между затвором 11, с покрытием из нефтестойкой резины и сильфоном 6, образующей две не связанные между собой камеры 18 и 19.
Клапанное устройство снабжено обводной трубкой 20, сообщающейся с
камерой 13 посредством выходных каналов 4 для дополнительного охлаждения электродвигателя погружной установки 21, выводимой из насосно-компресорных труб 22 жидкостью.
Клапанное устройство работает следующим образом:
пл
нас
нас
ЗП
нас
ЗП
пл
В начальный момент времени после запуска скважины в работу приток жидкости из пласта Q равен нулю, и электроцентробежный насос, работающий с производительностью Q, вынужденно откачивает жидкость из затрубного пространства (Q=Q(t)). Снижение динамического уровня жидкости в скважине сопровождается уменьшением забойного давления и увеличением притока жидкости из пласта, таким образом, уже будет выполняться условие Q=Q(t)+Q(t). При определенных условиях в процессе освоения скважины уровень жидкости в затрубном пространстве может оказаться у приема насоса, произойдет срыв его подачи. Для обеспечения устойчивой работы электроцентробежного насоса в процессе освоения, необходимо предотвратить возможность снижения динамического уровня жидкости в затрубном пространстве скважины, начиная с его предельного положения. При освоении скважины минимально допустимое заглубление насоса под уровень жидкости невелико и не превышает 100 м.
c
Перед спуском устройства 1 в скважину камера 7 заряжается на расчетное давление Р сжатым газом (азот). Клапанное устройство устанавливается в скважинной камере на выкиде электроцентробежного насоса. Уравнение баланса сил, действующих на клапан, имеет вид
закр
1
з
пл
2
з
пл
1
c
c
Р=p·(f-f)+p·(f-f)+(p-p)·f
1
2
c
з
пл
где p - давление в камерах 13 и 18 устройства 1, равное давлению в затрубном пространстве скважины на уровне его установки; p - давление в камере 19 устройства 1, равное давлению в насосно-компресорных трубах на уровне его установки; f, f, f - эффективные площади сильфона, затвора и пластины устройства соответственно.
По мере откачки жидкости из кольцевого пространства скважины
1
закр
насосом, давление p в камерах 13 и 18 устройства снижается и, как следствие, уменьшается закрывающее клапан усилие Р.
При снижении динамического уровня жидкости в скважине до величины предельного допустимого значения (), закрывающее клапан усилие окажется равным нулю
пл
з
При равенстве диаметров пластины и затвора устройства (f=f), уравнение баланса сил, действующих на клапан, примет вид
1
с
c
(p-p)·f=0
Таким образом, открытие и закрытие клапанного устройства происходит только под действием изменения давления в затрубном пространстве скважины. Давление зарядки сильфона 6 при этом, определяется минимально допустимой величиной давления в кольцевом пространстве скважины на уровне установки устройства ().
1
c
При снижении давления p в камере 18, сообщающейся с затрубным пространством скважины посредством дополнительных радиальных каналов 5, менее давления p зарядки сильфона 6 шток 10 перемещается вниз. Затвор 11 устройства, жестко соединенный со штоком 10, также перемещается вниз, открывая канал 12 для прохождения жидкости из камеры 19, сообщающейся с полостью насосно-компресорных труб посредством входных каналов 3, в камеру 13, сообщающейся посредством выходных каналов 4 с внутренней полостью обводной трубки 20. При этом пластина 14, жестко соединенная со штоком 10, перемещается вниз в полости стакана 16 до упора о бурт 17, предназначенный для ограничения хода затвора 11 и предотвращения выхода из строя устройства 1 при высоких скоростях движения перепускаемой жидкости.
1
2
Таким образом, за счет разности давлений p и p в камерах 13 и 19 часть перекачиваемой насосом жидкости перепускается из полости
насосно-компресорных труб 22 через каналы 3, 11, 4 и обводную трубку 20 в полость обсадной колонны ниже погружного установки 21. Перепуск части добываемой жидкости посредством клапанного устройства 1, предотвращая дальнейшее снижение динамического уровня жидкости и дополнительно охлаждая электродвигатель, обеспечивает устойчивую и безотказную работу установки электроцентробежного насоса 21.
пл
ЗП
пл
нас
1
закр
1
с
Интенсивно увеличивающийся во времени приток жидкости из пласта Q, способствует уменьшению количества жидкости, отбираемого насосом из затрубного пространства скважины Q. В некоторый момент времени окажется, что приток жидкости из пласта превышает производительность насоса (Q>Q), начинается рост уровня жидкости в кольцевом пространстве скважины. При увеличении давления p в камере 18, закрывающее клапан усилие Р увеличивается, и при р>p шток 10 перемещается в верхнее положение. Затвор 11 устройства, жестко соединенный со штоком 10, также перемещается вверх. Пластина 14, жестко посаженная на штоке 10 перемещается в полости стакана 16 в верхнее положение, обеспечивая точную посадку затвора 11, имеющего покрытие из нефтестойкой резины, в седло 9 и герметичное закрытие перепускного канала 12.
Таким образом, устройство работает в автоматическом режиме, обеспечивая устойчивую и безотказную работу установки электроцентробежного насоса, за счет поддержания необходимого давления на его приеме, дополнительного охлаждения электродвигателя выводимой из насосно-компресорных труб жидкостью.
Эффективность от применения устройства для скважины, оборудованной установкой электроцентробежного насоса, достигается за счет: сокращения продолжительности освоения скважины; вывода скважины на режим работы, обеспечивающего ее потенциальный дебит; минимизации количества пусков установки; повышения межремонтного периода работы погружного оборудования.