Устройство для перепуска затрубного газа
DEVICE FOR BYPASS OF ANNULAR GAS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для перепуска затрубного газа в осевой канал лифтовой колонны труб при штанговой добыче.
Известно автоматическое клапанное устройство (А.С. СССР № 625021, МПК Е21В 33/03, опубл. 25.09.1978 г.), состоящее из обратного клапана с устройством для его управления в виде поршня и корпуса. Поршень связан с выкидной линией при помощи концентрично установленных под ним гофрированных трубок и толкателя. В стенках корпуса установлены подпружиненные клиновидные толкатели. Обратный клапан связан гидравлическим каналом с выкидной линией.
Перепуск газа данным устройством не зависит от величины давления газа в затрубном пространстве, и оно применяется в скважинах при штанговой добыче нефти.
В условиях низких температур при перепуске затрубного газа возможно замерзание обратного клапана на выкидной линии и в гофрированных трубках. Это приводит к порыву гофрированных трубок, с потерей герметичности устройства и прекращением работы.
Конструкция устройства в целом обладает достаточной сложностью.
Известно автоматическое клапанное устройство для перепуска затрубного газа (см. пат. РФ № 2305171, МПК Е21В 34/06, опубл. 27.08.2007, Бюл. №24).
Автоматическое клапанное устройство содержит обратный клапан и гидравлический канал Г-образной формы, который выполнен в соединительной муфте колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Муфта входит в состав лифтовой колонны труб и размещается в скважине на уровне скважинной жидкости. Внутренняя поверхность муфты выполнена выпуклой относительно внешней поверхности. На уровне размещения располагается цилиндр большего диаметра, чем диаметр насосных штанг. Длина цилиндра принята больше длины хода плунжера штангового насоса. На концах муфты размещены центраторы, охватывающие цилиндр.
Гидравлический канал в муфте входит в центр сегментной части, где размещается цилиндр. В зоне продуктивного пласта устанавливается штанговый насос, плунжер которого связан штангами с цилиндром.
Перепуск затрубного газа происходит следующим образом.
При работе штангового насоса и прохождении скважинной жидкости через кольцевое пространство, образованное цилиндром и сегментной частью муфты, происходит снижение давления в потоке жидкости. Это приводит к открытию обратного клапана и перепуску газа через гидравлический канал из затрубного пространства в осевой канал лифтовой колонны труб, над цилиндром, со снижением давления в затрубном пространстве.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- Замена штангового насоса может быть произведена только при подъёме всей компоновки, включая и муфту;
- Технологический зазор между сегментом муфты и цилиндром является гидравлическим сопротивлением. Однако, получить перепад давления на нём достаточно сложно, чтобы открыть обратный клапан, для пропуска газа из затрубного пространства. Это связано с тем, что объём подачи штангового насоса исчисляется несколькими литрами и ограниченным числом качаний в цилиндр.
Простым расчётом можно определить скорость потока пластовой жидкости в кольцевом зазоре, между муфтой и цилиндром. Показания исчисляются несколькими сантиметрами в секунду, что недостаточно для работы устройства;
- конструкция устройства не позволяет регулировать перепад давления между затрубным пространством и осевым каналом колонны насосно-компрессорных труб.
Известно автоматическое устройство для перепуска затрубного газа (см. пат. РФ № 2318983, кл. МПК Е21В 34/06, опубл. 10.03.2008 г.), принятое за прототип.
Устройство состоит из спецмуфты, в составе колонны насосно-компрессорных труб, в которой размещён обратный клапан кольцевого типа, в котором размещен гидравлический канал для связи затрубного пространства, образованного внутренней стенкой эксплуатационной колонны и наружной стенкой колонны НКТ, с её осевым каналом. Обратный клапан выполнен в виде втулки и установлен таким образом, что в верхнем положении открывает отверстие в клапане для перепуска затрубного газа в нижнем положении.
При этом предотвращается излив газожидкостной смеси из полости НКТ в затрубное пространство, при снижении давления газа в затрубном пространстве ниже, чем в осевом канале колонны НКТ. Уплотнитель в спецмуфте не препятствует перемещению колонны насосных штанг и способствует подаче газожидкостной смеси из осевого канала колонны НКТ в разветвлённый гидравлический канал.
Длина уплотнителя подобрана таким образом, чтобы не перекрывать впускное и выпускное отверстие гидравлического канала, который в средней части имеет сужение.
Работа устройства.
Уплотнитель, размещённый в устьевом канале спецмуфты, охватывает шток штангового насоса и перекрывает прямой поток газожидкостной смеси, с подачей его через впускное отверстие в разветвлённый гидравлический канал, с центральным сужением.
В месте сужения при движении газожидкостной смеси происходит снижение давления, втулка обратного клапана находится под избыточным давлением затрубного газа, что приводит к перемещению втулки в верхнее положение, с перепуском затрубного газа из затрубного пространства и его смешиванием с газожидкостной смесью. Смесь через выпускное отверстие подаётся в осевой канал колонны НКТ под уплотнителем, расположенным в осевом канале спецмуфты.
При снижении давления газа в затрубном пространстве по сравнению с давлением газожидкостной смеси в месте сужения разветвлённого гидравлического канала, под действием избыточного давления втулка обратного клапана перемещается вниз, с перекрытием излива газожидкостной смеси из осевого канала колонны НКТ обратно в затрубное пространство.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- сложности конструкции и монтажа устройства, а именно спецмуфты в скважине, с уплотнителем в центральном канале;
- наличие уплотнителя в центральном канале не даёт возможность осуществить замену штангового насоса без подъёма всей компоновки;
- работа штангового насоса носит периодический характер, что предопределяет периодическую подачу газожидкостной смеси через сужающийся канал, с соответствующим прекращением подачи в период всасывания. Это означает неопределённость в работе устройства;
- устройство не предназначено для поддержания расчётного перепада давления между затрубным пространством и осевым каналом колонны НКТ.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность регулирования подачи затрубного газа в осевой канал колонны НКТ при поддержании расчетного давления газа в затрубном пространстве;
- возможность замены вставного штангового насоса в скважине без подъема колонны насосно-компрессорных труб;
- оптимизация работы штангового насоса, путем поддержания необходимого давления на приеме насоса, при наличии высокого газового фактора; то есть давление поддерживается на уровне, превосходящем давления насыщения.
Технический результат достигается тем, что устройство для перепуска затрубного газа, входящее в состав колонны НКТ, имеет кольцевую камеру с обратным клапаном, гидравлический канал с впускными и выпускными отверстиями, кольцевая камера выполнена между корпусом, связанным через муфту с колонной НКТ и хвостовиком. В кольцевой камере, в средней части установлено седло, жестко связанное с корпусом и образующее кольцевой зазор, обратный клапан выполнен в виде втулки с торцовым выступом, поджатым пружиной к седлу, кольцевая камера снизу перекрыта гайкой и снабжена подпружиненным кольцевым поршнем с толкателем, снабженным проточками на торце и пропущенным через кольцевой зазор между седлом и хвостовиком, с возможностью торцевого контакта с телом обратного клапана внутри торцового выступа. Впускные отверстия в теле корпуса и выпускные отверстия в теле хвостовика, в исходном положении, перекрыты телом обратного клапана, а кольцевая камера над ним связана гидравлическим каналом с осевым каналом хвостовика, кольцевая камера под кольцевым поршнем связана отверстиями с затрубным пространством скважины.
Конструкция устройства для перепуска затрубного газа поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 общая компоновка оборудования внутри скважины;
- на фиг. 2 общий вид устройства в разрезе, в исходном положении деталей;
- на фиг.3 общий вид устройства в разрезе, в положении подачи затрубного газа.
Устройство 1 в сборе устанавливается в составе колонны насосно-компрессорных труб 2 с расположением над уровнем пластовой жидкости. В осевом канале колонны НКТ вводится в штанговый насос 3 на штанговой колонне 4, свободно проходящей через осевой канал устройства 1.
Устройство 1 (спецмуфта) состоит из корпуса 5, связанного верхним концом с соединительной муфтой 6 колонны НКТ 2, с которой связан хвостовик 7, снабженный соединительной муфтой 8, для связи с нижерасположенной колонной НКТ 2. Между внутренней поверхностью корпуса 5 и наружной хвостовика 7 образована кольцевая камера 9, перекрытая снизу гайкой 10. В кольцевой камере 9 установлено седло 11, на которое опирается подпружиненный обратный клапан 12 в виде втулки с торцовым выступом 13.
Между седлом 11 и телом хвостовика 7 образован кольцевой зазор, в который пропущен верхний конец толкателя 14, связанного нижним концом с кольцевым поршнем 15. Между седлом 11 и кольцевым поршнем 15 установлена пружина сжатия 16.
Верхний конец толкателя 14 снабжен рядом проточек 17, и он установлен свободно относительно седла 11, с возможностью торцового контакта с обратным клапаном 12. В теле корпуса 5 выполнены впускные отверстия 18, перекрытые в исходном положении телом обратного клапана 12.
В теле хвостовика 7 выполнены выпускные отверстия 19 и гидравлический канал 20, для связи кольцевой камеры 9 над седлом 11, с осевым каналом хвостовика 7. Кольцевая камера 9 под кольцевым поршнем 15 постоянно гидравлически связана отверстиями 21 в теле корпуса 5 с затрубным пространством скважины. Обратный клапан 12 снабжен уплотнительными кольцами 22 и 23. Кольцевой поршень 15 с толкателем 14 снабжены уплотнительными кольцами 24 и 25.
Работа устройства для перепуска затрубного газа.
Устройство 1 на колонне НКТ вводится в скважину, с размещением над уровнем пластовой жидкости в затрубном пространстве. Скважина оснащается вставным штанговым насосом 3, спускаемым на колонне штанг 4, которые свободно размещаются в осевом канале насосно-компрессорных труб 2 и осевом канале хвостовика 7 устройства (см. фиг. 2, 3).
Освоение скважин возможно путем подачи, например, газа в затрубное пространство с выходом через устройство в осевой канал НКТ. При работе штангового насоса 3 пластовая жидкость имеет в своем составе достаточно большое количество растворенного газа, который необходимо сепарировать на приеме насоса, с подачей в затрубное пространство скважины, откуда его необходимо сбрасывать, например, в осевой канал колонны НКТ.
При этом необходимо поддерживать в затрубном пространстве определенное избыточное давление газа, превосходящее суммарное давление в промысловом коллекторе и гидростатическое давление столба пластовой жидкости на глубине расположения устройства для перепуска затрубного газа.
После освоения скважины и спуска штангового насоса в затрубное пространство поступает газ, с ростом давления.
При расчетном давлении газа, который через отверстия 21 поступает в кольцевую камеру 9 под кольцевым поршнем 15, который вместе с толкателем 14 перемещается вверх.
Торцовой поверхностью толкатель 14 входит в контакт с поверхностью обратного клапана 12, который преодолевает сопротивление пружины 16 и перемещается вверх, с отрывом торцового выступа 13 от седла 11, с открытием подачи газа через впускные отверстия 18 в кольцевую камеру 9 и далее через выпускные отверстия 19 в осевой канал хвостовика 7. При отрыве торцового выступа 13 от седла 11 появляется дополнительная площадь на обратном клапане 12 внутри от торцового выступа 13, на которую воздействует избыточное давление газа. Это приводит к резкому подъему вверх обратного клапана 12.
Под действием давления газа, проходящего в осевой канал хвостовика 7, толкатель 14 вместе с кольцевым поршнем 15 усилием сжатой пружины 16 возвращается в исходное положение.
Подпружиненный обратный клапан 12 остается в положении «открыто» до момента, когда снизится давление в затрубном пространстве и усилие от сжатой пружины 16 вернет обратный клапан 12 в исходное положение, с посадкой торцовым выступом 13 на седло 11.
Тем самым заканчивается цикл сброса газа из затрубного пространства в осевой канал хвостовика 7 и далее в осевой канал колонный НКТ.