Обратный клапан для обсадных колонн
RETURN VALVE FOR CASING STRINGS

Изобретение относится к устройствам, применяемым для крепления обсадных колонн нефтяных и газовых скважин, предназначенным для автоматического заполнения обсадных колонн скважинной жидкостью и уменьшения гидродинамического давления на стенки скважины, снижения веса обсадной колонны на крюке, а также предотвращения обратного движения бурового или цементного растворов из межтрубного пространства в осевой канал труб обсадной колонны.
Известен обратный клапан (см. авторское свидетельство СССР №1218078, М.кл. Е21В 34/10, опубликован 15.03.1986 г. Бюллетень №10) [1], состоящий из корпуса с размещенным в нем седлом под шаровой клапан, дросселя в виде жесткого диска с перекрываемыми диском периферийными отверстиями, подпружиненной втулки, установленной в центральном канале диска, которая выполнена с центральным осевым каналом и окнами в верхней части. Окна частично перекрыты телом диска в исходном положении.
Работа обратного клапана
Обратный клапан включают в состав обсадной колонны без шарового клапана внутри и спускают в скважину с заполнением колонны жидкостью через отверстия в теле шайбы и подпружиненной втулки, с соединением межтрубного пространства с осевым каналом труб обсадной колонны.
При увеличении перепада давления происходит перемещение подвижной втулки вверх с уменьшением сечения окон до нуля и прекращения связи межтрубного и внутритрубного пространства.
Снижение перепада давления втулки усилием сжатой пружины возвращается в исходное положение.
Движение втулки происходит при колебаниях давления, которое выравнивается после сброса давления.
Перед цементированием внутрь колонны сбрасывают шар, который потоком жидкости транспортируется на свое рабочее место с перекрытием потока.
При обратном движении потока шар входит в контакт с эластичной поверхностью седла с предотвращением обратного движения раствора из межтрубного, заколонного пространства внутрь колонны труб.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- необходимость проведения подготовительной операции в виде сброса шара с поверхности и доведением его к устройству и пропуску через эластичное седло.
Это требует остановки работы бригады и насосных агрегатов с соответствующими нерациональными затратами рабочего времени.
- после закачки цементного раствора в межтрубное пространство скважины и сброса давления существуют условия, когда гидростатическое давление в межтрубном пространстве намного превосходит гидростатическое давление столба буферной жидкости в осевом канале труб обсадной колонны. В этом случае шар продавливается через эластичное седло в осевой канал труб обсадной колонны, что приводит к перетоку цементного раствора внутрь с ухудшением качества цементирования и необходимостью затрат рабочего времени на удаление цементной пробки из осевого канала труб обсадной колонны.
Известен обратный клапан для обсадных колонн (см. патент РФ №2115798, Мкл. Е21В 34/10, опубликованный 20.07.1998 г.) [2], состоящий из корпуса, снабженного эластичным седлом под шаровой затвор, ограничителя его осевого перемещения с периферийными отверстиями, перекрываемыми кольцевой перегородкой, и центральным клапаном для установки подпружиненного дросселя, пружина которого установлена между его буртом и кольцевой перегородкой. Ограничитель снабжен ловителем шарового затвора, выполненным в виде патрубка с канавкой внутри для размещения уплотнительного кольца. Принято, что по высоте патрубок больше, чем диаметр шарового затвора, а расстояние от седла до верхнего торца патрубка меньше диаметра шарового затвора.
Работа клапана
Обсадная колонна снабжается клапаном и спускается в скважину с заполнением осевого канала буровым раствором, поскольку в исходном транспортном положении шар не устанавливается,
После промывки скважины сбрасывают шар с доставкой его потоком жидкости к клапану, с проскакиванием через эластичное седло, с входом в ловитель и размещением в крайнем нижнем положении.
Промывочная жидкость, а затем и тампонажный раствор обтекает верхний торец патрубка с направлением в периферийные отверстия, без абразивного воздействия на шар.
По окончании цементирования обратным потоком тампонажного раствора сначала закрываются периферийные отверстия кольцевой перегородкой, а затем происходит перемещение шара из ловителя с посадкой на седло.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- необходимость остановки технологического процесса для сброса шара в скважину с его доставкой в устройство;
Известна конструкция дроссельного обратного клапана (см. А.А. Гайворонский, А.А. Цыбин. Крепление скважин и разобщение пластов. – М.: Недра, 1981 г., стр. 55-59) [3], принятой за прототип.
Клапан состоит из корпуса и упорного кольца, на котором установлена диафрагма, закрепленная с помощью гайки. Для предохранения диафрагмы от повреждений во время прохождения через нее шара, установлен пакет разрезных шайб. На нижнем конце корпуса размещен ограничитель с мембраной и дросселем.
Работа клапана
Клапан устанавливается в составе первой снизу трубы обсадной колонны. Шар сбрасывают в скважину при заключительной промывке, перед цементированием.
Шар проходит через диафрагму и садится на ограничитель, не препятствуя при этом промывке скважины, через периферийные отверстия в ограничителе.
После этих операций клапан может выполнять функцию обратного. В период спуска обсадной колонны в скважину, клапан без шара свободно перепускает буровой раствор из скважины в колонну через дроссель ограничителя. По окончании цементирования, за счет разности гидростатических давлений в кольцевом пространстве за обсадной колонной и в осевом канале бурильной колонны труб, шар поджимается к диафрагме и разобщает затрубное и внутритрубное пространство.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- после прекращения процесса подачи цементного раствора в межтрубное пространство шаровой клапан отрывается от посадочного места в ограничителе и входит в контакт с резиновой диафрагмой, что приводит к изоляции полости скважины от внутритрубного пространства. Но при некотором избыточном давлении шаровой клапан может быть продавлен через диафрагму в осевой канал обсадной колонны.
В этом случае цементный раствор может быть продавлен в осевой канал труб с затверждением в нем при одновременном снижении уровня цементного раствора в затрубном пространстве и неудовлетворительным цементированием.
Технологический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность свободного пропуска через устройство жидкости, глушение при спуске обсадной колонны в скважину;
- возможность подачи через устройство промывочной жидкости, без взаимодействия с потоком шара внутри гильзы;
- применение для изготовления клапана эластичного материала повышает его абразивоустойчивость с обеспечением герметичного контакта с седлом;
- исключение необходимости подачи с поверхности шарового клапана, для перекрытия гидравлической связи полости скважины с осевым каналом труб обсадной колонны, после цементирования скважины;
- наличие продольных ребер внутри стакана обеспечивает центровку клапана в его осевом канале с пропуском промывочной жидкости или цементного раствора через устройство;
- возможность исключения пропуска цементного раствора через осевой канал гильзы в осевой канал труб обсадной колонны из скважины в период ожидания затверждения цементного камня.
Технический результат достигается тем, что обратный клапан состоит из корпуса с седлом и шаровым затвором, патрубка с ограничительным выступом и стопорным кольцом, подпружиненной кольцевой перегородки.
В осевом канале корпуса размещен стакан с продольными ребрами на внутренней поверхности. Шаровой затвор выполнен в виде полусферы из эластичного материала с сердечником внутри, снабженным патрубком, пропущенным через ограничитель и кольцевую перегородку. Внутри патрубка выполнен ограничительный выступ и внутренняя канавка со стопорным кольцом, с гильзой в осевом канале, пропущенной через сердечник и шаровой затвор.
В осевом канале гильзы выполнено седло с шаром с перепускными отверстиями, гидравлически соединяющими ее осевой канал с осевым каналом под седлом в корпусе, в исходном положении.
Конструкция обратного клапана поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 - конструкция устройства в разрезе в исходном положении деталей;
- на фигуре 2 - конструкция устройства в момент заполнения осевого канала труб обсадной колонны;
- на фигуре 3 - взаимное положение деталей устройства в момент подачи скважинной жидкости через устройство в межтрубное пространство скважины.
Устройство состоит из корпуса 1, в осевом канале 2 которого размещен стакан 3 с верхним седлом 4 и ограничитель 5 с циркуляционными отверстиями 6 по периферии, перекрытыми снизу телом кольцевой перегородки 7. На внутренней поверхности стакана 3 по периферии выполнены продольные ребра 8, контактирующие с поверхностью клапана 9, с сердечником 10 внутри, с которым связан патрубок 11, пропущенный сквозь нижнее седло 5 и кольцевую перегородку 7. На нижнем конце патрубка 11 установлена регулировочная гайка 12 и пружина 13.
Внутри осевого канала 2 корпуса 1 размещена пружина 14, опирающаяся на нижнее седло 5 и поджимающая клапан 9 к верхнему седлу 4.
Внутри полого штока 11 размещен центральный клапан, состоящий из гильзы 15, связанной срезным элементом 16 с патрубком 11. В осевом канале 17 гильзы 15 выполнено посадочное седло 18 и установлен шар 19. Сверху осевой канал гильзы 15 перекрыт донышком 20 и связан перепускными отверстиями 21 с полостью осевого канала труб обсадной колонны. На нижнем конце гильзы 15, на его внешней стороне выполнена кольцевая канавка 22. В теле патрубка 11 выполнена внутренняя канавка 23, снабженная стопорным кольцом 24 и ниже расположенным ограничительным выступом 25.
Принцип работы устройства
Устройство включается в состав обсадной колонны на нижнем конце первой трубы и размещается у кровли продуктивного пласта.
При спуске обсадной колонны с устройством в скважину, заполненную жидкостью глушения, последняя через осевой канал полого штока 11 и осевой канал 17 патрубка 15 поступает в осевой канал седла 18 с подъемом шара 19 вверх до контакта с донышком 20.
Поток жидкости глушения через перепускные отверстия 21 поступает в осевой канал труб обсадной колонны в течение всего времени спуска.
Осуществляют подготовку скважины для цементирования и ведут подачу промывочной жидкости в осевой канал труб обсадной колонны.
При этом за счет посадки шара 19 на седло 18 прямой поток жидкости не проходит в осевой канал полого штока 11. Под действием перепада давления клапан 9 отжимается от верхнего седла 4 и перемещается внутри продольных ребер 8 с сжатием пружины 14. Через циркуляционные отверстия 6 в теле нижнего седла 5 жидкость воздействует на тело кольцевой перегородки 7 с ее перемещением вниз вдоль полого штока 11 и сжатием пружины 13. Тем самым пропускают жидкость в скважину с проведением промывки межтрубного пространства.
Осуществляют сброс давления в осевом канале труб обсадной колонны, клапан 9 садится на седло 4 с прекращением гидравлической связи канала обсадной колонны с полостью скважины. При расчетном перепаде давления, воспринимаемом шаром 19 и сечением гильзы 15, происходит разрушение срезного элемента 16, гильза 15 перемещается в осевом канале полого штока 11 до упора в ограничительный выступ 25. При этом разрезное пружинное кольцо 24 входит внутрь кольцевой канавки 22 на гильзе 15 с фиксацией этого положения. Перепускные отверстия 21 в теле гильзы 15 располагаются внутри сердечника 10, что исключает переток цементного раствора из полости скважины в осевой канал труб обсадной колонны. Такую же функцию выполняет кольцевая перегородка 7, поджимаемая к нижнему седлу 5. После ожидания затверждения цементного раствора осуществляют разбуривание устройства с проведением работ по разбуриванию продуктивного пласта и освоению скважины.