ОБРАТНЫЙ УСТЬЕВОЙ КЛАПАН НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ
WELL HEAD RETURN VALVE OF OIL WELL

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для обеспечения режима бесперебойной работы скважин, например нефтяных, или нефтегазовых, или нефтегазоконденсатных и пр., характеризующихся затрубными проявлениями газа. Газ, скапливающийся в затрубном пространстве скважины, как правило, коррозионно активен и потому опасен развитием аварийной ситуации. Для предотвращения развития такой ситуации газ из затрубного пространства периодически стравливают - сбрасывают в автоматическом или управляемом режиме.
Однако устройства для стравливания газа оказываются, зачастую, не работоспособными из-за недоучета особенностей, имеющих место при стравливании газа, - опасности образования кристаллогидратов этого газа непосредственно в устройстве для эксплуатации, а также влияния отрицательных температур на устье скважины.
Известно устройство для эксплуатации скважины, включающее выкидную линию для потока добываемого пластового флюида, размещенную на устье скважины, патрубок для подвода газа из заколонного пространства скважины, перекрытый обратным клапаном, который установлен под углом к корпусу и связан с последним, при этом обратный клапан имеет возможность стравливания газа в выкидную линию и вытеснения из него пластового флюида до его замерзания в выкидной линии (SU 1348504, 03.02.1986).
Недостатком известного устройства является его низкая эксплуатационная надежность, обусловленная тем, что известное устройство обеспечивает режим тотального вытеснения теплого пластового флюида из выкидной линии скважинным газом, который имеет низкую теплоемкость. Выкидная линия в среде газа с низкой теплоемкостью практически сразу приобретает температуру окружающей среды на устье скважины. Газ, будучи практически всегда влажным, создает все условия для примерзания запорного элемента обратного клапана к его седлу. Кроме того, в условиях неконтролируемого стравливания газа в условиях влажности, низкой температуры и перепада давления на клапане создаются условия образования кристаллогидратов. В итоге, клапан в таких условиях по той и/или иной причине, описанных выше, оказывается не работоспособным.
Известна нефтедобывающая скважина с устьевым оборудованием, в состав которого входит в том числе клапан, предназначенный для регулирования потока затрубного газа и выполненный из седла и подпружиненного под седло клапана, установленного с возможностью отключения его от работы посредством прижимного винта (RU 2309240 С1, 09.03.2006).
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы обратного устьевого клапана для безопасной эксплуатации нефтяной, нефтегазовой скважины независимо от внешних условий на устье скважины и тем самым обеспечение бесперебойной работы скважины в целом.
Поставленная задача решается за счет того, что обратный устьевой клапан нефтяной, нефтегазовой скважины согласно изобретению включает полый корпус, оснащенный подводящим патрубком основного компонента - пластового флюида, преимущественно нефти, нефтегазовой смеси, и подводящим патрубком сбрасываемого компонента, преимущественно затрубного газа, а также отводящим патрубком смеси основного и сбрасываемого компонентов, смонтированный в корпусе обратного клапана внутренний блок с корпусом в виде стакана с, по меньшей мере, одним отверстием или каналом в его боковой стенке для отвода затрубного газа, размещенный под углом к вектору потока пластового флюида с возможностью омывания последним внешней поверхности боковой стенки стакана, при этом обратный клапан также включает, по меньшей мере, один размещенный в стакане запорный орган, имеющий подвижную и неподвижную части, причем площадь внешней поверхности омываемой боковой стенки стакана внутреннего блока клапана, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента, выполнена превышающей площадь контурной поверхности условного цилиндра, описанного или вписанного в конфигурацию указанного участка упомянутой боковой стенки стакана.
При этом внутренний блок может быть смонтирован в корпусе обратного клапана с пересечением его и образованием при этом с внутренней поверхностью стенок корпуса обратного клапана кольцевой полости, сообщающей по пластовому флюиду подводящий и отводящий патрубки.
Запорный орган может быть смонтирован в стакане внутреннего блока с разделением его полости на входную перед запорным органом и рабочую за запорным органом по направлению потока затрубного газа, сообщенную с потоком пластового флюида через упомянутое отверстие или канал в боковой стенке стакана.
Отверстие или канал в боковой стенке стакана могут быть расположены в объемном радианном секторе угла видения упомянутой стенки из осевой точки поперечного сечения выходного устья отводящего патрубка смеси основного и сбрасываемого компонентов.
Запорный орган может быть смонтирован в стакане, по меньшей мере, с контурным опиранием его неподвижной части на боковую стенку стакана внутреннего блока обратного клапана.
Подвижная часть запорного органа обратного клапана может быть выполнена в виде подпружиненной тарели, а неподвижная его часть - в виде седла, при этом тарель снабжена с тыльной стороны пропущенным через седло стволовым направляющим элементом, внешний торец которого экспонирован на пропускное сечение подводящего патрубка сбрасываемого компонента с возможностью восприятия, передачи на тарель напора сбрасываемого компонента и открывания тарели избыточным давлением последнего.
По меньшей мере, омываемая основным компонентом внешняя поверхность боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть образована условным вращением с постоянным или переменным радиусом нелинейной направляющей вокруг условной оси указанного блока.
Условная формообразующая нелинейная направляющая контура омываемой основным компонентом внешней поверхности боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть выполнена складчато деформированной, например, в виде повторяющейся в осевом направлении стенки стакана внутреннего корпуса треугольной, трапецеидальной, волнистой или комбинированной складки.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть выполнена со спиральной закруткой формообразующих складчатых элементов ее профиля, например, путем условного геликоидного перемещения упомянутой условной ломаной составляющей.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть образована путем условного вращения упомянутой складчатой направляющей относительно условной оси внутреннего блока с постоянным или переменным радиусом с одновременным возвратно-поступательным радиально-осевым смещением последней, например по синусоиде, в том числе замкнутой, вписанной в условную цилиндрическую поверхность стенки стакана внутреннего блока.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть выполнена оребренной, с пространственной ориентацией ребер, ламинарно сопрягаемой с направлением векторов струйного омывания стенки указанным потоком, либо спирально закрученной под углом, изменяющим направление упомянутых векторов струйного смывания потока основного компонента.
Спиральное оребрение омываемой набегающим потоком основного компонента внешней поверхности боковой стенки стакана внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента и отводящего патрубка смеси компонентов, может быть выполнено в виде фрагментов многозаходной спирали.
Выполненное спиральным оребрение может иметь встречно направленную закрутку на примыкающих участках экспонированной на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента длины боковой стенки стакана.
Встречно направленная спиральная закрутка оребрения может быть выполнена центростремительной, увеличивающей дополнительную подачу части набегающего потока основного компонента к зоне расположения запорного органа в стакане внутреннего блока, а граница изменения направленности спиральной закрутки оребрения по длине упомянутых участков боковой стенки стакана внутреннего блока проекционно экспонирована на аналогичной проекции тарели упомянутого запорного органа на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка основного компонента.
Обратный устьевой клапан может быть выполнен с возможностью омывания стакана потоком пластового флюида в ламинарном режиме.
Обратный устьевой клапан может быть выполнен с возможностью омывания стакана потоком пластового флюида в турбулентном режиме.
Корпус обратного клапана может быть выполнен теплоизолированным с внешней стороны.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в обеспечении бесперебойной работы нефтяной, нефтегазовой скважины за счет повышения надежности работы устьевого оборудования, а именно за счет конструкторского решения устройства для безопасной эксплуатации скважины - обратного клапана, выполненного с возможностью омывания стакана внутреннего блока обратного клапана теплым пластовым флюидом, в частности нефтью, газоконденсатом, практически по всему периметру в течение всего времени эксплуатации, и обеспечения выхода сбрасываемого затрубного газа в поток пластового флюида в том же направлении течения, что и пластовый флюид, обеспечения режима «мягкого» смешивания этого газа с пластовым флюидом и «отрыв» газа от стакана практически после омывания пластовым флюидом внешней поверхности боковой стенки стакана, что создает оптимальный тепловой режим в зоне обратного клапана при любых неблагоприятных внешних условиях в зоне устья скважины. При таком выполнении устройства последнее работает в режиме постоянной более интенсивной аккумуляции теплоты от текущего через обратный клапан теплого пластового флюида, имеющего более высокую теплоемкость, чем смесь пластового флюида и затрубного газа. При этом сам режим стравливания газа предусмотрен таким, что он предотвращает образование кристаллогидратов в обратном клапане. Это обеспечено также найденным в изобретении конструктивным решением запорного органа и каналов для пластового флюида и газа и усилий подпружинивания тарели, определяющими режим подачи газа в обратный клапан и оптимальный температурный режим в нем. При этом, для оптимизации работы устройства, контролируют давление газа в затрубном пространстве и давление в потоке пластового флюида, не допуская аварийно высоких значений давления в затрубном пространстве.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен обратный клапан, продольный разрез;
на фиг.2 - формообразующая нелинейная направляющая контура внешней поверхности боковой стенки стакана внутреннего блока, выполненная в виде повторяющейся в осевом направлении стенки стакана треугольной складки;
на фиг.3 - то же, в виде трапецеидальной складки;
на фиг.4 - то же, в виде волнистой складки;
на фиг.5 - то же, в виде комбинированной складки;
на фиг.6 - обратный клапан, выполненный с оребрением внешней поверхности боковой стенки стакана внутреннего блока.
Обратный устьевой клапан 1 нефтяной, нефтегазовой скважины включает полый корпус 2, оснащенный подводящим патрубком 3 основного компонента - пластового флюида, преимущественно нефти, нефтегазовой смеси и подводящим патрубком 4 сбрасываемого компонента, преимущественно затрубного газа, а также отводящим патрубком 5 смеси основного и сбрасываемого компонентов, смонтированный в корпусе 2 обратного клапана внутренний блок 6 с корпусом в виде стакана 7 с, по меньшей мере, одним отверстием 8 или каналом в его боковой стенке 9 для отвода затрубного газа, размещенный под углом к вектору потока пластового флюида с возможностью омывания последним внешней поверхности 10 боковой стенки 9 стакана 7. При этом площадь внешней поверхности 10 смываемой боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока 6, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента, выполнена превышающей площадь контурной поверхности условного цилиндра, описанного или вписанного в конфигурацию указанного участка боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока 6 клапана 1.
Обратный клапан также включает, по меньшей мере, один размещенный в стакане 7 запорный орган 11, имеющий подвижную часть, выполненную в виде подпружиненной тарели 12, и неподвижную часть - в виде седла 13.
Внутренний блок 6 смонтирован в корпусе 2 обратного клапана с пересечением его и образованием при этом с внутренней поверхностью стенок корпуса 2 обратного клапана кольцевой полости 14, сообщающей по пластовому флюиду подводящий и отводящий патрубки соответственно 3 и 5.
Запорный орган 11 смонтирован в стакане 7 внутреннего блока 6 с разделением его полости на входную полость 15 перед запорным органом 11 и рабочую полость 16 за запорным органом 11 по направлению потока затрубного газа, сообщенную с потоком пластового флюида через упомянутое отверстие 8 или канал в боковой стенке 9 стакана 7.
Отверстие 8 или канал в боковой стенке 9 стакана 7 расположены в объемном радианном секторе угла видения упомянутой стенки из осевой точки поперечного сечения выходного устья отводящего патрубка 5 смеси основного и сбрасываемого компонентов.
Запорный орган 11 смонтирован в стакане, по меньшей мере, с контурным опиранием его неподвижной части - седла 13 на боковую стенку 9 стакана 7 внутреннего блока 6 обратного клапана.
Тарель 12 снабжена с тыльной стороны пропущенным через седло 13 стволовым направляющим элементом 17, внешний торец которого экспонирован на пропускное сечение подводящего патрубка 4 сбрасываемого компонента с возможностью восприятия, передачи на тарель 12 напора сбрасываемого компонента и открывания тарели избыточным давлением последнего, а с другой стороны тарель 12 взаимодействует со стержнем 18 с пружиной 19 сжатия, взаимодействующей одним концом с тарелью, а другим концом - с дном стакана 7.
Стакан 7 обратного клапана с запорным органом 11 выполнен съемным с возможностью его замены, при этом фиксирование стакана 7 в корпусе 2 обратного клапана происходит с помощью, например, гайки 20 и штифта 21, а также втулки 22 для фиксации седла 13. Позициями 23-26 показаны герметизирующие уплотнения обратного клапана. Такая система фиксации обеспечивает возможность замены с минимальными затратами времени.
По меньшей мере, омываемая основным компонентом внешняя поверхность 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, образована условным вращением с постоянным или переменным радиусом нелинейной направляющей 27 вокруг условной оси указанного блока.
Условная формообразующая нелинейная направляющая 27 контура омываемой основным компонентом внешней поверхности 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, выполнена складчато деформированной, например, в виде повторяющейся в осевом направлении стенки стакана внутреннего корпуса треугольной, трапецеидальной, волнистой или комбинированной складки соответственно 28, 29, 30, 31.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, выполнена со спиральной закруткой формообразующих складчатых элементов 28-31 ее профиля, например, путем условного геликоидного перемещения (на чертежах не показано) упомянутой условной ломаной составляющей.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, может быть образована путем условного вращения упомянутой складчатой направляющей 27 относительно условной оси внутреннего блока с постоянным или переменным радиусом с одновременным возвратно-поступательным радиально-осевым смещением последней, например по синусоиде (на чертежах не показано), в том числе замкнутой, вписанной в условную цилиндрическую поверхность стенки стакана внутреннего блока.
Омываемая набегающим потоком основного компонента внешняя поверхность 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, выполнена оребренной, с пространственной ориентацией ребер 32, ламинарно сопрягаемой с направлением векторов струйного омывания стенки указанным потоком, либо спирально закрученной под углом, изменяющим направление упомянутых векторов струйного омывания потока основного компонента.
Спиральное оребрение омываемой набегающим потоком основного компонента внешней поверхности 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока, по меньшей мере, на участке, экспонированном на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента и отводящего патрубка 5 смеси компонентов, выполнено в виде фрагментов многозаходной спирали (на чертежах не показано).
Выполненное спиральным оребрение имеет встречно направленную закрутку (на чертежах не показано) на примыкающих участках экспонированной на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента длины боковой стенки 9 стакана 7.
Встречно направленная спиральная закрутка оребрения выполнена центростремительной, увеличивающей дополнительную подачу части набегающего потока основного компонента к зоне расположения запорного органа 11 в стакане 7 внутреннего блока, а граница изменения направленности спиральной закрутки оребрения по длине упомянутых участков боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока проекционно экспонирована на аналогичной проекции тарели 12 упомянутого запорного органа на поперечное пропускное сечение подводящего патрубка 3 основного компонента.
Обратный устьевой клапан выполнен с возможностью омывания стакана 7 потоком пластового флюида в ламинарном или турбулентном режиме, а его корпус 2 выполнен теплоизолированным с внешней стороны.
Обратный клапан работает следующим образом.
При штатном режиме работы скважины поток пластовой жидкости проходит через кольцевую полость 14 корпуса 2 обратного клапана, омывая при этом внешнюю поверхность 10 боковой стенки 9 стакана 7 внутреннего блока 6, служащего непосредственно для стравливания газа из затрубного пространства скважины, и обогревая его и тем самым аккмулируя тепло пластового флюида. Часть пластового флюида через отверстие 8 стакана 7 заходит в его рабочую полость 16, омывает и тем самым обогревает внутреннюю поверхность боковой стенки 9 стакана 7, седло 13, тарель 12 и уплотнение 23, обеспечивая, таким образом, требуемую температуру конструкции.
При превышении давления газа в затрубном пространстве скважины над давлением потока пластового флюида на 0,02-0,05 МПа, тарель 12 под действием потока затрубного газа смещается, отрываясь от седла 13. Поток газа через щель между тарелью 12 и седлом 13 сбрасывается в рабочую полость 16 стакана 7 и через отверстие 8 сбрасывается внутрь корпуса 2 обратного клапана и смешивается с потоком пластового флюида в направлении его течения. Конструкция устройства обеспечивает возможность «мягкого» смешивания стравливаемого газа с пластовым флюидом и «отрыв» газа от обратного клапана потоком пластового флюида, что создает оптимальный тепловой режим в зоне обратного клапана независимо от внешних условий на устье скважины. При снижении давления затрубного газа внутри клапана тарель 12 под действием пружины 19 сжатия возвращается в седло 13, перекрывая поток затрубного газа.
При контакте влажного газа с поверхностями обратного клапана и внутренней поверхностью боковой стенки 9 стакана 7 неизбежно оседание на них конденсата с пониженной температурой. Однако влияние его на работоспособность устройства незначительно ввиду предварительного запаса тепла массой устройства и последующим быстрым прогревом устройства по внешней и внутренней поверхностям боковой стенки 9 стакана 7 и самого обратного клапана, в его закрытом положении, теплым потоком пластового флюида.
Использование изобретения позволяет увеличить срок службы устройства и эксплуатации скважины в целом в безаварийном режиме в суровых климатических условиях.