ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН (ВАРИАНТЫ)
CIRCULATION VALVE (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области эксплуатации нефтегазовых скважин, а именно к клапанным устройствам, реагирующим на давление рабочей среды, и предназначено для работы в пакерных компоновках подземного оборудования при проведении скважинных работ, связанных с прокачкой жидких или газообразных сред для сообщения затрубного и внутритрубного пространства.
Циркуляционный клапан (клапан) позволяет многократно создавать и прерывать сообщение указанных пространств за один спуск в скважину.
Известны циркуляционные клапаны типа 2КП и ЗКПО, включающие ствол, имеющий радиальные перепускные и гидравлические каналы. На ствол надет дифференциальный золотник, поджатый пружиной, усилие которой регулируется гайкой. От диаметрального перемещения золотник предохранен винтами, входящими в глухие пазы на стволе (Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин / Ю.В.Зайцев, Р.А.Максутов, О.В.Чубанов и др. - М.: Недра, 1984, стр.90).
Эти клапаны имеют низкую надежность, учитывая, что в момент их открытия под давлением поток среды проходит через уплотнительные элементы, из-за чего могут быть повреждены или срезаны эти уплотнительные элементы. При высоком избыточном давлении состояние дифференциального золотника после открытия клапана не уравновешивается, из-за чего возникает пульсация.
Известен перепускной клапан, работающий от давления рабочей среды и сообщающий затрубное и внутритрубное пространства, и включающий ствол, который имеет один или несколько радиальных гидравлических каналов, верхнюю муфту или нижний переводник, верхнюю и нижнюю трубные резьбы с одинаковыми или разными диаметрами. Ствол выполнен с одного конца с наружной резьбовой проточкой под спиральную пружину и регулирующую гайку, двумя наружными посадочными поверхностями с разными диаметрами и канавками под уплотнительные элементы и установленным на двух наружных посадочных поверхностях ствола дифференциальным поршнем без или с наружной опорной гайкой. Поршень образует со стволом гидравлическую камеру, соединенную с полостью ствола через один или несколько радиальных гидравлических каналов. Согласно изобретению на стволе, с другого конца, выполнены дополнительно наружные резьбовая проточка под спиральную пружину и регулирующую гайку и посадочная поверхность. На наружной посадочной поверхности установлен дополнительный дифференциальный поршень без или с резьбовыми радиальными отверстиями, ограничителем хода, фиксатором и внутренними уплотнительными элементами или размещена защитная втулка для перекрытия уплотнительных элементов в канавках на средней наружной посадочной поверхности ствола при циркуляции потока среды через один или несколько радиальных гидравлических каналов. Дополнительный дифференциальный поршень образует со стволом дополнительную гидравлическую камеру, соединенную с полостью ствола через дополнительно выполненные один или несколько радиальных гидравлических каналов. При этом либо оба дифференциальных поршня, либо дифференциальный поршень и защитная втулка взаимодействуют между собой под усилием одной или обеих спиральных пружин.
При исходном закрытом положении клапана уплотнительные элементы в канавках герметично разобщают верхнюю и/или нижнюю гидравлические камеры от внешнего пространства, а при рабочем открытом положении клапана, с перемещением дифференциального поршня вверх или вниз, либо другой дифференциальный поршень, либо защитная втулка имеют возможность перекрытия уплотнительных элементов (Перепускной клапан Шарифова для циркуляции и регулирования потока среды. / Патент РФ №2288348, Е21В 34/02, Е21В 34/06, заявл. 10.08.2004, опубл. 27.11.2006).
В указанном клапане уплотнительные элементы защищены от воздействия перепада давления при помощи подпружиненной защитной втулки, перекрывающей эти уплотнительные элементы. В клапане за счет регулирования спиральных пружин, установленных по обе стороны ствола, состояние дифференциального поршня после открытия клапана уравновешено, из-за чего не возникают пульсаций.
Недостаток клапана заключается в сложности конструкции, недостаточной надежности работы фиксатора, удерживающего клапан в открытом положении.
Известен циркуляционный клапан 1КЦГ, содержащий корпус с радиальным гидравлическим каналом, установленный в подпружиненном стакане корпуса золотник с гидравлическим каналом, выполненный с канавками под уплотнительные элементы и имеющий фигурный паз, где установлен фиксатор его перемещения.
Клапан срабатывает только при сбрасывании в него с устья седла с шариком, за счет чего создается давление внутри труб, под действием которого золотник перемещается вниз до упора. При увеличении давления опорный бурт седла деформируется и седло с шариком падает вниз, освобождая проход клапана. Под действием пружины золотник движется вверх. Палец фиксатора при этом переходит в длинный паз золотника и фиксирует его в открытом положении. В открытом клапане перепускные гидравлические в корпусе и золотнике совпадают. Для закрытия клапана необходимо сбросить новое седло с шариком и повторить операцию (Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин / Ю.В.Зайцев, Р.А.Максутов, О.В.Чубанов и др. - М.: Недра, 1984, стр.90). Выбран в качестве прототипа.
Недостатки циркуляционного клапана 1КЦГ аналогичны недостаткам клапанов типа 2КП и ЗКПО: низкая надежность из-за среза уплотнительных элементов при прохождении через них рабочей среды под давлением в момент открытия и неуравновешенность золотника. Кроме того, из-за сбрасывания седла с шариком возникает неудобство в эксплуатации, что снижает функциональность клапана.
Задачей заявленного изобретения является повышение надежности и функциональности клапана.
Указанная задача решается тем, что в циркуляционном клапане (по первому варианту), содержащем верхний и нижний переходники, корпус с радиальным гидравлическим каналом и установленный в стакане нижнего переходника полый поршень (поршень), имеющий спиральную пружину, канавки под уплотнительные элементы, радиальный гидравлический канал и фиксатор перемещения поршня, корпус собран из двух частей, соединенных между собой, с верхним и нижним переходниками резьбой и крепежными винтами, поршень выполнен с уступом, кольцевым выступом с уплотнительным кольцом, упором и посадочной поверхностью для его спиральной пружины, снабженной поджимной гайкой, которая по резьбе перемещается по внутренней поверхности одной части корпуса. При этом указанная часть корпуса снабжена ответным упором для взаимодействия с упором поршня и образует с внешней поверхностью поршня гидравлическую камеру, сообщающуюся с затрубным пространством посредством дополнительного радиального гидравлического канала, а для перекрытия уплотнительных элементов в канавках при циркуляции потока рабочей среды через радиальный гидравлический канал другой части корпуса на поршне с зазором установлена предохранительная втулка с дополнительной спиральной пружиной, размещенной в наружной проточке верхнего переходника. Указанная втулка выполнена в виде двух сопрягаемых частей, одна из которых жестко соединена крепежным винтом с поршнем и образует с внешней поверхностью поршня и внутренней поверхностью другой части корпуса гидравлическую камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством посредством осевого гидравлического канала в виде зазора между поршнем и стенками обеих частей предохранительной втулки. Другая часть предохранительной втулки снабжена стопорным винтом и образует с наружной проточкой верхнего переходника и стенкой другой части корпуса гидравлическую камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством радиальным гидравлическим каналом, выполненным в наружной проточке верхнего переходника, при этом стопорный винт помещен в пазу наружной проточки верхнего переходника. Фиксатор перемещения поршня выполнен в виде распорного кольца и кольцевого выступа, выполненного в стенке поршня. Верхний и нижний переходники выполнены с канавками под уплотнительные элементы и с монтажными отверстиями под крепежные винты.
Клапан предназначен для работы в пакерных компоновках подземного оборудования при проведении скважинных работ, связанных с прокачкой жидких или газообразных сред для многократного сообщения затрубного и внутритрубного пространств по заданному давлению во внутритрубном пространстве.
В другом варианте исполнения клапана предлагается конструкция, срабатывающая от действия затрубного давления.
Заявляется циркуляционный клапан (второй вариант), содержащий верхний и нижний переходники, корпус с радиальным гидравлическим каналом и установленный в стакане нижнего переходника полый поршень (поршень), имеющий спиральную пружину, канавки под уплотнительные элементы и фиксатор перемещения поршня, при этом корпус собран из двух частей, загерметизированных относительно друг друга и соединенных между собой, с верхним и нижним переходниками резьбой и крепежными винтами, поршень выполнен с уступом, кольцевым выступом с уплотнительным кольцом, упором и посадочной поверхностью для его спиральной пружины, снабженной поджимной гайкой, которая с зазором установлена относительно поршня и по резьбе перемещается по внутренней поверхности одной части корпуса. Указанная часть корпуса снабжена ответным упором для взаимодействия с упором поршня и образует с внешней поверхностью поршня гидравлическую камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством, а для перекрытия уплотнительных элементов в канавках при циркуляции потока рабочей среды через радиальный гидравлический канал другой части корпуса на поршне с зазором относительно этой части корпуса установлена предохранительная втулка с дополнительной спиральной пружиной, размещенной в наружной проточке поршня. Указанная втулка выполнена в виде двух сопрягаемых частей, одна из которых жестко соединена стопорным винтом с поршнем и образует с внешней поверхностью поршня и внутренней поверхностью другой части корпуса гидравлическую камеру, сообщающуюся с затрубным пространством посредством радиального гидравлического канала в указанной части корпуса и осевого гидравлического канала в виде зазора между стенкой указанной части корпуса и стенками предохранительной втулки, при этом стопорный винт помещен в пазу наружной проточки поршня. Другая часть предохранительной втулки размещена на посадочной поверхности верхнего переходника. Фиксатор перемещения поршня изготовлен в виде распорного кольца, выполненного в стенке поршня. Верхний и нижний переходники выполнены с канавками под уплотнительные элементы и с монтажными отверстиями под крепежные винты.
На фиг.1 представлен клапан, срабатывающий от внутритрубного давления, в закрытом состоянии.
На фиг.2 представлен клапан, срабатывающий от внутритрубного давления, в открытом состоянии.
На фиг.3 представлен вариант клапана, срабатывающий от затрубного давления, в закрытом состоянии.
На фиг.4 представлен вариант клапана, срабатывающий от затрубного давления, в открытом состоянии.
Клапан (фиг.1 и фиг.3) состоит из корпусов 1 и 2, соединенных между переходниками 3 и 4 резьбой 5 и крепежными винтами 6, а между собой - резьбой 7 и крепежным винтом 8. Внутри корпусов 1 и 2 расположены: полый поршень 9, помещенный в стакане 10 нижнего переходника 4, предохранительные втулки 11 и 12, пружины 13 и 14, винты 15 и 16, поджимная гайка 17 и пружинное кольцо 18. Внутренняя (внутритрубная) полость клапана герметизирована от затрубной полости уплотнительными кольцами 19 и 20. Полый поршень 9 выполнен с кольцевым выступом 21, образующим с пружинным кольцом 18 фиксатор перемещения полого поршня 9, уступом 22 с уплотнительным кольцом 23 и упором 24. Кольцевой выступ 21 взаимодействует с пружинным кольцом 18, а упор 24 - с пружиной 14. Корпус 2 выполнен с выступом 25. Верхний и нижний переходники снабжены уплотнительными элементами 26 и 27. В корпусе 1 выполнен радиальный гидравлический канал 28, сообщающий в открытом состоянии клапана затрубное и внутритрубное пространства. Поджимная гайка 17 перемещается по резьбе 29 на внутренней стенке корпуса 2.
По первому варианту (клапан, срабатывающий от внутритрубного давления) предохранительные втулки 11 и 12 установлены относительно поршня 9 с зазором 30, гидравлически соединенным посредством дополнительного радиального гидравлического канала (отверстия) 31 с внутритрубным пространством. Стопорный винт 16 жестко связан с втулкой 12 и перемещается в пазу 32, выполненном на посадочной поверхности верхнего переходника 3. Крепежный винт 15 соединяет предохранительную втулку 11 с поршнем 9. Длина паза 32 рассчитана таким образом, чтобы предохранительная втулка 12 не выдвигалась на отверстие 28. Посредством отверстия 31 и зазора 30 полость «А» (фиг.1) в исходном состоянии соединяется с внутритрубным пространством.
Внутренняя стенка части корпуса 2 образует с внешней поверхностью поршня 9 гидравлическую камеру (полость расположения пружины 14), сообщающуюся с затрубным пространством посредством дополнительного радиального гидравлического канала 33, предохранительная втулка 12 образует с наружной проточкой верхнего переходника 3 и стенкой части корпуса 1 гидравлическую камеру (полость расположения пружины 13), сообщающуюся с внутритрубным пространством радиальным гидравлическим каналом 31, выполненным в наружной проточке верхнего переходника.
По второму варианту (клапан, срабатывающий от затрубного давления) предохранительные втулки 11 и 12 установлены относительно части корпуса 1 с зазором 34 (фиг.3), гидравлически соединенным посредством радиального гидравлического канала (отверстия) 28 с затрубным пространством. Стопорный винт 16 жестко связан с предохранительной втулкой 12 и перемещается в пазу 35, выполненном на поверхности поршня 9. Предохранительная втулка 11 размещена на посадочной поверхности верхнего переходника.
Предохранительная втулка 12 образует с внешней поверхностью поршня и внутренней поверхностью первой части корпуса гидравлическую камеру «Б» (полость расположения пружины 13), сообщающуюся с затрубным пространством посредством радиального гидравлического канала 28 в указанной части корпуса и осевого гидравлического канала в виде зазора 34 между стенкой указанной части корпуса и стенками предохранительной втулки 12.
Вторая часть корпуса образует с внешней поверхностью поршня гидравлическую камеру (полость расположения пружины 14), сообщающуюся с внутритрубным пространством посредством радиального отверстия 36.
Первая и вторая части корпуса загерметизированы относительно друг друга уплотнительным элементом 37.
В исходном состоянии за счет усилия пружин 13 и 14, тарированных на определенное равновесие внутритрубного и затрубного давлений, предохранительные втулки 11 и 12 соединены между собой и клапан закрыт (фиг.1, фиг.3). При этом предохранительная втулка 11 перекрывает собой отверстие 28 и предохраняет уплотнения 19 и 20 от воздействия перепада давления.
Клапан по первому варианту работает следующим образом: на фиг.2 видно, что при подаче импульса внутритрубного давления рабочей среды (жидкость, газ), рабочая среда через отверстие 31, проходя зазор 30, попадает в полость «А» и воздействует на уступ 22 поршня 9, который, перемещаясь вниз, посредством упора 24 сжимает пружину 14. При этом поршень 9 через винт 15 увлекает за собой предохранительную втулку 11. Ход поршня 9 рассчитан так, чтобы левый торец предохранительной втулки 11 остановился на нижней границе отверстия 28. Предохранительная втулка 12 под действием пружины 13 перемещается вслед за предохранительной втулкой 11 (без зазора) до конца паза 32 на переходнике 3, при этом она перекрывает уплотнительное кольцо 19, а ее нижний торец оказывается на верхней границе отверстия 28. Таким образом, через отверстие 28 открывается сообщение внутритрубного и затрубного пространств, при этом уплотнительное кольцо 19 оказывается защищенным от потока, возникающего в результате перепада давления между названными полостями.
При дальнейшем движении поршня 9 вниз кольцевой выступ 21 надвигается на пружинное кольцо 18, разжимая его, усиливает действие пружины 14.
При дальнейшем движении вниз кольцевой выступ 21 сходит с пружинного кольца 18, тем самым происходит фиксация поршня 9 в данном положении и предотвращается его пульсация.
После падения внутритрубного давления рабочей среды под действием пружины 13 поршень 9 стремится вернуться в исходное состояние, но этому препятствует пружинное кольцо 18, поджатое кольцевым выступом 21, тем самым снижается уровень перепада давления и достигается уравновешенность клапана. По достижении определенного уровня перепада давления движение поршня 9 вверх продолжится и кольцевой выступ 21 поршня 9 освобождает пружинное кольцо 18. Отверстие 28 закрывается за счет сдвига предохранительной втулки 11 вверх вместе с поршнем 9.
Клапан по второму варианту исполнения работает следующим образом: на фиг.4 видно, что при подаче импульса затрубного давления рабочей среды (жидкость, газ), рабочая среда через отверстие 28 и проходя зазор 34, попадает в полость «Б» и воздействует на уступ 22 поршня 9, который, перемещаясь вниз, посредством упора 24 сжимает пружину 14. При этом поршень 9 через винт 16 увлекает за собой предохранительную втулку 12. Ход поршня 9 рассчитан так, чтобы верхний торец предохранительной втулки 12 остановился на нижней границе отверстия 28 за счет хода стопорного винта 16 в пазу 34. Предохранительная втулка 11 под действием затрубного давления остается на наружной проточке верхнего переходника и перекрывает уплотнительные кольца 19 и 20. Таким образом, через отверстие 28 открывается сообщение внутритрубного и затрубного пространств, при этом уплотнительные кольца 19 и 20 оказываются защищенными от потока, возникающего в результате перепада давления между названными полостями.
При этом при движении поршня 9 вниз кольцевой выступ 21 надвигается на пружинное кольцо 18, разжимая его, усиливает действие пружины 14, сжимая ее.
При дальнейшем движении вниз кольцевой выступ 21 сходит с пружинного кольца 18, тем самым происходит фиксация поршня 9 в данном положении и предотвращается его пульсация.
После падения затрубного давления рабочей среды, под действием пружины 13, поршень 9 стремится вернуться в исходное состояние, но этому препятствует пружинное кольцо 18, поджатое кольцевым выступом 21, тем самым снижается уровень перепада давления и достигается уравновешенность клапана. По достижении определенного уровня перепада давления движение поршня 9 вверх продолжится и кольцевой выступ 21 поршня 9 освобождает пружинное кольцо 18. Отверстие 28 закрывается за счет сдвига вместе с поршнем 9 предохранительной втулки 12 вверх к предохранительной втулке 11 (без зазора).