Циркуляционный клапан
CIRCULATING VALVE

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.
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 гидравлические каналы 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).
Недостатком  циркуляционного клапана 1КЦГ является  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.
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, МПК Е21В 34/02, Е21В 34/06, 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому циркуляционному клапану является клапан, описанный в патенте РФ №2439290 по второму варианту (МПК E21B 34/06, опубл. 10.01.2012), содержащий верхний и нижний переходники, корпус с радиальным гидравлическим каналом и установленный в стакане нижнего переходника полый 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. 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.
Недостатком циркуляционного клапана по патенту №2439290 является сложность конструкции, а также непосредственный контакт скважинной жидкости, содержащей абразивные механические примеси,  с пружиной, ведущие к уменьшению надежности.
Технической задачей, решаемой заявляемым циркуляционным клапаном, является повышение надежности в работе, уменьшение габаритов и упрощение конструкции.
Указанная техническая задача решается тем, что в циркуляционном клапане, содержащем верхний и нижний переходники, корпус с радиальными гидравлическими каналами, уплотнительные элементы и полый поршень, имеющий пружину, при этом поршень выполнен с уступом для его пружины, снабженной поджимным элементом, гидравлическую камеру, расположенную между поршнем и внутренней поверхностью корпуса, сообщающуюся с радиальными гидравлическими каналами в корпусе, согласно изобретению, пружина с поджимным элементом расположена между торцом верхнего переходника и уступом поршня, прижатого к торцу нижнего переходника за счет дополнительного уступа, выполненного в поршне с внутренней стороны, причем в поршне с наружной стороны выполнена кольцевая выемка, расположенная между уплотнительными элементами, образующая гидравлическую камеру, сообщающуюся с радиальными гидравлическими каналами в корпусе, а в верхней части  нижнего переходника выполнены радиальные отверстия, которые в закрытом состоянии клапана перекрыты поршнем, при этом  диаметр верхней части нижнего переходника с наружной стороны выполнен меньшим, чем в нижней части, образуя при передвижении поршня вверх дополнительную гидравлическую камеру, соединяющую через радиальные гидравлические каналы в корпусе и через радиальные отверстия в нижнем переходнике внутритрубное и межтрубное пространства, а на внутренней нижней части верхнего переходника выполнена цилиндрическая выемка, образующая уступ, ограничивающий движение поршня вверх.
Кроме того, поджимной элемент  может быть выполнен в виде шайбы и расположен на уступе поршня.
Кроме того, поджимной элемент может быть выполнен в виде шайбы и расположен на верхней части пружины.
Кроме того, для регулировки давления срабатывания клапана может быть использован более чем один поджимной элемент.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема клапана в транспортном положении, когда клапан закрыт.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема клапана в  открытом состоянии.
Клапан состоит из корпуса 1, к верхней части которого вкручен верхний переходник  2, к нижней  – нижний переходник  3. Внутри корпуса 1 находится полый поршень 4, прижатый к переходнику 3 пружиной 5, поджатой поджимным элементом 6.
Поршень 4 имеет в  верхней части уменьшение внешнего диаметра, образующее уступ, на который упирается пружина 5 через поджимной элемент 6, выполненный, например, в виде шайбы. Поджимной элемент 6 может быть установлен снизу или сверху пружины 5, в данном случае снизу, на уступе поршня 4. Регулировка открытия клапана происходит за счет набора поджимных элементов 6. Верхний конец пружины 5 упирается в торец верхнего переходника 2. В закрытом состоянии клапана поршень 4 прижат к торцу нижнего переходника 3 за счет дополнительного уступа, выполненного в поршне 4 с внутренней стороны.
Герметизация между деталями обеспечивается уплотнительными элементами (кольцами) 7, 8, 9, 10. В нижней части корпуса 1 выполнены радиальные гидравлические каналы 11.
В поршне 4 с наружной стороны выполнена кольцевая выемка 12, образующая с внутренней поверхностью корпуса 1 гидравлическую камеру 13, расположенную между уплотнительными кольцами 7 и 8, сообщающуюся с радиальными гидравлическими каналами 11 в корпусе 1.
Нижний переходник 3 имеет диаметр верхней части с наружной стороны меньше, чем в нижней части, в его верхней части выполнены радиальные отверстия  14, которые в транспортном положении перекрыты поршнем 4. Радиальные отверстия 14 открываются после перемещения поршня 4 вверх и сообщают межтрубное пространство (на фиг. не показано) через радиальные гидравлические каналы 11 и дополнительную гидравлическую камеру 15 с внутренней полостью клапана 16 (фиг. 2).
Предлагаемый циркуляционный клапан работает следующим образом.  Клапан монтируется в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ)  над пакером (на фиг. не показаны) и спускается на заданную глубину. При превышении давления в кольцевом межтрубном пространстве между эксплуатационной колонной и колонной НКТ над внутритрубным давлением в полости 16 циркуляционного клапана, поршень 4 под воздействием повышенного давления через радиальные гидравлические каналы 11 и за счет давления в гидравлической  камере 13, образованной кольцевой выемкой 12 в поршне 4 между уплотнениями 7 и 8,  перемещается вверх, сжимая пружину 5 (фиг. 2.). В результате перемещения поршня 4 между уступом нижнего переходника 3 и нижним торцом поршня 4 образуется дополнительная гидравлическая камера 15, и происходит сообщение межтрубного пространства  через радиальные гидравлические каналы 11 с дополнительной гидравлической камерой 15, что увеличивает площадь действия давления на поршень 4. Это позволяет перемещать поршень 4 при меньшем давлении и открыть радиальные отверстия 14 для сообщения с полостью 16 клапана и производить прокачку жидкости насосом при давлении меньшем, чем давление срабатывания клапана, способствуя снижению затрат энергии насосного агрегата на прокачку скважинной жидкости. Движение поршня 4 вверх ограничено уступом 17, образованным цилиндрической выемкой 18 (фиг. 1), выполненной на внутренней нижней части верхнего переходника 2. Давление, при котором происходит срабатывание клапана, регулируется за счет набора количества поджимных элементов 6.
После падения давления в межтрубном пространстве, поршень 4 под действием пружины 5 возвращается в исходное положение.