ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КЛАПАН Российский патент 2002 года по МПК E21B34/06 

Изобретение относится к области подземного скважинного оборудования и может быть использовано при освоении, глушении и промывке вертикальных, наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.

Известен циркуляционный клапан, управляемый спускаемым в скважину на тросе захватом, состоящий из корпуса с уплотнительными кольцами, внутри которого расположен золотник, размещенными между корпусом и золотником промежуточной и защитной втулками, имеющими уплотнительные кольца, последняя из которых заканчивается цангой, зажимные кулачки которой имеют внешний и внутренний конусные буртики, причем зажимные кулачки цанги в закрытом положении клапана взаимодействуют с расточкой, выполненной в корпусе, и наружной поверхностью золотника, а в открытом положении клапана - с проточкой и упорным буртиком, выполненными в золотнике, и с внутренней поверхностью корпуса [1].

Недостатком известного циркуляционного клапана является необходимость применения тросовой теxники для его переключения. В этом случае требуется дополнительное оборудование (лебедка, трос, скважинное устройство и т.д.) и затрачивается много времени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому циркуляционному клапану является циркуляционный клапан, содержащий корпус с перепускными и циркуляционными отверстиями, подпружиненную ступенчатую втулку, концентрично размещенную относительно корпуса и образующую с ним камеру высокого давления, которая сообщается через отверстие в корпусе с внутритрубным пространством, и дополнительную камеру, которая сообщается с помощью канавки с камерой высокого давления, упор, связанный с корпусом и поршнем, установленным в камере высокого давления между отверстием в корпусе, сообщающим камеру высокого давления с внутритрубным пространством, и упором, причем камера высокого давления и дополнительная камера заполнены смазочной жидкостью, а размеры клапана выполнены в соответствии с приведенным соотношением [2].

К недостаткам прототипа следует отнести следующие:
1. Циркуляционный клапан открывается при создании избыточного давления внутри циркуляционного клапана. Это ограничивает его применение, в частности при эксплуатации газовых скважин при спущенной компоновке, включающей пакер, циркуляционный клапан и другое оборудование. При решении проблемы установки внутрискважинного оборудования - уменьшение перепадов давления на эксплуатационную колонну должно обеспечиваться условием поддержания давления внутри компоновки большим, чем снаружи. В этом случае давление внутри труб должно поддерживаться большим, чем в затрубном пространстве, с целью исключения воздействия высоких давлений на эксплуатационную колонну. В прототипе, наоборот, при создании перепада давления внутри компоновки клапан открывается, что свидетельствует о невозможности применения данного клапана в эксплуатационной компоновке. Поэтому прототип имеет ограниченное применение.

2. При открытии циркуляционного клапана происходит перемещение ступенчатой втулки относительно корпуса, открываются циркуляционные отверстия и освобождаются уплотнения, расположенные в корпусе. В этом случае зачастую происходит вырыв уплотнений из их пазов под действием давления и последующее их повреждение (разрушение). Это свидетельствует о низкой надежности прототипа.

3. Наличие силовой пружины над ступенчатой втулкой обуславливает закрытие циркуляционного клапана при случайной остановке промывки скважины, т.е. без создания заданного импульса давления. В этом случае клапан является неуправляемым.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности роботы и расширение функциональных возможностей.

Сущность настоящего изобретения состоит в том, что известный циркуляционный клапан, включающий корпус с перепускными и циркуляционными отверстиями, ступенчатую втулку, установленную соосно с корпусом с возможностью ее осевого перемещения и перекрытия циркуляционных отверстий корпуса, камеру высокого давления, образованную ступенчатой втулкой и корпусом, и уплотнения, установленные в пазах корпуса, согласно изобретению дополнительно содержит подпружиненную втулку, установленную соосно на ступенчатой втулке, кольцевую камеру, выполненную в подвижной втулке, и, по крайней мере, один подпружиненный скошенный штырь, установленный в корпусе и фиксирующий ступенчатую втулку после ее осевого перемещения, при этом ступенчатая втулка установлена внутри корпуса, камера высокого давления сообщается гидравлически с внутритрубным и затрубным пространствами, причем подпружиненная втулка установлена с возможностью ее осевого перемещения и перекрытия гидравлической связи кольцевой камеры с внутритрубным пространством, при этом поверхности нижней части подпружиненной втулки сопрягаются с краями кольцевой камеры.

При этом уплотнения, установленные в пазах корпуса, ограничены фигурными кольцами.

Причем подпружиненная втулка снабжена шаровыми элементами.

Кроме того, циркуляционные отверстия, выполненные в ступенчатой втулке, снабжены узкими продольными пазами.

Причем поверхности нижней части подпружиненной втулки, сопрягаемые с краями кольцевой камеры, выполнены коническими.

Признак - циркуляционный клапан содержит подпружиненный скошенный штырь, установленный в корпусе и фиксирующий ступенчатую втулку после ее осевого перемещения, обеспечивает надежное переключение циркуляционного клапана из закрытого положения в открытое и обратно. Так при повышении давления в камере высокого давления в течение некоторого времени ступенчатая втулка остается в неподвижном положении и лишь при превышении давления в камере высокого давления усилием сжатия пружины скошенного штыря ступенчатая втулка быстро перемещается вниз до полного совмещения циркуляционных отверстий корпуса и ступенчатой втулки и полного открытия циркуляционного клапана. В противном случае, когда ступенчатая втулка не зафиксирована подпружиненным скошенным штырем, при повышении давления в камере высокого давления втулка будет медленно перемещаться вниз, что может привести к частичному совмещению циркуляционных отверстий корпуса и ступенчатой втулки и размыву уплотнений циркуляционным агентом.

Признаки - подпружиненная втулка установлена в возможностью ее осевого перемещения и снабжена шаровыми элементами, позволяют обеспечить плавное перемещение подпружиненной втулки и исключить ее заклинивание при наклонном и горизонтальном расположении циркуляционного клапана.

Признаки - поверхности нижней части подпружиненной втулки, сопрягаемые с краями кольцевой камеры, выполнены коническими, позволяют передавливать глинистые и отталкивать твердые частицы горных пород на границе сопрягаемых поверхностей и обеспечивает герметичное перекрытие кольцевой камеры.

Признак - циркуляционные отверстия, выполненные в ступенчатой втулке, снабжены узкими продольными пазами, позволяет плавно выравнивать давление в пазах уплотнений при подходе циркуляционных отверстий втулки 4 к уплотнениям и предотвратить вырывание уплотнительных колец из пазов.

На фиг.1 представлен заявляемый циркуляционный клапан в разрезе.

На фиг.2 представлен в сечении А-А подпружиненный скошенный штырь, фиксирующий подвижную ступенчатую втулку циркуляционного клапана.

На фиг. 3 представлен узел 1 в разрезе при закрытом положении циркуляционного клапана.

На фиг. 4 представлен узел 1 в разрезе при открытом положении циркуляционного клапана.

На фиг.5 показано взаимное расположение циркуляционного отверстия подвижной ступенчатой втулки и уплотнения, установленного в корпусе, в закрытом положении циркуляционного клапана.

На фиг.6 показан момент переключения циркуляционного клапана и разгрузки давлением через продольный паз, циркуляционного отверстия ступенчатой втулки уплотнения, установленного в корпусе.

На фиг. 7 показан момент расположения циркуляционного отверстия ступенчатой втулки с разгруженным от перепада давления уплотнением корпуса.

На фиг. 8 показан момент совмещения циркуляционного отверстия корпуса с циркуляционным отверстием ступенчатой втулки.

На фиг. 9 представлено циркуляционное отверстие с продольным пазом ступенчатой втулки.

Циркуляционный клапан включает корпус 1, в нижней части которого выполнены перепускные отверстия 2, а в средней - циркуляционные отверстия 3, ступенчатую втулку 4, установленную внутри корпуса 1 соосно с ним, в верхней части которой установлена подвижная втулка 5, подпружиненная пружиной 6 и снабженная шаровыми элементами 7, кольцевую камеру 8, выполненную во втулке 4 и сообщающуюся верхней частью с внутритрубным пространством скважины, а через продольные каналы 9, циркуляционные отверстия 10, выполненные во втулке 4, циркуляционные отверстия 3 - с затрубным пространством, скошенный штырь 11, подпружиненный пружиной 12, установленный в корпусе 1 и фиксирующий втулку 4 после ее осевого перемещения, уплотнения 13, выполненные в виде уплотнительных колец 14, установленных в пазах корпуса 1 и ограниченных фигурными кольцами 15, проточку 16, с верхней 17 и нижней 18 канавками под штырь 11, выполненную во втулке 4 камеру высокого давления 19, образованную корпусом 1 и втулкой 4 и сообщающуюся через перепускные отверстия 2 с затрубным пространством, при этом втулка 5 установлена с возможностью осевого перемещения и перекрытия верхней части камеры 8, циркуляционные отверстия 10 снабжены узкими продольными пазами 20, а поверхности нижней части втулки 5, соприкасающиеся с краями кольцевой камеры 8, выполнены коническими.

Кроме того, ширина узкого продольного паза, выполненного во втулке 4, составляет не более 1/2 ширины паза уплотнения 13, а длина - менее 1,5 ширины паза уплотнения 13.

Циркуляционный клапан работает следующим образом.

На колонне труб спускают в скважину компоновку, включающую пакер, циркуляционный клапан и другое необходимое оборудование.

После установки пакера для открытия циркуляционного клапана в затрубном пространстве создают перепад давления относительно давления во внутритрубном пространстве путем закачки в него циркуляционного агента, который через отверстие 3 поступает в камеру высокого давления 19. По мере закачки в затрубное пространство циркуляционного агента давление в камере 19 повышается. Когда давление, действующее в камере 19 на втулку 4, превысит усилие сжатия пружины 12, штырь 11 выходит из канавки 18 и втулка 4 перемещается вниз. Узкие продольные пазы 20 циркуляционных отверстий 10 подходят к уплотнениям 13 и происходит выравнивание давления в пазах уплотнений 13, что предотвращает выброс уплотнительных колец 14 из пазов под действием давления. Когда циркуляционные отверстия 10 будут располагаться напротив циркуляционных отверстий 3, штырь 11 входит в канавку 17, фиксируя втулку 4 в неподвижном состоянии относительно корпуса 1, при этом циркуляционный агент из затрубного пространства через циркуляционные отверстия 3, 10, продольные каналы 9 поступает в камеру 8. Когда усилие, создаваемое давлением циркуляционного агента в камере 8 и действующее на нижний торец втулки 5, превысит усилие сжатия пружины 6, втулка 5 плавно на шаровых элементах 7 переместится вверх, освобождая верхнюю часть камеры 8 для прохождения циркуляционного агента во внутритрубное пространство скважины.

При этом обеспечивается прохождение циркуляционного агента из затрубного пространства во внутритрубное.

Для закрытия циркуляционного клапана прекращают подачу циркуляционного агента в затрубное пространство, при этом втулка 5 перемещается вниз и перекрывает верхнюю часть камеры 8. Затем повышают давление во внутритрубном пространстве. Когда давление во внутритрубном пространстве превысит давление в затрубном пространстве и в камере 19, а усилие, действующее на нижний торец втулки 4, превысит усилие давления в затрубном пространстве, действующее на втулку 4 в камере 19, и усилие пружины 12 через скошенный штырь 11, который вытесняется из канавки 17, втулка 4 быстро переместится вверх до упора ее в корпус 1, перекрывая при этом циркуляционные отверстия 3, штырь 11 входит в канавку 18, фиксируя втулку 4 в неподвижном положении относительно корпуса 1. При этом циркуляционные отверстия 3 перекрываются втулкой 4.

Заявляемый циркуляционный клапан по сравнению с прототипом более надежен в работе и может быть использован не только в вертикальных, но и в наклонных и горизонтальных скважинах.

Источники информации
1. Авт. свид. SU 1139828, 1985.

2. Авт. свид. SU 1266968, 1986.

Изобретение относится к подземному скважинному оборудованию и может быть использовано при освоении, глушении и промывке вертикальных, наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин. Циркуляционный клапан содержит корпус с перепускными и циркуляционными отверстиями. Ступенчатая втулка установлена соосно с корпусом с возможностью осевого перемещения и перекрытия циркуляционных отверстий корпуса. Камера высокого давления образована ступенчатой втулкой и корпусом. Уплотнения установлены в пазах корпуса. Подпружиненная втулка установлена соосно на ступенчатой втулке. Кольцевая камера выполнена в подвижной втулке. По крайней мере один подпружиненный скошенный штырь установлен в корпусе и фиксирует ступенчатую втулку после ее осевого перемещения. Ступенчатая втулка установлена внутри корпуса. Камера высокого давления сообщается гидравлически с внутритрубным и затрубным пространствами. Подпружиненная втулка установлена с возможностью ее осевого перемещения и перекрытия гидравлической связи кольцевой камеры с внутритрубным пространством. Поверхности нижней части подпружиненной втулки сопрягаются с краями кольцевой камеры. Повышается надежность в работе, расширяются функциональные возможности. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Циркуляционный клапан, включающий корпус с перепускными и циркуляционными отверстиями, ступенчатую втулку, установленную соосно с корпусом с возможностью ее осевого перемещения и перекрытия циркуляционных отверстий корпуса, камеру высокого давления, образованную ступенчатой втулкой и корпусом, и уплотнения, установленные в пазах корпуса, отличающийся тем, что он дополнительно содержит подпружиненную втулку, установленную соосно на ступенчатой втулке, кольцевую камеру, выполненную в подвижной втулке, и по крайней мере один подпружиненный скошенный штырь, установленный в корпусе и фиксирующий ступенчатую втулку после ее осевого перемещения, при этом ступенчатая втулка установлена внутри корпуса, камера высокого давления сообщается гидравлически с внутритрубным и затрубным пространствами, причем подпружиненная втулка установлена с возможностью ее осевого перемещения и перекрытия гидравлической связи кольцевой камеры с внутритрубным пространством, при этом поверхности нижней части подпружиненной втулки сопрягаются с краями кольцевой камеры. 2. Циркуляционный клапан по п. 1, отличающийся тем, что уплотнения, установленные в пазах корпуса, ограничены фигурными кольцами. 3. Циркуляционный клапан по п. 1, отличающийся тем, что подпружиненная втулка снабжена шаровыми элементами. 4. Циркуляционный клапан по п. 1, отличающийся тем, что циркуляционные отверстия, выполненные в ступенчатой втулке, снабжены узкими продольными пазами. 5. Циркуляционный клапан по п. 1, отличающийся тем, что поверхности нижней части подпружиненной втулки, сопрягаемые с краями кольцевой камеры, выполнены коническими.