УРАВНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН МНОГОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2022 года по МПК E21B34/12 E21B43/12 

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, добыче нефти и газа, в частности, к устройствам для ремонта и обслуживания нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано при осуществлении ремонта и обслуживания скважин, в том числе в скважинах с низким пластовым давлением.

В номенклатуре широко используемого скважинного оборудования присутствует большая группа спускаемых в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) устройств различного назначения, которые управляются с поверхности, активируются для осуществления технологических операций, фиксируются в скважине или переводятся из транспортного положения в рабочее за счет подачи в устройство жидкости под давлением (например, гидравлические пакеры, гидравлические якори, гидромеханические перфораторы и другие).

Такие устройства после выполнения технологических операций должны быть деактивированы, освобождены от фиксации в скважине для передвижения их по скважине или для подъёма на поверхность. Для этого давление во внутренней полости устройств и в полости подвески НКТ, на которой спускается данное оборудование, должно быть выравнено с давлением окружающего затрубного пространства.

Для решения этой задачи используют уравнительные клапаны различных конструкций, например, раскрытых в следующих патентных документах: RU 2041352 C1, МПК E21B 49/00, дата публикации 09.08.1995 г.; SU 1810492 A1, МПК E21B 34/06, дата публикации 23.04.1993 г.; RU 2531692 C2, МПК E21B 34/12, 27.10.2014 г.; RU 2656644 C1, МПК E21B 49/00, 34/12, 06.06.2018 г.; RU 2713819 C1, МПК E21B 34/12, 07.02.2020 г.; CN 109555500 A, МПК E21B 34/12, 02.04.2019 г.; CN 211974939 U, МПК E21B 34/12, 20.11.2020 г.

Часть известных клапанов имеют конструкцию, обусловливающую лишь однократное их применение в ходе спуско-подъемной операции из-за наличия разрушаемых, срезных фиксаторов, после разрушения/срезания которых восстановить герметичность клапана без подъема на поверхность невозможно.

Так, известен циркуляционный клапан выравнивания давления в скважине по патенту RU 2531692 C2, МПК E21B 34/12, 27.10.2014 г. Клапан содержит соединенные между собой муфту и полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, сообщающиеся с надпакерным межтрубным пространством. Внутренняя поверхность корпуса выполнена ступенчатой, в которой посредством манжет герметично размещен полый золотник с возможностью ограниченного осевого перемещения, соединяемый с колонной НКТ и временно зафиксированный на корпусе срезными штифтами, а снизу корпус соединяется, например, со шпинделем ниже установленного пакера. В корпусе выполнен продольный канал, сообщающийся с кольцевой канавкой, выполненной на внутренней поверхности корпуса, с образованием камеры. На золотнике выполнен выступ, упирающийся в торцовый буртик муфты, ограничивающий осевое перемещение золотника при его открытии с образованием между золотником и корпусом канала сообщения из надпакерного межтрубного пространства через радиальные отверстия и центральный канал в колонну НКТ и через камеру с кольцевой канавкой, продольный канал и трубку в подпакерную полость скважины.

В конструкции клапана имеются срезные штифты (позиция 10), временно удерживающие клапан в герметичном положении на весу, после срезания этих штифтов под действием силы тяжести установленного ниже оборудования клапан откроется для выравнивания давления, после чего будет находиться всегда в открытом, негерметичном положении в течение остального времени спуско-подъемной операции, и соответственно не может быть применен повторно без ревизии на поверхности.

Известны также многоразовые уравнительные клапаны.

Например, в патенте RU 2739002 C1, МПК E21B 34/12, 21.12.2020 г. раскрыт клапан уравнительный механический, который содержит корпус с радиальными отверстиями, внутри которого расположен шток, установленный с возможностью осевого перемещения, цангу, установленную в корпусе, уплотнительный элемент круглого сечения. Клапан содержит Т-образный уплотнительный элемент, установленный между защитными фторопластовыми кольцами. Указанные уплотнительные элементы установлены в нижней части корпуса ниже радиальных отверстий. Т-образный уплотнительный элемент расположен под уплотнительным элементом круглого сечения. В штоке выполнены сквозные отверстия, при этом шток расположен внутри корпуса таким образом, что в исходном положении перекрывает радиальные отверстия корпуса и зафиксирован от перемещения при помощи цанги посредством упора выступа штока во внутренний буртик цанги. Достигается технический результат – повышение надежности и срока службы клапана уравнительного механического за счет обеспечения возможности многократного открытия-закрытия клапана с сохранением герметичности и целостности уплотнительного элемента.

Вместе с тем, вышеописанная конструкция клапана, как и конструкции других известных многоразовых уравнительных клапанов, может работать неэффективно в скважинах с низким пластовым давлением.

В некоторых скважинах уровень скважинной жидкости может быть достаточно низким - ниже уровня дневной поверхности, а в экстремальных случаях этот уровень может соответствовать глубине залегания продуктивного пласта, например, 1-1,5 км. При этом подвеска НКТ, на которой спускается скважинное оборудование и в которую подаётся рабочая жидкость под давлением, оказывается полностью заполненной. В этом случае, даже при отсутствии нагнетания избыточного давления с поверхности, между внутренней полостью скважинного оборудования и затрубным пространством сохраняется перепад давления, равный высоте столба жидкости от статического уровня в скважине до дневной поверхности. Данный перепад давления (достигающий 100-150 атм) без дополнительного приложения усилий извне способен активировать скважинное оборудование, соответственно для деактивации оборудования необходимо значительное время, затрачиваемое на перепуск столба жидкости из НКТ в затруб для выравнивания давления в полости НКТ и в затрубном пространстве.

При этом зачастую в ходе скважинных работ имеется необходимость многократной попеременной активации и деактивации оборудования для его многократного использования на разных интервалах в рамках одной спуско-подъёмной операции. Следовательно, время ожидания выравнивания давления в трубном и затрубном пространстве для перевода скважинного оборудования в транспортное положение и для его перемещения внутри скважины увеличивается кратно числу поинтервальных деактиваций.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы уравнительного клапана многоразового действия для обеспечения ускоренной деактивации скважинного оборудования, зафиксированного в скважине.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому изобретению является клапан уравнительный механического действия, раскрытый в описании и чертежах (фиг.5) к патенту RU 2412335 C1, МПК E21B 49/00, 20.02.2011 г., который принимается за прототип.

Клапан уравнительный механического действия (фиг.5) состоит из корпуса КУМ 24, радиальных каналов КУМ 25 на нем, полого штока КУМ 26, пружины КУМ 27. Пружина КУМ 27 расположена в корпусе КУМ 24 и фиксирует полый шток 26 в крайнем верхнем положении, и до определенного подъемного усилия препятствует перемещению корпуса КУМ 24 относительно полого штока КУМ 26. Это перемещение конструктивно ограничено выступами и буртами на корпусе 24 и полом штоке 26.

При натяжении колонны труб 2 (фиг.3) с перемещением верхнего пакера 14 открывается уравнительный клапан механического действия 15 (фиг.5) за счет того, что корпус КУМ 24 жестко связан через резьбовое соединение с верхним пакером 14, а полый шток 26 соединен с нижним пакером 4. Нижний пакер 4 в этот момент неподвижен (для его перемещения необходимо большее усилие) и корпус КУМ 24, преодолевая усилие пружины КУМ 27, перемещается относительно полого штока КУМ 26 и открывает радиальные каналы КУМ 25. Происходит выравнивание давления в полости, ограниченной пакерами, а также над и под пакерными пространствами. После чего без дополнительных нагрузок на оборудование и без риска его поломки известным способом производится подъем скважинной насосной установки.

Как и в других известных из уровня техники устройствах аналогичного назначения, в устройстве по прототипу полость НКТ при открытом клапане всегда сообщается со скважинным оборудованием (в данном случае пакером). Поэтому выравнивание давления в надпакерном и подпакерном пространстве происходит сквозь клапан через полость НКТ в течение всего времени, необходимого на перепуск столба жидкости, содержащейся в том числе в НКТ, между надпакерным и подпакерным пространством. Поэтому в условиях скважин с низким пластовым давлением клапан по прототипу не позволяет оперативно выравнивать давление в скважинном технологическом оборудовании и затрубном пространстве, деактивировать оборудование и переводить его в транспортное положение. Кроме того, клапан по прототипу не обеспечивает сохранения герметичности скважинного оборудования в процессе его деактивации, а прохождение большого количества жидкости через оборудование в процессе выравнивания давления может в некоторых случаях приводить к ускоренному износу деталей и уплотнений скважинного оборудования, сокращая срок его службы. Также в ходе выравнивания давлений, при прохождении больших объёмов жидкости через скважинное оборудование или в непосредственной близости от него может происходить обильное оседание взвешенных в скважинной жидкости механических примесей (песок, ржавчина), и образующийся осадок может привести к выходу из строя скважинного оборудования, к засорению гидравлических каналов, заклиниванию приводных гидравлических узлов скважинного оборудования, находящегося под клапаном, поэтому в большинстве случаев бывает желательно исключить гидравлическое сообщение полостей НКТ и скважинного оборудования в процессе выравнивания давления в трубном и затрубном пространстве.

В отличие от прототипа, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить ускоренное выравнивание давления в полости установленного под клапаном технологического оборудования с давлением затрубного пространства, благодаря чему в ходе одной спуско-подъемной операции становится возможным эффективное многократное использование технологического оборудования в сложных условиях различных скважин, в частности при работе в скважинах с низким пластовым давлением.

Таким образом, достигаемый изобретением технический результат состоит в следующем:

1) сокращение времени, затрачиваемого на выравнивание давления в полости скважинного оборудования с давлением затрубного пространства,

2) ускорение процесса деактивации скважинного оборудования, зафиксированного в скважине, для быстрого перевода его в транспортное положение,

3) обеспечение сохранения герметичности скважинного оборудования в процессе его деактивации,

4) повышение срока службы скважинного оборудования,

5) исключение аварий, связанных с заклиниванием оборудования в скважине.

Достижение указанного технического результата производится за счет усовершенствования конструкции клапана, в частности за счет герметичного отделения полости деактивируемого скважинного оборудования от полости НКТ, что позволяет оперативно и безаварийно приводить оборудование в транспортное положение, выравнивая давление непосредственно между полостью скважинного оборудования и затрубом, не дожидаясь перетока в затруб значительного столба жидкости из НКТ. При этом снижается объем рабочей жидкости, циркулирующей в скважинном оборудовании в процессе выравнивания давления, за счет чего уменьшается износ оборудования и увеличивается срок его службы.

Предлагаемый уравнительный клапан многоразового действия содержит корпус с перепускными отверстиями, расположенный в корпусе с возможностью осевого перемещения шток с центральным каналом, пружину, фиксирующую шток в крайнем положении. При этом, согласно изобретению, в корпусе клапана выполнена проточка и по меньшей мере один канал, сообщающий проточку с подклапанным пространством, выше и ниже проточки в корпусе выполнены герметизирующие уплотнения, нижняя часть штока выполнена глухой, в стенке штока выполнено по крайней мере одно отверстие, которое в нижнем положении штока располагается на уровне проточки корпуса и соединяет проточку и канал корпуса с центральным каналом штока, при этом по меньшей мере два перепускных отверстия в корпусе выполнены на разной высоте таким образом, что нижнее перепускное отверстие находится под нижним герметизирующим уплотнением, а верхнее перепускное отверстие находится над верхним герметизирующим уплотнением.

Рабочий ход штока клапана может быть ограничен, например, выступом на внутренней поверхности корпуса.

Предпочтительно корпус клапана выполняется с возможностью жесткого соединения с расположенным под клапаном скважинным оборудованием, а шток - с возможностью жесткого соединения с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ). Вместе с тем, возможна успешная реализация предлагаемого клапана и в перевернутом положении, когда, наоборот, корпус клапана выполняется с возможностью жесткого соединения с колонной НКТ, а шток - с возможностью жесткого соединения с расположенным под клапаном скважинным оборудованием. В случае использования такой «перевернутой» конструкции, верх и низ описываемой конструкции меняются местами соответственно.

Проточка в корпусе клапана и канал в корпусе клапана, соединяющий проточку с подклапанным пространством, могут быть выполнены в любой форме, но в предпочтительном варианте исполнения изобретения проточка выполняется кольцевой, а канал в корпусе клапана, соединяющий проточку с подклапанным пространством, выполняется продольным.

Для наилучшего достижения технического результата предпочтительна реализация изобретения, когда нижнее перепускное отверстие перекрыто глухой частью штока в нижнем его положении, и полностью открыто при поднятии штока вверх на расстояние его рабочего хода, а верхнее перепускное отверстие находится на уровне отверстий штока в его верхнем положении.

Пружина, установленная в корпус, предпочтительно должна быть предварительно напряженной.

Конструктивные особенности изобретения проиллюстрированы на чертежах. Фигуры 1-4 демонстрируют предлагаемое устройство на всех этапах его работы:

фиг. 1 – вид устройства в разрезе на этапе активации и работы скважинного оборудования, когда клапан закрыт, плоскость разреза показывает перепускные отверстия, выполненные в виде радиальных каналов в корпусе,

фиг. 2 – вид устройства в разрезе на этапе активации и работы скважинного оборудования, когда клапан закрыт, плоскость разреза показывает продольные каналы в корпусе, сообщающие кольцевую проточку с полостью скважинного оборудования,

фиг. 3 – вид устройства в разрезе на этапе активации и работы скважинного оборудования, когда клапан закрыт, плоскость разреза показывает продольные каналы в корпусе, сообщающие кольцевую проточку с полостью скважинного оборудования, дополнительно показано направление движения жидкости из НКТ в полость скважинного оборудования,

фиг. 4 – вид устройства в разрезе на этапе выравнивания давления в полостях скважинного оборудования и НКТ для деактивации оборудования, когда клапан открыт, дополнительно показано направление движения жидкости из НКТ и из полости скважинного оборудования в затруб.

Позиции 1-16 на фигурах 1-4 указывают на конструктивные элементы возможной реализации изобретения - клапана уравнительного многоразового действия:

1 - полый шток клапана,

2 - подвеска НКТ жестко соединённая с полым штоком 1,

3 - корпус клапана,

4 - ограничивающий ход штока 1 выступ на внутренней поверхности корпуса 3,

5 - кольцевой выступ полого штока 1,

6 - пружина, упирающаяся одной стороной в кольцевой выступ 5 полого штока 1, второй стороной во внутреннюю часть корпуса 3, при этом удерживающая вес корпуса и соединенного с ним скважинного оборудования, а также удерживающая шток в крайнем нижнем рабочем положении,

7 - глухая часть штока 1,

8 - радиальные отверстия штока 1, сообщающиеся с центральным каналом 16 полого штока,

9 - кольцевая проточка в корпусе 3, сообщающаяся с радиальными отверстиями 8 штока 1 на этапе активации и работы скважинного оборудования,

10 - продольные каналы в корпусе 3, сообщающиеся с кольцевой проточкой 9 с одной стороны и с управляемым оборудованием 15 с другой стороны,

11 - верхние радиальные перепускные отверстия в корпусе 3,

12 - нижние радиальные перепускные отверстия в корпусе 3,

13 - нижнее уплотнение, которое обеспечивает в нижнем положении штока 1 герметичное соединение полостей НКТ и оборудования (фиг.3)

14 - верхнее уплотнение, которое обеспечивает в нижнем положении штока 1 герметичное соединение полостей НКТ и оборудования, а в верхнем положении штока - герметичное разделение этих полостей (фиг. 3-4)

15 - управляемое клапаном оборудование,

16 - центральный канал полого штока 1.

Устройство работает следующим образом.

Устройство с присоединённым к нему снизу скважинным оборудованием 15 спускают в скважину на колонне НКТ 2, жестко соединённой с полым штоком 1 (фиг 3). Пружина 6, установленная в корпус 3 клапана предварительно напряженной (сжатой), удерживает шток 1 в крайнем нижнем положении, при этом полость НКТ 2 через центральный канал 16 полого штока 1, радиальные отверстия 8 штока 1, кольцевую проточку 9 корпуса 3 и продольные каналы 10 корпуса 3 гидравлически связана со скважинным оборудованием 15. При подаче рабочей жидкости под давлением с дневной поверхности в полость НКТ 2 эта жидкость указанным путём поступает в скважинное оборудование 15 и активирует его. При активации скважинного оборудования 15 происходит его фиксация в скважине каким бы то ни было способом. После выполнения скважинным оборудованием 15 технологической операции давление в полости НКТ начинают снижать за счет выравнивая с давлением в затрубном пространстве (фиг.4) натяжением подвески НКТ 2 и вытягиванием штока 1 на величину рабочего хода S, до упора кольцевого выступа 5 в ограничивающий выступ 4 корпуса 3, при этом глухая часть 7 полого штока 1 выходит из соприкосновения с нижним уплотнением 13 и входит в соприкосновение с верхним уплотнением 14, а радиальные отверстия 8 штока 1 оказываются напротив радиальных перепускных отверстий 11 корпуса 3, установив гидравлическую связь полости НКТ с полостью затрубного пространства. Отдельно и независимо от этого продольные каналы 10 корпуса 3 и кольцевая проточка 9 корпуса 3 оказываются гидравлически связанными с радиальными перепускными отверстиями 12 корпуса 3, при этом выравнивается давление между полостью скважинного оборудования 15 и затрубным пространством, а непосредственно полость оборудования 15 и полость НКТ 2 оказываются герметично разделены глухой частью 7 полого штока 1. В этом открытом положении клапана за счёт герметичного разделения полости НКТ и полости скважинного оборудования, а также за счёт наличия собственной группы сообщающихся с затрубом отверстий у каждой полости выравнивания (у полости НКТ – радиальные перепускные отверстия 11, у полости оборудования – радиальные перепускные отверстия 12) происходит ускоренное выравнивание давления обеих полостей, и, в первую очередь, полости скважинного оборудования, с давлением в затрубном пространстве. Выравнивание давления в полости скважинного оборудования с затрубным пространством влечёт за собой деактивацию скважинного оборудования 15, приведению его в транспортное положение и устранению фиксации его в скважине. После того как фиксация в скважине оборудования 15 устранена, возвратная пружина 6 перемещает устройство относительно штока 1 в исходное положение, при котором полость НКТ 1 снова оказывается герметично связанной со скважинным оборудованием 15 (фиг.3), и можно произвести перемещение устройства и скважинного оборудования, а так же повторно их применить. При этом давление в полости НКТ оказывается уже выравненным с затрубным пространством либо сниженным за счет выравнивая с давлением в затрубном пространстве до уровня, достаточного для перемещения оборудования без самопроизвольной его активации.

Изобретение относится к горному делу, добыче нефти и газа, в частности к устройствам для ремонта и обслуживания нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано в том числе в скважинах с низким пластовым давлением. Клапан уравнительный многоразового действия содержит корпус с перепускными отверстиями, расположенный в корпусе с возможностью осевого перемещения шток с центральным каналом, пружину, фиксирующую шток в крайнем положении. В корпусе клапана выполнена проточка и по меньшей мере один канал, сообщающий проточку с подклапанным пространством. Выше и ниже проточки в корпусе выполнены герметизирующие уплотнения, нижняя часть штока выполнена глухой, в стенке штока выполнено по крайней мере одно отверстие, которое в нижнем положении штока располагается на уровне проточки корпуса и соединяет проточку и канал корпуса с центральным каналом штока. По меньшей мере два перепускных отверстия в корпусе выполнены на разной высоте. Нижнее перепускное отверстие находится под нижним герметизирующим уплотнением. Верхнее перепускное отверстие находится над верхним герметизирующим уплотнением. Пружина выполнена с упором одной стороной в выступ полого штока, а второй стороной во внутреннюю часть корпуса. Достигается технический результат – повышение эффективности работы уравнительного клапана многоразового действия для обеспечения ускоренной деактивации скважинного оборудования, зафиксированного в скважине. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Клапан уравнительный многоразового действия, содержащий корпус с перепускными отверстиями, расположенный в корпусе с возможностью осевого перемещения шток с центральным каналом, пружину, фиксирующую шток в крайнем положении, отличающийся тем, что в корпусе клапана выполнена проточка и по меньшей мере один канал, сообщающий проточку с подклапанным пространством, выше и ниже проточки в корпусе выполнены герметизирующие уплотнения, нижняя часть штока выполнена глухой, в стенке штока выполнено по крайней мере одно отверстие, которое в нижнем положении штока располагается на уровне проточки корпуса и соединяет проточку и канал корпуса с центральным каналом штока, при этом по меньшей мере два перепускных отверстия в корпусе выполнены на разной высоте таким образом, что нижнее перепускное отверстие находится под нижним герметизирующим уплотнением, а верхнее перепускное отверстие находится над верхним герметизирующим уплотнением, при этом пружина выполнена с упором одной стороной в выступ полого штока, а второй стороной во внутреннюю часть корпуса.

2. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что рабочий ход штока ограничен выступом на внутренней поверхности корпуса.

3. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что корпус клапана выполнен с возможностью жесткого соединения с расположенным под клапаном скважинным оборудованием, а шток выполнен с возможностью жесткого соединения с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ), таким образом, что при подвесе устройства за шток пружина удерживает корпус, а также удерживает шток в крайнем нижнем рабочем положении.

4. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что корпус клапана выполнен с возможностью жесткого соединения с колонной НКТ, а шток выполнен с возможностью жесткого соединения с расположенным под клапаном скважинным оборудованием, таким образом, что при подвесе устройства за корпус пружина удерживает шток в крайнем верхнем рабочем положении.

5. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что проточка в корпусе клапана выполнена кольцевой.

6. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что канал в корпусе клапана, соединяющий проточку с подклапанным пространством, выполнен продольным.

7. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что нижнее перепускное отверстие перекрыто глухой частью штока в нижнем его положении, и полностью открыто при поднятии штока вверх на расстояние его рабочего хода, а верхнее перепускное отверстие находится на уровне отверстий штока в его верхнем положении.

8. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что пружина установлена в корпус предварительно напряженной.