Клапан обратный промывочный Российский патент 2023 года по МПК E21B34/10 E21B43/12 F16K17/06 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к клапанным устройствам для скважин, оборудованных глубинными насосами, и может быть использовано при добыче нефти, промывке и освоении нефтегазодобывающих скважин.

Известен Обратный клапан, содержащий корпус с верхней и нижней внутренними присоединительными резьбами, служащими для встраивания клапана в колонну насосно-компрессорных труб, подвижный элемент со сквозными отверстиями, муфту для регулировки поджатая пружины, защитное уплотнение, запорный элемент в виде шарика, седло для запорного элемента, при этом запорный элемент в виде шарика имеет возможность перемещения (патент РФ №№2391592, Е21В 34/00; F16K 15/04; F04D 13/10, опубл. 10.06.2010 г.).

Недостатками известного клапана являются:

- низкие функциональные возможности работы клапана ввиду невозможности регулировки усилия пружины на определенный перепад давления и расход промывочной жидкости;

- пружина, являющаяся наиболее неустойчивой к разрушению и засорению, находится под воздействием агрессивного потока.

Наиболее близким является Клапан промывочный шариковый, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами, внутри которого размещены полый шток, седло, запорный элемент, размещенный в седле, пружина и уплотнительные элементы (патент РФ №№153634, Е21В 34/06; F16K 15/04, опубл. 27.07.15., прототип).

Недостатками известного клапана являются:

- низкие функциональные возможности работы клапана ввиду невозможности регулировки усилия пружины на определенный перепад давления и расход промывочной жидкости;

- пружина, являющаяся наиболее неустойчивой к разрушению и засорению, находится под воздействием агрессивного потока.

Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении надежности и, соответственно, увеличении ресурса работы клапана, в том числе и за счет снижения коррозии элементов конструкции, также заявленная конструкция позволяет расширить область ее применения, например, в процессе эксплуатации скважин применять различные технологии обратных промывок и глушения скважин, и осуществлять:

удержание столба жидкости в колонне НКТ в течение всего времени после остановки насоса УЭЦН;

опрессовку колонны НКТ в процессе ее спуска или остановки УЭЦН;

обратную промывку внутренней полости насоса УЭЦН от механических примесей;

закачку химического реагента (HCL 10-15%) с устья через НКТ, во внутреннюю полость УЭЦН через клапанную пару для расклинивания насоса УЭЦН, в том числе по причине выпадения солей и карбонатов на корпусе насоса;

обратную промывку НКТ и УЭЦН горячей нефтью или солевым раствором для устранения асфальтено-смоло-парафиновых отложений и гидратных пробок.

Поставленный результат достигается тем, что Клапан обратный промывочный содержит полый корпус с присоединительными резьбами, внутри которого размещены полый шток, седло, запорный элемент, размещенный в седле, пружина и уплотнительные элементы, при этом внутри полого корпуса размещены неподвижные элементы, включающие в себя втулку нажимную, втулку опорную и гильзу, и размещены подвижные элементы, включающие в себя полый шток, буксу, пружину, седло и запорный элемент, и закреплены с полым корпусом посредством резьбы нажимная и опорная втулки, втулка нажимная выполнена с возможностью размещения ее внутри полого корпуса, закрепления ее в нижней части полого корпуса и с возможностью размещения на ней гильзы, втулка опорная выполнена с возможностью размещения ее внутри полого корпуса, закрепления ее в верней части полого корпуса и с возможностью размещения в ней полого штока, гильза выполнена со сквозными окнами и выступом и с возможностью создания полости внутри полого корпусом для размещения пружины в этой полости на нижней части гильзы, полый шток герметично соединен с втулкой опорной с возможностью перемещения в ней относительно оси полого корпуса и выполнен со сквозными окнами, букса выполнена полой с возможностью размещения в ней гильзы, расположена на верней части гильзы и в нижней части полого штока и герметично соединена с полым штоком с возможностью перемещения вместе с полым штоком, пружина размещена на гильзе между буксой и нижнем основанием гильзы с возможностью перемещения пружины относительно оси гильзы и полого корпуса, седло выполнено с возможностью расположения и закрепления его на буксе и герметичного соединения с полым штоком, а запорный элемент выполнен в виде шара и расположен в седле и на выступе гильзы.

На фиг. 1 изображен Клапан обратный промывочный в исходном (закрытом) положении, отсутствие промывки, на фиг. 2 изображен Клапан обратный промывочный в положении прямая промывка, на фиг. 3 изображен Клапан обратный промывочный в положении обратной промывки.

Обозначения на фигуре:

1 - полый корпус;

2 - втулка нажимная;

3 - втулка опорная;

4 - гильза;

5 - полый шток;

6 - букса;

7 - пружина;

8 - седло;

9 - запорный элемент;

10 - сквозные окна в гильзе;

11 - выступ гильзы; 12- отверстия в штоке;

13 - гайка поджимная;

14 - регулировочное кольцо;

15 -уплотнительные элементы.

В настоящее время фонд скважин, оборудованных пакерами с насосами УЭЦН сталкивается с такими проблемами, как промывка насоса в случае клина, необходимость периодической профилактической обработки от солей и механических примесей, возможность глушения скважины с пакером через насос. Применение стандартных обратных клапанов делает невозможным проведение таких прокачек и обработок насосов при обратных промывках по НКТ с использованием противосолевых растворов.

УЭЦН или другое оборудование, включающее обратные клапана в стандартной комплектации типа КОШ-73 внутри основного лифта НКТ также не позволяют заглушить скважины с прокачкой раствора глушения внутри НКТ при отказе спускных клапанов типа КС-73, а наличие пакеров приводит к невозможности глушения по межтрубному пространству, что часто приводит при ремонтных работах к многочисленным осложнениям, способствует дополнительному применению различных устройств типа дыроколов для нарушения целостности НКТ для сообщения НКТ - затруб, что удорожает ремонты скважин и приводит к порче и отбраковке НКТ.

Клапан обратный промывочный (далее по тексту - «Клапан») содержит полый корпус 1 с присоединительными резьбами,

внутри полого корпуса 1 размещены и закреплены с ним посредством резьбы неподвижные элементы, включающие в себя втулку нажимную 2, втулку опорную 3 и гильзу 4,

и размещены подвижные элементы, включающие в себя полый шток 5, буксу 6, пружину 7, седло 8 и запорный элемент 9.

Втулка нажимная 2 выполнена с возможностью размещения ее внутри полого корпуса 1, закрепления ее, например, с помощью резьбы или срезных фиксирующих элементов (на фиг. не показано) в нижней части полого корпуса 1 и с возможностью размещения на ней гильзы 4, обеспечивая ограничение перемещения гильзы 4, являясь упором для гильзы 4.

Втулка опорная 3 выполнена с возможностью размещения ее внутри полого корпуса 1, закрепления ее, например, с помощью резьбы или срезных фиксирующих элементов (на фиг. не показано), в верней части полого корпуса 1 и с возможностью размещения в ней полого штока 5, обеспечивая ограничение его перемещение, являясь упором для подвижного полого штока 5.

Гильза 4 выполнена со сквозными окнами 10 и выступом 11 и с возможностью создания полости внутри полого корпуса 1 между полым корпусом 1 и гильзой 4 для размещения пружины 7 в этой полости на нижней части гильзы 4, обеспечивая взаимодействие пружины 7 с полым штоком 5 через буксу 6. Гильза 4 закреплена внутри полого корпуса 1, например, с помощью резьбы или срезных фиксирующих элементов (на фиг. не показано), либо зафиксирована нажимной втулкой 2 посредством упора ее о выступы корпуса 1. Кроме того, гильза 4 может располагаться внутри корпуса 1 без фиксации и прижиматься к нажимной втулке 2 пружиной 7.

Полый шток 5 герметично соединен с втулкой опорной 3 с возможностью перемещения в ней относительно оси полого корпуса 1 и выполнен со сквозными окнами 12, обеспечивающими протекание жидкости внутри полого штока 5 и внутри полой опорной втулки 3.

Букса 6 выполнена полой с возможностью размещения в ней гильзы 4, расположена на верней части гильзы 4 и в нижней части полого штока 5. Букса 6 герметично соединена с полым штоком 5 в нижней его части с возможностью перемещения вместе с полым штоком 5.

Букса 6 - это как продолжение полого штока 5. Поэтому полый шток 5 с буксой 6 могут быть выполнены слитно (монолитно) для удобства изготовления полого штока 5 и буксы 6, а именно, нижняя часть полого штока 5 выполнена в виде буксы 6. Букса 6 является продолжением полого штока 5 и упрощает изготовление полого штока 5 и делает его составным с буксой 6.

Пружина 7 размещена на гильзе 4 между буксой 6 и нижнем основанием гильзы 4 с возможностью перемещения пружины 7 относительно оси гильзы 4 и полого корпуса 1, обеспечивая отсутствие воздействия на нее агрессивного потока промывочной жидкости и тем самым увеличивая стойкость ее к абразивному и эрозионному износу,

Пружина 7 обеспечивает регулирование положения подвижного полого штока 5 с буксой 6 и седла 8 вдоль оси полого корпуса 1.

Регулировка усилия пружины 7 осуществляется на заданный перепад давления и расход промывочной жидкости, обеспечивая перетекание жидкости.

Седло 8 выполнено с возможностью расположения и закрепления его на буксе 6 и/или на полом штоке 5, с возможностью расположения в нем запорного элемента 9 и герметичного соединения с полым штоком 5.

Запорный элемент 9 размещен в седле 8 и на выступе 11 гильзы 4. Запорный элемент 9 представляет собой шар.

Между неподвижными и подвижными элементами расположены уплотнительные элементы 15, обеспечивающие герметичность соединений, а именно, чтобы сквозь эти соединения не было перетока жидкости ниже седла 8 и запорного элемента 9.

Уплотнительные элементы 15 представляют собой уплотнительные эластичные элементы, расположенные:

между втулкой опорной 3 и полым корпусом 1,

между втулкой опорной 3 и полым штоком 5,

между седлом 8 и полым штоком 5,

между полым корпусом 1 и полым штоком 5,

между буксой 6 и полым штоком 5, обеспечивая герметизацию этих соединений.

Клапан дополнительно содержит

- гайку поджимную 13, установленную на гильзе 4 с возможностью дополнительного регулирования натяжения (напряжения) пружины 7 и представляет собой, например, резьбовое кольцо, втулку с резьбой.

- регулировочное кольцо 14, установленное на нижнем основании гильзы 4, для обеспечения зазора между поджимной гайкой 13 и/или пружиной 7 и гильзой 4, для облегчения монтажа Клапана и возможности регулировки натяга пружины 7 в случае отсутствия поджимной гайки 13, и представляет собой, например, резьбовое или без резьбы одно кольцо или несколько колец с одной или разной толщиной.

Изменяя толщину регулировочного кольца 14 осуществляют дополнительное изменение и регулирование натяга пружины 7.

Клапан обеспечивает три положения:

1 положение - в этой позиции осуществляют прямую промывку, когда насос работает, жидкость из насоса поступает в канал, образованный в положении запорного элемента 9 над седлом 8, когда жидкость из насоса при движении по НКТ поднимает вверх запорный элемент 9 над седлом 8 (фиг. 2);

2 положение - в этой позиции клапан закрыт, насос не работает, а запорный элемент 9 герметично размещен в седле 8, жидкость статична (фиг. 1);

3 положение - в этой позиции осуществляют обратную промывку, насос не работает, но образован канал для прохода жидкости в положении запорного элемента 9, распложенного на выступе 11 гильзы 4 над седлом 8, когда под действием давления жидкости произошло сжатие пружины 7 и седло 8 с полым штоком 5 и буксой 6 опустились, при этом седло 8 установилось ниже выступа 11 гильзы 4 и жидкость стекает вниз под запорный элемент 9 (фиг. 3).

Клапан обратный промывочный работает следующим образом.

Перед спуском в скважину Клапан настраивают на давление, обеспечивающее открытие Клапана для обратной промывки УЭЦН. Пружину 7 устанавливают с параметрами, обеспечивающими ее срабатывание для открытия Клапана, точнее на опускание и перемещение седла 8 ниже выступа 11 гильзы 4, но при этом превышающими рабочее гидростатическое давление столба жидкости, развиваемое УЭЦН на глубине установки клапана, например, на 30-50 атм.

Дополнительно пружину 7 поджимают гайкой поджимной 13, обеспечивая нужный режим ее срабатывания, например, на заданное давление открытия клапана (200, 250 атм), которое должно быть выше на 10-50 атм. гидростатического давления жидкости на глубине установки клапана, чтобы в случае остановки УЭЦН Клапан был герметичным и мог удерживать внутри НКТ гидростатический столб.

Клапан устанавливают на НКТ и над глубинным насосом (на фиг. не показано) вместо обычного обратного клапана.

После спуска Клапана в скважину, проверяют его работоспособность следующим образом:

Вначале осуществляют подачу промывочной жидкости с устья в НКТ.

Жидкость оказывает воздействие на площадь сечения полого штока 5, буксы 6 и седла 8, которые удерживаются в верхнем положении под действием пружины 7. После превышения заданного давления, например, 200 атм, обеспечивающего удержание полого штока 5 в верхнем положении, подвижные элементы, включающие все, что установлены и закреплены на полом штоке 5, в том числе букса 6, седло 8, уплотнительные элементы 15, перемещаются вниз, сжимая пружину 7. При этом запорный элемент 9 перестает фиксироваться в седле 8, которое опустилось вниз ниже выступа 11 гильзы 4.

После этого промывочная жидкость внутри НКТ проходит сквозь Клапан по образованному каналу между седлом 8 и запорным элементом 9, поступает сверху в глубинный насос, осуществляя обратную промывку.

Следует отметить, что полый шток 5 в сборе с седлом 8 и буксой 6 образуют единый взаимосвязанный подвижный элемент, который опускается вниз под действием давления в НКТ сверху и сдавливает пружину 7, перемещая вниз седло 8 с полым штоком 5 с буксой 6. При этом запорный элемент 9 в виде шара остается на выступе 11.

При осуществлении прямой промывки, начинает глубинный насос работать и жидкость из глубинного насоса поступает в канал, образованный внутри полого корпуса 1 при положении запорного элемента 9 над седлом 8, жидкость поднимается вверх (фиг. 2) на устье по НКТ. Запорный элемент 9 в виде шара поднимается над седлом 8 и удерживается потоком жидкости в верхнем положении.

Пространство между корпусом 1 и гильзой 4 заполнено маслом или иной антикоррозионной жидкостью, вмещает пружину 7 и буксу 6.

При осуществлении обратной промывки (фиг. 3) седло 8 с буксой 6 и полым штоком 5 передают усилие давления жидкости на пружину 7 для смещения вниз седла 8 относительно неподвижной гильзы 4 для возможности выхода запорного элемента 9 из седла 8 над гильзой 4, точнее размещается запорного элемента 9 на выступе 11 гильзы 4 для открытия пропускного отверстия полого корпуса 1 для обратного течения вниз внутритрубной надклапанной жидкости или жидкости глушения.

Когда глубинный насос не работает (фиг. 1) и сверху по НКТ не подают под давлением жидкость, то запорный элемент 9 размещен в седле 8 герметично, жидкость статична и Клапан закрыт.

Пример конкретного выполнения.

Клапан устанавливают на НКТ над насосом УЭЦН (например, можно также под пакером) для обратной промывки внутренней полости насоса УЭЦН от механических примесей или глушения через УЭЦН при наличии пакера над УЭЦН, после чего НКТ с оборудованием опускают в скважину (на фиг. не показано).

В исходном положение Клапан закрыт и запорный элемент в виде шара 9 прижат к седлу 8, жидкость не поступает в него.

При подаче рабочей жидкости при прямой промывке от насоса УЭЦН шар 9 от воздействия потока жидкости отходит (поднимается потоком жидкости в верхнее положение) от седла 8, тем самым обеспечивая проходной канал в полом корпусе 1 - Клапан открывается и жидкость от УЭЦН поднимается вверх и поступает в НКТ.

При прекращении подачи жидкости насосом УЭЦН в Клапане - шар запорного элемента 9 опускается вниз за счет давления столба жидкости сверху и прижимается к седлу 8, герметично закрывая Клапан.

При обратной промывке подается жидкость с устья с избыточным давлением с буфера фонтанной арматуры в НКТ. При достижении в НКТ давления свыше гидростатического на 50 атм., например, Р=200-250 атм. (кг/см2) в месте установки Клапана, жидкость оказывает давление на седло 8, а полый шток 5 с буксой 6, передают давление на пружину 7, деформируя ее. Полый шток 5 с буксой 6 и седло 8 опускаются. При этом седло 8 опускается ниже выступа 11, а шар 9 при этом остается на выступе 11 гильзы 4 на некотором расстоянии от седла 8, обеспечивая гарантированный зазор для перетока внутритрубной жидкости между шаром 9 и седлом 8.

Через зазор между седлом 8 и шаром 9 и через проходной канал в полом корпусе 1 и в гильзе 4 промывочная внутритрубная жидкость устремляется вниз в обратном направлении (режим обратной промывки) в сторону насоса УЭЦН, обеспечивая промывку насоса УЭЦН от механических примесей.

При снятии избыточного давления на буфере фонтанной арматуры, полый шток 5 с буксой 6 и вместе с седлом 8 под действием пружины 7 возвращается в исходное положение с герметичным прилеганием шара 9 к седлу 8, за счет давления столба жидкости шар 9 герметично закрывает седло 8 Клапана, жидкость не поступает в насос УЭЦН.

Дополнительно регулировочная поджимная гайка 13 на гильзе 4, позволяет дополнительно производить регулировку напряжения и величину сжатия пружины 7 для нестандартных скважинных условий в зависимости от необходимого перепада давления, когда требуется дополнительная настройка давления сжатия пружины.

При прямой промывке Клапан обеспечивает пропуск скважинного флюида из насоса УЭЦН вверх по НКТ, при этом поджимная гайка 13 и пружина 7 не находятся в потоке, поскольку они изолированы от потока гильзой 4, что предотвращает преждевременный эрозионный износ и засорение пружины 7, которая расположена между полым корпусом 1 и гильзой 4, что значительно продлевает работу пружины 7 и предотвращает ее эрозионный износ, а также снижает сопротивление потока.

При обратной промывке в Клапане пружина 7 и поджимная гайка 13 также не находятся в потоке скважинного флюида, который проходит с устья по НКТ, что также удлиняет срок службы-работы пружины 7, когда полый корпус 1 и гильза 4 защищают ее от воздействия агрессивных кислот, которые используются при обратной промывке насоса ЭЦН.

Надежность работы Клапана увеличилась, в том числе и за счет дополнительного регулирования напряжения пружины 7 посредством поджимной гайки 13 и кольца 14, позволяя при обратной промывке внутренней полости насоса УЭЦН вымыть механические примеси из нее или расклинить УЭЦН при прокачке через насос специальной промывочной жидкости.

Заявленная конструкция повышает надежность работы Клапана и, соответственно, увеличивает ресурс его работы, в том числе и за счет снижения прямого воздействия потока коррозионной жидкости на элементы конструкции наиболее подверженные износу, снижая коррозию элементов конструкции, также заявленная конструкция позволяет расширить область ее применения, например, в процессе эксплуатации скважин применять различные технологии промывок и глушения скважин, и осуществлять: удержание столба жидкости в колонне НКТ в течение всего времени остановки насоса УЭЦН; опрессовку колонны НКТ в процессе ее спуска или остановки УЭЦН; обратную промывку внутренней полости насоса УЭЦН от механических примесей; закачку химического реагента (HCL 10-15%) с устья через НКТ, во внутреннюю полость УЭЦН через клапанную пару для расклинивания насоса УЭЦН, в том числе по причине выпадения солей и карбонатов на корпусе насоса; обратную промывку НКТ и УЭЦН горячей нефтью или солевым раствором для устранения асфальтено-смоло-парафиновых отложений и гидратных пробок.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к клапанным устройствам для скважин, оборудованных глубинными насосами, и может быть использовано при добыче нефти, промывке, глушении и освоении нефтегазодобывающих скважин. Клапан обратный промывочный, содержит полый корпус с присоединительными резьбами. Внутри полого корпуса размещены неподвижные элементы, включающие в себя гильзу, втулку нажимную и втулку опорную, закрепленные посредством резьбы, и размещены подвижные элементы, включающие в себя полый шток, буксу, пружину, седло с запорным элементом и уплотнительные элементы. Втулка нажимная закреплена в нижней части полого корпуса и с возможностью размещения на ней гильзы. Втулка опорная закреплена в верхней части полого корпуса и с возможностью размещения в ней полого штока. Гильза выполнена со сквозными окнами в верхней части и с выступом, с возможностью создания полости между полым корпусом и гильзой для размещения пружины в этой полости на нижней части гильзы. Полый шток герметично соединен с втулкой опорной с возможностью перемещения в ней относительно оси полого корпуса и выполнен со сквозными окнами. Букса выполнена полой с возможностью размещения в ней гильзы, расположена на верхней части гильзы и в нижней части полого штока и герметично соединена с полым штоком с возможностью перемещения вместе с полым штоком. Пружина размещена на гильзе между буксой и нижним основанием гильзы, седло выполнено с возможностью расположения и закрепления его на буксе и герметичного соединения с запорным элементом и с полым штоком, а запорный элемент выполнен в виде шара и расположен в седле и на выступе гильзы. Достигается технический результат – повышение надежности и, соответственно, увеличение ресурса работы клапана, в том числе и за счет снижения коррозии элементов конструкции. 3 ил.

Клапан обратный промывочный, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами, отличающийся тем, что внутри полого корпуса размещены неподвижные элементы, включающие в себя гильзу, втулку нажимную и втулку опорную, закрепленные посредством резьбы, и размещены подвижные элементы, включающие в себя полый шток, буксу, пружину, седло с запорным элементом и уплотнительные элементы, при этом втулка нажимная закреплена в нижней части полого корпуса и с возможностью размещения на ней гильзы, втулка опорная закреплена в верхней части полого корпуса и с возможностью размещения в ней полого штока, гильза выполнена со сквозными окнами в верхней части и выступом и с возможностью создания полости между полым корпусом и гильзой для размещения пружины в этой полости на нижней части гильзы, полый шток герметично соединен с втулкой опорной с возможностью перемещения в ней относительно оси полого корпуса и выполнен со сквозными окнами, букса выполнена полой с возможностью размещения в ней гильзы, расположена на верхней части гильзы и в нижней части полого штока и герметично соединена с полым штоком с возможностью перемещения вместе с полым штоком, пружина размещена на гильзе между буксой и нижним основанием гильзы, седло выполнено с возможностью расположения и закрепления его на буксе и герметичного соединения с запорным элементом и с полым штоком, а запорный элемент выполнен в виде шара и расположен в седле и на выступе гильзы.