Стационарный проходной клапан-отсекатель Российский патент 2024 года по МПК E21B34/06 E21B34/12 E21B43/12 

Изобретение относится к внутрискважинному оборудованию и может быть использовано при бурении и ремонте нефтегазовых скважин, преимущественно в условиях депрессии на продуктивный пласт.

Использование стационарного проходного клапана-отсекателя при бурении скважины на депрессии позволяет кратно снизить стоимость ее строительства (по сравнению с бурением при избыточном давлении). Кроме того, обеспечивается возможность надежной герметизации скважины в случае ее консервации без предварительного глушения.

Необходимым условием включения стационарного проходного клапана-отсекателя в состав эксплуатационной колонны следует считать соответствие его наружного диаметров наружному диаметру муфты эксплуатационной колонны, т.е. наружный диаметр клапана-отсекателя может превышать наружный диаметр муфты эксплуатационной колонны в допустимых пределах, не препятствующих спуску эксплуатационной колонны в ствол скважины. Также следует принимать во внимание, что в случае установки стационарного проходного клапана-отсекателя в значительной степени уменьшается внутренний диаметр эксплуатационной колонны. Данное обстоятельство существенно сужает диапазон технологических возможностей используемых стационарных проходных клапанов-отсекателей из-за ограниченной возможности перемещения различных видов инструмента и оборудования внутри эксплуатационной колонны. Поэтому при разработке новых конструкций стационарных проходных клапанов-отсекателей стремятся увеличить диаметр их внутреннего канала при одновременном сохранении наружного диаметра.

Известна конструкция створчатого клапана с уравнительным устройством [1], предназначенного преимущественно для установки в составе колонны насосно-компрессорных труб и выполняющего функции скважинного клапана-отсекателя. При этом конструктивные особенности створчатого клапана позволяют стационарно разместить его в обсадной колонне. Корпус створчатого клапана выполнен в виде полого ступенчатого цилиндра, во внутренней полости которого размещены седло, запорный орган и шарнирное соединение. Седло, соосно установленное в корпусе, имеет форму втулки с двумя округлыми вырезами, которые расположены диаметрально противоположно друг другу. Подпружиненный запорный орган имеет изогнутую дугообразную форму, обусловленную необходимостью совпадения с формой внутренней поверхности корпуса (при открытом положении запорного органа). Запорный орган выполнен с двумя округлыми выступами, которые соответствуют ответным вырезам седла, и при помощи шарнирного соединения связан с корпусом. Перевод створчатого клапана из закрытого положения в открытое осуществляется посредством дополнительной (управляющей) колонны труб.

Основной недостаток известного створчатого клапана заключается в том, что наружный диаметр его корпуса значительно превышает наружный диаметр колонны труб, в составе которой устанавливается упомянутый клапан.

Известен клапан обратный поворотный, устанавливаемый внизу обсадной колонны [2], включающий патрубок, связанный верхним концом с корпусом, в котором при помощи шарнирного соединения установлены подпружиненный затвор тарельчатой формы и седло. Внутри корпуса, с возможностью осевого перемещения относительно него, размещена рабочая втулка, которая имеет ступенчатую наружную поверхность. Внутри рабочей втулки установлена управляющая втулка, которая снабжена цангой. В компоновку низа бурильной колонны включено управляющее устройство с кольцом со срезаемыми элементами. При прохождении бурильного инструмента через клапан кольцо контактирует с управляющей втулкой, которая вместе с рабочей втулкой перемещается в осевом направлении и открывает затвор.

Основной конструктивный недостаток известного клапана заключается в использовании затвора тарельчатой формы, что, в свою очередь, приводит либо к уменьшению диаметра проходного канала клапана, либо к увеличению его наружного диаметра.

Известен стационарный проходной клапан-отсекатель [3], включающий корпус, устанавливаемый в нижней части эксплуатационной колонны, размещенные в корпусе дифференциальный плунжер с фиксатором и уплотнительными элементами, седло, эксцентричную распорную втулку и подпружиненную хлопушку на оси. Дифференциальный плунжер соединен с цанговой захватной муфтой, у которой имеется возможность взаимодействия с цанговым захватом. Последний находится в составе компоновки низа бурильной колонны и предназначен для управления закрытием клапана-отсекателя после заведения долота в плунжер в процессе подъема бурильной колонны на поверхность.

Главным недостатком известного клапана-отсекателя является малая величина диаметра проходного канала, составляющая, к примеру, 119 и 125 мм соответственно для эксплуатационных колонн условным диаметром 168 и 178 мм. Данное обстоятельство жестко ограничивает габаритные размеры бурильного инструмента, используемого для дальнейшего углубления ствола скважины.

Известно устройство для предотвращения и ликвидации открытых фонтанов на скважинах [4], которое может быть предложено в качестве прототипа. Указанное устройство состоит из полого цилиндрического корпуса, на концах которого эксцентрично закреплены соосные патрубки с присоединительными резьбами для обеспечения возможности включения устройства в состав обсадной колонны. Во внутренней полости корпуса размещены седло, кронштейн и дугообразный запорный орган, который шарнирного связан с кронштейном при помощи оси. Седло имеет форму полого цилиндра и выполнено с двумя вырезами, размещенными диаметрально противоположно друг другу и имеющими в проекции на вертикальную плоскость форму прямоугольного равнобедренного треугольника с основанием на нижнем торце седла. Дугообразный запорный орган выполнен с выступами, которые соответствуют вырезам седла, при этом ось шарнирного соединения размещена параллельно прямой, проходящей через вершины выступов запорного органа.

Известное устройство имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, наружный диаметр его корпуса значительно превышает наружный диаметр обсадной колонны, в составе которой размещено указанное устройство. Из-за этого возникает необходимость бурить ствол скважины под эксплуатационную колонну долотами большего диаметра, что неэффективно как технически, так и экономически. Во-вторых, шарнирно подвешенный дугообразный запорный орган в открытом положении не имеет надежной фиксации, из-за чего при выполнении подъема бурильной колонны может произойти ее заклинивание и возникновение аварийной ситуации.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и эффективности работы стационарного проходного клапана-отсекателя.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что стационарный проходной клапан-отсекатель снабжен пружиной кручения, кожухом, упругими разжимными кольцами, уплотнительным элементом и шайбой, причем кожух имеет форму тонкостенного полого цилиндра, который выполнен разрезным в осевом направлении, при этом на внутренней поверхности кожуха выполнены кольцевые расточки для размещения в них разжимных колец, причем кожух в сжатом состоянии может быть размещен во внутренней полости корпуса с возможностью взаимодействия с запорным элементом, а в разжатом состоянии - во внутренней полости патрубка, причем кронштейн состоит из упора, стойки и основания, выполненного в форме полого цилиндра, к верхнему торцу которого жестко присоединены расположенные диаметрально противоположно друг другу стойка и упор, выполненный в форме усеченного полого цилиндра, при этом запорным элемент посредством оси шарнирно связан со свободным концом стойки, а шайба соосно закреплена в нижней части внутренней полости патрубка с возможностью взаимодействия с нижним торцом кожуха, причем пружина кручения имеет изогнутую в пространстве форму и установлена внутри корпуса таким образом, что ее верхняя часть имеет возможность взаимодействия с запорным элементом, а нижняя - с основанием, при этом уплотнительный элемент установлен на наружной поверхности седла с возможностью взаимодействия с запорным элементом в закрытом положении последнего, а выступы запорного элемента и соответствующие им вырезы седла выполнены с закругленными вершинами.

Конструкция стационарного проходного клапана-отсекателя поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан общий вид клапана-отсекателя в открытом положении; на фиг. 2 - общий вид клапана-отсекателя в закрытом положении; на фиг. 3 - общий вид пружины кручения в изометрии.

Стационарный проходной клапан-отсекатель состоит из цилиндрического полого корпуса 1, нижний конец которого связан с патрубком 2. На корпусе 1 и патрубке 2 выполнены присоединительные резьбы, с помощью которых клапан может быть установлен в составе эксплуатационной колонны.

Во внутренней полости корпуса 1, в его верхней части, соосно установлено седло 3, имеющее форму полого цилиндра, у которого в нижней части выполнены два диаметрально противоположно расположенных выреза. В проекции на вертикальную плоскость, вырезы имеют форму прямоугольного равнобедренного треугольника, основание которого размещено на нижнем торце седла 3.

Во внутренней полости корпуса 1 также размещен дугообразный запорный элемент 4 с двумя выступами, которые соответствуют вырезам в седле 3. Выступы на запорном элементе 4 и соответствующие им вырезы в седле 3 выполнены с закругленными вершинами.

На наружной поверхности седла 3, которая сопрягается с ответной наружной поверхностью запорного элемента 4, установлен эластичный уплотнительный элемент 5.

Во внутренней полости корпуса 1, кроме седла 3 и запорного элемента 4, соосно размещены кронштейн, кожух 6 с упругими разжимными кольцами 7 и пружина кручения 8.

Кронштейн состоит из основания 9, стойки 10 и упора 11. Основание 9 имеет форму полого цилиндра и выполнено разъемным в осевом направлении для удобства размещения внутри корпуса 1. К верхнему торцу основания жестко присоединены стойка 10 и упор 11, установленные диаметрально противоположно друг другу. Стойка 10 имеет вилкообразную форму, а упор 11 - форму усеченного полого цилиндра, нижний торец которого присоединен к основанию 9.

Запорный элемент 4 посредством оси 12 шарнирно связан с концом стойки 10, расположенным напротив основания 9. Запорный элемент 4 установлен с возможностью поворота вокруг оси 12, которая размещена параллельно прямой, проходящей через вершины выступов запорного элемента 4.

Во внутренней полости корпуса 1 размещена пружина кручения 8, имеющая изогнутую в пространстве форму. Пружина кручения 8 установлена внутри корпуса 1 таким образом, что ее верхняя часть взаимодействует с запорным элементом 4, а нижняя - с основанием 9.

Кожух 6 представляет собой тонкостенный полый цилиндр, выполненный разрезным в осевом направлении (т.е. по образующей цилиндра). На внутренней поверхности кожуха 6 выполнены кольцевые расточки, предназначенные для размещения в них упругих разжимных колец 7.

В сжатом состоянии кожух 6 может быть размещен во внутренней полости корпуса 1 с возможностью взаимодействия с запорным элементом 4, а в разжатом состоянии - во внутренней полости патрубка 2.

В нижней части внутренней полости патрубка 2 соосно закреплена шайба 13, которая ограничивает величину осевого перемещения кожуха 6 относительно патрубка 2.

Стационарный проходной клапан-отсекатель работает следующим образом.

На поверхности, перед спуском клапана-отсекателя в ствол скважины, его запорный элемент 4 принудительно переводят в открытое положение, при котором он взаимодействует с внутренней стенкой корпуса 1, сжимая при этом пружину кручения 8. В указанном положении запорный элемент 4 фиксируют путем размещения кожуха 6, находящегося в сжатом состоянии, во внутренней полости корпуса 1.

Затем клапан-отсекатель, у которого запорный элемент 4 зафиксирован в открытом положении, размещают в составе эксплуатационной колонны и вместе с ней спускают в ствол скважины. Клапан-отсекатель устанавливают в нижней части эксплуатационной колонны, как правило, на 50-100 м выше башмака и обратного клапана.

После спуска и установки эксплуатационной колонны в стволе скважины осуществляют цементирование затрубного пространства по принятой технологии.

Закрытие клапана-отсекателя осуществляют путем создания осевой нагрузки на верхний торец кожуха 6. Указанная осевая нагрузка может быть обеспечена различными способами: например, с помощью бурильного инструмента или колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), спущенной на проволоке (или на канате) грузовой штанги и т.д. Кожух 6, при осевом нажатии на его верхний торец, начинает перемещаться из внутренней полости корпуса 1 во внутреннюю полость патрубка 2, где под действием разжимных колец 7 происходит расширение кожуха 6 в радиальном направлении. Возможность дальнейшего осевого перемещения кожуха 6, после его размещения во внутренней полости патрубка 2, ограничивает шайба 13.

Далее бурильный инструмент (или колонну НКТ, грузовую штангу и т.д.), взаимодействующий с верхним торцом кожуха 6, извлекают на поверхность. Запорный элемент 4, освобожденный от кожуха 6, под воздействием сжатой пружины кручения 8 поворачивается вокруг оси 12 и прижимается к седлу 3. При этом наличие эластичного уплотнительного элемента 5, размещенного между сопряженными наружными поверхностями седла 3 и запорного элемента 4, обеспечивает герметичность перекрытия внутреннего канала эксплуатационной колонны.

В дальнейшем открытие клапана-отсекателя при прохождении через него бурильного инструмента или колонны НКТ происходит автоматически. В случае же подъема бурильного инструмента или колонны НКТ выше места размещения клапана-отсекателя, последний автоматически закрывается.

Практическая реализация изложенных конструктивных решений позволяет организовать производство размерного ряда стационарных проходных клапанов-отсекателей, предназначенных для размещения в составе эксплуатационных колонн условным диаметром 140-245 мм.

В качестве примера, на основании изготовленных макетных образцов, ниже приведены основные размеры стационарных проходных клапанов-отсекателей.

Источники информации:

1. Патент РФ №2354807 С1, опубл. 10.05.2009.

2. Патент РФ №135706 U1, опубл. 20.12.2013.

3. Патент РФ №2250354 С2, опубл. 20.04.2005.

4. Авторское свидетельство СССР №1775547 А1, опубл. 15.11.1992.

Изобретение относится к внутрискважинному оборудованию для бурения и ремонта нефтегазовых скважин в условиях депрессии на продуктивный пласт. Стационарный проходной клапан-отсекатель состоит из цилиндрического полого корпуса и соосно связанного с ним патрубка, установленного внутри корпуса седла в виде полого цилиндра с двумя диаметрально противоположно расположенными вырезами, имеющими в проекции на вертикальную плоскость форму прямоугольного равнобедренного треугольника, основание которого опирается на торец седла. Во внутренней полости корпуса размещены кронштейн и дугообразный запорный элемент, выполненный с выступами, соответствующими вырезам седла. Клапан снабжен пружиной кручения, кожухом, упругими разжимными кольцами, уплотнительным элементом и шайбой. Кожух имеет форму полого цилиндра, выполненного разрезным в осевом направлении. На внутренней поверхности кожуха выполнены кольцевые расточки для размещения в них разжимных колец. Кожух в сжатом состоянии может быть размещен во внутренней полости корпуса с возможностью взаимодействия с запорным элементом, в разжатом состоянии - во внутренней полости патрубка. Кронштейн состоит из упора, стойки и основания, выполненного в форме полого цилиндра. К верхнему торцу полого цилиндра жестко присоединены расположенные диаметрально противоположно друг другу стойка и упор, выполненный в форме усеченного полого цилиндра. Запорный элемент посредством оси шарнирно связан со свободным концом стойки. Пружина кручения имеет изогнутую в пространстве форму и установлена внутри корпуса таким образом, что ее верхняя часть имеет возможность взаимодействия с запорным элементом, а нижняя - с основанием. Достигается технический результат – повышение надежности и эффективности работы стационарного проходного клапана-отсекателя. 1 табл., 3 ил.

Стационарный проходной клапан-отсекатель, состоящий из цилиндрического полого корпуса и соосно связанного с ним патрубка, на концах которых выполнены присоединительные резьбы, установленного внутри корпуса седла в виде полого цилиндра с двумя диаметрально противоположно расположенными вырезами, имеющими в проекции на вертикальную плоскость форму прямоугольного равнобедренного треугольника, основание которого опирается на торец седла, размещенных во внутренней полости корпуса кронштейна и дугообразного запорного элемента, выполненного с выступами, соответствующими вырезам седла, и шарнирно присоединенного к кронштейну посредством оси, которая установлена параллельно прямой, проходящей через вершины выступов запорного элемента, отличающийся тем, что он снабжен пружиной кручения, кожухом, упругими разжимными кольцами, уплотнительным элементом и шайбой, причем кожух имеет форму полого цилиндра, который выполнен разрезным в осевом направлении, при этом на внутренней поверхности кожуха выполнены кольцевые расточки для размещения в них разжимных колец, причем кожух в сжатом состоянии может быть размещен во внутренней полости корпуса с возможностью взаимодействия с запорным элементом, а в разжатом состоянии - во внутренней полости патрубка, причем кронштейн состоит из упора, стойки и основания, выполненного в форме полого цилиндра, к верхнему торцу которого жестко присоединены расположенные диаметрально противоположно друг другу стойка и упор, выполненный в форме усеченного полого цилиндра, при этом запорный элемент посредством оси шарнирно связан со свободным концом стойки, а шайба соосно закреплена в нижней части внутренней полости патрубка с возможностью взаимодействия с нижним торцом кожуха, причем пружина кручения имеет изогнутую в пространстве форму и установлена внутри корпуса таким образом, что ее верхняя часть имеет возможность взаимодействия с запорным элементом, а нижняя - с основанием, при этом уплотнительный элемент установлен на наружной поверхности седла с возможностью взаимодействия с запорным элементом в закрытом положении последнего, а выступы запорного элемента и соответствующие им вырезы седла выполнены с закругленными вершинами.