Скважинный отсекатель пласта Советский патент 1984 года по МПК E21B34/06 

о со Изобретение относится к добыче нефти и может быть использовано для перекрытия ствола скважины выше продуктивных пластов при проведении подземного ремонта. Известен забойный запорный клапан, со держащий корпус с кольцевой гидрокамеjxni, седла, между которыми размещен :,aTiioi), выполненный в виде шара с осевым каналом, подпружиненный поршень. образуюший с корпусом дополнительную гидрокамеру 1. Недостатком указанного клапана является низкая надежность его работы из-за возможной разгерметизации камер в процессе эксплуатации вследствие значительной разности давлений в скважине на глубине установки клапана и в его гидрокамерах. Возникновение в данной конструкции отсекателя значительных перепадов давлений в гидрокамерах и скважине обусловлено следующим обстоятельством: перед спуском клапана в скважину в его гидрокамеру нагнетают нейтральный газ с такими термодинамическими параметрами, чтобы при спуске клапана на заданную глубину давление в гидрокамере стало равным давлению в скважине. Однако в процессе эксплуатации скважины термодинамические параметры (давление, температура) скважинной жидкости на глубине установки забойного запорного клапана значительно изменяются, при этом конструкция клапана не обеспечивает выравнивание давлений в скважине и гидрокамерах. Изменение давления по стволу скважины вызывается различными причинами. Так при работе погружных электронасосов перепад между пластовым и забойным давлениями достигает 10 МПа и более. При подземном ремонте, напротив, забойное давление может превышать пластовое до 2 МПа и более. Изменения давления и температуры но стволу скважины возработах. никают так же при подземных связанных с воздействием на пласт с целью увеличения производительности скважины и др. Клапан такой конструкции перед спуском в скважину должен быть настроен так, чтобы при кратковременных остановках глубинной насосной установки не произошло его самопроизвольное закрытие из-за возможного повышения статического уровня жидкости в скважине вследствие, например, увеличения закачки жидкости в смежные нагнетательные скважины. Самопроизвольное закрытие клапана осложнит последующий запуск глубинной насосной установки, в особенности ее автоматический запуск, так как до запуска установки необходимо открыть забойный клапан, для чего сначала надо понизить давление в скважине, при этом привод затвора придет в исходное положение (подвижный поршень займет свое верхнее крайнее положение), а затем повысить давление в скважине до давления срабатывания (открытия) клапана. Устранение самопроизвольного закрытия клапана вследствие возможного повышения давления в скважине приводит к необходимости повышения расчетной разности явлении в скважине и гидрокамерах клапана, необходимой для его срабатывания. Повышенные перепады давлений- между скважиной и гидрокамерами ускоряют разгерметизацию последних и приводят к потере работоспособности клапана. Кроме того, конструктивная схема кла пана предполагает для герметизации второй гидрокамеры применение подвижных эластичных уплотнительных элементов. Как известно такие уплотнения не обеспечивают полной герметизации и плохо противостоят действию абразивных частиц, содержашихся в скважинной жидкости. Абразивные частицы ускоряют износ уплотнений, повышают трейие и могут привести к заклиниванию подвижного поршня. Помимо этого статическое трение (трение покоя) резиновых колец о металлические поверхности зависит от длительности неподвижного контакта и при длительном контактировании резко возрастает, что приводит либо к разрушению резиновых колец, либо к увеличению давления нагнетания в скважину технологической жидкости для срабатывания клапана. Указанные недостаткиподвижных эластичных уплотнений усугубляются в скважинах, эксплуатация которых ослож«ена образованием солеотложений в скважинном оборудовании. Образование солеотложений на рабочих поверхностях подвижных соединений приводит к значительному увеличению трения скольжения и к закли« ванию подвижного поршня. У данного клапана так же сложно добиться высокой степени герметизации затвора, так как положение «закрыто образуется при двух разных положениях шара, чередующихся через его поворот на 180°. Это приводит к необходимости обеспечения одинакового плотного прилегания обоих седел к всей рабочей поверхности шара, что практически очень сложно. Наиболее близким к предлагаемому является скважинный обтекатель пласта, содержащий корпус, седла, между которыми раз мещен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненный вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненный поршень, узел поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и шаром, камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая заполнена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой узла управления затвором 2. Недостатком указанного отсекателя является его н11зкая надежность работы, обусловленная низкой надежностью герметизации. Цель изобретения - повыщение надежности работы его за счет улучшения герметизирующей способности . Указанная цель достигается тем, что скважинный отсекатель пласта, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде щара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненной вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненной порщень, узел поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и щаром, камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая запол нена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой узла управления затвором, снабжен гибкими ередоразделителями, установленными над и под камерой узла управления затвором, образующими с корпусом и подпружиненным порщнем полости, связанные между собой и с кольцевой полостью, заполненной вязкой жидкостью, а в корпусе выполнена дополнительная камера, связанная через управляющий клапан с камерой узла управления затвором, причем на боковых поверхностях щара и сегментов выполнены пазы, а направляющие элементы выполнены в виде роликов, свободно размещенных В пазах шара и сегментов. ,. на фиг. 1 показана схема компановки скважинного оборудования совместно с предлагаемым скважинным отсекателем пласта; на фиг. 2 - скважинный отсекатель в открытом положении; на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 2 (щаровой затвор в открытом положении); на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - вид rib стрелке А на фиг. 2; (на сегмент, шар и ролик при закрытом положении затвора, возникающего в конце рабочего хода подвижного поршня). Скважинный отсекатель пласта 1 (фиг. -1) устанавливается в скважине совместно с пакером 2 ниже погружного насоса 3 и содержит (фиг. 2) корпус, состоящий из скрепленных между собой частей 4-6. Корпусная. часть 4 содержит дополнительную камеру 7, а часть 6 - камеру 8, снабженную эластичной диафрагмой 9, разделяющей ее на две кольцевые полости а и 8. Корпусная деталь 5 совместно с подвижным порщнем 10, подпружиненным пружиной 11, образует камеру узла управления затвором 12 и полости 13 и 14, уплотненные гибкими средоразделителями 15 и 16. Камера 8 служит для выравнивания давлений в дополнительной камере 7, узле управления затвором 12 и скважине на глубине установки отсекателя, при изменении давления в последней в расчетном диапазоне. Полость а камеры 8 и полости 13 и 14 с помощью металлической трубки 17 сообщ аются между собой. Полость б камеры 8 сообщается со скважиной через отверстие 18. Дополнительная камера 7 сообщается с ка.мерой узла управления затвором 12 с помощью металлической трубки 19. Трубки 17 и 19 уложены в-специальные пазы, выполненные на наружной поверхности корпуса отсекателя и защищены от механических повреждений (не показано), Для разобщения дополнительной камеры 7 от камеры узлл управления затвором 12 до спуска отсекателя в скважину на расчетную глубину служит управляющий клапан 20. Управляющий- клапан 20 открывается под действием расчетного давления, несколько .меньшего забойного давления, устанавливающегося при выходе электропогружной установки на режим, на величину, учитывающую неточность расчета, возможное повышение забойного давления во время эксплуатации отсекателя и т. д. Таким образом, управляющий клапан 20 открыт на весь период нахождения отсекателя в скважине, независимо от естественного изменения давления в ней. Включение управляющего клапана 20 в отсекатель позволяет закачать в дополнительную камеру 7 расчетное количество газа под больщим давлением, которое не передается на манжетные уплотнения 15 и 16 и диафрагму 9 в процессе зарядки газом, спуска в скважину и подъема из скважины отсекателя. Это позволяет при незначительной прочности гибких средоразделителей 15 и 16 и диафрагмы 9, в несколько раз уменьшить емкость дополнительной камеры 7, камеры 8 и в целом габариты всего отсекателя. В корпусной детали 5 расположен золотниковый клапан 21, который в зависимости от величины давления окружающей среды, открывает или закрывает канал 22, соединяющий камеру узла управления затвором 12 с полостью 14. Расчетное давление, при котором происходит запирание канала 22 золотниковым клапаном 21, несколько больше пластового давления на величину, учитывающую возможное увеличение пластового давления за время нахождения отсекателя в скважине, неточность настройки и погрешность срабатывания отсекателя, возможное долговременное превышение забойного давления в остановленной скважине над пластовым давлением при текущем ремонте и т.д. К корпусной детали 5, симметрично относительно оси отсекателя прикреплены сегменты 23, с выполненными в них фигурными пазами 24 (фиг. 2-5). ВнуФри подвижного поршня 10 размеш.ен шаровой затвор (фиг. 2-5) состояш.ий из шара 26, с симметрично выполненными пазами 27 и подвижных седел 28, подпружиненных пружинами 29. Шаровой затвор 25 взаимодействует с сегментами 23 посредством направляющих элементов 30. Направляющие элементы 30 размещены в месте пересечения пазов 24 с пазами 27. Кроме того, скважинный отсекатель снабжен наливным клапаном 31 (фиг. 2) предназначенным для заполнения полости а камеры 8, узла управления затвором 12 и полостей 13 и 14 вязкой жидкостью, а для выпуска воздуха - пробкой (не показана). Для зарядки дополнительной камеры 7 нейтральным газом и вязкой жидкостью служит клапан известной конструкции (не показан) и пробка 32. Подвижный поршень 10 уплотнен к внутренним цилиндрическим поверхностям диаметрами Dj и D корпусной детали 5 поршневыми кольцами (не показаны). Негерметичность уплотнений подвижного поршня по цилиндрическим поверхностям диаметром DI и Ьг в определенных пределах не сказывается на работоспособности отсекателя. Перед спуском отсекателя в скважину камеру 8 узла управления затвором 12 и полости 13 и 14 заполняют вязкой жидкостью, например минеральным маслом с теплостойкостью, соответствующей скважинным условиям, и сроком службы не менее средней наработки до отказа отсекателя, а в дополнительную камеру 7 нагнетают расчетное количество той же вязкои жидкости и такое количество нейтрального газа, например, азота, которое в месте установки отсекателя в скважине, при paBieHcTBe забойного и пластового давлений и установившейся температуре занимает расчетную часть (половину) ее объема. Во время спуска скважинного отсекателя в скважину на определённой глубине, под действием давления скважинной жидкости, передаваемого через диафрагму 9 и жидкость, заполняющую отсекатель, открывается управляющий клапан 20, и дальнейший спуск происходит при открытом сообщении дополНительН9Й камеры 7 с камерой узла управления затвором 12. Устройство работает следующим обраПри забойном давлении работающей скважины, меньшем или равном пластовому давлению, клапаны 20 и 21 открыты, давления в полостях и камерах отсекателя уравновешены и, благодаря диафрагме 9, практически равны давлению скважинной жидкости в месте установки отсекателя. При уравновешенных давлениях в камере узла управления затвором 12 и скважине подвижной поршень 10 под действием пружины 11 находится в своем верхнем крайнем положении. Затвор 25 открывается или закрывается только при движении подвижного поршня 10 вниз, а при движении его вверх врашение шара 26 не происходит. Если скважинный отсекатель находится в открытом положении, то для его закрытия Необходимо остановить скважину и нагнетаВием в нее жидкости обеспечить возрастание давления в скважине. При определенном текущем значении возрастающего давления в скважине, золотниковый клапан 21 перекроет канал 22 и между камерой узла управления затвором 12 и скважиной образуется возрастающий перепад давления. Этот перепад давления, достигнув требуемой величины, определяемой диаметрами D и Од камеры узла управления затвором 12 и кинематикой привода затвора 25, создает достаточное усилие для перемещения подвижного поршня 10 с шаровым затвором 25 вниз. При перемещении шарового затвора вниз шар 26 своими пазами 27 воздействует на цилиндрические ролики 30, которые западают в выемки с пазов 24 сегментов 23, и их оси становятся неподвижными относительно корпуса отсекателя, вследствие чего шар 26, перемещаясь вниз, одновременно поворачивается на 90°. При снижении давления в скважине золотниковый клапан 21 открывается, а подвижный поршень 10 вместе с затвором 25 под действием пружины 11 возвращается в исходное (верхнее) положение. Шар 26, перемещаясь вверх, своими пазами 27 увлекает Направляющие элементы 30, выводит их из выемок с пазов 24 и перемещает вдоль последних в противоположные крайние положения. При этом шар 26 не поворачивается, так как возникающий крутящий момент несравненно меньше крутящего момента, необходимого для его поворота. Аналогична процедура открытия отсекателя, при этом направляющие элементы 30 западают в выемки е пазов 24 сегментов 23, и шар 26 повернется в противоположную сторону. Две рабочие грани пазов 27 шара 26 (фиг. 5) выполнены под углом У к третьей рабочей грани. Величина угла Y определяется из условия где J) -fcjf ; f- коэффициент трения скольжения ролика либо о шар, либо о сегмент (выбирается большее значение). Если шар, ролики и сегменты выполнены из материалов, обеспечивающих коэффициент трения, равный 0,02 (например, сталь 38Х2МЮА), то угол У должен быть больше 0,04 рад или 2°18.

Угол Y необходим для гарантирования правильной работы затвора, т.е. исключения случая захвата направляющих элементов 30 пазами шара и сегментов при неблагоприятном положении шара (пазы шара параллельны или почти параллельны пазам сегментов). Неблагоприятное положение шара возникает при создании давления в скважине, соответствующего перемещению подвижного поршня вниз на половину хода и последующем его снижении.

Испытания модели затвора показали, что выполнение этого условия исключает заклинивание роликов.

Применение предлагаемого скважинного отсекателя пласта обеспечивает по сравнению с известными, значительное повышение

надежности его работ.ы за счет более надежного уплотнения подпружиненного поршня к корпусу отсекателя, уменьшения влияния механических примесей в продукции скважин и изменения давления в скважине на работоспособность привода затвора и стабильность величины требуемого давления срабатывания отсекателей; исключения образования отложений солей на сопрягаемых поверхностях подпружиненного поршня и корпуса отсекателя, а также уменьшение их влияния на работоспособность отсекателя; упрощения кинематики привода затвора, обе спечивающей его закрытие только при одном положении щара (в прототипе закрытие происходит при двух разных положениях шара), что повышает надежность работы затвора и устраняет необходимость подгонки или притирки обоих седрл к всей рабочей поверхности шара.

rh

U

Фиг,1

(Риг. 2

СКВАЖИННЫЙ ОТСЕКАТЕЛЬ ПЛАСТА, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде шара с осевым каналом, узел управления затвором с камерой, заполненной вязкой жидкостью и сжатым газом, в которой установлен подпружиненный порщень, узел , поворота затвора, включающий направляющие элементы, установленные с возможностью взаимодействия с сегментами и щаром, камеру с эластичной диафрагмой, делящей ее на две кольцевые полости, одна из которых сообщена со скважиной, а другая заполнена вязкой жидкостью и сообщена через золотниковый клапан с камерой .узла управления затвором, отличающийся тем, что,, с целью повышения надежности работы его за счет улучшения герметизирующей способности, он снабжен гибкими средоразделителями, установленными над и под камерой узла управления затвором, образующими с корпусом и подпружиненным порщнем полости, связанные между собой и с кольцевой полостью, заполненной вязкой жидкостью, а в корпусе выполнена дополнительная камера, связанная через управляющий клапан с каi мерой узла управления затвором, причем На боковых поверхностях шара и сегменСП тов выполнены пазы, а направляющие элементы выполнены в виде роликов, свободно размещенных в пазах шара и сегментов.