Многопозиционный скважинный клапан

 

Многопозиционный скважинный клапан относится к технике добычи нефти. Клапан содержит полый корпус с каналами, упругий элемент в виде сильфона, установленный в верхней части корпуса и образующий с ним камеру для сжатого газа, шток с буртом, жестко связанный своим верхним концом с сильфоном, элемент сопротивления перемещению штока. По наружной образующей корпуса выполнена канавка с радиальными каналами, внутри которых размещены шары, взаимодействующие с одной стороны с упругим кольцом, установленным над ними в канавке, а с другой - со штоком сильфона. На штоке выполнены дополнительные бурты, причем наружный диаметр последующего больше предыдущего. 2 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к технике газлифтной добычи нефти, и может быть применено в качестве глубинного клапана при запуске и эксплуатации скважин.

Известен скважинный клапан [1], состоящий из полого корпуса с каналами, установленного в нем фиксатора в виде шара с пружиной, сильфона, штока с буртом и затвора. Над каждым шаром установлена спиральная пружина, что снижает точность его регулировки на давление открытия и закрытия (т.к. возможны отличия между характеристиками пружины), а также ограничивает применение для малогабаритных клапанов.

Известен скважинный клапан [2] , включающий полый корпус с каналами, сильфон, образующий с корпусом камеру для сжатого газа, шток с канавками, жестко связанный с нижней частью сильфона, элементы сопротивления перемещению штока в момент открытия и закрытия, выполненные в виде стопорных пружинных колец.

Недостатком этого клапана является то, что стопорное пружинное кольцо находится в контакте непосредственно с канавками штока, из-за чего снижается его надежность.

Кроме того, эти клапаны имеют низкую эффективность, т.к. не позволяют дискретно регулировать пропускную способность канала для инжектируемого газа с поверхности скважины путем изменения давления рабочей среды (нагнетаемого газа).

Цель изобретения - повышение надежности и эффективности работы скважинного клапана.

Цель изобретения достигается за счет следующего. По наружной образующей корпуса выполнена канавка с радиальными каналами, внутри которых размещены шары, взаимодействующие с одной стороны с упругим кольцом, установленным под ними в канавке, а с другой - со штоком сильфона. Это решение повышает надежность фиксирующего элемента и точность регулировки давления открытия и закрытия. На штоке выполнены дополнительные бурты, причем наружный диаметр последующего больше предыдущего, что позволяет регулировать проходное сечение канала клапана для инжектируемого газа с поверхности скважины, путем изменения давления рабочей среды.

На фиг. 1 изображен клапан в закрытом состоянии, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Клапан состоит из полого корпуса 1 с каналами 2 и 3, узла зарядки 4, уплотнений 5 и 6. Корпус 1 состоит из двух частей, связанных между собой резьбой, причем в его первой (верхней) части размещен сильфон 7, образующий с ним камеру 8 для сжатого газа, а во второй (нижней) части - шток 9 с буртами 10. Шток 9 также состоит из двух частей: верхней, жестко связанной с сильфоном 7, и нижней (затвор 11) - установленной в седло 12 корпуса 1 с возможностью изменения ее длины (при изменении длины нижней части штока 9, т. е. затвора 11, изменяется пропускная способность клапана при его открытии).

Снаружи второй (нижней) части корпуса 1 выполнена канавка 13 с радиальными каналами 14. Внутри каналов 14 размещены шары 15, поджимаемые упругим кольцом 16.

Клапан работает в зависимости от давления среды в скважине. Его открытие и закрытие происходит в заданном диапазоне давлений, регулируемое давлением зарядки камеры 8 и силой упругого кольца 16, а также диаметром буртов 10 штока 9. В момент достижения необходимого давления среды по затворам 11 верхний бурт штока 9 выходит из фиксации шаром и затвор 11 перемещается вверх, при этом открываются каналы 2 корпуса 1. С этого момента шары 15 под усилием упругого кольца 16 входят в контакт с последующим буртом штока 9 и препятствуют перемещению затвора 11 вниз до времени снижения давления в среды, равного заданному давлению перемещения затвора 11 вниз. Для дальнейшего перемещения затвора 11 вверх, необходимо увеличить давление среды, т.к. при этом растет сопротивление, препятствующее перемещению штока 9 вверх, из-за увеличения диаметра каждого последующего бурта 10. Это обеспечивает импульсные перемещения затвора 11 вверх или вниз в зависимости от изменения давления среды. Ход затвора 11 дискретно регулируется (устанавливается необходимое пропускное сечение канала 2), путем изменения величины давления среды (нагнетаемого газа) на поверхности скважины.

Уравнения баланса сил, действующих на состояние клапана, следующие: в момент перемещения затвора 11 вверх S_ш (Р_в)_i+1≥(P_c+dP_i) S_c+K_c L_i+F_i, если i=1, то dP_i=0, L_i=0.

S_ш=S_c в момент перемещения затвора 11 вниз S_c P_нi≅[P_c+ (dP)_i+1] S_c+K_c (L)_i+1-F_i+1, где (Р_в)_i+1 - давление среды, в момент перемещения затвора 11 вверх на расстояние с i-го на i+1-й бурт штока 9; Р_нi - давление среды, в момент перемещения затвора 11 вниз на расстояние с i+1-го на i-й бурт штока 9; S_c - эффективная площадь сильфона 7; S_ш - поперечная площадь затвора 11; Р_с - давление зарядки сильфонной камеры 8 с газом; dP_i, (dP)_i+1 - изменение давления газа в сильфонной камере 8 при i-ом и i+1-ом перемещениях штока 9; К_с - механическая жесткость сильфона 7; L_i, L_i+1 - ход сильфона 7 при i-ом и i+1-ом перемещении штока 9;
F_i - сила сопротивления пружины 16, препятствующей перемещению затвора 11 вверх при переходе шаров 15 с i-й на i+1-й бурт штока 9;
F_i+1 - сила сопротивления пружины 16, препятствующей перемещению затвора 11 вниз при переходе шаров 15 с i+1-й на i-й бурт штока 9.

Положительный эффект от применения скважинного клапана заключается в увеличении добычи и/или снижении удельного расхода газа на единицу продукции за счет регулирования оптимального диапазона забойного давления в зависимости от изменения пропускного сечения канала клапана для инжектируемого газа, в том числе и за счет увеличения его срока службы и соответственно снижения межремонтного периода скважины.

Формула изобретения

МНОГОПОЗИЦИОННЫЙ СКВАЖИННЫЙ КЛАПАН, включающий полый корпус с каналами, упругий элемент в виде сильфона, установленный в верхней части корпуса и образующий с ним камеру для сжатого газа, шток с буртом, жестко связанный своим верхним концом с сильфоном, элемент сопротивления перемещению штока, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности его работы, по наружной образующей корпуса выполнена канавка с радиальными каналами с размещенными внутри их шарами, подпружиненными упругим кольцом, а на штоке выполнен ряд дополнительных буртов, наружный диаметр последующего из которых больше предыдущего, при этом шары расположены с возможностью взаимодействия со штоком сильфона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2