Клапан обратный для обсадной колонны

 

Изобретение относится к устройствам, применяемым при креплении нефтяных и газовых скважин. Клапан обратный для обсадной колонны содержит корпус с размещенным в нем седлом, расположенный под седлом диск с центральным каналом и периферийными отверстиями, перекрываемыми подпружиненной шайбой, сбрасываемый с поверхности шаровой затвор, выполненный с возможностью прижатия к седлу при обратном движении жидкости. Диск размещен с возможностью осевого перемещения. Верхний выход центрального канала оснащен подпружиненным нормально закрытым обратным клапаном со штоком, обеспечивающим вместе с шайбой и диском образование герметичной перемычки. Пружина обратного клапана со штоком и шайбы является общей. Повышается безотказность работы клапана. 4 ил.

Изобретение относится к устройствам, применяемым при креплении нефтяных и газовых скважин, и предназначено для обеспечения условий самозаполнения скважинной жидкостью обсадной колонны при ее спуске, уменьшения гидродинамического давления на стенки скважины и предотвращения обратного перетока цементного раствора из затрубного пространства в колонну.

Известен клапан обратный для обсадной колонны а.с. СССР 1328483, кл. Е 21 В 33/14, в котором запорный узел размещен с возможностью осевого перемещения между уступами, расположенными сверху и снизу его.

Недостатком этого клапана является то, что он не обеспечивает заполнение обсадной колонны скважинной жидкостью при спуске.

Наиболее близким к изобретению является клапан обратный для обсадной колонны по а.с. СССР 1218078, кл. Е 21 В 34/10, принятый в качестве прототипа, содержащий корпус с размещенным в нем седлом, расположенный под седлом диск с центральным каналом и периферийными отверстиями, перекрываемыми подпружиненной шайбой, и сбрасываемый с поверхности в скважину шаровой затвор, выполненный с возможностью прижатия к седлу при обратном движении жидкости.

Недостаток клапана заключается в том, что он не предотвращает обратного перетока цементного раствора из затрубного пространства в колонну при скорости движения жидкости низкой, недостаточной для всплытия шара. Выполнение же шарового затвора с объемной плотностью меньшей, чем плотность среды скважины, связано с конструктивным усложнением затвора или с необходимостью назначения специального материала.

Другим недостатком клапана является его низкая пропускная способность при самозаполнении колонны, вызванная малым диаметром впускного дроссельного отверстия. Этот недостаток не устраняется простым увеличением диаметра впускного отверстия, т.к. со снижением гидравлического сопротивления на входе в колонну появляется вероятность перелива скважинной жидкости из-за инерционности потока, движущегося снизу вверх в период остановок спускаемой колонны. Более того, нижняя часть бокового отверстия в дросселе в устройстве, принятом в качестве прототипа, через которую входит жидкость, выполнена таким образом, что его сечение уменьшается с увеличением отставания уровня жидкости в обсадной колонне от уровня ее за колонной Это связано с тем, что возрастающий перепад давления поднимает втулку. Если в данной ситуации произойдет закупорка дроссельного отверстия твердой частицей, например выбуренной породой, то клапан захлопнется окончательно и дальнейший спуск колонны может привести к смятию ее стенок.

Цель изобретения - повышение надежности работы клапана.

Поставленная цель достигается тем, что диск размещен с возможностью осевого перемещения, верхний выход центрального канала оснащен подпружиненным нормально закрытым обратным клапаном со штоком, обеспечивающим вместе с шайбой и диском образование герметичной перемычки, при этом пружина обратного клапана со штоком и шайбы является общей.

Исполнение диска подвижным позволило осуществить принудительный подъем шарового затвора к седлу независимо от плотности его материала. При этом создается дополнительный положительный эффект - ограниченный подъем столба жидкости в скважине, происходящий вместе с подъемом шайбы 4, послужит для привода различных устройств, например управляющих узлов, в муфте ступенчатого цементирования.

Установка в центральном канале нормально закрытого обратного клапана позволит перекрыть все сечение диска и обеспечить условия для подъема шарового затвора даже при незначительном движении жидкости снизу вверх. А выполнение этого клапана подпружиненным открывает возможность регулировки величины прохода жидкости в колонну в прямой зависимости от величины перепада давления, предотвращая отставание уровня в обсадной колонне от уровня за колонной и обеспечивая закрытие клапана при выравнивании этих уровней, предотвращая перелив жидкости через верх обсадной колонны.

И наконец обратный клапан, введенный в конструкцию устройства вместо дросселя, уменьшает вероятность засорения прохода твердыми частицами, находящимися в скважинной жидкости. В случае же появления тенденции к засорению прохода в клапане происходит подъем давления, которое увеличивает степень открытия клапана и обеспечивает вынос твердых частиц за пределы прохода.

На фиг.1 изображен клапан обратный в исходном положении.

На фиг.2 - то же в процессе заполнения обсадной колонны при ее спуске.

На фиг.3 - в процессе прямой циркуляции через клапан.

На фиг.4 - клапан обратный в момент герметизации колонны от обратного движения жидкости из затрубного пространства в колонну.

Стрелками показано направление движения жидкости.

Клапан обратный содержит корпус 1 (фиг.1) с размещенным в нем седлом 2 и шаровой затвор (шар) 3 (фиг.3), сбрасываемый с поверхности. Кроме того, клапан содержит расположенный под седлом диск 4 (фиг.1), в котором выполнены центральный канал 5 и перекрываемые подпружиненной шайбой 6 периферийные отверстия 7. Шаровой затвор 3 (фиг.4) установлен с возможностью прижатия к седлу 2 при обратном движении жидкости. Диск 4 размещен с возможностью осевого перемещения. Верхний выход центрального канала оснащен подпружиненным нормально закрытым обратным клапаном 8 (фиг.1) со штоком 9, обеспечивающим вместе с шайбой и диском образование герметичной перемычки. Пружина 10 обратного клапана 8 со штоком 9 и шайбой 6 является общей.

Устройство работает следующим образом.

Перепад давления, возникающий при спуске обсадной колонны, поднимает обратный клапан 8 (фиг.2). Скважинная жидкость входит в колонну через центральный канал 5, не создавая существенного сопротивления. В результате этого снижается динамическое давление на стенки скважины. При этом чем больше скорость спуска, тем шире открывается центральный канал.

Во время остановки спускаемой колонны уровни жидкости в колонне и за колонной стремятся выровняться. Но по мере их выравнивания перепад давления в центральном канале будет уменьшаться и при определенной величине, на которую рассчитана пружина 10, клапан 8 закроется, прекратив дальнейший подъем уровня жидкости в колонне и тем самым предотвратив перелив жидкости через устье.

При нагнетании бурового или цементного раствора в обсадную колонну поток жидкости отжимает шайбу 6 (фиг.3) и проходит через периферийные отверстия 7. Шар 3 (шаровой затвор), сброшенный с поверхности в скважину, достигает клапана и садится на чашеобразную поверхность обратного клапана, не препятствуя течению жидкости.

После прекращения нагнетания жидкости в скважину пружина 10 перекрывает шайбой 6 периферийные отверстия 7, в результате чего шайба с диском 4 и обратным клапаном 8 образует герметичную перемычку через все сечение клапана. Поэтому при возникновении даже небольшого обратного движения жидкости из затрубного пространства в колонну диск 4 поднимается и прижимает шаровой затвор 3 к седлу 2 (фиг.4), обеспечивая надежную герметизацию обсадной колонны. При этом ограниченный подъем столба жидкости в скважине, происходящий вместе с подъемом диска 4, может послужить для привода различных устройств, работа которых основана на использовании этого движения, например муфты ступенчатого цементирования.

Технико-экономическая эффективность устройства обеспечивается следующими основными преимуществами его:

- работоспособность узла герметизации не зависит от его объемной плотности (плавучести), что повышает надежность работы клапана и снижает его стоимость;

- облегчено заполнение обсадной колонны при спуске, тем самым снижено сминающее давление на стенки обсадной колонны;

- уменьшено гидродинамическое давление на стенки скважины, оказываемое спускаемой обсадной колонной.

Формула изобретения

Клапан обратный для обсадной колонны, содержащий корпус с размещенным в нем седлом, расположенный под седлом диск с центральным каналом и периферийными отверстиями, перекрываемыми подпружиненной шайбой, и сбрасываемый с поверхности в скважину шаровой затвор, выполненный с возможностью прижатия к седлу при обратном движении жидкости, отличающийся тем, что диск размещен с возможностью осевого перемещения, верхний выход центрального канала оснащен подпружиненным нормально закрытым обратным клапаном со штоком, обеспечивающим вместе с шайбой и диском образование герметичной перемычки, при этом пружина обратного клапана со штоком и шайбы является общей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4