Летающий клапан для плунжерного лифта

Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для подъема жидкости из скважин с использованием энергии газа. Летающий клапан для плунжерного лифта содержит трубчатый корпус, входящий в него отделяемый элемент в виде тела вращения и ограничитель хода отделяемого элемента. Ограничитель имеет форму кольца диаметром меньше внутреннего диаметра трубчатого корпуса и расположен соосно и зафиксирован внутри трубчатого корпуса. Толщина стенок кольцевого ограничителя увеличивается в направлении отделяемого элемента, а верхняя и нижняя кромки кольцевого ограничителя закруглены. Ограничитель может быть выполнен как единая деталь с трубчатым корпусом и соединен с ним двумя или более перемычками. Ограничитель может представлять собой и отдельную деталь, снабженную не менее чем двумя выступами-фиксаторами. При этом трубчатый корпус выполняют из упругого эластичного материала и в стенке корпуса проделывают отверстия, совпадающие по форме с выступами-фиксаторами ограничителя, причем выступы-фиксаторы входят в отверстия трубчатого корпуса. Обеспечивает подъем жидкости из скважины в большом диапазоне рабочих давлений и рабочих расходов газа и жидкости. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для подъема жидкости из скважин с использованием энергии газа, в частности для подъема воды из скважин или колодцев с использованием воздуха, всасываемого или нагнетаемого с поверхности.

Известны конструкции летающих клапанов для плунжерного лифта, содержащие трубчатый корпус и отделяемый элемент, обычно имеющий вид шара (авторские свидетельства SU 63138, 1944 г.; SU 171351, 1963 г.; а также патенты RU 2214504, 2002 г.; US 2001012, 1935 г.; US 6209637, 2001 г.; US 6467541, 2002 г.). Все упомянутые устройства удовлетворительно работают в скважинах, когда перемещение шара в трубчатом корпусе ограничивается сужением во внутренней полости трубчатого корпуса внутренним уступом, проходное сечение которого полностью перекрывается отделяемым элементом во время подъема летающего клапана или отдельными выступами (SU 171351, RU 2214504), внутренний диаметр проходного отверстия которых существенно меньше диаметра шара (отделяемого элемента).

В случае, если разница диаметров шара и отверстия внутреннего уступа незначительна, шар заклинивает в трубчатом корпусе и работа плунжерного лифта прекращается. Кроме того, если диаметр проходного отверстия внутреннего уступа в трубчатом корпусе существенно меньше диаметра шара, то центральное проходное сечение трубчатого корпуса имеет большое гидравлическое сопротивление, а корпус медленно падает в скважине или, поддерживаемый потоком восходящего газа и/или жидкости, зависает на устье скважины в зоне верхнего ограничителя хода плунжера или в трубах. В результате, трубчатый корпус не соединяется с шаром в соответствии с требуемым технологическим режимом падения секций летающего клапана. Работа плунжерного лифта в этом случае прекращается, а в скважине накапливается избыточное количество жидкости, которое увеличивает гидравлическое сопротивление движению потока продукции скважины, и она прекращает работу. В период простоя происходит недобор продукции и требуется проводить специальные технологические мероприятия для пуска скважины в эксплуатацию.

Предлагаемое изобретение позволяет преодолеть указанные недостатки и использовать летающие клапаны для подъема жидкости из скважин в большом диапазоне рабочих давлений и рабочих расходов газа и жидкости.

Согласно изобретению летающий клапан для плунжерного лифта, содержит трубчатый корпус, входящий в него отделяемый элемент в виде тела вращения и ограничитель хода отделяемого элемента. Преимущественно отделяемый элемент имеет форму шара, но также может быть каплевидной или эллипсоидальной формы. Ограничитель имеет форму кольца диаметром меньше внутреннего диаметра трубчатого корпуса и расположен соосно внутри трубчатого корпуса.

Ограничитель может быть выполнен как единая деталь с трубчатым корпусом и соединен с ним не менее чем двумя перемычками, наиболее предпочтительно - тремя.

Ограничитель может представлять собой и отдельную деталь. При этом он имеет на наружной цилиндрической поверхности не менее двух (предпочтительно - трех) выступов-фиксаторов. При таком конструктивном исполнении трубчатый корпус изготавливают из упругого эластичного материала, и в стенке корпуса выполняют отверстия, совпадающие по форме с выступами-фиксаторами ограничителя. При упругой деформации трубчатого корпуса ограничитель можно вставлять и надежно закреплять внутри корпуса. При этом выступы-фиксаторы входят в отверстия трубчатого корпуса. Отверстия для выступов-фиксаторов в стенке корпуса могут быть глухими или сквозными.

Кроме того, в стенках трубчатого корпуса могут быть выполнены циркуляционные проемы различной формы, улучшающие аэрогидродинамические характеристики конструкции и работы летающего клапана за счет увеличения площади проходного сечения для перетоков жидкости и газа:

во время падения, снаружи цилиндрической части ограничителя хода отделяемого элемента, дополнительно к площади центрального проходного отверстия ограничителя,

а во время подъема летающего клапана из кольцевого наружного зазора, образованного между наружной поверхностью трубчатого корпуса и внутренней поверхностью трубы, по которой перемещается летающий клапан внутрь трубчатого корпуса и соответственно выравнивания давления на верхнем участке трубчатого корпуса в интервале от верхней торцевой поверхности отделяемого элемента до верхнего торца трубчатого корпуса.

Для улучшения гидродинамики толщину стенок кольцевого ограничителя желательно увеличивать в направлении отделяемого элемента, а верхнюю и нижнюю кромки кольцевого ограничителя желательно делать закругленными обтекаемыми для улучшения аэродинамических характеристик плунжера на время опускания в скважине. Улучшение аэрогидродинамических характеристик трубчатого корпуса и летающего клапана позволяет существенно уменьшить вес секций летающего клапана, соответственно избыточное давление, необходимое для его подъема газом, и расширить верхнюю и нижнюю границы применимости плунжерного лифта по расходу рабочей среды и давлению в скважинах.

Извлечение жидкости из скважины с помощью летающего клапана, согласно изобретению, включает периодический спуск секций летающего клапана (например, шара и трубчатого корпуса) под уровень жидкости в скважине, соединение секций летающего клапана на нижнем ограничителе хода плунжера, и последующий его подъем вместе с находящимся выше летающего клапана столбом жидкости к устью скважины потоком газа поступающего из продуктивного пласта и/или дополнительного газа нагнетаемого с поверхности. Спуск секций летающего клапана и отделяемого элемента клапана производят раздельно, причем сначала производят спуск отделяемого элемента летающего клапана, а затем - спуск его корпуса. Работа по подъему жидкости летающим клапаном в скважине может производиться в автоматическом и/или управляемом оператором режимах.

В поднятом положении корпус и отделяемый элемент летающего клапана можно разделять с помощью стержня, установленного в верхней части скважины по ее оси. Разделение корпуса и отделяемого элемента летающего клапана можно производить, кратковременно частично или полностью перекрывая запорное устройство на трубопроводе, отводящем продукцию от скважины или трубопроводе, подающем дополнительный газ в скважину.

В случае, если давление газа в скважине или колодце недостаточно, для подъема жидкости на устье скважины создают и поддерживают пониженное давление (постоянно или периодически на время цикла подъема жидкости).

Контроль за циклами подъема и спуска летающего клапана можно вести по изменению в реальном времени расхода потока газа и жидкости, давления и/или температуры в устье скважины, которое происходит при появлении в устье очередной порции поднимаемой жидкости.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 показан в разрезе один из конструктивных вариантов летающего клапана с отделяемым элементом в виде шара.

На Фиг.2 изображено поперечное сечение трубчатого корпуса летающего клапана на уровне расположения ограничителя хода отделяемого элемента.

На Фиг.3 представлен другой конструктивный вариант летающего клапана с циркуляционными проемами в стенках трубчатого корпуса.

На Фиг.4, 5 - тот же клапан соответственно в поперечном сечении и в продольном разрезе на уровне расположения ограничителя.

На Фиг.6 показан третий конструктивный вариант летающего клапана с трубчатым корпусом с циркуляционными проемами иной формы и ограничителем, который крепится к корпусу с помощью выступов-фиксаторов.

На Фиг.7, 8 изображены поперечные сечения на уровне расположения ограничителя конструктивных вариантов летающего клапана с трубчатым корпусом из упругого эластичного материала с циркуляционными проемами и без циркуляционных проемов соответственно.

На Фиг.9 показан отдельно ограничитель хода отделяемого элемента, вид со стороны одного из выступов-фиксаторов.

На Фиг.10 - тот же ограничитель в сечении диаметральной плоскостью, проходящей через один из выступов-фиксаторов.

Позицией 1 на чертежах обозначен трубчатый корпус летающего клапана, позицией 2 - входящий в корпус 1 отделяемый элемент в форме шара, позицией 3 - ограничители входа отделяемого элемента 2 в корпус 1. Разные конструктивные исполнения этих деталей имеют дополнительные буквенные обозначения (1а, 3б и т.д.). Позицией 4 на чертежах обозначены соединительные перемычки, фиксирующие положение ограничителя 3 в трубчатом корпусе 1, позицией 5 на чертежах обозначены выступы-фиксаторы на корпусе ограничителя 3, удерживающие ограничитель в корпусе 1, позицией 6 на чертежах обозначены отверстия в корпусе 1, в которые вставлены выступы ограничителя 3, позицией 7 на чертежах обозначены циркуляционные проемы в корпусе 1, позицией 8 на чертежах обозначены обводные каналы, по которым протекает рабочая среда вдоль наружной поверхности ограничителя 3 во время работы летающего клапана в скважине.

Отделяемый элемент летающего клапана может быть также каплевидной или эллипсоидальной формы (на чертежах не показано).

Ограничитель 3а, выполненный заодно с корпусом, имеет форму кольца диаметром меньше внутреннего диаметра трубчатого корпуса 1а, и расположен соосно с трубчатым корпусом 1а, с которым его соединяют перемычки 4 (Фиг.1-5).

Ограничитель 3б изготавливается как отдельная деталь, которая крепится внутри корпуса 1б. В этом случае ограничитель 3б имеет на наружной цилиндрической поверхности два или более выступов-фиксаторов 5, которые позволяют крепить кольцевой ограничитель 3б в соответствующих отверстиях 6, сделанных в корпусе 1б. При этом корпус изготавливают из упругого эластичного материала, который позволяет при небольшой упругой деформации корпуса 16 крепить внутри него ограничитель 3б (Фиг.7, 8). Для предотвращения деформации в момент удара снаружи корпуса 1б может быть надето стальное кольцо (на чертежах не показано) практически такого же диаметра, что и сам корпус. Эластичный материал корпуса позволяет надеть такое кольцо с достаточно тугой посадкой.

Для улучшения гидродинамических характеристик работы летающего клапана в стенках трубчатого корпуса могут быть выполнены циркуляционные проемы 7 различной формы. На Фиг.3 и 4 проемы 7а выполнены приблизительно равными по ширине и высоте. На Фиг.6 и 7 проемы 7б имеют вытянутую по вертикали форму. Также для улучшения гидродинамики при любом конструктивном варианте исполнения летающего клапана толщину стенок кольцевого ограничителя 3 увеличивают в направлении отделяемого элемента 2, а верхнюю и нижнюю кромки кольцевого ограничителя 3 скругляют (Фиг.1, 4, 7, 10).

Между наружной поверхностью ограничителя 3 и внутренней поверхностью трубчатого корпуса 1 всегда существует кольцевой зазор 8 для протекания газа и/или жидкости, протекающих в трубчатый корпус через нижний или верхний торцы во время движения в скважине.

Работает летающий клапан следующим образом.

В скважину, в нижней части которой скапливается жидкость, периодически под уровень жидкости спускают секции летающего клапана, а затем газом поднимают его вместе с находящимся выше летающего клапана столбом жидкости. Спуск корпуса летающего клапана 1 и отделяемого элемента клапана 2 производят раздельно, причем сначала производят спуск отделяемого элемента 2, а затем - корпуса 1 летающего клапана. Секции летающего клапана спускаются в скважине за счет земного притяжения.

Отделяемый элемент 2 летающего клапана свободно падает в скважине, преодолевая некоторое сопротивление газа, а затем погружается под уровень жидкости в нижней части скважины. Падение или спуск отделяемого элемента 2 прекращается по достижении находящегося в скважине нижнего ограничителя хода летающего клапана. Корпус 1 летающего клапана падает вслед отделяемому элементу 2 и также останавливается на уровне нижнего ограничителя хода плунжера, опираясь на ограничители 3 входа отделяемого элемента 2 в корпус 1. При падении окружающая среда, газ и жидкость, заполняющая скважину, обтекает трубчатый корпус: по кольцевому зазору, образованному между наружной поверхностью корпуса и внутренней стенкой поверхности трубы (на чертежах не показана), проходит в нижнюю часть трубчатого корпуса 1, затем поток разделяется. Рабочая среда протекает через центральное отверстие ограничителя хода отделяемого элемента 3 и через проходные каналы кольцевого зазора, образованного наружной поверхностью корпуса ограничителя и трубчатого корпуса (Фиг.1 и 2, поз.8), и проходные каналы проемов 7, образованные в трубчатом корпусе и внутренней стенкой поверхности трубы (Фиг.3; 4; 5; 6; 7 поз.7).

После соединения на нижнем ограничителе хода плунжера корпус 1 и отделяемый элемент 2 летающего клапана, например шар, вместе перекрывают большую часть проходного сечения трубы в скважине и газ из скважины, не имея возможности свободно барботировать через слой жидкости, начинает, за счет избыточного давления, выталкивать наверх к устью скважины летающий клапан вместе с находящимся над ним столбом жидкости. Во время подъема газ выдувает жидкость из кольцевого зазора, образованного наружной поверхностью корпуса ограничителя и трубчатого корпуса, не допуская отекания жидкости по трубе к низу скважины. В кольцевом зазоре создается газопакерующий эффект, зазор становится герметичным, непроницаемым для жидкости, находящейся выше него. Это позволяет поднять к устью скважины всю жидкость, находящуюся выше летающего клапана без утечки обратно на забой скважины. Во время подъема летающего клапана, газ и жидкость, заполняющие и протекающие через проходное сечение зазора, образованного наружной стенкой трубчатого корпуса и внутренней поверхностью трубы через циркуляционные проемы 7 в корпусе 1 из кольцевого зазора перетекают в полость трубчатого корпуса. В результате давления среды снаружи трубчатого корпуса и внутри него выравниваются, разница между ними существенно уменьшается, это позволяет исключить отсоединение нижней отделяемой секции от трубчатого корпуса во время подъема за счет неравномерности скорости подъема летающего клапана при прохождении труб лифтовой колонны разного диаметра и стыков труб.

В поднятом к устью скважины положении корпус 1 и отделяемый элемент 2 летающего клапана можно разделять, например, с помощью стержня (не показан), установленного в верхней части скважины по ее оси. В этом случае стержень, свободно проходя через центральное отверстие трубчатого корпуса 1, упирается в отделяемый элемент 2, останавливает его и отделяет от продолжающего движение вверх трубчатого корпуса 1. После этого части летающего клапана снова по отдельности спускаются (падают) в скважину, начиная следующий цикл подъема жидкости из скважины.

Контроль за циклами подъема и спуска летающего клапана можно вести по изменению в реальном времени расхода потока газа и жидкости, давления и/или температуры в устье скважины, которое происходит при появлении в устье очередной порции поднимаемой жидкости. Регулируют скорости движения летающего клапана вверх, а секций - вниз путем использования секций разного веса и размеров.

1. Летающий клапан для плунжерного лифта, содержащий трубчатый корпус, входящий в него отделяемый элемент в виде тела вращения и ограничитель хода отделяемого элемента, отличающийся тем, что ограничитель имеет форму кольца диаметром меньше внутреннего диаметра трубчатого корпуса и расположен соосно и зафиксирован внутри трубчатого корпуса.

2. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что отделяемый элемент имеет форму шара.

3. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что ограничитель выполнен как единая деталь с трубчатым корпусом и соединен с ним не менее чем двумя перемычками.

4. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что ограничитель снабжен не менее чем двумя выступами-фиксаторами, а трубчатый корпус выполнен из упругого эластичного материала и в стенке корпуса выполнены отверстия, совпадающие по форме с выступами-фиксаторами ограничителя, причем выступы-фиксаторы входят в отверстия трубчатого корпуса.

5. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что в стенках трубчатого корпуса выполнены циркуляционные проемы.

6. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что толщина стенок кольцевого ограничителя увеличивается в направлении отделяемого элемента, а верхняя и нижняя кромки кольцевого ограничителя закруглены.