клапан для обсадных колонн

Формула изобретения

Клапан для обсадной колонны, включающий ограничитель с седлом и боковыми каналами, обратный клапан, размещенный снизу, втулку, установленную в осевом канале ограничителя на срезных элементах над боковыми каналами с возможностью их герметичного перекрытия, отличающийся тем, что ограничитель дополнительно оборудован стопором, взаимодействующим с втулкой в ее нижнем положении, при этом наружная поверхность ограничителя выше боковых каналов снабжена эластичным кольцом с упором и выполнена с возможностью герметичной установки ограничителя в требуемом интервале между трубами обсадной колонны при их сборке, причем седло выполнено с цилиндрической выборкой на нижней плоскости ограничителя, а обратный клапан выполнен тарельчатым, подпружиненным с возможностью поворота относительно крепления к ограничителю, состоящим из жесткосоединенных между собой эластичной манжеты, центратора и цилиндрической пластины, на которой выполнена кольцевая проточка, установленная напротив внутренней нижней плоскости ограничителя, при этом наружная плоскость цилиндрической пластины размещена напротив седла ограничителя, причем эластичная манжета расположена между нижней плоскостью ограничителя и цилиндрической пластиной.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к цементированию обсадных колонн.

Известен “Клапан для обсадной колонны” (см. а.с. SU №1812304, МПК Е 21 В 34/10, 34/14, опубл. БИ №16 30.04.93), содержащий клапанное седло с осевыми отверстиями, тарелку с конической рабочей поверхностью, размещенной под седлом, подпружиненный шток, жестко соединенный с тарелкой, и срезной фиксатор, при этом клапан снабжен фильтром, выполненным в виде кольца и размещенным в нижней части седла осевого канала по внутренней его поверхности, подпружиненный шток выполнен со сквозным отверстием под срезной фиксатор, а клапанное седло в верхней части выполнено с отверстием, перпендикулярным к центральной оси седла и соосным сквозному отверстию подпружиненного штока, при этом тарелка выполнена с эластичным кольцом по центру рабочей конической поверхности, причем тарелка может быть выполнена из эластичного материала.

Недостатками данной конструкции являются: во-первых, сложность в изготовлении и обслуживании, большое количество деталей и, как следствие, высокая себестоимость; во-вторых, из-за того, что сопрягаемые поверхности клапана и седла находятся под постоянным воздействием во время растворов, имеющих собственные высокие абразивные свойства, низкая надежность перекрытия проходного канала.

Известен также “Клапан для обсадной колонны” (см. SU №1120093, МПК Е 21 В 34/10, опубл. БИ №39 23.10.84), содержащий корпус с центральными и периферийными осевыми каналами, подвижно установленную с возможностью осевого перемещения в центральном канале корпуса втулку с опрессовочной диафрагмой и радиальными каналами в верхней части и запорный элемент, при этом он снабжен дополнительной втулкой, установленной коаксиально с подвижной на срезных элементах в центральном канале корпуса над его периферийными каналами, а запорный элемент выполнен в виде поплавка и жестко связан с нижней частью подвижной втулки, причем последняя имеет дополнительные радиальные каналы, совмещаемые с периферийными каналами корпуса при ее верхнем положении.

Известен также “Клапан обсадной колонны” (см. SU №1493768, МПК Е 21 В 34/10, опубл. БИ №26 23.10.84), включающий корпус с центральными и периферийными осевыми каналами, установленное в нижней части центрального канала корпуса седло под запорный орган, выполненный в виде поплавка и расположенный в нижней части, подвижно установленной в центральном канале корпуса втулки с радиальными каналами и разрывной мембраной под ними, при этом он снабжен дополнительным запорным органом с узлом привода его в рабочее положение, периферийный канал выполнен с двумя седлами, а полость между ними связана с полостью центрального канала радиальным каналом, причем узел привода дополнительного запорного органа выполнен в виде клинового элемента и установлен в исходном положении с возможностью взаимодействия с подвижной втулкой.

Недостатками обеих конструкций являются: во-первых, сложность в изготовлении и обслуживании, большое количество деталей и, как следствие, высокая себестоимость; во-вторых, невозможно работать с использованием продавочных пробок; в третьих, за время поднятия запорного органа до посадки его в седло, которое не нормируется и не регулируется, пространства в этот период под клапаном и над клапаном сообщаются через центральный и нижние радиальные каналы, в результате цементный раствор попадает из затрубья внутрь скважины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является “Обратный клапан для обсадных колонн” (см. SU №977711, МПК Е 21 В 34/08, опубл. БИ №44 30.11.82), включающий корпус, ограничитель с седлом и боковыми промывочными каналами, втулку, установленную в осевом канале ограничителя над промывочными каналами на срезных элементах, упор и запорный шар, расположенный между упором и ограничителем, при этом в процессе цементирования при вскрытом продуктивном горизонте он снабжен дополнительной втулкой, установленной в осевом канале ограничителя на срезных с возможностью перекрытия боковых промывочных каналов.

Недостатками данной конструкции являются: во-первых, сложность в изготовлении и обслуживании, большое количество деталей и, как следствие, высокая себестоимость; во-вторых, низкая надежность перекрытия клапаном (шаром) принудительно не садящимся в седло клапана, если в продукции скважины присутствуют высоковязкие компоненты; в-третьих, при больших объемах закачиваемого цементного раствора центральный канал перекрывается некачественно, так как нижняя втулка с седлом под шар и сам шар при закачке взаимодействует с цементным раствором, который имеет высокие абразивные свойства; в-четвертых, клапан и упор значительно уменьшают внутреннее проходное сечение обсадной колонны, что увеличивает время и усилие закачки цементного раствора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является добиться снижения материальных и финансовых затрат при улучшении потребительских свойств в результате создания надежной, работающей при любой продукции скважины, и дешевой конструкции клапана для обсадной колонны для закачки цементного раствора за счет простоты в изготовлении и обслуживании, в результате снижения металлоемкости, количества деталей и использования в составе обсадной колонны без дополнительных ее доработок.

Поставленная техническая задача достигается описываемым клапаном для обсадной колонны, включающим ограничитель с седлом и боковыми промывочными каналами, обратный клапан, втулку, установленную в осевом канале ограничителя над промывочными каналами на срезных элементах с возможностью их перекрытия.

Новым является то, что ограничитель дополнительно оборудован стопором, взаимодействующим с втулкой в ее нижнем положении, при этом наружная поверхность ограничителя снабжена эластичным кольцом с упором и выполнена с возможностью герметичной установки в требуемом интервале между трубами обсадной колонны при их сборке, причем седло выполнено с цилиндрической выборкой на нижней плоскости ограничителя, а обратный клапан выполнен тарельчатым, подпружиненным с возможностью поворота относительно крепления к ограничителю, состоящим из жесткосоединенных эластичной манжеты, центратора и цилиндрической пластины, на которой выполнена кольцевая проточка, установленная напротив внутренней нижней плоскости ограничителя, при этом наружная плоскость цилиндрической пластины размещена напротив седла ограничителя, причем эластичная манжета расположена между нижней плоскостью ограничителя и цилиндрической пластиной.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом устройстве, т.е. о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

На чертеже изображен клапан для обсадных колонн с частичным осевым сечением.

Клапан для обсадной колонны 1 состоит из ограничителя 2 с седлом 3 и боковыми каналами 4, обратного клапана 5, размещенного снизу, втулки 6, установленной в осевом канале 7 ограничителя 2 над боковыми каналами 4 на срезных элементах 8 с возможностью их перекрытия. Ограничитель 2 дополнительно оборудован стопором 9, взаимодействующим с втулкой 6 в ее нижнем положении. Наружная поверхность 10 ограничителя 2 снабжена эластичным кольцом 11 с упором 12 и выполнена с возможностью герметичной установки в требуемом интервале между трубами обсадной колонны 1 при их сборке, причем седло 3 выполнено с цилиндрической выборкой на нижней плоскости 13 ограничителя 2. Обратный клапан 5 выполнен тарельчатым, подпружиненным с возможностью поворота относительно крепления 14 к ограничителю 2, состоящим из жесткосоединенных между собой эластичной манжеты 15, центратора 16 и цилиндрической пластины 17. На цилиндрической пластине 17 выполнена кольцевая проточка 18, установленная напротив внутренней нижней плоскости 19 ограничителя 2, при этом наружная плоскость 20 цилиндрической пластины 17 размещена напротив седла 3 ограничителя 2, причем эластичная манжета 15 расположена между нижней плоскостью 13 ограничителя 2 и цилиндрической пластиной 17. Для исключения несанкционированных перетоков применено уплотнительное кольцо 21. Роль прижимающего элемента (пружины) для обратного клапана 5 в предлагаемом варианте играет эластичная манжета 15.

Устройство работает следующим образом.

Клапан в сборе устанавливают между трубами обсадной колонны 1 при спуске в скважину (не показана). В результате свинчивания труб обсадной колонны 1 упор 12, двигаясь по наружной поверхности 10 ограничителя 2, поджимает эластичное кольцо 11, герметизируя пространство между трубами обсадной колонны 1 в районе установки клапана. Затем клапан в составе обсадной колонны 1 спускают в скважину. При спуске жидкость заполняет внутреннее пространство обсадной колонны 1 только через боковые каналы 4, благодаря чему не требуется долив жидкости и исключается эффект “поршневания” (импульсный излив жидкости на устье во время спуска в результате гидроудара). Во время спуска при необходимости через обсадную колонну 1 возможна прокачка промывочной жидкости, которая, проходя через обратный клапан 5 и изливаясь из затрубья обсадной колонны 1, промывает ствол скважины. По достижении требуемого интервала по обсадной колонне 1 производят закачку цементного раствора с применением цементировочной пробки (не показана). Обратный клапан 5 при этом поворачивается относительно крепления 14, открывая осевой, через который прокачивается цементный раствор без дополнительного сопротивления, не воздействуя на седло 3 ограничителя 2. При завершении закачки цементировочная пробка воздействует на втулку 6, в результате разрушается срезной элемент 8, а втулка сдвигается вниз до стопора 9, перекрывая боковые каналы 4, в результате ловим “стоп” (значительное повышение давление на устье). Затем давление сбрасывается и обратный клапан 5 закрывается под действием эластичной манжеты 15 и давления цементного раствора из затрубья обсадной колонны 1 (плотность цементного раствора 1600 - 1800 кг/м³, а скважинной жидкости 1000 кг/м³). При этом центратор 16 фиксирует обратный клапан 5 относительно осевого канала 7. В результате кольцевая проточка 18 цилиндрической пластины 17 размещается напротив внутренней нижней плоскости 19 ограничителя 2, а наружная плоскость 20 цилиндрической пластины 17 размещена напротив седла 3 ограничителя 2, образуя лабиринтное уплотнение. Эластичная манжета 15, расположенная между нижней плоскостью 13 ограничителя 2 и цилиндрической пластиной 17, за счет своих пластичных свойств заполняет все неровности и полностью исключает перетоки цементного раствора из затрубья обсадной колонны 1 внутрь, так как при глубине скважины 1500 метров с использованием обсадной колонны диаметром 146 мм и осевом канале 7 диаметром в районе стопора 60 мм сила прижатия обратного клапана 5 к нижней плоскости 13 составляет 6,5-6,8 тонн. Использование тарельчатого обратного клапана 5 подобной конструкции позволяет полностью исключить разгерметизацию либо несрабатывание под воздействием внешних факторов (например: закачивание большого объема цементного раствора, наличие высоковязких продуктов скважины).

Предлагаемый клапан для обсадных колонн является легкой, дешевой, простой в изготовлении и обслуживании, надежной конструкцией с небольшим количеством деталей, что в результате приводит к экономии материальных и финансовых затрат.