EA010731B1

EA010731B1 - Седло клапана

Info

Publication number: EA010731B1
Application number: EA200602006A
Authority: EA
Inventors: Джордж Телфер; Эдвард Дочерти Скотт
Original assignee: Спешилайзд Петролеум Сервисиз Груп Лимитед
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2008-10-30
Also published as: CA2565133C; GB0409619D0; US20070295507A1; WO2005106186A1; BRPI0510302B1; ATE390539T1; NO20065515L; DE602005005669D1; PL1756393T3; NO336014B1; MXPA06012538A; BRPI0510302A; DE602005005669T2; CA2565133A1; EP1756393B1; EP1756393A1; US7681650B2; EA200602006A1; DK1756393T3

Abstract

Седло (10) клапана приспособлено для приема закупоривающей пробки и представляет собой цилиндрический корпус (30) со сквозным осевым каналом, образованным внутренней поверхностью (34) корпуса (30) и имеющим размер проходного сечения меньше, чем закупоривающий размер пробки (40), и с посадочной поверхностью (42), являющейся частью внутренней поверхности (34) корпуса (30), обращенной против потока и обеспечивающей перекрытие потока текучей среды в центральном канале (22) при уплотняющем взаимодействии с пробкой (40), достигаемом созданием перепада давления на уровне седла (10) клапана и введением пробки (40) в плотный контакт с посадочной поверхностью (42) корпуса (30) под действием возникающего прижимного усилия. Корпус (30) выполнен из упругого материала, способного при увеличении перепада давления и действии на него вызванного этим перепадом прижимного усилия сжиматься до объема, меньшего, чем первоначальный объем корпуса (30) с закупоренным осевым каналом, и обеспечивающего за счет этого увеличение проходного сечения осевого канала до размера, превышающего закупоривающий размер пробки (40), ее прохождение в центральном канале (22) скважинного инструмента (14) по ходу потока и увеличение объема корпуса (30) после прохождения пробки (40) до его первоначального объема.

Description

Настоящее изобретение относится к клапанам, используемым в скважинных инструментах в нефтегазовой промышленности, и в частности к седлу шарового клапана, которое создает временное уплотнение при продвижении пробки через седло клапана.

При бурении, завершении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин скважинные инструменты монтируют на спусковой колонне и опускают в ствол скважины для выполнения задач или операций в необходимых местах в стволе скважины. Известный способ взаимодействия с инструментом для выполнения задачи в требуемое время и в требуемом месте предусматривает сброс пробки, в типичном случае в форме шара, по спусковой колонне для взаимодействия с инструментом и приведения его в действие. Такие пробки движутся с потоком текучей среды к инструменту, на котором они сталкиваются с седлом клапана и создают уплотненное препятствие на пути потока текучей среды.

Обычно используют срезные соединения, такие как срезные штифты, в комбинации с пробкой и седлом клапана для придания реверсивности препятствию на пути потока текучей среды. На практике пробка с созданием уплотнения входит в контакт с седлом клапана в пределах диапазона рабочих давлений. Когда превышается заданный порог давления текучей среды, штифты срезаются, открывая пути для потока текучей среды вокруг пробки и седла клапана. Недостаток этого подхода состоит в том, что инструмент должен быть снабжен обводными каналами, которые открыты вокруг пробки и седла клапана, когда штифты срезаются. Эти конструкции дороги в производстве, и каналы могут быть заблокированы обломками, присутствующими в скважинных текучих средах.

Другой недостаток этих конструкций состоит в том, что, когда пробка посажена, центральный канал спусковой колонны оказывается постоянно перекрытым. Это предотвращает прохождение других элементов, таких как вспомогательный канат, через спусковую колонну.

Для преодоления этих проблем были разработаны различные клапаны для временного удерживания пробки, пока инструмент приводится в действие, и затем освобождения пробки для дальнейшего движения по спусковой колонне. Использовались деформируемые шары, которые деформируются при пороговом давлении для проталкивания через седло клапана. Недостаток этих деформируемых шаров состоит в том, что их, в типичном случае, изготовляют из материалов, которые подвержены повреждению, когда шар проходит вниз по спусковой колонне. При повреждении они могут не сформировать уплотнение в седле клапана.

Были предложены освобождаемые седла клапанов на основе действия цанги для временного удерживания шара. Эти седла могут не создавать эффективное уплотнение между шаром и седлом.

Также предлагались металлические седла клапанов, например, в патенте США № 5146992. Этот патент описывает алюминиевое седло клапана, которое приспособлено для приема и временного удерживания с уплотнением клапанной пробки, которая может располагаться внутри ствола скважины. Седло имеет кромку уплотнения, которая приспособлена для удерживания с уплотнением клапанной пробки и для, по существу, блокирования прохождения текучей среды от местоположения выше по потоку к местоположению ниже по потоку, при этом перепад давлений, создающийся на уровне седла клапана и пробки, действует так, что он деформирует кромку уплотнения и допускает прохождение клапанной пробки по ходу потока в канале для текучей среды, когда к ней прилагается сила заданной величины.

Хотя это устройство имеет преимущество, заключающееся во временном уплотнении клапана и последующем освобождении пробки, седло клапана имеет ряд недостатков. Главный недостаток состоит в том, что, когда пробка проходит седло, седло клапана деформировано, что предусматривает увеличенный зазор, в результате чего пробка подобного или идентичного размера не может быть посажена в клапан и пройдет через него. Это означает, что седло клапана можно использовать лишь один раз с клапанной пробкой первого размера и, если требуется последующее блокирование прохождения текучей среды, каждая последующая пробка должна иметь больший закупоривающий размер. Это требует того, чтобы оператор был полностью осведомлен о характеристиках используемого материала и о том, как он поведет себя под давлением и при температуре, необходимых для получения пробки, которая будет иметь достаточные размеры для создания эффективного уплотнения относительно седла, при этом все же будучи способной деформировать седло клапана при необходимом перепаде давлений.

Другим недостатком этого изобретения является то, что деформация имеет место, главным образом, на кромке уплотнения, при этом кромка уплотнения выступает по направлению потока текучей среды. Таким образом, существует полость за кромкой уплотнения, в которую кромка уплотнения смещается или деформируется. Обломки и другой вредный материал, находящийся в канале для потока, могут накапливаться или собираться за кромкой уплотнения. Это будет ограничивать величину деформации, которая может иметь место, и, таким образом, пробка может быть прихвачена в седле клапана и узел придется извлекать из ствола скважины с существенными затратами.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание седла клапана для использования с пробкой в скважинном инструменте, которое может многократно использоваться для временного блокирования потока текучей среды через инструмент с использованием пробок, имеющих подобные или идентичные закупоривающие размеры.

Другой целью по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения является создание седла клапана, которое является упругим в том смысле, что оно деформируется в пределах его

- 1 010731 собственного объема при приложении давления и возвращается к его первоначальной форме при устранении давления.

Согласно изобретению создано седло клапана, приспособленное для приема закупоривающей пробки, который предназначен для временного перекрытия потока текучей среды в центральном канале скважинного инструмента, протекающей вдоль оси центрального канала, представляющее собой цилиндрический корпус со сквозным осевым каналом, образованным внутренней поверхностью корпуса и имеющим размер проходного сечения меньше, чем закупоривающий размер пробки, и с посадочной поверхностью, являющейся частью внутренней поверхности корпуса, обращенной против потока и обеспечивающей перекрытие потока текучей среды в центральном канале при уплотняющем взаимодействии с пробкой, достигаемом созданием перепада давления на уровне седла клапана и введением пробки в плотный контакт с посадочной поверхностью корпуса под действием возникающего прижимного усилия, при этом корпус выполнен из упругого материала, способного при увеличении перепада давления и действии на него вызванного этим перепадом прижимного усилия сжиматься до объема меньшего, чем первоначальный объем корпуса с закупоренным осевым каналом, и обеспечивающего за счет этого увеличение проходного сечения осевого канала до размера, превышающего закупоривающий размер пробки, прохождение пробки в центральном канале скважинного инструмента по ходу потока и увеличение объема корпуса после прохождения пробки до его первоначального объема.

Упругий материал может представлять собой полимер, термопластический полимер, полиэтилен или полипропилен, термопластический поликонденсат, полиамид или нейлон, полиэфирэфиркетон.

Упругий материал может включать добавку, которая может представлять собой стеклянные гранулы или волокнистый наполнитель и составлять около 10-30%.

Внутренняя поверхность корпуса может иметь дугообразную форму относительно оси его канала и может быть выпуклой относительно оси его канала.

Проходное сечение осевого канала может быть расположено в плоскости, проходящей через вершину выпуклой внутренней поверхности корпуса.

Дугообразная форма внутренней поверхности корпуса может формировать трубку Вентури, обеспечивающую присасывание пробки к седлу.

Согласно изобретению создан способ временного перекрытия потока текучей среды в центральном канале скважинного инструмента с использованием по меньшей мере одной закупоривающей пробки и клапана с седлом из упругого материала, которое имеет сквозной осевой канал с размером проходного сечения меньшим, чем закупоривающий размер пробки, соответствующим первоначальному объему упругого седла, включающий следующие стадии:

посадку закупоривающей пробки в упругое седло клапана за счет возникающего при ее посадке перепада давления текучей среды на уровне седла;

увеличение перепада давления текучей среды до значения, вызывающего сжатие упругого седла клапана до объема меньшего, чем его первоначальный объем, и увеличение проходного сечения осевого канала упругого седла до размера, превышающего закупоривающий размер пробки;

прохождение закупоривающей пробки через упругое седло клапана, которое принимает после ее прохождения свой первоначальный объем.

Способ может включать последовательную посадку в упругое седло клапана множества пробок с одинаковыми закупоривающими размерами и их последовательное прохождение через седло за счет увеличения перепада давления после посадки в него каждой пробки.

Способ может включать посадку закупоривающей пробки в упругое седло клапана за счет ее присасывания к седлу клапана при приближении к нему.

Ниже только для примера будет описан вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж, изображающий вид продольного сечения части скважинного инструмента, который может использоваться в нефтегазовой промышленности.

Как показано на чертеже, седло 10 клапана расположено внутри выемки 12, образованной деталями скважинного инструмента 14. Инструмент 14 содержит верхнюю часть 16, среднюю часть 18 и нижнюю часть 20. Части 16, 18, 20 предназначены для сборки инструмента и будут перемещаться все вместе, когда седло 10 движется в центральном канале 22.

Центральный канал 22 расположен вдоль продольной оси 24 симметрии инструмента 14. Центральный канал 22 образует канал для текучей среды от области выше по потоку к области ниже по потоку, при этом область выше по потоку обращена к верхнему концу 26 инструмента 14 и область ниже по потоку обращена к нижнему концу 28 инструмента 14 и проходит от него.

Выемка 12 образует, по существу, кольцевую выемку. Выемка 12 образована верхней частью 16 и средней частью 18 инструмента 14. Для обеспечения плотной посадки в выемке 12 расположено седло 10 клапана.

Седло 10 клапана представляет собой сплошной корпус 30, имеющий тороидальную или кольцеобразную форму. В сечении, показанном на фигуре, оно представляет две противоположные идентичные поверхности, являющиеся зеркальным отображением друг друга. По существу, цилиндрическая внешняя поверхность упирается в дно выемки. Внутренняя поверхность 34 обращена к центральному каналу 22.

- 2 010731

Внутренняя поверхность 34 имеет, по существу, цилиндрическую форму с дугообразным профилем относительно продольной оси 24. Профиль выполнен с радиусом дуги или с вершиной дуги в средней точке поверхности 34. Как показано, корпус 30 образует первый объем.

Седло 10 выполнено из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК). ПЭЭК представляет собой полукристаллический полимер и относится к классу термопластических поликонденсатов. Этот материал распространен на рынке под торговыми наименованиями РЕЕК, ЛгоЮпе. Эос1а1ех. Кайе1. Мтйе1, 8аи1о1йе, 81аусг. ИИгарек и Ζ\όχ. ПЭЭК имеет высокую прочность на растяжение и изгиб, высокую ударную прочность и высокий предел усталости. Кроме того, он обладает высокой температурой тепловой деформации, высокой химической стойкостью и высокой радиационной стойкостью. Он также обладает хорошими электрическими характеристиками, хорошими характеристиками скольжения и износа и низкой воспламеняемостью. Материал может подвергаться инжекционному прессованию и может формоваться с добавлением приблизительно 10-30% стеклянных гранул. Добавление стекла в ПЭЭК повышает его модуль изгиба.

Вязкоупругие характеристики этого материала делают его пригодным в том смысле, что он может многократно сжиматься и всегда будет возвращаться к его первоначальному объему и размерам.

ПЭЭК имеет следующие механические характеристики:

прочность на растяжение при остаточной деформации, разрыве - 92 Н/мм²; модуль упругости при растяжении - 3600 Н/мм²;

модуль изгиба - 5-25 ГПа при -100-150°С.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что для формирования седла клапана могут использоваться другие материалы, при условии, что они имеют вязкоупругие характеристики, которые близки к характеристикам ПЭЭК. Возможно, эти материалы будут из числа полимеров, например полиамид (нейлон), полиэтилен, полипропилен и эластомеры.

При использовании седло 10 клапана находится в скважинном инструменте между сопрягающимися частями 16, 18.

Предпочтительно седло 10 располагается в выемке 12 таким образом, что внутренняя поверхность 34 совмещена с внутренними поверхностями 36, 38 центрального канала 22, расположенными над и под седлом 10. Поверхности 36, 38 совместно с внутренней поверхностью 34 имеют пологие углы и наклоны, в результате чего они обеспечивают получение нетурбулентного потока текучей среды в центральном канале 22.

Когда седло 10 расположено в инструменте, который находится в стволе скважины в спусковой колонне, материал седла 10 не подвергается эрозии, благодаря чему химикаты и другие промывочные материалы, такие как буровые растворы, можно закачивать по каналу 22 без повреждения седла 10. Кроме того, поскольку седло сформировано из относительно мягкого материала, оно не будет прихватывать любой вспомогательный канат или другой инструмент, вводимый через канал 22.

Когда пробку в форме шара 40 сбрасывают в спусковой колонне, она будет двигаться в текучей среде через центральный канал 22. Шар 40 имеет такой размер, что его величина или диаметр превышает проем седла 10 по внутренней стенке 34. Таким образом, когда шар 40 движется в канале 22, он будет посажен в седло 10. Это взаимодействие происходит на верхней кромке седла 10 относительно поверхности 42. Поверхность 42 можно назвать посадочной или уплотнительной поверхностью, поскольку уплотнение формируется вследствие соответствия по окружности шара и седла 10 клапана, когда они входят во взаимодействие. Шар 40 в этом случае оказывается посаженным в седло 10 клапана.

Благодаря дугообразному профилю уплотнительной поверхности 42 внутренней поверхности 34 шар 40 будет присасываться к седлу 10, когда он движется к седлу в результате эффекта Бернулли. Это предотвращает вибрацию или любое другое обратное движение шара вверх в канале 22. Такое явление может существовать, если шар 40 выполнен из легкого материала, и давление текучей среды в канале 22 недостаточно для направления шара с достаточной силой к седлу. Кроме того, действие присасывания шара 40 к седлу 10 благоприятно в инструментах, которые находятся в горизонтальных или наклонных скважинах, где действие силы тяжести не может содействовать продвижению шара 40.

При расположении шара 40 на уплотнительной поверхности 42 седла 10 поток текучей среды от местоположения выше по потоку к местоположению ниже по потоку блокируется. Когда текучую среду закачивают в направлении шара 40 от местоположения выше по потоку, будет возникать перепад давлений на уровне седла 10 клапана. Сила, воздействующая на шар 40, будет преобразовываться в силу, воздействующую на уплотнительную поверхность 42 и на корпус 30. Эта сила начнет сжатие материала седла 10. Сжатие будет смещать внутреннюю поверхность 34 в радиальном направлении в корпус 30, к которому она относится. Корпус не подвергается текучести, расширению, выдавливанию или деформации. Это не требуется, поскольку материал самого седла будет сжиматься в меньший объем, когда шар 40 проталкивается через седло 10. Это подтверждается тем фактом, что выемка 12 имеет, по существу, такие же размеры, как и корпус 30, в результате чего нет пространства для текучести, выдавливания или деформации корпуса путем расширения из центрального канала 22. Когда седло 10 сжимается, зазор седла 10 будет увеличиваться, пока не достигнет такого же размера, как шар 40, после чего шар 40 пройдет через седло. Теперь давление на шар будет проталкивать шар 40 через оставшуюся часть канала 22, и падение перепада давлений будет отмечено на поверхности скважины, когда будет восстановлен поток

- 3 010731 текучей среды по каналу 22.

В течение периода времени, когда шар расположен на уплотнительной поверхности 42 и поток текучей среды по каналу 22 блокирован, дополнительный перепад давлений не только стремится проталкивать шар 40 через седло 10, но он будет также создавать эффект выталкивания всего, что находится вровень с этой поверхностью 42, по ходу потока. В показанном варианте осуществления изобретения это будет означать, что части 16, 18, 20 будут соответственно отталкиваться по ходу потока относительно спусковой колонны, к которой прикреплен инструмент. Это движение частей инструмента вызывает приведение в действие инструмента. При освобождении шара, прошедшего через седло 10 клапана, если в инструменте находятся пружины, они могут восстанавливать положение частей 16, 18 и 20 при освобождении шара. Таким образом, инструмент и приводится в действие, и возвращается к его первоначальной конфигурации посредством прохождения одного шара через седло клапана.

В качестве типичного примера седло клапана, имеющее внешний диаметр 82,55 мм, высоту 30,75 мм, радиус дугообразного профиля 76,55 мм и зазор на входной и выходной поверхностях, составляющий 55,55 мм, будет работать со стальным сбрасываемым шаром, имеющим диаметр 52,43 мм.

Принципиальное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно обеспечивает создание седла шарового клапана, которое можно использовать многократно для временной остановки прохождения шара сквозь седло клапана, причем седло клапана самовосстанавливается и возвращается к его первоначальным размерам после прохождения каждого шара. Это допускает многократное применение идентичных сбрасываемых шаров, проходящих через скважинный инструмент, для приведения в действие инструмента любое избранное количество раз.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что седло клапана имеет конфигурацию, обеспечивающую эффект Вентури, когда пробка или сбрасываемый шар достигает седла клапана. Он эффективно всасывает шар в седло, обеспечивая плотную посадку шара.

В описанное здесь изобретение могут быть внесены различные модификации без отхода от его объема. Например, как описано, могут использоваться любые пригодные материалы, имеющие вязкоупругие свойства, которые демонстрируют признак упругости, требуемой согласно изобретению. Кроме того, относительные размеры седла клапана могут изменяться для соответствия требуемым размерам сбрасываемого шара и величине доступного пространства для получения выемки. Кроме того, радиус дугообразной поверхности седла в канале может быть подобран так, чтобы создавать требуемый уровень перепада давлений, при котором будет приводиться в действие инструмент.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Седло клапана, приспособленное для приема закупоривающей пробки, который предназначен для временного перекрытия потока текучей среды в центральном канале скважинного инструмента, протекающей вдоль оси (24) центрального канала (22), представляющее собой цилиндрический корпус (30) со сквозным осевым каналом, образованным внутренней поверхностью (34) корпуса (30) и имеющим размер проходного сечения меньше, чем закупоривающий размер пробки (40), и с посадочной поверхностью (42), являющейся частью внутренней поверхности (34) корпуса (30), обращенной против потока и обеспечивающей перекрытие потока текучей среды в центральном канале (22) при уплотняющем взаимодействии с пробкой (40), достигаемом созданием перепада давления на уровне седла (10) клапана и введением пробки (40) в плотный контакт с посадочной поверхностью (42) корпуса (30) под действием возникающего прижимного усилия, при этом корпус (30) выполнен из упругого материала, способного при увеличении перепада давления и действии на него вызванного этим перепадом прижимного усилия сжиматься до объема, меньшего, чем первоначальный объем корпуса (30) с закупоренным осевым каналом, и обеспечивающего за счет этого увеличение проходного сечения осевого канала до размера, превышающего закупоривающий размер пробки (40), ее прохождение в центральном канале (22) скважинного инструмента (14) по ходу потока и увеличение объема корпуса (30) после прохождения пробки (40) до его первоначального объема.
2. Седло клапана по п.1, в котором упругий материал представляет собой полимер.
3. Седло клапана по п.2, в котором упругий материал представляет собой термопластический полимер.
4. Седло клапана по п.3, в котором упругий материал представляет собой полиэтилен или полипропилен.
5. Седло клапана по любому из пп.1-3, в котором упругий материал представляет собой термопластический поликонденсат.
6. Седло клапана по п.5, в котором упругий материал представляет собой полиамид или нейлон.
7. Седло клапана по п.5, в котором термопластический поликонденсат представляет собой полиэфирэфиркетон.
8. Седло клапана по любому из пп.1-7, в котором упругий материал включает добавку.
9. Седло клапана по п.8, в котором добавка представляет собой стеклянные гранулы.
10. Седло клапана по п.8, в котором добавка представляет собой волокнистый наполнитель.

- 4 010731
11. Седло клапана по любому из пп.8-10, в котором добавка составляет около 10-30%.
12. Седло клапана по любому из пп.1-11, в котором внутренняя поверхность корпуса (30) имеет дугообразную форму относительно оси его канала.
13. Седло клапана по п.12, в котором внутренняя поверхность корпуса (30) является выпуклой относительно оси его канала.
14. Седло клапана по п.13, в котором проходное сечение осевого канала расположено в плоскости, проходящей через вершину выпуклой внутренней поверхности корпуса (30).
15. Седло клапана по любому из пп.12-14, в котором дугообразная форма внутренней поверхности корпуса (30) формирует трубку Вентури, обеспечивающую присасывание пробки к седлу.
16. Способ временного перекрытия потока текучей среды в центральном канале скважинного инструмента с использованием по меньшей мере одной закупоривающей пробки и клапана с седлом из упругого материала, которое имеет сквозной осевой канал с размером проходного сечения, меньшим, чем закупоривающий размер пробки, соответствующим первоначальному объему упругого седла, включающий следующие стадии:

посадку закупоривающей пробки в упругое седло клапана за счет возникающего при ее посадке перепада давления текучей среды на уровне седла;

увеличение перепада давления текучей среды до значения, вызывающего сжатие упругого седла клапана до объема, меньшего, чем его первоначальный объем, и увеличение проходного сечения осевого канала упругого седла до размера, превышающего закупоривающий размер пробки;

прохождение закупоривающей пробки через упругое седло клапана, которое принимает после ее прохождения свой первоначальный объем.
17. Способ по п.16, включающий последовательную посадку в упругое седло клапана множества пробок с одинаковыми закупоривающими размерами и их последовательное прохождение через седло за счет увеличения перепада давления после посадки в него каждой пробки.
18. Способ по п.16 или 17, включающий посадку закупоривающей пробки в упругое седло клапана за счет ее присасывания к седлу клапана при приближении к нему.