Трубный испытательный клапан и способ извлечения испытательной колонны из постоянного пакера - RU2107806C1
Код документа: RU2107806C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к области добычи нефти или газа, а более точно, к трубному испытательному клапану и способу извлечения испытательной колонны из постоянного пакера. Этот клапан используется в буровой колонне для испытания давлением труб и скважинного испытательного оборудования, используемого с трубами. Клапан может быть использован для испытания труб в обсаженной скважине, в которой установлен постоянный пакер.
Для испытания скважины с установленным внутри обсадной колонны пакером необходимо собрать испытательную колонну, опускаемую в скважину. Испытательная колонна обычно содержит следующие компоненты в порядке снизу вверх. Стыковочный ниппель или направляющая для повторного ввода ходового конца каната, уплотняющий узел пакера, упор локатора, трубный испытательный клапан, различные испытательные и предохранительные клапаны и трубы достаточной длины, чтобы достичь постоянного пакера. Поскольку постоянный пакер установлен заранее и является частью обсадной колонны, длина испытательной колонны рассчитывается с учетом следующих факторов: труба и размер - каждая длина измеряется отдельно, температура и коэффициент удлинения труб в скважине. Длина испытательной колонны должна практически точно соответствовать глубине пакера.
Предварительный расчет потребности в длине труб для точного входа в постоянный пакер с точностью до дюймов на практике невозможен. Поэтому используется метод приблизительного расчета требуемой длины труб и затем ввода труб в канал пакера до прекращения движения труб. Это является точкой, где упор локатора упирается в верхнюю часть постоянного пакера, что можно определить на буровой платформе. По этой известной точке и по второй известной точке, которой является верхняя поверхность формации, т. е. морское дно или поверхность земли, можно разнести всю испытательную колонну в соответствии с необходимостью. Это обычно делается путем окрашивания участка белой краской и закрыванием плашек блока превентора, чтобы получить точную метку. Используя такую метку, трубы можно разнести, чтобы установить испытательное оборудование скважины, например подводную испытательную фонтанную арматуру и другое оборудование. Во время такого разнесения испытательная колонна спускается пока упор локатора не упрется в верхнюю часть пакера, после этого колонну поднимают на несколько метров, например на 3 метра от пакера, так, чтобы получить надежное уплотнение уплотняющим узлом пакера и внутренней поверхностью пакера, которая называется полированное приемное гнездо пакера. Такой уплотняющий узел пакера содержит чередующиеся слои уплотнений из металла и эластомера - обычно Vitcn (товарный знак), поэтому небольшие перемещения относительно приемного гнезда пакера не влияют на качество уплотнения между инструментом и постоянным пакером.
Существующие трубные испытательные клапаны позволяют буровому раствору или текучей среде, содержащимся внутри обсадной колонны, свободно входить в испытательную колонну по мере опускания ее в скважину, наращивая каждую секцию - длину труб. Типичным трубным испытательным клапаном, используемым в настоящее время, является клапан - тестер Холлибуртона, который позволяет испытывать давлением испытательную колонну при опускании ее в скважину. Этот клапан Холлибуртона содержит створчатый клапан и пружину, при опускании в скважину створчатый клапан открывается и обеспечивает возможность заполнения испытательной колонны. Когда испытательная колонна неподвижна, створчатый клапан удерживается в закрытом положении пружиной. При опускании колонны в скважину ее можно испытать давлением столько раз, сколько это необходимо.
При использовании клапанов такого типа трубы можно испытывать изнутри, закачивая среду вниз в испытательную колонну поверх трубчатого испытательного клапана. Давление контролируется с поверхности и испытание давлением проверяет целостность соединений труб и узлов над испытательным клапаном. Таким образом, процедуру испытания давлением можно повторять столько раз, сколько необходимо до тех пор, пока не будут установлены все трубы и испытательная колонна не достигнет полной длины. Как указывалось выше, полная длина испытательной колонны определяется расстоянием от упора локатора. После того как будет определена полная длина испытательной колонны, к ней можно добавлять различные испытательные инструменты, чтобы иметь возможность безопасно испытать скважину.
Таким образом, процедура заключается в опускании для определения длины труб и испытательного оборудования и во время опускания испытательный клапан открыт для пропускания среды, но в стационарном положении испытательный клапан закрыт и должен поддерживать давление, подаваемое сверху для испытания давлением соединений труб и т.п. После того как будет достигнута нужная глубина и при известном положении пакера, испытательную колонну необходимо частично приподнять для установки дополнительного оборудования и затем вновь опустить, процедуру испытаний можно повторить для проверки целостности дополнительных компонентов.
Существующие трубные испытательные клапаны позволяют уплотняющему узлу входить в установленный пакер, создавая возможность текучей среде или давлению обходить созданное уплотнение при сжатии того, что может оказаться замкнутым объемом под пакером. Объем под пакером может быть замкнутым, поскольку обсадная колонна или формация не были вскрыты или формация может быть по-существу непроницаемой для жидкости или газов, поэтому объем будет эффективно замкнутым. Если объем замкнут, инструмент может заклинить в скважине из-за огромного гидравлического усилия, возникающего при попытке вытянуть сработавшие уплотнения или установленный пакер из нижерасположенного замкнутого объема. В экстремальных случаях это может привести к потере оборудования или к отказу от скважины.
В альтернативных конструкциях можно установить последовательно два испытательных клапана, например тестер Холлибуртона и под ним испытательный клапан формаций Холлибуртона LPN - NP. Однако клапан LPR - NP не обеспечивает возможности самозаполнения и его приходится удерживать в открытом положении при опускании. Применение такого клапана LPR для таких целей не соответствует принципам проектирования и может привести к нарушениям в работе инструмента в скважине. В этом отношении во время первоначального спуска клапан LPR удерживается открытым, а клапан-тестер позволяет заполнить колонну и провести испытание труб и компонентов. После обнаружения упора и нужного разнесения колонны клапан-тестер необходимо открыть. Это значит, что для проведения испытаний скважинного оборудования давлением необходимо закрыть клапан LPR - N. Если клапан LPR отказывает, он автоматически закрывается и может оказаться невозможным обвести давление между замкнутой формацией и внутренним пространством колонны. Такая конструкция не позволяет многократно вводить клапан или выполнять байпас среды.
Из патента США N 4446922, кл. E 21 B 34/10 известен трубный испытательный клапан, содержащий корпус клапана, поворотный клапанный элемент, размещенный в корпусе клапана и выполненный с возможностью поворота в частично открытое положение и продольного вдоль продольной оси клапана смещения, средство позиционирования клапанного элемента для позиционирования клапанного элемента в осевом направлении над седлом клапана во время опускания в скважину и для введения клапанного элемента во взаимодействие с седлом клапана, когда клапан неподвижен в скважине, чтобы обеспечить проведение испытания давлением компонентов, расположенных над шаровым элементом, и средство коробки клапана для удержания поворотного клапанного элемента в корпусе.
Из авторского свидетельства СССР N 1461876, кл. E 21 B 43/10 известен способ извлечения испытательной колонны из постоянного пакера посредством приложения к колонне осевой нагрузки, направленной вверх.
Вышеуказанные испытательный клапан и способ извлечения испытательной колонны не обеспечивают многократного введения испытательной колонны в постоянные пакеры и извлечения ее из них без перевода клапана в фиксированное открытое положение.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание трубного испытательного клапана и способа извлечения испытательной колонны из постоянного пакера, обеспечивающего многократное введение колонны в постоянные пакеры и извлечение ее из них без перевода клапана в фиксированное открытое положение.
Этот технический результат достигается тем, что в трубном испытательном клапане, содержащем корпус клапана, поворотный клапанный элемент, размещенный в корпусе клапана и выполненный с возможностью поворота в частично открытое положение и продольного вдоль продольной оси клапана смещения, средство позиционирования клапанного элемента для позиционирования клапанного элемента в осевом направлении над седлом клапана во время опускания в скважину и для введения клапанного элемента во взаимодействие с седлом клапана, когда клапан неподвижен в скважине, чтобы обеспечить возможность провести испытание давлением компонентов, расположенных над клапанным элементом, и средство коробки клапана для удержания поворотного клапанного элемента в корпусе, согласно изобретению средство коробки клапана выполнено упругосмещаемым для поворота клапанного элемента.
Упругосмещаемое средство коробки клапана выполнено с возможностью осевого перемещения для поворота клапанного элемента в ответ на направленное вверх перемещение клапана, когда он расположен в пакере, посредством чего клапанный элемент поворачивается в частично открытое положение, в результате давление по обе стороны от клапана уравнивается и клапан может быть извлечен из пакера.
Предпочтительно средство позиционирования клапанного элемента является пружинным средством, установленным между клапанным элементом и расположенным выше по потоку средством коробки клапана, при этом пружинное средство смещено для подъема шарового элемента с седла клапана при опускании в скважину и позволяет клапанному элементу взаимодействовать с седлом клапана, когда сверху через корпус закачивают текучую среду. Пружинное средство для удобства оснащено двумя спиральными пружинами.
Альтернативно средство позиционирования клапанного элемента представляет собой пружинное средство, расположенное при использовании над клапанным элементом, и предназначено для смещения этого клапанного элемента во взаимодействие с седлом клапана, когда клапан неподвижен в скважине, при этом пружинное средство позволяет среде, находящейся в скважине, выталкивать шаровой элемент с седла клапана во время опускания, в результате чего эта среда может течь через этот испытательный клапан.
Для удобства пружинное средство представляет собой спиральную пружину, соединенную с верхним седлом клапана для смещения этого верхнего седла во взаимодействие с верхней поверхностью клапанного элемента, когда клапан находится в скважине неподвижно.
Предпочтительно клапанный элемент является шаровым клапанным элементом. Альтернативно клапанный элемент может быть выполнен в виде пробки.
Для удобства пружинное средство представляет собой пару спиральных пружин, связывающих шаровой элемент и средство коробки клапана, которое содержит вторую спиральную пружину.
Для удобства испытательный клапан содержит датчик давления, который срабатывает под воздействием заранее определенного давления в кольцевом пространстве ствола скважины для фиксации клапана в полностью открытом положении при извлечении испытательной колонны из пакера.
Для удобства шаровой элемент содержит J-образные пазы, ориентированные наклонно к продольной оси клапана для приема цапф упругосмещаемого средства коробки клапана для обеспечения возможности поворота клапанного элемента, при этом конструкция выполнена так, что в ответ на направленное вверх перемещение средства коробки клапана шаровой элемент поворачивается и сходит с нижнего седла клапана так, что клапан частично открыт и давления над и под шаровым элементом уравнивается. После того как давления уравниваются, коробка шарового элемента смещается вниз под воздействием усилия распрямляющейся пружины и клапан закрывается. По мере того как буровая колонна продолжает перемещаться вверх, этот процесс повторяется: клапанный элемент совершает колебания между частично открытым и закрытым положениями.
Для удобства упругосмещаемое средство коробки клапана содержит первый и второй кольцевые поршни, расположенные ниже по потоку от шарового элемента, при этом эти кольцевые поршни выполнены подвижными в осевом направлении в корпусе клапана, и средство для сравнения внутреннего и внешнего давлений испытательной колонны под постоянным пакером, в результате чего при направленном вверх движении испытательной колонны, когда она находится в постоянном пакере, создается разница давлений между внутренним и внешним пространством испытательной колонны и поршни смещаются вверх, заставляя шаровой элемент повернуться в частично открытое положение и обеспечивая возможность извлечения испытательной колонны из постоянного пакера.
Для удобства шаровой элемент посажен на кольцевое металлическое уплотнение.
Целесообразно, чтобы в шаровом элементе было выполнено по меньшей мере одно боковое отверстие и соединенное с ним каналом по меньшей мере одно верхнее отверстие и конструкция выполнена так, что при использовании, когда шаровой элемент отведен от седла клапана, взаимодействие поверхности шара и седла нарушено, шаровой элемент открыт и во время опускания испытательной колонны среда, находящаяся в скважине, может протекать через этот клапан, а когда испытательная колонна находится в скважине неподвижно и сверху на шаровой элемент подается давление, он садится на седло, в результате чего, когда шаровой элемент повернут от кольцевого седла клапана так, что нарушается взаимодействие поверхности шара и седла клапана, шаровой элемент открыт и среда может протекать в одном направлении через кольцевое седло, боковое отверстие, канал и наружу через верхнее отверстие.
Предпочтительно указанный шаровой элемент содержит по меньшей мере одно дополнительное боковое отверстие, соединенное первым каналом с основным боковым отверстием, при этом верхнее отверстие соединено вторым каналом с первым каналом.
Указанный технический результат достигается также и тем, что в способе извлечения испытательной колонны из постоянного пакера, при котором к испытательной колонне прикладывают осевую нагрузку, направленную вверх, согласно изобретению в испытательной колонне устанавливают испытательный клапан, содержащий поворотный клапанный элемент, выполненный с возможностью поворота и осевого перемещения в корпусе клапана посредством разницы давлений между внутренним и внешним пространством испытательной колонны под постоянным пакером, возникающей при подъеме испытательной колонны и для обеспечения возможности извлечения испытательной колонны из постоянного пакера уравнивают давление под и над клапанным элементом внутри испытательного клапана за счет открытия последнего в результате подъема испытательной колонны.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения более подробно описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает схематический вид обсадной колонны скважины с узлом испытательной колонны, установленной в постоянный пакер; фиг.2 - поперечное сечение по линии II-II на фиг. 1; фиг. 3 - увеличенное продольное сечение первого варианта воплощения трубного испытательного клапана, показанного на фиг. 1; фиг. 4 - увеличенный боковой вид шарового испытательного клапана, показанного на фиг. 3, в поднятом положении во время опускания; фиг. 5 - вид, аналогичный фиг. 3, альтернативного варианта воплощения трубного испытательного клапана; фиг. 6 - увеличенный боковой вид шарового клапана, показанного на фиг. 4; фиг. 7 - вид, аналогичный фиг. 4, с шаровым элементом, повернутым в частично открытое положение во время вытягивания испытательной колонны; фиг. 8а, 8б и 8в показывают величину открытия шарового клапана в обоих вариантах воплощения в ответ на медленное, среднее и быстрое вытягивание испытательной колонны при виде по стрелке A на фиг. 7.
На фиг. 1 и 2 показан схематический вид скважины, обозначенной в целом позицией 1 и имеющей обсадную колонну 2. Рядом с дном 3 скважины 1 расположен постоянный пакер 4, имеющий полированное приемное гнездо 5 для приема конца испытательной колонны 6. Испытательная колонна 6 показана установленной в пакере 4 для приема испытательной текучей среды из формации 7 рядом с замкнутым объемом 8 между пакером 4 и дном 3 скважины 1. Замкнутый объем 8 может содержать текучую среду скважины или текучую среду формации. Если целостность обсадной колонны нарушена, он может содержать углеводородную среду из формации. Ствол За скважины 1 над постоянным пакером 4 содержит буровой раствор достаточной плотности, чтобы предотвратить выброс под воздействием давления углеводородов в скважине 1.
Испытательная колонна 6 содержит различные компоненты, расположенные в направлении снизу вверх: стыковочный ниппель или направляющая 10 для повторного ввода ходового конца каната, уплотняющий узел 11 пакера, который состоит из чередующихся полос металла 12 и эластомерного уплотнителя 13 Viton (товарный знак), упор 14 локатора, который упирается в верхнюю часть 15 постоянного пакера 4, трубный испытательный клапан 16, подробно описываемый ниже, и трубы 17 достаточной длины для достижения поверхности. В описываемом варианте воплощения ствол 9 скважины 1 находится на морском дне и на дне 18 установлен узел подводного превентора, содержащего комплект гидравлических плашек 18' для закрывания вокруг колонны, находящейся в стволе 9 скважины. Текучая среда, окружающая испытательную колонну 6, известна как текучая среда кольцевого пространства и ее давление можно увеличивать через блок превентора, расположенного на дне моря, для того, чтобы приводить в действие различные подводные испытательные инструменты и испытательные клапаны, что хорошо известно специалистам.
Испытательный клапан 16 насосно-компрессорной колонны, показанный на фиг. 3, содержит корпус 19 клапана, имеющий в верхней части 21 внутреннюю резьбу для соединения с нижним переводником 22 для соединения с упором 14 локатора и уплотняющим узлом 11 пакера. Внутренняя конструкция корпуса 19 достаточно сложна и будет описана со ссылками на операции, которые должен выполнить испытательный клапан 16. В корпусе 19 размещен шаровой клапанный элемент 23, выполненный из бериллиевой меди и имеющий верхнее отверстие 24 и боковые отверстия 25, из которых на фиг. 3 показано только одно. Шаровой элемент 23 выполнен с возможностью опираться на кольцевое металлическое седло 26 так, что когда клапан 16 закрыт, как показано на фиг. 3, возникает уплотнение типа металл-металл.
Шаровой элемент 23, показанный на фиг. 4, имеет два J-образных паза 27, которые имеют участки, ориентированные под углом 45o к продольной оси 28 испытательного клапана 16. В пазы 27 входят выступы или шаровые пальцы 29, которые удерживают шаровой элемент 23 в положениях, определяемых формой пазов 27, но которые также позволяют элементу 23 поворачиваться относительно корпуса 17 и перемещаться вдоль оси 28, как будет более подробно описано ниже, чтобы выполнять определенные функции. Шаровой элемент 23 подвешен в корпусе 19 на двух идентичных спиральных пружинах 30. Пружины 30 закреплены на центральных цапфах 31 шарового элемента 23. Верхние концы пружин 30 прикреплены к коробке 33 шарового элемента 23 и смещены так, что шаровой элемент 23 в нормальном состоянии поднят от седла 26 клапана в отсутствии каких-либо усилий или потока. Это значит, что при опускании шаровой элемент 23 поднят с седла 26 клапана усилием пружины 30, в результате чего верхнее отверстие 24 или жиклер потока регулирует скорость потока и постоянно является ограничителем критического потока.
По мере того как испытательная колонна 6 опускается в скважину 1, клапан самозаполняется, т. е. шаровой элемент 23 поднимается с седла 26 пружиной 30 так, что среда из ствола 9 скважины 1 протекает вверх через канал 34 клапана вокруг клапана 16 через боковые отверстия 25 и вверх через верхнее отверстие 24 в направлении стрелок на фиг. 6. Следует отметить, что скорость потока через клапан 16 регулируется верхним отверстием 24. Это позволяет ограничить эрозию, возникающую под воздействием взвеси твердых веществ в потоке среды, текущей с высокой скоростью, площадью этого отверстия 24 поэтому любая, эрозия не влияет на целостность под воздействием давления узла шарового элемента 23 и седла 26. Это значит, что клапан 16 не открывается и не садится на место каждый раз, когда поток снизу протекает через него, т. е. во время опускания, когда клапан постоянно останавливается и вновь начинает движение по мере наращивания новых отрезков буровых труб. Таким образом, клапан 16 закрывается только при испытании давлением, что обычно при средней процедуре испытания происходит 10 раз. Уменьшенное число открываний- закрываний существенно улучшает надежность клапана 16 при выполнении его основной функции, т. е. при испытании колонны труб, использование такой технологии регулирования потока отверстием не ограничивается таким типом шаровых клапанов при испытании труб, но может применяться к любому клапану, который должен удерживать давление в одном направлении и обеспечивать свободный поток в другом направлении.
Для проведения испытания труб операцию опускания колонны останавливают и колонна остается неподвижной. Для того, чтобы провести испытание давлением сверху, в трубы закачивается текучая среда со скоростью 4,546 л в секунду для создания разницы давлений по обе стороны от отверстия 24 и полученное усилие преодолевает направленное вверх усилие пружин 30 и смещает шаровой элемент 23 с седла 35 на нижнее кольцевое седло 26 для образования уплотнения, для проведения испытания давлением. В таком положении клапан 16 поддерживает давление от по меньшей мере 103500 КПа и испытывался : на давлении 155000 КПа. Таким образом, на каждом этапе операции опускания, когда необходимо проверить целостность труб, клапан останавливают и сверху подают давление для проверки конкретной комбинации труб. После того как будет достигнута разница давлений, пружины отводят клапан 16 от седла 26, обеспечивая свободный поток среды как и раньше.
Как указывалось выше, клапан 16 опускают до тех пор, пока упор 14 локатора не упрется в верхнюю часть 15 постоянного пакера 4, затем поднимается и опускается вновь. Это положение показано на фиг. 1. В конструкции, показанной на фиг. 1, камера под постоянным пакером 4 и дном ствола скважины 1 закрыта. В показанном варианте обсадная колонна не перфорирована. Таким образом, объем между дном 3 ствола 9 и пакером 4 эффективно замкнут. Теперь необходимо извлечь испытательную колонну 6 из пакера 4. Как описано выше, предшествующий уровень техники требовал, чтобы обычный тестовый клапан колонны был переведен в открытое состояние, поскольку замкнутый объем создает большое гидравлическое усилие на клапане 16. Даже в ситуациях, когда обсадная колонна перфорирована, это усилие может возникнуть, если формация является непроницаемой и по-существу действует как замкнутый объем.
Для того чтобы обеспечить возможность освобождения колонны 6 из пакера 4, требуется еще одна операция с использованием испытательного клапана 16. Клапан 16 вытягивают вверх, что приводит к падению давления в клапанном канале 34 под шаровым элементом 23. Это падение давления приводит к возникновению разницы давлений Pa и Pb между внутренним пространством канала и его внешним пространством. Эта разница давлений действует через отверстия 36 в корпусе 19 и смещает поршни 37 и 38 вверх к основному поршню 39. Основной поршень 39 упирается в средство коробки клапана, в целом обозначенное позициями 40, 41, что приводит к перемещению выступов коробки или шаровых пальцев 29 относительно пазов 27 шарового элемента 23. Аналогичным образом средство 40, 41 коробки клапана упирается в верхний кольцевой пружинный толкатель 42, поднимая основную спиральную пружину 43 вверх, прижимая ее к компрессору 44 и держателю 45 в верхней части узла клапана. По мере того как средство 40, 41 коробки клапана смещается вверх, оно заставляет шаровой элемент 23 повернуться относительно корпуса 19 клапана 16 и оси 28 за счет наклонно ориентированных участков пазов 27. Когда шаровой элемент 23 поварачивается, он достигает точки, где отверстие 25 нарушает уплотнение между внешней поверхностью шарового элемента 23 и нижним седлом 26 клапана, как наиболее четко показано на фиг. 8а. Когда это происходит, давления в отверстии 46 над шаровым элементом 23 и в отверстии 34 под шаровым элементом 23 уравниваются и, таким образом, клапан 16 можно извлечь на определенное расстояние из пакера 4. Однако, когда давления уравниваются, основная пружина 43 перемещает средство 40, 41 коробки клапана вниз и, следовательно, клапан 16 вновь закрывается. Однако, поскольку к испытательной колонне 6 приложено постоянное направленное вверх вытягивающее усилие, создается разница давлений, как и раньше шаровой элемент 23 вновь слегка приоткрывается. Если усилие вытягивания, направленное вверх, непрерывно, клапан 16 совершает колебания между закрытым и приоткрытым положениями и в результате уравнивание давлений позволяет извлекать испытательную колонну 6 из постоянного пакера 4 с определенной скоростью. Например, если скорость вытягивания вверх невелика, то степень открытия между шаровым элементом 23 и седлом 26 будет мала, как показано на фиг. 8а. Если скорость вытягивания увеличить, отверстие увеличится, как показано на фиг. 8б, и будет меняться от этого размера до закрытого состояния, а размер отверстия для быстрого вытягивания показан на фиг. 8в.
Теперь испытательную колонну 6 можно частично извлечь, чтобы установить различные предохранительные клапаны и различные подвески. Теперь можно с уверенностью предсказать положение этих подвесок, чтобы позволить уплотняющему узлу 11 сесть на 50% окружности в приемное гнездо пакера, чтобы учесть расширение и сжатие колонны. Поскольку клапан тестера колонны не был переведен в фиксированное открытое положение, он все еще может поддерживать испытание давлением, подаваемом сверху, тем самым позволяя испытать установленные предохранительные клапаны и регулирующие клапаны, установленные на поверхности давлением от резервуара, т. е., снизу. Когда испытательная колонна 6 входит в постоянный пакер 4 перед перфорацией, т. е., узел 11 уплотняется в полированном гнезде пакера 4, клапан 16 можно перевести в полностью открытое положение.
Для того чтобы полностью открыть клапан 16 и зафиксировать его в этом открытом положении, давление в кольцевом пространстве ствола 9 скважины 1 повышают так, что внешнее давление канала значительно превышает его внутреннее давление, что заставляет главный поршень 39 уйти вверх внутри корпуса 19 так, что средство 40, 41 коробки клапана смещается вверх так, что шаровой элемент 23 совмещается с каналами 34, 46 клапана 16. В этом положении подпружиненные собачки- фиксаторы 47 вводятся между оправкой 48 и коробкой 49 нижнего седла 26 клапана 16 для фиксации средства 40, 41 коробки клапана в этом положении и противодействия усилию главной спиральной пружины 43. Когда это происходит, клапан 16 полностью открыт и позволят проводить различные испытательные операции.
После того как колонна извлечена, испытательный клапан можно демонтировать и перенастроить на последующее использование. Процедуры демонтажа и обслуживания занимают лишь около 20 минут, после чего клапан можно использовать вновь.
Еще один вариант воплощения клапана показан на фиг. 5, 6, 7 и 8. Он аналогичен первому варианту, за исключением способа установки шарового элемента, что приводит к иному способу работы. Для удобства сходные позиции с добавлением "а" обозначают сходные детали.
Испытательный клапан 16а содержит корпус 19а, который имеет внутреннюю резьбу в верхней части 20а для соединения с трубами и имеет внутреннюю резьбу в нижней части 21а для соединения с нижним переводником 22а для соединения с упором 14а локатора и уплотнительным узлом 11 пакера. Внутренняя конструкция корпуса 19а весьма сложна и будет описана со ссылками на операции, которые должен выполнять испытательный клапан 16а. Корпус 19а содержит шаровой клапанный элемент 23а, выполненный из бериллиевой меди, в котором выполнены верхнее отверстие 24а и боковые отверстия 25а, из которых на фиг. 5 показано только одно. Шаровой элемент 23а опирается на кольцевое металлическое седло 26а так, что когда клапан 16а закрыт, как показано на фиг. 5, возникает уплотнение типа металл-металл.
В шаровом элементе 23а выполнены два по-существу овальных паза 27а (фиг. 6), ориентированных под углом 45o к продольной оси 28а испытательного клапана 16а. Пазы 27а принимают в себя выступы или шаровые пальцы 29а, которые удерживают шаровой элемент 23а в показанных положениях, но которые также позволяют шаровому элементу 23а поворачиваться относительно корпуса 19а и перемещаться продольно относительно оси 28а, как более подробно будет описано ниже, для выполнения определенных функций.
Когда испытательную колонну 6 опускают в скважину 1, шаровой клапан 16а самозаполняется, т. е., шаровой элемент 23а отводится от седла 26а так, что среда в стволе 9 скважины 1 течет вверх через канал 34а вокруг клапана 16а, через боковые отверстия 25а и вверх через верхнее отверстие 24а в направлении стрелок, показанных на фиг. 7. Это происходит потому, что шаровой элемент 23а смещен вверх, прижимая верхнее седло 35а клапана 16а к спиральной пружине 31а верхнего седла 35а клапана 16а, что позволяет шаровому элементу 23а свободно перемещаться без взаимодействия с седлом 26а. Следует также отметить, что скорость потока через клапан 16а определяется верхним отверстием 24а шарового элемента 23а. Это приводит к тому, что любая эрозия, вызываемая взвесью твердых частиц в среде, движущейся с высокой скоростью, ограничивается площадью этого отверстия 24а, следовательно, низкая эрозия не повлияет на целостность под давлением взаимодействующих шарового элемента 23а и седла 26а. Это значительно повышает надежность клапана 16а при выполнении его основной функции, т.е. при испытании колонны труб. Использование такой технологии регулирования потока отверстием не ограничивается таким типом шаровых клапанов при испытании труб, но может применяться к любому клапану, который должен удерживать давление в одном направлении и обеспечивать свободный поток в другом направлении.
Для проведения испытания труб операцию опускания колонны останавливают и колонна остается неподвижной. Когда это происходит, давление спиральной пружины 31а прижимает верхнее седло 35а клапана 16а к шаровому элементу 23а и вновь опускает его на нижнее седло 26а клапана. В этом положении клапан 16а удерживает давление сверху, равное по меньшей мере 103500 КПа, и испытывался на давлении, равном 155000 КПа. Таким образом, на каждом этапе операции пускания, когда необходимо проверить целостность испытуемых труб, клапан останавливают и сверху подают давление для проверки конкретной комбинации труб.
Как описано выше, клапан опускают до положения, в котором упор 14а локатора упирается в верхнюю часть 15 постоянного пакера 4, затем его приподнимают и опускают вновь. Это положение показано на фиг. 1. В конструкции, показанной на фиг. 1, камера под постоянным пакером 4 и над дном 3 ствола 9 скважины 1 замкнута.
В показанном варианте воплощения обсадная колонна не перфорирована. Таким образом, объем между дном 3 ствола 6 скважины 1 и пакером 4 эффективно замкнут. Теперь испытательную колонну 6 необходимо извлечь из пакера 4. Как описано выше, предшествующий уровень техники требовал, чтобы обычный тестовый клапан колонны был переведен в открытое состояние, поскольку замкнутый объем создает большое гидравлическое усилие на инструменте. Даже в ситуациях, когда обсадная колонна перфорирована, это усилие может возникнуть, если формация является непроницаемой и по-существу действует как замкнутый объем.
Для того чтобы обеспечить возможность освобождения колонны из пакера, требуется еще одна операция с использованием испытательного клапана. Клапан вытягивают вверх, что приводит к уменьшению давления в клапанном канале 34а под шаровым элементом 23а. Это уменьшение давления приводит к возникновению разницы давлений между внутренним пространством и внешним пространством канала 34а. Эта разница давлений действует через отверстия З6а в корпусе 19а и смещает поршни 37а и 38а вверх к основному поршню 39а. Основной поршень 39а упирается в средство коробки клапана, в целом обозначенное позициями 40а, 41а, что приводит к перемещению выступов коробки или шаровых пальцев 29а относительно пазов 27а шарового элемента 23а. Аналогичным образом средство 40а, 41а упирается в верхний кольцевой пружинный толкатель 42а и отводит основную спиральную пружину 4За вверх, прижимая ее к компрессору 44а и держателю 45а в верхней части узла клапана 16а.
По мере того как средство 40а, 41а коробки клапана смещается вверх, он заставляет шаровой элемент 23а повернуться относительно корпуса 19а клапана и оси 28а за счет наклонно ориентированных участков пазов 27а. Когда шаровой элемент 23а поворачивается, он достигает точки, где отверстие 25а нарушает уплотнение между внешней поверхностью шарового элемента 23а и нижним седлом 26а клапана 16а, как наиболее четко показано на фиг. 7. Когда это происходит, давления в канале 46а над элементом 23а и в канале 34а под элементом 23а уравниваются и, таким образом, клапан 16а можно извлечь на определенное расстояние из пакера. Однако, когда давления уравниваются, основная пружина 43а перемещает средство 40а, 41а коробки клапана вниз и, следовательно, клапан 16а вновь закрывается. Однако, поскольку к испытательной колонне 6 приложено постоянное направленное вверх вытягивающее усилие, создается разница давлений, как и раньше, и шаровой элемент 23а вновь слегка приоткрывается. Если усилие вытягивания, направленное вверх, непрерывно, клапан 16а совершает колебания между закрытым и приоткрытым положениями, и в результате уравнивание давлений позволяет извлекать испытательную колонну 6 из постоянного пакера 4 с определенной скоростью. Например, если скорость вытягивания вверх невелика, то степень открывания между шаром и седлом будет мала, как показано на фиг. 8а. Если скорость вытягивания увеличить, отверстие увеличится, как показано на фиг. 8б, и будет меняться от этого размера до закрытого состояния, а размер отверстия для быстрого вытягивания показан на фиг. 8в.
Теперь испытательную колонну можно частично извлечь, чтобы установить различные предохранительные клапаны и различные подвески. Теперь можно с уверенностью предсказать положение этих подвесок, чтобы позволить уплотняющему узлу сесть на 50% окружности в гнездо пакера, чтобы учесть расширение и сжатие колонны. Поскольку клапан тестера колонны не был переведен в фиксированное открытое положение, он все еще может поддерживать испытание давлением, подаваемом сверху, тем самым позволяя испытать установленные предохранительные клапаны и регулирующие клапаны, установленные на поверхности давлением от резервуара, т.е. снизу. Когда испытательная колонна входит в постоянный пакер перед перфорацией, т. е. узел 11 уплотняется в полированном гнезде пакера 4, клапан 16а можно перевести в полностью открытое положение.
Для того чтобы полностью открыть клапан 16а и зафиксировать его в этом открытом положении, давление в кольцевом пространстве ствола 9 скважины повышают так, что внешнее давление канала значительно превышает внутреннее давление, что заставляет главный поршень 39а уйти вверх, срезая фиксирующие пальцы 50а. Когда пальцы 50а срезаны, средство 40а, 41а смещается вверх так, что шаровой элемент 23а и клапан 16а будут полностью открыты, т.е. отверстие 25а совпадает с внутренними каналами 34а, 46а клапана 16а. В этом положении подпружиненные собачки-фиксаторы 47а выдвигаются для того, чтобы зафиксировать средство 40а, 41а коробки клапана в этом положении, противодействуя возвращающему усилию основной спиральной пружины 43а. Когда это происходит, клапан 16а полностью открыт и позволяет проводить различные испытательные операции.
После того как испытательная колонна 6 будет извлечена, клапан 16а можно отсоединить и перенастроить для последующих операций. Процедуры демонтажа и обслуживания занимают лишь около 20 минут, после чего клапан 16а можно использовать вновь.
Следует отметить, что описанные варианты воплощения могут быть подвергнуты различным модификациям в рамках настоящего изобретения. Например, испытательный клапан может использоваться с извлекаемыми пакерами и может использоваться как на плавучих буровых судах и морских платформах, так и на наземных буровых скважинах и особенно для скважин высокого давления, где давление значительно превышает 41358 КПа, что обычно характерно для глубоких скважин порядка 4500-4800 м. Следует отметить, что клапан может использоваться с испытательной колонной там, где скважина обсажена, перфорирована или не перфорирована, либо может использоваться с нижними формациями с постоянным пакером без обсадки под пакером. Шаровой клапанный элемент может быть заменен клапанным элементом в виде пробки, который обеспечивает однонаправленный поток в системе высокого давления и удерживает поток в другом направлении. Пробочный клапанный элемент выполняется с возможностью поворота между открытым и закрытым положениями и также выполнен самозаполняющимся при опускании испытательной колонны.
Следует также отметить, что компоненты и материалы, используемые в конструкции трубного испытательного клапана, соответствуют возможности работы в кислой среде, определенной в Nace MR 0175, являющимся стандартом Американского нефтяного института.
Следует также отметить, что во втором варианте воплощения размер спиральных пружин точно подобран для работы в диапазоне типичных давлений внутри скважины и это было достигнуто методом подбора. Спиральные пружины в обоих вариантах воплощения можно заменить на любые другие подходящие упругие средства, например эластомерные втулки или тарельчатые пружины.
Таким образом, описанный трубный испытательный клапан использует стандартные компоненты и может быть собран относительно быстро. Кроме того, после работы клапан можно перенастроить для дальнейшего использования в течение очень короткого промежутка времени. Клапан обладает тем преимуществом, что он обеспечивает самозаполнение при опускании колонны и позволяет также выполнять и испытания труб для того, чтобы разместить устройство в постоянном пакере и испытывать давлением испытательное оборудование после выполнения выдвижения. Более того, он обеспечивает байпас во время извлечения испытательной колонны, что обеспечивает относительно легкое ее извлечение из постоянного пакера в замкнутой или герметичной формации. Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что испытательный клапан допускает многократное введение колонны в постоянный пакер без перевода клапана в фиксированное открытое положение.
Реферат
Трубный испытательный клапан для использования в буровой колонне для испытания давлением труб и скважинного оборудования, в частности в обсаженных скважинах в которых установлен постоянный пакер. Клапан допускает самонаполнение во время спуска колонны в скважину, но позволяет производить испытания давлением, когда установлен в скважине стационарно. Клапан также позволяет многократно вводить колонну в постоянные пакеры и извлекать ее из них без перевода инструмента в фиксированное открытое положение. Это достигается за счет использования шарового клапана с отверстием в корпусе инструмента, который может перемещаться в осевом направлении и вращаться вместе с каналом корпуса. Шаровой клапан имеет боковые отверстия и верхнее отверстие, которые регулируют поток через клапан. Шаровой элемент имеет пазы, в которые входят пальцы, которые позволяют шаровому элементу поворачиваться, когда инструмент находится в пакере и когда он взаимодействует с седлом клапана для нарушения герметичности и обеспечения возможности уравнивания давления в канале над и под шаровым элементом. Это позволяет извлекать инструмент из пакера. 2 с. и 13 п.ф-лы, 8 ил.
