Запірно-поворотний клапан ЗПКМ2-146

Клапан цього типу призначений для випробування свердловин діаметром від 190 до 295 мм в комплексі з вузлами КВІ, як і зображено на рисунку 2.5. Він забезпечує багатократне відкриття-закриття за рахунок можливості необмеженого обертання колони труб вправо, що дозволяє:

- отримувати багатократний виклик і перекриття припливу флюїду з пласта;

- при випробуванні глибоких свердловин автоматично заповнювати колону труб промивальною рідиною на задану висоту;

- у випадку прихоплення колони труб проводити підпакерну циркуляцію, встановлювати нафтові і кислотні ванни і проводити інші необхідні операції, які зменшують силу прихоплення;

- проводити багатоциклове випробування декількох об’єктів за один спуск КВІ з повною реєстрацією кривих припливу і відновлення тиску.

Технічна характеристика ЗПКМ2-146:

Зовнішній діаметр, мм
Довжина, мм
Робочий хід, мм
Діаметр прохідного каналу, мм
Кількість обертів колони труб для зміни позиції відкрито-закрито
Максимальний перепад тиску, МПа
Осьове навантаження, кН, не більше
Маса, кг
Допустима температура використання ⁰С

Для виключення передчасного відкриття впускного клапана 21 обертання колони труб в процесі спуску не допускається, а деталі 3, 9,18 не повинні переміщатись відносно корпуса. В стисненому положенні клапана шток 3 виходить із зачеплення з корпусом і торцем спирається через роздільний поршень 5 на підшипник 6, гніздо якого заповнено консистентним мастилом.

На зовнішній поверхні порожнистого штока 18 виконано по десять витків правої та лівої трапецієвидної різьби, кінці якої спряжені між собою і утворюють таким чином безкінечну гвинтову канавку. По цій канавці ковзає скоба 15, що жорстко пов’язана з пальцем 14, який в залежності від положення скоби 15 в канавці має обмежену можливість обертання відносно своєї осі. Регулювання зазору між штоком 18 і скобою 15 здійснюється гайкою 13. В гільзі 10 виконані два поздовжні пази, по яких переміщується штифти 12, що жорстко закріплені в корпусі. Після пакерування і передачі стискуючого навантаження на хвостовик або опорний якір, під час обертання клапана вправо, скоба 15 ковзає по безкінечній гвинтовій канавці штока 18, переміщуючи вверх або вниз гільзу 10 та пов’язану з нею втулку 19, змінюючи напрямок через кожні десять обертів. При цьому втулка 19 переміщується разом із впускним клапаном 21, оскільки між втулкою 19 і гільзою 10 встановлений опорний підшипник двосторонньої дії 16, який закріплений гайкою 17.

Якщо втулка 10 знаходиться у верхньому положенні, як показано на рисунку 2.21, то впускний клапан відкритий. При наступному обертанні перевідника 1 і групи деталей 3, 9, 18, 21, 22 на десять обертів втулка 19 переміщується в нижнє положення і щілини опиняються нижче ущільнення 20 – впускний клапан закритий.

Коли клапан знаходиться у стиснутому стані і рухомі деталі 1, 3, 9, 18, 21, 22 обертаються відносно корпуса, ущільнення 28 на зрівноважувальному клапані 27 перекривають щілини гільзи зрівноважувального клапана 26, при цьому зрівноважувальний клапан 27 і гайка 23 залишаються нерухомими відносного перехідника 25 (з ущільнюючими кільцями 24) і гільзи зрівноважувального клапана 26. Незалежно від того, в якому положенні знаходиться втулка 19 (закритому чи відкритому), зрівноважувальний клапан 27 при розтягуючих навантаженнях легко відкривається. Для попередження розмивання втулки 19 і впускного клапана 21 в верхній частині штока 3 встановлений штуцер 2 з отворами діаметром 6, 8 або 10 мм.

Багатоциклова приставка

Багатоциклова приставка “МП-146” – це спрощений варіант багатоциклового випробувача, яка успішно застосовується для випробування свердловин глибиною до 3000 м. Вона також виконує роль запірно-поворотного клапана і забезпечує багатократне відкриття-закриття каналу для припливу флюїду в колону труб під час випробування, шляхом вертикального переміщення колони труб.

Схема конструкції приставки “МП-146” показана на рисунку 2.22. Корпус 4 телескопічно з’єднаний на шліцах з рухомим штоком 6, усередині якого розташований клапан 7 і шток 5. За допомогою пальця 2 і вкладиша 3 шток 5 жорстко зафіксований муфтою 1 і торцем корпуса. Клапан у нижній частині має радіальні канали, які перекриваються підпружиненою втулкою 10 з ущільнюючими кільцями 9. Коли приставка знаходиться у стиснутому положенні, радіальні канали клапана відкриті, а в розтягнутому положенні – закриті. Під дією розтягуючого навантаження шток 5 рухається вверх відносно штока 6, і втулка при цьому опускається вниз по штоку 5 під дією стисненої пружини 8, відкриваючи радіальні канали для припливу флюїду. При русі колони труб вверх, знімається стискуюче навантаження з приставки, шток 6, який жорстко з’єднаний з випробувачем пластів, залишається нерухомим, а корпус і шток 5 переміщаються вверх, перекриваючи таким чином радіальні канали і доступ флюїду в труби. Величина натяжки колони труб контролюється за індикатором ваги, який реєструє постійну вагу колони. Для повторного відкриття клапана необхідно розвантажувати колону труб до початкового значення. Застосування приставки МП-146 на відміну від запірно-поворотного клапана не потребує обертання колони труб. Вона забезпечує надійність відкриття –закриття каналу для припливу флюїду тільки за рахунок осьового переміщення колони труб, що сприяє зменшенню кількості невдалих операцій при випробуванні похило-скерованих свердловин.

Упорний якір

Якірні пристрої механічної дії встановлюються під пакером і призначені для опори опущеного випробувального обладнання на стінки свердловини або стінки обсадної колони. З їх застосуванням можна встановлювати пакери в різних інтервалах свердловини в залежності від стану її ствола, проводити селективне випробування декількох пластів за один спуск інструмента, а також пластів, що знаходяться на значній віддалі від вибою. Це виключає необхідність встановлення дорогих, розмежовуючих цементних мостів і значно зменшує витрати часу на випробування свердловини. Для роботи у відкритому стволі використовуються якоря серії “ЯК” і “ЯУ”, а для опори на стінки обсадних колон – “ЯМ”.

На рисунку 2.23 зображена принципова схема опорного якоря серії “ЯУ”, який при роботі з випробувачем пластів перехідником 1 згвинчується з ніпелем пакера, а перехідником 10 – з фільтром.

Під час спуску КВІ в свердловину опорні плашки 3 знаходяться в зачепленні з фіксатором 4 і розташовані у нижній частині конуса 2. Підпружинений планками 6 центратор якірного пристрою під час опускання в свердловину ковзає по її стінках і гвинтом 8, який розташований у пазі втулки 9, утримується від переміщення вверх по штоку 7. Штовхач опорних плашок 3 розташований нижче фіксаторів і згвинчений з обоймою 5.

Для приведення якоря в робоче положення на заданій глибині необхідно виконати наступні операції: підняти колону труб на 1-2 м; ротором повернути колону на півтора-два оберти вправо, щоб вивести гвинт 8 із зачеплення у фасонному пазу втулки 9; плавно опустити колону труб і розвантажити її на 120-150 кН. При цьому шток рухається вниз відносно центратора, який за рахунок тертя планок 6 утримується на стінках свердловини, а штовхач відтискує фіксатор 4 і переміщує упорні плашки 3 по направляючих пазах конуса. Упорні плашки при подальшому русі штока 7 входять у контакт зі стінками свердловини і загальмовують ковзання якірного пристрою вниз.

З моменту втискування опорних плашок в стінки свердловини, осьове навантаження що, створюється на пакер, сприймається опорними плашками і передається на стінки свердловини. При знятті пакера з місця встановлення, осьове навантаження знімається натяганням колони труб, шток переміщується вверх відносно центратора якоря, гвинт входить в фігурний паз втулки і фіксує центратор якірного пристрою. Упорні плашки під дією власної ваги опускаються по направляючих пазах конуса і входять в зачеплення з фіксатором. При послідовному випробуванні двох і більше об’єктів за один спуск КВІ якірний пристрій встановлюється вище (або нижче) випробовуваного інтервалу шляхом підйому (або спуску) відповідної кількості труб і виконанням операцій, описаних вище.

Технічна характеристика якоря “ЯК-190/240”:

Діаметр якоря, мм:
- по заклинюючому вузлу, не більше
- по плашках у робочому стані, не менше
Осьове стискуюче навантаження, кН
Осьове розтягуюче навантаження, кН
Розмір приєднувальних різьб	3-121
Довжина якоря, мм
Маса, кг

Розподільний пристрій

Досвід експлуатації пакерів свідчить про те, що при перепадах тиску більше 20 МПа працездатність їх різко знижується.

Під час випробування пластів в глибоких свердловинах, потрібна величина перепадів тиску часто перевищує 30-35 МПа. Це вимагає створення більш надійних пакеруючих засобів або додаткових вузлів, які підвищують надійність роботи існуючих пакерів. Одним з таких вузлів є розподільний пристрій, схема конструкції якого показана на рисунку 2.24. Він призначений для роботи з використанням двох пакерів і встановлюється між ними. Використання цього пристрою в зоні між двома пакерами забезпечує підтримання такого тиску, абсолютна величина якого менша, ніж тиск стовпа промивальної рідини в затрубному просторі, тому сумарний перепад тиску

розділяється в заданій пропорції між двома пакеруючими елементами. В процесі спуску у свердловину промивальна рідина через фільтр і порожнистий шток нижнього пакера поступає через розділювальну трубку 11 у внутрішню порожнину корпуса 7, а потім через обвідний канал потрапляє в порожнистий шток верхнього пакера і яса. Порожнина бурильних труб герметично ізольована від затрубного простору впускним клапаном гідравлічного випробувача пластів.

Таким чином, в процесі спуску, у внутрішній порожнині колони труб, а також у вузлах випробувального обладнання, що розташоване над випробувачем пластів, підтримується трубний тиск (Р_ТР), а усередині випробувальних вузлів нижче випробувача - затрубний тиск (Р_З). При цьому завжди виконується нерівність Р_З> Р_ТР. Порожнистий диференційний поршень 10 утримується в нижньому положенні силою:

(2.1)

Перепускний клапан, який складається з сідла 5, пробки 4 і пружини 3, в процесі спуску гідравлічно урівноважений, внаслідок чого він утримується в закритому положенні.

Після спирання хвостовика на вибій свердловини здійснюють пакеровку. В початковий період пакеровки (до відкриття впускного клапана випробувача) гідростатичний тиск під нижнім пакером, між пакерами і вище верхнього пакера буде однаковим і дорівнює тиску стовпа промивальної рідини, тобто перепад тиску відсутній.

Через деякй час після пакерування (0,5-3 хв) відкривається впускний клапан випробувача пластів і тиск під нижнім пакером стає рівним тиску стовпа рідини, залитої в труби. Тому тиск у внутрішній порожнині розподільного пристрою зменшиться до величини Р_ТР, в результаті чого відбудеться перерозподіл сил, які діють на диференційний поршень 8-10. При цьому сила, яка намагається утримати поршень у вихідному положенні, дорівнює

(2.2)

Одночасно на поршень 8 буде діяти сила , яка направлена у протилежному напрямку

(2.3)

Приймаючи до уваги те, що величина тиску у затрубному просторі Р_З і початковий тиск стовпа рідини в трубах Р_ТР в кожному конкретному випадку випробування, можуть бути визначені з достатньою точністю, діаметри і вибирають з такого співвідношення, при якому буде виконуватись нерівність

(2.4)

За рахунок різниці цих сил поршень 8-10 після з’єднання підпакерної зони з трубним простором розпочне переміщуватись вверх. При цьому тиск в міжпакерній зоні ( ) зменшується до деякої величини ( ), при якій наступить рівновага сил, що діють на поршень у протилежних напрямках ( ).

За рахунок падіння тиску у міжпакерній зоні до величини , перепад тиску, який діє на гумовий елемент нижнього пакера, значно понизиться , що забезпечує більш сприятливі умови його роботи.

Зокрема, максимальний перепад тиску, що утримується нижнім пакером

(2.5)

Перепад тиску, що утримується верхнім пакером

(2.6)

Якщо герметичність одного з пакерів порушиться, то перепад тиску, який утримується другим пакером, буде дорівнювати різниці тисків

(2.7)

По закінченні випробування інструмент припіднімають; впускний клапан випробувача закривається, а його зрівноважувальний клапан відкривається. Тиск в підпакерній зоні і, як наслідок, усередині розподільного пристрою стане рівним .

Запобіжний клапан 4 під дією сили

(2.8)

переміститься у крайнє верхнє положення, і тиск в міжпакерній зоні через радіальний канал в перевіднику 6 досягає величини , тобто відбувається вирівнювання тисків над і під пакерами.

Змінюючи співвідношення площ і , що досягається зміною двох деталей – корпуса 7 і поршня 9, забезпечують можливість регулювання перепаду тиску на пакеруючі елементи стосовно конкретних умов випробування.

Необхідно відмітити, що конструктивні особливості розподільних пристроїв дозволяють здійснювати роботу потрійним пакером з використанням двох розподільних пристроїв, які встановлюють послідовно між пакерами.

Сигналізатор

Для підвищення ефективності і надійного контролю за викликом і перекриттям припливу флюїду, в компоновку КВІ включають спеціальний пристрій, який ефективно контролює відкриття-закриття впускного клапана випробувача пластів.

До таких пристроїв належить гідромеханічний сигналізатор (рисунок 2.25), який складається з верхнього перевідника 1, жорстко з’єднаного з порожнистим штоком 2. На штоку виконані кільцеві виступи з герметизуючими гумовими кільцями 3 і 4. Між герметизуючим ущільненням знаходиться радіальний канал а. Нижче на порожнистому штоку, між виступами 5 і 7 встановлений герметизуючий елемент 6.

Корпус сигналізатора складається з патрубка 8 з радіальними каналами б і в і гальмівної камери 10, заповненої робочою рідиною. В нижній частині сигналізатора розташований гідравлічний гальмівний пристрій, складовою частиною якого є поршень 9 з каналом гідравлічного опору д.

Сигналізатор працює при створенні стискуючого навантаження, при цьому порожнистий шток 2 в міру перетікання гальмівної рідини через канал д повільно переміщується вниз. По закінченні заданого часу в залежності від навантаження і в’язкості гальмівної рідини герметизуюче ущільнення 4 опиниться на рівні верхнього краю отвору б. До того часу поршень 9 опиниться у розширеній частині гальмівної камери 10, де гальмівна рідина вільно перетікає з нижньої частини у верхню по широкому кільцевому зазору, що утворився між поршнем 9 і розточкою камери 10.

При наявності в камері широкого гальмівного каналу щезає гідравлічний опір перетоку рідини і шток 2 різко переміщується у крайнє нижнє положення. Цей стрибок штока на поверхні відмічають на індикаторі ваги і різкому зміщенню колони вниз. Після просідання колони під дією стискуючого навантаження відкривається впускний клапан випробувача пласта, розташованого нижче сигналізатора.

Для здійснення закритого періоду випробування колону труб повільно припідіймають і розтягуюча сила передається на шток 2. При незначному переміщенні його вверх герметизуючий елемент 6 притискується до виступу 7, ізолює розташовану нижче порожнину від затрубного простору і утворює гідравлічний затвір. При цьому отвір а та герметизуючий елемент 3 опиняються нижче отвору б. В міру переміщення порожнистого штока 6 рідина з кільцевого простору, розташованого нижче отвору, витісняється через канал г у перфорованому виступі 5.

Оскільки шток випробувача гідравлічно урівноважений, то при передачі розтягуючої сили впускний клапан випробувача пластів закривається вільно.

До додаткових вузлів випробувального інструменту належить також автоматичний випробувач пластів. Це принципово новий випробувач пластів, який забезпечує відкриті та закриті періоди в автоматичному режимі, без обертання або натягання колони труб, як це робиться традиційно. Створення автоматичного випробувача пластів викликано тим, що зі збільшенням глибини і кривизни свердловин звичайне управління випробувальним обладнанням шляхом обертання і натягання колони труб ускладнюється.

Для запуску в роботу автоматичного випробувача достатньо провести тільки пакерування. Подальше управління режимами його роботи, тобто відкриття-закриття зрівноважувального і впускного клапанів, відбувається автоматично без

подання сигналу з поверхні і здійснюється гідравлічним реле часу з визначеною і заданою наперед гальмівною характеристикою. Остання залежить від гідравлічних зусиль, які діють на реле. Тривалість відкритого періоду залежить від гідростатичного тиску в колоні труб, тобто від кількості рідини, що попередньо залита в труби та яка поступила в них під час випробування з пласта. Зі збільшенням припливу флюїду з пласта ступінь відкриття впускного клапана автоматично зменшується, а при випробуванні пластів з незначним припливом флюїду час відкритого періоду клапана збільшується.