Предохранительный клапан для нисходящей скважины

1 Настоящее изобретение относится к предохранительному клапану для использования в буровой скважине, образованной в геологической формации, содержащему корпус клапана,имеющий канал для текучей среды для пропуска потока углеводородной текучей среды, проходящего из геологической формации через буровую скважину на поверхность земли, запорный элемент, перемещающийся относительно корпуса клапана между открытым положением,в котором канал для текучей среды открыт, и закрытым положением, в котором запорный элемент закрывает канал для текучей среды. Предохранительный клапан служит для остановки добычи из буровой скважины путем контроля с поверхности или автоматически в случае нежелательных параметров потока. Последняя ситуация имеет место, например, в случае повышенного расхода углеводородной текучей среды в результате аварии наземного оборудования для добычи. Поэтому обычно целью является создание предохранительного клапана для буровой скважины, способного перекрывать расход в скважине при его достижении выбранного порогового значения. Однако опыт показывает, что традиционные предохранительные клапаны обычно имеют низкую точность относительно расхода, при котором клапан закрывается. Целью настоящего изобретения является создание улучшенного предохранительного клапана для нисходящей скважины, в котором устранены недостатки традиционных предохранительных клапанов для нисходящей скважины. В соответствии с изобретением создан предохранительный клапан для использования в буровой скважине, образованной в геологической формации, содержащий корпус клапана,имеющий канал для текучей среды для пропуска потока углеводородной текучей среды, проходящего из геологической формации через буровую скважину на поверхность земли, запорный элемент, перемещающийся относительно корпуса клапана между открытым положением,в котором канал для текучей среды открыт, и закрытым положением, в котором запорный элемент закрывает канал для текучей среды,приводное средство для избирательного воздействия тягового усилия выбранной величины на запорный элемент, причем на тяговое усилие воздействует поток текучей среды и вынуждает запорный элемент перемещаться из открытого положения в закрытое положение, и контрольное средство для контроля приводного средства для осуществления воздействия на запорный элемент тяговым усилием. Путем избирательного воздействия тягового усилия на запорный элемент достигается, в первую очередь, скачкообразное изменение результирующей силы, действующей на запорный элемент, а не постепенное изменение, как в традиционных предохранительных клапанах. В 2 результате, запорный элемент закрывает канал для текучей среды в ответ на скачкообразное изменение силы. Необходимо понять, что тяговое усилие может действовать прямо на запорный элемент или на поверхность приложения тягового усилия, соединенную с запорным элементом. Целесообразно, чтобы приводное средство действовало между первым режимом, в котором проход потока текучей среды через запорный элемент, по существу, предотвращается, и вторым режимом, в котором имеется возможность прохода потока текучей среды через запорный элемент. В предпочтительном конструктивном исполнении запорный элемент размещен в трубопроводе, и в первом режиме приводное средство, по существу, способно предотвращать проход потока текучей среды в трубопровод, а во втором режиме приводное устройство обеспечивает возможность прохода потока текучей среды в трубопровод. Предпочтительно приводное средство включает откидной клапан, имеющий заслонку,расположенную выше по потоку от запорного элемента и способную в первом режиме, по существу, закрывать трубопровод и во втором режиме, по существу, оставлять трубопровод открытым. Настоящее изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее: фиг. 1 схематически изображает продольный разрез предохранительного клапана для нисходящей скважины в соответствии с изобретением; фиг. 2 схематически изображает разрез по линии 2-2 по фиг. 1; фиг. 3 схематически изображает поперечное сечение по линии 3-3 на фиг. 2; фиг. 4 схематически изображает вид сбоку по линии 4-4 на фиг. 2; фиг. 5 схематически изображает деталь альтернативного варианта исполнения предохранительного клапана для нисходящей скважины в соответствии с изобретением; фиг. 6 схематически изображает поперечное сечение предохранительного клапана, показанного на фиг. 5. На фиг. 1 изображена буровая скважина 1,образованная в геологической формации 2 для добычи потока углеводородного газа. Скважина 1 снабжена обсадной колонной 3, закрепленной в скважине слоем цемента 4. Предохранительный клапан 6 для нисходящей скважины в соответствии с изобретением расположен концентрически в колонне 3 и прикреплен к колонне пакером 8, предотвращающим обход углеводородным газом предохранительного клапана 6. Направление потока газа показано стрелками 9. Предохранительный клапан 6 включает трубу в форме трубчатого корпуса 10 клапана, 3 имеющего множество входных отверстий для газа в форме щелей 12, выполненных в трубчатом корпусе клапана, и выходное отверстие 14 для газа в контакте со средой в щелях 12 через отверстие 16 клапана. Седло 17 клапана проходит вокруг отверстия 16 клапана со стороны выше по потоку. Запорный элемент 18 размещен в корпусе 10 клапана и имеет переднюю поверхность 20, сопряженную с седлом 17 клапана. Запорный элемент 18 перемещается в осевом направлении в корпусе 10 клапана между открытым положением (как показано на фиг. 1),в котором передняя поверхность 20 расположена на расстоянии от седла 17 клапана, и закрытым положением, в котором передняя поверхность 20 контактирует с седлом 17 клапана и,таким образом, закрывает клапан. Небольшой радиальный зазор 22 имеется между наружной поверхностью запорного элемента 18 и внутренней поверхностью корпуса 10 клапана. Спиральная пружина 24 растяжения размещена в трубчатом корпусе 10 клапана, причем один конец пружины 24 соединен с запорным элементом 18, другой конец со стопорным элементом 26, размещенным в корпусе клапана. Стопорный элемент 26 является регулируемым в осевом направлении в корпусе 10 клапана для регулирования силы растяжения пружины 24. В состоянии покоя пружина 24 удерживает запорный элемент 18 в открытом положении. Как показано на фиг. 2, расположенная выше по потоку торцевая часть корпуса 10 клапана снабжена приводным средством в форме откидного клапана 30, действующего между закрытым режимом, при котором проход потока газа через запорный элемент 18, по существу,предотвращается, и открытым режимом, при котором имеется возможность прохода потока газа в корпусе 10 клапана и через запорный элемент 18. Клапан 30 включает корпус 31, размещенный внутри трубчатого корпуса 10 клапана и имеющий отверстие 33 для прохода, и заслонку 32, соединенную с поворотным валом 34, который разделяет заслонку 32 на части 36,37 с различными площадями поверхности. Для иллюстрации этого устройства эксцентриситет между осью симметрии 39 а заслонки и продольной осью 39b вала 34 обозначен на фиг. 2 позицией 39. Как показано на фиг. 3, поворотный вал 34 проходит через камеру 40, размещенную в корпусе 31 клапана. Вал 34 имеет поверхность кулачка, образованную плоской частью 43 поверхности вала, которая проходит параллельно заслонке 32 и расположена в камере 40. Остальная поверхность вала 34 имеет поперечное сечение в виде круга. Листовая пружина 42 размещена в камере 40 так, что оба конца листовой пружины 42 прикреплены к стенкам камеры 40,и центральная часть листовой пружины 42 полностью контактирует с плоской частью поверх 003000 4 ности 43 вала 34, когда заслонка 32 находится в закрытом положении. Листовая пружина 42 и вал 34 образуют систему для противодействия началу поворота заслонки 32 из закрытого положения в открытое положение в результате прохода потока текучей среды через части поверхности 36, 37 с различными площадями поверхности. Как показано на фиг. 4, вал 34 проходит в выемку 44, предусмотренную на наружной стороне корпуса 10 клапана. Лопасть 46 размещена в выемке 44 и неподвижно соединена с валом 34 таким образом, что лопасть 46 проходит под определенным угломотносительно направления 9 потока, когда заслонка 32 находится в закрытом положении (заслонка 32 и листовая пружина 42 обозначены пунктирными линиями на фиг. 4). Лопасть 46 образует пусковое средство для запуска начала поворота заслонки в ответ на воздействие системы для создания крутящего момента, когда расход потока превышает выбранный пороговый расход. Вал 34 дополнительно снабжен спиральной пружиной 48 (фиг. 2), которая смещает вал 34 в такое положение, в котором заслонка 32 находится в закрытом положении. В процессе нормальной работы поток углеводородного газа, добытого из геологической формации, проходит при нормальном расходе через обсадную колонну 3 в направлении 9 к предохранительному клапану 6. Заслонка 32 находится в закрытом положении под воздействием спиральной пружины 48 и под воздействием листовой пружины 42, и запорный элемент 18 находится в открытом положении под воздействием пружины 24 растяжения. Заслонка 32 предотвращает проход потока газа внутрь корпуса 10 клапана и через запорный элемент 18. Далее, поток газа воздействует тяговым усилием на лопасть 46, действуя таким образом, чтобы расположить лопасть на одной линии с потоком и чтобы вызвать таким образом начало поворота заслонки 32. Однако такому расположению на одной линии противодействует листовая пружина 42 до тех пор, пока расход потока не превысит пороговый расход. Поток газа проходит через щели 12 в отверстие 16 клапана и оттуда в выходное отверстие 14 для газа. Из выходного отверстия 14 для газа он проходит далее через обсадную колонну 3 в направлении 9 к перерабатывающему оборудованию (на чертеже не показано) на поверхности. Если расход потока превышает пороговый расход, например, в связи с нежелательным перепадом давления на перерабатывающем оборудовании на поверхности, тяговое усилие, действующее на лопасть, возрастает и вынуждает лопасть расположиться на одной линии с потоком и посредством этого повернуть ось 43 и заслонку 32 против действия листовой пружины 5 42, смещенной к валу 34. При повороте вала 34 изгиб листовой пружины 42 увеличивается до соприкосновения листовой пружины 42 с цилиндрической частью вала 34. Дальнейшему повороту вала 34 больше не противодействует листовая пружина 42, и проход потока через заслонку 32 создает крутящий момент, вынуждающий заслонку 32 повернуться в открытое положение. При открытом положении заслонки 32 поток имеет возможность проходить в корпус 10 клапана и через запорный элемент 18. В результате, на запорный элемент 18 действует тяговое усилие, которое вынуждает запорный элемент 18 переместиться в закрытое положение против действия пружины 24. Дальнейший поток через предохранительный клапан 6, таким образом, предотвращается. При отсутствии потока лопасть 46 больше не подвергается действию тягового усилия, посредством чего спиральная пружина 48 имеет возможность сместить заслонку 32 обратно в закрытое положение. Запорный элемент 18 остается в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления через запорный элемент 18 не предотвращает его возврат в открытое положение. Когда добыча должна быть возобновлена,давление газа в оборудовании на поверхности поднимается так, что сила пружины 24 вынудит запорный элемент 18 вернуться в открытое положение. На фиг. 5 и 6 подробно показан альтернативный вариант исполнения предохранительного клапана в соответствии с изобретением, причем этот вариант весьма сходен с вариантом,описанным со ссылкой на фиг. 1-4, за исключением того, что пусковое средство представляет собой струйное пусковое средство 49 вместо описанной ранее лопасти. На фиг. 5 показана расположенная выше по потоку торцевая часть предохранительного клапана в альтернативном варианте исполнения, включающего корпус 10 клапана, откидной клапан 30, корпус 31 клапана 30, заслонку 32, листовую пружину 42 и спиральную пружину 48. Струйное пусковое средство 49 имеет входное отверстие 50 для текучей среды, первое выходное отверстие 52 для текучей среды и второе выходное отверстие 54 для текучей среды. Канал 56 обеспечивает контакт с текучей средой между наружной частью корпуса 10 клапана и соединением между первым выходным отверстием 52 и вторым выходным отверстием 54. Второе выходное отверстие 54 размещено так, что поток текучей среды, выходящий из второго выпускного отверстия 54, проходит через большую из частей поверхности 36, 37. Входное отверстие 50, выходные отверстия 52,54 и канал 56 устроены так, что если расход потока газа не превышает пороговый расход, часть потока газа, входящего во входное отверстие 50,покидает средство 49 через первое выходное отверстие 52, и если расход потока газа превы 003000 6 шает пороговый расход, часть потока покидает средство 49 через второе выходное отверстие 54. Часть потока отклоняется во второе выходное отверстие 54 благодаря пониженному давлению в патрубке 56 при более высоком расходе потока газа. Нормальная работа клапана в его альтернативном варианте исполнения подобна нормальной работе варианта исполнения, описанного со ссылками на фиг. 1-4, за исключением того, что вместо начала поворота заслонки, которое запускается лопастью, такое начало поворота запускается струйным пусковым средством 49. Вместо листовой пружины, которая смещается относительно поверхности кулачка вала так, чтобы противодействовать началу поворота заслонки, элемент, приводимый в действие электромагнитом, может быть смещен к поверхности кулачка для противодействия началу поворота заслонки. Предпочтительно, чтобы элемент, приводимый в действие электромагнитом, смещался к поверхности кулачка, если электрическая энергия подводится к электромагниту, и оттягивался от поверхности кулачка,если к электромагниту не подводится электрическая энергия. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Предохранительный клапан для использования в буровой скважине, образованной в геологической формации, содержащий корпус клапана, имеющий канал для текучей среды для пропуска потока углеводородной текучей среды, проходящего из геологической формации через буровую скважину на поверхность земли,запорный элемент, перемещающийся относительно корпуса клапана между открытым положением, в котором канал для текучей среды открыт, и закрытым положением, в котором запорный элемент закрывает канал для текучей среды, приводное средство для избирательного воздействия тягового усилия выбранной величины на запорный элемент, причем на тяговое усилие воздействует поток текучей среды и вынуждает запорный элемент перемещаться из открытого положения в закрытое положение, и контрольное средство для контроля приводного средства для осуществления воздействия на запорный элемент тяговым усилием. 2. Предохранительный клапан по п.1, в котором приводное средство способно действовать между первым режимом, в котором проход потока текучей среды через запорный элемент,по существу, предотвращается, и вторым режимом, в котором имеется возможность прохода потока текучей среды через запорный элемент. 3. Предохранительный клапан по п.2, в котором запорный элемент размещен в трубопроводе и в первом режиме приводное средство, по существу, способно предотвращать проход по 7 тока текучей среды в трубопровод, а в втором режиме приводное средство обеспечивает возможность прохода потока текучей среды в трубопровод. 4. Предохранительный клапан по п.3, в котором приводное средство включает откидной клапан, имеющий заслонку, расположенную выше по потоку от запорного элемента и способную поворачиваться между закрытым положением, в котором заслонка, по существу, закрывает трубопровод, и открытым положением,в котором заслонка, по существу, оставляет трубопровод открытым. 5. Предохранительный клапан по п.4, в котором заслонка способна поворачиваться вокруг оси вращения, разделяющей заслонку на части с различными площадями поверхности, и контрольное средство включает систему для создания воздействия на заслонку выбранного крутящего момента, который противодействует началу поворота заслонки из закрытого положения в открытое положение в результате прохода потока текучей среды через заслонку. 6. Предохранительный клапан по п.5, в котором заслонка прикреплена к валу, способному поворачиваться вокруг оси вращения, и система для создания крутящего момента включает поверхность кулачка, расположенную на валу, и выбранный один из элемента, приводимого в действие пружиной и смещенного к поверхности кулачка, и элемента, приводимого в действие электромагнитом и смещенного к поверхности кулачка. 8 7. Предохранительный клапан по п.6, в котором поверхность кулачка включает, по существу, плоскую часть поверхности вала. 8. Предохранительный клапан по любому из пп.5-7, в котором контрольное средство включает пусковое средство для запуска начала поворота заслонки под действием системы для создания крутящего момента. 9. Предохранительный клапан по п.8, в котором пусковое средство выполнено с возможностью запуска начала поворота заслонки при превышении расхода потока выбранного порогового расхода . 10. Предохранительный клапан по п.9, в котором пусковое средство включает лопасть,размещенную в потоке и поворачивающуюся вокруг указанной оси под фиксированным углом относительно заслонки, так что лопасть находится вне линии потока при закрытом положении заслонки. 11. Предохранительный клапан по п.9, в котором пусковое средство включает струйное пусковое устройство, имеющее входное отверстие для текучей среды, первое выходное отверстие для текучей среды, способное направлять часть потока текучей среды, входящего во входное отверстие, в выбранную одну из частей заслонки, второе выходное отверстие, способное направлять часть потока наружу от заслонки, и средство для отклонения части потока из выбранного одного из указанных выходных отверстий в другое указанное выходное отверстие.