Летающий клапан и способ эксплуатации скважин

006120 Область техники Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для подъема жидкости из скважин с использованием энергии газа, в частности для подъема воды из скважин или колодцев с использованием воздуха, всасываемого или нагнетаемого с поверхности. Кроме того, заявленный способ позволяет срезать отложения парафина с поверхности труб в случае подъема нефти из скважин. Предшествующий уровень техники Известны конструкции летающих клапанов для плунжерного лифта, содержащие трубчатый корпус и отделяемый элемент, обычно имеющий вид стального шара (авторские свидетельства SU 63138, SU 171351,SU 596710, SU 791939, SU 802525, а также патенты US 2074912, US 3090316 и US 6209637). Все упомянутые устройства удовлетворительно работают в скважинах малого диаметра, когда диаметр и, соответственно, масса корпуса и отделяемого элемента летающих клапанов относительно невелики. При увеличении диаметра скважин и массы стальных шаров применение летающих клапанов для подъема жидкости из скважин серьезно осложняется или становится вовсе невозможным из-за резкого увеличения ударных нагрузок, приводящего к деформации труб в скважинах, поломкам оборудования и даже к разрушению стальных шаров. Сущность изобретения Предлагаемое изобретение позволяет преодолеть указанные недостатки и использовать летающие клапаны для подъема жидкости из скважин любого диаметра. Согласно изобретению летающий клапан содержит трубчатый корпус, входящий в него полностью или частично отделяемый элемент в виде тела вращения и ограничители его входа в корпус, причем отделяемый элемент, или трубчатый корпус, или оба они выполнены из нефтемаслостойкого (а в случае воды - водостойкого) упругого материала, в частности из резины разных марок. Отделяемый элемент летающего клапана может быть сферической, каплевидной или эллипсоидальной формы и дополнительно может быть снабжен тремя или более равномерно распределенными по периферии плоскими стабилизаторами. Торцы стабилизаторов, обращенные к корпусу, могут служить ограничителями входа отделяемого элемента в корпус летающего клапана. Ограничители могут быть выполнены не на отделяемом элементе, а на корпусе летающего клапана,например, в виде выступов, расположенных на внутренней стенке корпуса. В стенке корпуса на части его высоты на уровне, не совпадающем с ограничителями, могут быть сделаны дренажные отверстия, и/или стенка корпуса на том же уровне может быть выполнена в виде сильфона. Кроме того, на внешней поверхности корпуса на уровне, не совпадающем с дренажными отверстиями, могут находиться кольцевые канавки с размещенными в них кольцами-накладками или без таковых. В другом конструктивном исполнении на наружной поверхности корпуса могут быть установлены накладки с продольными, наклонными или винтовыми канавками по всему периметру, либо канавки могут быть выполнены непосредственно на наружной поверхности корпуса. На внутренней поверхности корпуса могут размещаться кольцевые вставки. На стабилизаторах отделяемого элемента на внешних кромках могут устанавливаться вращающиеся контакты. В другом конструктивном варианте плоскости стабилизаторов могут быть наклонены относительно оси отделяемого элемента, а их внешние кромки снабжены скребками. Упругий материал отделяемого элемента может иметь включения и/или накладки из более плотного материала, что позволяет регулировать его вес (среднюю плотность) при сохранении тех же размеров. Способ эксплуатации скважины с помощью летающего клапана согласно изобретению включает периодический спуск летающего клапана под уровень жидкости в скважине до нижнего амортизатора и последующий его подъем вместе с находящимся выше летающего клапана столбом жидкости. Спуск корпуса летающего клапана и отделяемого элемента клапана производят раздельно, причем сначала можно производить спуск отделяемого элемента летающего клапана, а затем спуск его корпуса, или наоборот. В первом при подъеме случае должно обеспечиваться соотношение Роэ/SдсРк/Sпкс,где Роэ - вес отделяемого элемента, Sдс - площадь диаметрального сечения отделяемого элемента, Рк вес корпуса, Sпкс - площадь сечения корпуса летающего клапана. Во втором случае знак между правой и левой сторонами неравенства меняется на противоположный Роэ/SдсРк/Sпкс. Если отделяемый элемент летающего клапана снабжен стабилизаторами, то подъем и спуск отделяемого элемента преимущественно производят в положении стабилизаторами вниз. В поднятом положении корпус и отделяемый элемент летающего клапана можно разделять с помощью стержня, установленного в верхней части скважины по ее оси. Разделение корпуса и отделяемого элемента летающего клапана можно производить, кратковременно перекрывая вентиль на трубопроводе,отводящем продукцию от скважины.-1 006120 В случае, если давление газа в скважине или колодце недостаточно, над поднимаемой жидкостью поддерживают пониженное давление (постоянно или периодически). Контроль за циклами подъема и спуска летающего клапана можно вести по изменению температуры в устье скважины, которое происходит при появлении в устье очередной порции поднимаемой жидкости. Краткое описание чертежей На фиг. 1 показан один из конструктивных вариантов летающего клапана с отделяемым элементом в виде шара. На фиг. 2 изображен летающий клапан с дренажными отверстиями в трубчатом корпусе, на внешней поверхности которого ниже отверстий находятся кольцевые канавки с размещенными в них кольцами-накладками. На фиг. 3 - летающий клапан с ограничителем в виде выступа, расположенного на внутренней стенке корпуса, при этом выступ изготовлен из материала, отличающегося от материала корпуса. На фиг. 4 представлен летающий клапан, у которого на наружной поверхности корпуса установлены накладки с продольными канавками по всему периметру, а ограничитель сделан в виде выступа внутренней стенки корпуса. На фиг. 5 изображен летающий клапан, стенка корпуса которого выполнена в виде сильфона. На фиг. 6 показаны два возможных варианта взаимного расположения трубчатого корпуса и отделяемого элемента. На фиг. 7 изображен летающий клапан, отделяемый элемент которого снабжен четырьмя стабилизаторами. Фиг. 8 показывает летающий клапан, отделяемый элемент которого снабжен тремя стабилизаторами и включает балласт из более плотного материала. На фиг. 9 показан отделяемый элемент с наклонными стабилизаторами, внешние кромки которых снабжены скребками. На фиг. 10 схематически показан спуск летающего клапана в скважину. На фиг. 11 показан подъем столба жидкости из скважины (или из колодца) с помощью летающего клапана. Лучшие варианты осуществления заявленных изобретений Позицией 1 на чертежах обозначен трубчатый корпус летающего клапана, позицией 2 - входящий в корпус 1 отделяемый элемент в виде тела вращения, позицией 3 - ограничители его входа отделяемого элемента 2 в корпус 1. Разные конструктивные исполнения этих деталей имеют дополнительные буквенные обозначения (2 а, 3b и т.д.). Отделяемый элемент летающего клапана может быть сферической, каплевидной или эллипсоидальной формы и дополнительно может быть снабжен тремя или более равномерно распределенными по периферии плоскими стабилизаторами 4. Торцы стабилизаторов 4, обращенные к корпусу 1, могут служить ограничителями 3b входа отделяемого элемента 2 в корпус 1 летающего клапана. Ограничители 3 могут быть выполнены не на отделяемом элементе 2, а на корпусе 1 летающего клапана, например, в виде выступов 3 а, расположенных на внутренней стенке корпуса 1. В любом случае, контакт отделяемого элемента 2 с трубчатым корпусом 1 летающего клапана происходит не по всему периметру (не по всей линии окружности), а на отдельных его участках. При этом между отделяемым элементом 2 и трубчатым корпусом 1 всегда существует небольшой зазор, через который проходит некоторая часть газа. Этот газ барботирует через жидкость, находящуюся в корпусе, что предотвращает отделение элемента 2 от корпуса 1 во время подъема летающего клапана в случаях изменения скорости подъема. В стенке корпуса 1 на части его высоты на уровне, не совпадающем с ограничителями 3 а, могут быть сделаны дренажные отверстия 5 (фиг. 1), либо сама стенка корпуса 1 на том же уровне может быть выполнена в виде сильфона 6 (фиг. 5). Кроме того, на внешней поверхности корпуса 1 на уровне, не совпадающем с дренажными отверстиями 5, могут находиться кольцевые канавки 7 с размещенными в них кольцами-накладками 8 (фиг. 2) или без таковых. Дренажные отверстия 5 дают возможность выровнять давление на отделяемый элемент и исключить отекание жидкости в зазор между корпусом 1 и трубой при подъеме летающего клапана. В другом конструктивном исполнении на наружной поверхности корпуса 1 могут быть установлены накладки 9 с продольными канавками 10 по всему периметру, а на внутренней поверхности корпуса 1 могут размещаться кольцевые вставки 11 (фиг. 4). Кольца-накладки 8 снаружи трубчатого корпуса 1 или кольцевые вставки 11 на его внутренней поверхности дают возможность регулировать площадь проходного сечения труб в скважинах, а также площадь проходного сечения самого летающего клапана. Продольные канавки 10, выполненные на накладках 9, позволяют стабилизировать процесс подъема летающего клапана, уменьшая возможность его радиального биения о стенки труб. На стабилизаторах 4 отделяемого элемента2 на внешних кромках могут устанавливаться вращающиеся контакты 12 (фиг. 7), что способствует снижению трения отделяемого элемента 2 о стенки труб в скважине. В другом конструктивном варианте плоскости стабилизаторов 4 а могут быть наклонены отно-2 006120 сительно оси отделяемого элемента 2, а их внешние кромки снабжены скребками 13 (фиг. 9). Наклон плоскостей стабилизаторов 4 а придает отделяемому элементу 2 вращение вокруг своей оси и способствует сохранению заданного положения при спуске (без кувыркания). Скребки 13 обеспечивают дополнительный технический результат при работе на нефтяных скважинах. С их помощью можно удалять отложения парафина на внутренних стенках труб в скважинах. Упругий материал отделяемого элемента может иметь включения, вкладыши или окантовку 18 из более плотного материала (фиг. 8), что позволяет регулировать его вес (среднюю плотность) при сохранении тех же размеров. Окантовка, помимо регулировки веса, позволяет сохранять форму отделяемого элемента, препятствуя набуханию резины под воздействием продукции скважины. Способ эксплуатации скважины с помощью летающего клапана включает периодический спуск летающего клапана под уровень жидкости в скважине до нижнего амортизатора 14 и последующий его подъем вместе с находящимся выше летающего клапана столбом жидкости (фиг. 10, 11). Спуск корпуса летающего клапана и отделяемого элемента клапана производят раздельно, причем сначала можно производить спуск корпуса летающего клапана, а затем спуск его отделяемого элемента, или наоборот. Корпус в виде сильфона 6 обеспечивает дополнительную амортизацию ударных нагрузок при контакте частей летающего клапана с нижним амортизатором или между собой. Под действием силы тяжести отделяемый элемент летающего клапана свободно падает в скважину,преодолевая некоторое сопротивление газа, а затем погружается под уровень жидкости в нижней части скважины. Падение или спуск прекращается по достижении нижнего амортизатора 14 (фиг. 10). Корпус 1 летающего клапана падает вслед отделяемому элементу 2 и также останавливается на уровне нижнего амортизатора 14, опираясь на ограничители 3 входа отделяемого элемента 2 в корпус 1. Упругий материал отделяемого элемента 2 предотвращает деформацию и разрушение нижнего амортизатора 14, труб в скважине и самого отделяемого элемента 2. Если отделяемый элемент летающего клапана снабжен стабилизаторами, то подъем и спуск отделяемого элемента преимущественно производят в положении стабилизаторами вниз. После соединения корпус и отделяемый элемент летающего клапана вместе перекрывают большую часть проходного сечения трубы в скважине, и газ из скважины, не имея возможности свободно барботировать через слой жидкости, начинает за счет давления выталкивать наверх к устью скважины летающий клапан вместе с находящимся над ним столбом жидкости (фиг. 11). В поднятом положении корпус и отделяемый элемент летающего клапана можно разделять (если отделяемый элемент снизу) с помощью стержня 15, установленного в верхней части скважины по ее оси. В этом случае стержень 15, свободно проходя через отверстие трубчатого корпуса 1, упирается в отделяемый элемент 2, останавливает его и отделяет от продолжающего движение вверх трубчатого корпуса 1. После этого части летающего клапана снова по отдельности спускаются (падают) в скважину, начиная следующий цикл подъема жидкости из скважины. Разделение корпуса и отделяемого элемента летающего клапана можно производить, кратковременно перекрывая вентиль 16 на трубопроводе 17, отводящем продукцию от скважины. В этом случае давление газа ниже и выше летающего клапана быстро выравнивается, и части летающего клапана снова по отдельности спускаются вниз. Для способа эксплуатации скважины с помощью летающего клапана при отделяемом элементе снизу должно выдерживаться соотношение, предотвращающее разъединение частей летающего клапана при подъеме со столбом жидкости Роэ/SдсРк/Sпкс,где Роэ - вес отделяемого элемента, Sдс - площадь диаметрального сечения отделяемого элемента, Рк вес корпуса, Sпкс - площадь сечения корпуса летающего клапана. В положении летающего клапана с отделяемым элементом сверху и трубчатым корпусом снизу знак между правой и левой сторонами неравенства меняется на противоположный Роэ/SдсРк/Sпкс. Для соблюдения указанных соотношений, при очень ограниченных возможностях изменять площади сечений, подбирают материал и, соответственно, вес корпуса и отделяемого элемента летающего клапана. При этом упругий материал отделяемого элемента может содержать наполнители, иметь включения, окантовку или вкладыши 18 из более плотного материала. Трубчатый корпус также может быть составным (например, собственно корпус из резины, а ограничители - из металла, фиг. 3). Циклы подъема и спуска летающего клапана можно контролировать по изменению температуры в устье скважины, которое происходит при достижении устья скважины поднимаемым столбом жидкости. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Летающий клапан, содержащий трубчатый корпус, входящий в него отделяемый элемент в виде тела вращения и ограничители его входа в корпус, отличающийся тем, что отделяемый элемент и/или трубчатый корпус выполнены из нефтемаслостойкого упругого материала.-3 006120 2. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что отделяемый элемент имеет сферическую, каплевидную или эллипсоидальную форму. 3. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что в стенке корпуса на части его высоты на уровне, не совпадающем с ограничителями, сделаны дренажные отверстия. 4. Летающий клапан по п.1, отличающийся тем, что стенка корпуса на части его высоты на уровне,не совпадающем с ограничителями, выполнена в виде сильфона. 5. Отделяемый элемент летающего клапана в виде тела вращения, отличающийся тем, что он выполнен из нефтемаслостойкого упругого материала. 6. Отделяемый элемент по п.5, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере тремя плоскими стабилизаторами, торцы которых, обращенные к корпусу, служат ограничителями входа оделяемого элемента в корпус летающего клапана, а на внешних кромках стабилизатора установлены вращающиеся контакты. 7. Отделяемый элемент по п.5, отличающийся тем, что плоскости стабилизаторов наклонены относительно оси отделяемого элемента. 8. Отделяемый элемент по п.5, отличающийся тем, что внешние кромки стабилизаторов снабжены скребками. 9. Способ эксплуатации скважины с помощью летающего клапана, содержащего трубчатый корпус,отделяемый элемент и ограничители входа отделяемого элемента в корпус, включающий периодический спуск летающего клапана под уровень жидкости в скважине до нижнего амортизатора и последующий его подъем вместе с находящимся выше летающего клапана столбом жидкости, причем спуск корпуса летающего клапана и отделяемого элемента клапана производят раздельно, отличающийся тем, что отделяемый элемент и/или корпус летающего клапана выполнены из упругого материала, устойчивого к воздействию продукции скважины. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что производят сначала спуск отделяемого элемента летающего клапана, а затем спуск его корпуса, при этом используют летающий клапан, для которого Роэ/SдсРк/Sпкс,где Роэ - вес отделяемого элемента, Sдс - площадь диаметрального сечения отделяемого элемента, Рк вес корпуса, Sпкс - площадь сечения корпуса летающего клапана. 11. Способ по п.9, отличающийся тем, что отделяемый элемент летающего клапана снабжен тремя или четырьмя плоскими стабилизаторами, а подъем и спуск отделяемого элемента производят в положении стабилизаторами вниз. 12. Способ по п.9, отличающийся тем, что в поднятом положении разделяют корпус и отделяемый элемент летающего клапана с помощью стержня, установленного в верхней части скважины по ее оси. 13. Способ по п.9, отличающийся тем, что в поднятом положении разделяют корпус и отделяемый элемент летающего клапана, перекрывая вентиль на трубопроводе, отводящем продукцию от скважины. 14. Способ по п.9, отличающийся тем, что на время подъема жидкости с помощью летающего клапана в скважине поддерживают пониженное давление. 15. Способ по п.9, отличающийся тем, что циклы подъема и спуска летающего клапана контролируют по изменению температуры в устье скважины.