Регулируемый угловой штуцер

Полезная модель относится к регулируемым клапанам для буровых скважин, предназначенным для управляемого дросселирования потока пластового флюида с целью изменения давления в верхней части подъёмной трубы и устанавливаемых преимущественно на устьях скважин. В уровне техники такие устройства, независимо от их конструктивного исполнения, обычно называют регулируемыми устьевыми штуцерами.
В уровне техники термин «штуцер» встречается в двух толкованиях:
1. Регулируемый клапан, служащий для дросселирования потока пластового флюида, который включает корпус с входным и выходным патрубками, запорный узел, привод. В уровне техники обычно называется не клапаном, а регулируемым штуцером [Иоаким, Грегоре. Добыча нефти и газа.  Пер. с румын. / М.: Недра, 1966, с.119, рис IV.9. RU № 55914].
2. Деталь, обычно выполняемая в виде диафрагмы или втулки с калиброванным отверстием, служащая для ограничения потока пластового флюида [Лаврушко П.Н., Муравьев В.М. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин / М.: Недра, 1974, с. 95, рис. 39].
В настоящем описании термин «штуцер» будет использоваться только в первом толковании без уточняющих признаков «регулируемый», «угловой» и «устьевой». Деталь же второго толкования будет в настоящем описании называться штуцирующим элементом.
В соответствии с принятой в уровне техники терминологией угловым штуцером в настоящем описании называется штуцер, в котором оси входного и выходного патрубков расположены под углом, не обязательно прямым.
В настоящем описании продольными перемещениями запорного элемента называются перемещения, направленные к седлу и от седла запорного узла клапана. Признаки «верхний», «нижний», «под», «над» соответствуют изображению предложенного штуцера на чертеже фиг. 1.
Известны ступенчато регулируемые устьевые штуцеры, содержащие корпус с входным и выходным патрубками и установленный в нём набор штуцирующих элементов в виде втулки [RU 2581075] или стакана с калиброванным отверстием [RU 26592]. Главный недостаток этих устройств состоит в неспособности плавно регулировать и поддерживать заданный поток пластового флюида при изменениях внутрискважинного давления и в необходимости перекрывать поток перед переключением на штуцирующий элемент другого размера. Ещё один недостаток известных штуцеров состоит в недолговечности из-за абразивного износа калиброванного отверстия песчинками, содержащимися в потоке. Частая смена штуцирующих элементов или штуцеров в сборе является довольно сложной и трудоёмкой операцией.
Известен регулируемый угловой штуцер, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, запорный узел, включающий запорный элемент в виде цилиндра со скруглённой кромкой и седло, направляющую втулку для запорного элемента, а также штуцирующий элемент в виде шайбы с калиброванным отверстием, установленной в выходной части корпуса соосно с седлом [RU 20536]. Известный регулируемый штуцер предназначен для дросселирования потока жидкости, нагнетаемой в скважину. Такая жидкость содержит мало твёрдых частиц и потому износ элементов запорного узла невелик. Однако для дросселирования потока скважинного флюида, содержащего песок, он непригоден из-за малого срока службы, поскольку песок быстро деформирует контактные поверхности запорного узла.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является плавно регулируемый угловой устьевой штуцер, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, привод, запорный узел, включающий запорный элемент в виде конуса с закруглённой вершиной, установленный на конце штока привода, и седло в виде установленной в корпусе втулки, облицованной твёрдым сплавом [RU 55914]. Для повышения долговечности запорный элемент и седло известного штуцера имеют наплавленные защитные оболочки из твёрдого сплава. Тем не менее долговечность известного штуцера невелика из-за того, что поток флюида с песком бьёт в один и тот же участок запорного элемента, деформирует его, вследствие чего клапан быстро теряет герметичность. Кроме того, поток флюида с песком быстро изнашивает стенки корпуса и разрушает сальниковый узел приводного узла. Из-за этого недолговечны не только легко сменяемые элементы запорного узла, но и штуцер в целом.
Задачей настоящей полезной модели является повышение долговечности регулируемого устьевого штуцера.
Технический результат от использования предложенной полезной модели состоит в увеличении продолжительности безотказной работы и долговечности регулируемого углового устьевого штуцера.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регулируемом угловом штуцере, содержащем корпус с расположенными под углом входным и выходным патрубками, запорный узел, включающий запорный элемент и седло, привод со штоком, запорный элемент выполнен в виде шара, запорный узел дополнительно содержит направляющий элемент, выполненный в виде втулки с окнами, расположенными напротив выходного патрубка штуцера.
Кроме того, штуцер дополнительно содержит установленный во входной части корпуса штуцирующий элемент.
Кроме того, штуцирующий элемент выполнен в виде втулки с расточкой, в которую установлено седло.
Кроме того, диаметр отверстия в штуцирующем элементе равен внутреннему диаметру седла.
Кроме того, отверстие в штуцирующем элементе имеет расширяющийся в сторону входного патрубка конический участок.
Кроме того, седло выполнено в виде втулки, торцевая часть которой имеет галтель радиусом, равным радиусу запорного элемента.
Кроме того, шар и седло выполнены из технического сапфира.
Кроме того, боковые стенки окон в направляющем элементе выполнены со скосом в сторону выходного патрубка.
Кроме того, нижние стенки окон в направляющем элементе расположены на уровне нижней части канала выходного патрубка.
Благодаря выполнению запорного элемента в виде шара и введению в запорный узел направляющего элемента, выполненного в виде втулки с окнами, расположенными напротив выходного патрубка штуцера, увеличиваются продолжительность безотказной работы и долговечность штуцера за счёт снижения износа шара, вращаемого несимметричным потоком скважинного флюида, снижения износа стенки корпуса, наиболее удалённой от выходного патрубка, защищаемой от потока флюида глухой стенкой направляющего элемента, а также сальникового узла штока привода, экранированного шаром от потока флюида.
Благодаря введению во входную часть корпуса штуцирующего элемента, рассчитанного на пропуск максимально допустимого по соображениям безопасности потока, скважина и скважинное оборудование предохраняются от аварии в случае разрушения запорного элемента.
Благодаря тому, что штуцер дополнительно содержит установленный во входной части корпуса штуцирующий элемент в виде втулки с расточкой, в которую установлено седло, увеличивается долговечность штуцера за счёт снижения износа корпуса в области расположения седла, удешевляются штуцер и его текущий ремонт за счёт снижения массы седла, выполняемого из особо твёрдого и потому дорогого материала.
Благодаря тому, что диаметр отверстия в штуцирующем элементе равен внутреннему диаметру седла, увеличивается продолжительность безотказной работы штуцера за счёт снижения износа седла потоком флюида.
Благодаря тому, что отверстие во втулке имеет расширяющийся в сторону входного патрубка конический участок, увеличивается продолжительность безотказной работы штуцера за счёт снижения износа втулки и седла потоком флюида.
Благодаря тому, что седло выполнено в виде втулки, торцевая часть которой имеет галтель радиусом, равным радиусу запорного элемента, увеличивается продолжительность безотказной работы штуцера за счёт снижения износа седла потоком флюида и повышается его герметичность в закрытом состоянии.
Благодаря выполнению шара и седла из технического сапфира увеличивается продолжительность безотказной работы штуцера.
Благодаря тому, что боковые стенки окон в направляющем элементе выполнены со скосом в сторону выходного патрубка, повышается долговечность штуцера за счёт уменьшения износа боковых стенок корпуса и выходного патрубка потоком флюида.
Благодаря тому, что нижние стенки окон в направляющем элементе расположены на уровне нижней части канала выходного патрубка, повышается долговечность штуцера за счёт уменьшения износа боковых стенок корпуса и выходного патрубка, экранируемых от потока флюида стенками направляющего элемента.
Существо предложенной полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид предложенного штуцера с частичным разрезом плоскостью, проходящей через оси входного и выходного патрубков.
На фиг. 2 представлен разрез штуцера плоскостью, проходящей через ось выходного патрубка и перпендикулярной оси штуцера.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез направляющего элемента в исполнении с одним большим окном, разделённым на несколько окон приваренными стойками.
Предложенный регулируемый угловой устьевой штуцер (фиг. 1) содержит корпус 1 с расположенными под углом входным 2 и выходным 3 патрубками, запорный узел, включающий запорный элемент 4, выполненный в виде шара, седло 5 и направляющий элемент 6, выполненный в виде втулки с окнами 7. Кроме того, он содержит привод, включающий шпиндель-винт 9 и сальниковый узел 10, служащие для регулирования проходного сечения штуцера.
Окна направляющего элемента расположены напротив выходного патрубка 3 так, чтобы участок 11 стенки направляющего элемента 6 между ними перекрывал небольшую часть канала выходного патрубка 3 штуцера с тем, чтобы исключить смещение и присасывание запорного элемента 4 к каналу выходного патрубка 3. Для снижения вихреобразования целесообразно, чтобы окна 7 были расположены симметрично относительно оси выходного патрубка 3, а боковые стенки 12 окон, расположенные дальше от выходного патрубка, были скошены по направлению к нему под углом (30…60)° (фиг. 2). При меньших чем 30° углах влияние скоса на пропускную способность штуцера становится незначительным, а при углах, больших 60°, ускоряется износ внешней кромки скосов.
На фиг. 1 и 2 в качестве примера показан направляющий элемент 6 с двумя окнами 7, между которыми имеется участок стенки 11, преграждающий запорному элементу 4 смещение в направлении выходного патрубка 3. Окон может быть и больше. Возможно выполнение направляющего элемента 6 с одним большим окном, разделённым на несколько окон приваренными стойками 13 (фиг. 3). Однако прочность такого элемента не выше, а трудоёмкость изготовления не меньше, чем у состоящего из одной детали.
Во избежание снижения пропускной способности штуцера суммарная площадь окон 7 должна по меньшей мере вдвое превышать площадь отверстия в седле 5.
Нижние стенки 14 окон 7 должны быть приблизительно на одном уровне с нижней частью 15 канала выходного патрубка 3, чтобы уменьшить износ патрубка струями несущего песок пластового флюида, вырывающимися из зазора между запорным элементом 4 и седлом 5. Это особенно важно при небольших зазорах, когда скорость потока флюида велика. Изношенный направляющий элемент 6 заменять проще и дешевле, чем корпус 1.
В корпусе 1 соосно с входным патрубком 2 установлен штуцирующий элемент 16, представляющий собой втулку, имеющую на верхнем (по чертежу) конце расточку, в которой установлено седло 5, и проточку, центрирующую направляющий элемент 6. Нижняя часть канала втулки имеет коническую расточку 17, обращённую широкой частью к входному патрубку. Диаметр цилиндрической части канала во втулке равен внутреннему диаметру седла 5 и устанавливается при проектировании штуцера таким, чтобы при полном открытии шарового клапана поток флюида через штуцер не превышал максимально допустимой по соображениям безопасности величины. На боковой поверхности штуцирующий элемент 16 имеет канавки, в которых установлены уплотнительные кольца 18 из упругого материала.
Седло 5 может быть выполнено в виде цилиндрической втулки из твёрдого материала, установленной в расточке штуцирующего элемента 16. Для ускорения приработки и повышения герметичности торцевая часть седла 5, взаимодействующая с запорным элементом 4, может иметь галтель 19, радиус которой равен радиусу запорного элемента.
Для управления высотой подъёма запорного элемента 4 над седлом 5 служит соосный с седлом 5 и запорным элементом 4 подвижной шпиндель-винт 9, проходящий через сальниковый узел 10 и приводимый во вращение маховичком 20. На фиг. 1 шпиндель-винт 9 и запорный элемент 4 показаны в крайнем верхнем положении, соответствующем максимальному открытию штуцера. Запорный элемент 4, находящийся в крайнем нижнем положении, показан пунктиром.
Запорный элемент 4 и седло 5 изготовлены из твёрдого износостойкого материала. Как показали экспериментальные исследования, наибольшая продолжительность безотказной работы штуцера, определяемая безотказностью запорного узла, обеспечивается при выполнении запорного элемента и седла из технического сапфира. По твёрдости этот материал уступает только алмазу, причём он дешевле плавленого кварца или некоторых видов ситаллов.
Работает предложенный штуцер следующим образом.
В положении «закрыто» запорный элемент 4 лежит на седле 5, прижатый сверху концом шпиндель-винта 9. Пластовый флюид через входной патрубок 2 поступает в коническое расширение (расточку) штуцирующего элемента 16, наличие которой снижает вихреобразование в потоке и износ штуцирующего элемента. При вращении шпиндель-винта между его концом и запорным элементом появляется зазор, запорный элемент 4 приподнимается под давлением пластового флюида над седлом 5. Нижняя часть направляющего элемента 6, преграждая путь веерообразному потоку флюида, несущего песчинки и истекающего с большой скоростью из зазора, защищает от него корпус и выходной патрубок, сама подвергаясь при этом абразивному износу. Замена изношенного направляющего элемента в ходе текущего ремонта штуцера обходится недорого по сравнению с заменой всего штуцера с изношенным корпусом.
При дальнейшем поднятии шпиндель-винта 9 и, соответственно, запорного элемента 4 скорость потока, ограничиваемого штуцирующим элементом 16, снижается, через окна 7 он устремляется в выходной патрубок 3. Поскольку в направляющем элементе 6 нет окон на стороне, противоположной выходному патрубку, весь поток устремляется сразу в окна, расположенные напротив выходного патрубка, а скосы на расположенных дальше от выходного патрубка боковых стенках 12 окон 7 предотвращают завихрения у стенок, снижая тем самым их эрозию.
Снижение вихреобразования в штуцере было одной из главных задач, решаемых при его создании. Удвоение количества соударений с элементом штуцера каждой песчинки, несомой потоком флюида, в грубом приближении означает увеличение вдвое износа этого элемента. Указанному снижению способствуют выполнение окон 7 только на обращённой к выходному патрубку 3 стороне направляющего элемента 6, коническое расширение книзу канала в штуцирующем элементе 16, наличие цилиндрического участка в этом канале, выравнивающего поток, и шарообразная форма запорного элемента 4.
Благодаря несимметричному расположению окон 7 по окружности направляющего элемента 6, силы, действующие со стороны потока на шарообразный запорный элемент 5, также несимметричны и вызывают его вращение. Это существенно повышает продолжительность безотказной работы запорного узла, поскольку шар садится на клапан каждый раз другим местом.
Во избежание подклинивания запорного элемента 4 песчинками между ним и направляющим элементом 6 имеется небольшой зазор. Запорный элемент 4, поперечный размер которого существенно больше диаметра взаимодействующего с ним конца шпиндель-винта 9, хорошо защищает сальниковый узел 10 от эрозии песчинками, который, как показал опыт эксплуатации, практически не изнашивается.
Опыт эксплуатации предложенного штуцера показал, что ресурс элементов его запорного узла по меньшей мере вчетверо превышает ресурс элементов запорных узлов штуцеров аналогичного назначения, использующих твёрдосплавные конические запорные элементы и сёдла. При этом износ корпуса и сальникового узла практически отсутствует.