Клапан обратный для наклонных скважин

Полезная модель относится к элементам внутрискважинного оборудования, связанного с добычей нефти, предотвращающим обратный поток жидкости (обратные клапаны), управляемым перепадом давлений среды по обе стороны клапана и преимущественно устанавливаемым на нижнем конце колонны насосно-компрессорных труб. Иногда такие устройства называют дифференциальными клапанами. Особенностью предложенной полезной модели является ее пригодность для работы в наклонном и горизонтальном положениях.
Известны обратные клапаны, состоящие из корпуса, седла, закрепленного в корпусе, и запорного элемента, выполненного в виде шара, в котором ограничителем поперечных перемещений запорного элемента служат стенки корпуса. Для повышения пропускной способности клапана за счет улучшения условий обтекания жидкостью запорного элемента в стенках корпуса выполнены продольные пазы, образованные расточкой или рассверливанием корпуса до вскрытия приблизительно наполовину цилиндрических или конических сверленых каналов, расположенных по окружности. Внутренний диаметр расточенного корпуса превышает диаметр запорного элемента лишь настолько, насколько это необходимо для свободного осевого перемещения последнего [RU №56940]. Близким к описанному является клапан [RU №76379], в котором ограничитель поперечных перемещений запорного элемента выполнен в виде отдельной вставляемой в корпус детали, а сверленые отверстия выполнены коническими. Оба известных клапана плохо работают в наклонном (с отклоненной от вертикали продольной осью клапана) и в особенности горизонтальном положениях, поскольку вес запорного элемента почти не участвует в создании усилия, прижимающего его к седлу, а сам запорный элемент легко подклинивается в клетке песчинками из-за минимального зазора между ним и клеткой. Практически такой клапан может использоваться только при вертикальной установке. Кроме того, известные клапаны трудоемки в изготовлении.
Известен обратный клапан, включающий корпус, седло, запорный элемент в виде шара, установленного с возможностью свободного осевого перемещения в полости ограничителя (клетки), выполненной в виде тонкостенной цилиндрической втулки с гофрированными стенками, при минимальном зазоре между внутренними стенками, точнее вершинами внутренних гофров, и запорным элементом [RU №87745]. Известный клапан плохо работает в наклонном (с отклоненной от вертикали продольной осью клапана) и в особенности горизонтальном положениях, поскольку вес запорного элемента почти не участвует в создании усилия, прижимающего его к седлу, а сам запорный элемент легко подклинивается в клетке песчинками. Практически такой клапан может использоваться только при вертикальной установке.
Тот же недостаток характерен для известных клапанов [RU №№70544 и 76379].
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан, включающий корпус, изготовленные из твердого сплава седло и запорный элемент в виде шара, установленного с минимальным зазором с возможностью свободного осевого перемещения в полости ограничителя (клетки), имеющей длинные сверленые каналы для пропуска жидкости. Клетка, в свою очередь, плотно установлена в корпусе и зафиксирована от осевого перемещения запорным кольцом и выступом корпуса [RU №56940]. Известный клапан плохо работает в наклонном и в особенности горизонтальном положениях, поскольку запорный элемент легко подклинивается в клетке песчинками. Кроме того, в наклонном положении вес запорного элемента почти не участвует в создании прижимающего его к седлу усилия, хуже того, из-за его массивности (шар диаметром 72 мм из твердого сплава весит более 1,5 кг) время срабатывания клапана затягивается. Практически такой клапан может использоваться только при вертикальной установке.
Целью предложенной полезной модели является обеспечение возможности работы клапана в наклонных положениях вплоть до горизонтального.
Технический результат от использования предложенной полезной модели состоит в расширении функциональных возможностей обратного клапана за счет повышения надежности его работы в наклонном и горизонтальном положениях.
3
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном обратном клапане, включающем содержащий корпус, ограничитель, седло и запорный элемент в виде шара, установленного с возможностью свободного осевого перемещения в полости ограничителя, запорный элемент выполнен из материала плотностью (2…3) г/см, а минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя составляет (1,05…1,3) диаметра запорного элемента.
Кроме того, запорный элемент выполнен из плавленого кварца.
Кроме того, запорный элемент выполнен из ситалла.
Кроме того, отношение диаметра запорного элемента составляет (1,1-1,5) диаметра отверстия в седле.
3
Благодаря выполнению запорного элемента из материала плотностью (2…3) г/см повышается такой показатель надежности клапана, как безотказность, при его установке в наклонном или горизонтальном положении за счет снижения инерционности запорного элемента.
Благодаря тому, что минимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя составляет 1,05 диаметра запорного элемента, повышается безотказность срабатывания клапана при его установке в наклонном или горизонтальном положении за счет практически полного предотвращения подклинивания запорного элемента песком и другими частицами.
Благодаря тому, что максимальное расстояние между противоположными внутренними стенками ограничителя составляет 1,3 диаметра запорного элемента, исключается западание запорного элемента в ограничителе, что повышает безотказность срабатывания клапана в горизонтальном положении.
Благодаря выполнению запорного элемента из ситалла или плавленого кварца, установленный наклонно или горизонтально клапан срабатывает быстро и безотказно.
Благодаря тому, что отношение диаметра запорного элемента составляет (1,1-1,5) диаметра отверстия в седле, обеспечивается надежное и быстрое срабатывание клапана при минимальном расходе жидкости.
Существо полезной модели поясняется фиг. 1, на которой изображен предложенный клапан в вертикальном положении.
Предложенный клапан состоит из корпуса 1, внутри которого расположена клапанная пара, состоящая из запорного элемента 2 и седла 3, а также ограничителя 4 (в уровне техники называемого также фонарем, клеткой). Перемещения запорного элемента 2 в вертикальном направлении ограничены: снизу - седлом 3, а сверху штифтом 5. Перемещения ограничителя 4 и клапанной пары внутри корпуса 1 в вертикальном направлении ограничены верхним и нижним переводниками 6 и 7 соответственно, скрепленными с корпусом 1 резьбовыми соединениями.
В нижней части седло 3 имеет заточку 8, входящую в выточку нижнего переводника 7. Седло 3 и переводники 6 и 7 снабжены кольцевыми канавками, в которые установлены уплотнительные прокладки 9 из упругих колец.
3
3
3
Запорный элемент 3 выполнен в виде шара, изготовленного из материала, плотность которого лежит в пределах (2…3) г/см. Вне пределов указанного диапазона безотказность срабатывания клапана снижается: при плотности менее 2 г/см - во всех положениях клапана, а при плотности более 3 г/см - при углах продольной оси клапана с вертикалью, превышающих 45°. Прочие характеристики материала (твердость, прочность, коррозионная стойкость) должны обеспечивать высокую долговечность запорного элемента в условиях температуры, давления и химического состава рабочей среды.
Экспериментально установлено, что в качестве материала для запорного элемента лучше всего использовать ситалл или плавленый кварц (кварцевое стекло). Твердость этих материалов составляет (7…10,5) ГПа и приближается к твердости закаленной стали. Вместе с высокой коррозионной стойкостью это обеспечивает высокий ресурс клапана. Выбор между ситаллом и плавленым кварцем определяется предполагаемым углом наклона клапана к вертикали. По долговечности оба материала приблизительно одинаковы.
Варьируя химический состав ситаллов можно управлять их плотностью. Использование более тяжелых запорных элементов из ситалла повышенной плотности уменьшает время закрытия клапана, но при условии, что угол отклонения оси клапана от вертикали не превышает 30°.
3
Плавленый кварц имеет сравнительно небольшую (≈2,2 г/см) плотность и запорные элементы из него надежно работают в клапанах, установленных под любыми, в том числе и большими, вплоть до превышающих 90°, углами наклона. Иными словами, клапаны с запорным элементом из плавленого кварца более универсальны.
Независимо от конкретной конструкции ограничителя, определяющей форму его внутренней полости, которая может быть гладкой цилиндрической или с рядом выступов, как в [RU №№70544 или 87745], минимальное расстояние L между противоположными внутренними стенками или выступами стенок ограничителя, определяющее зазор между ними и запорным элементом, должно находиться в пределах (1,05…1,2) диаметра D запорного элемента, то есть L=(1,05…2)D.
Опытно-промышленная эксплуатация предложенных клапанов показала их высокую безотказность в любом положении.