Перепускной клапан
BYPASS VALVE

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для перепуска затрубного газа в выкидной трубопровод, с поддержанием расчетного перепада давления.
Известно автоматическое устройство для перепуска затрубного газа (см. пат. РФ №2318983, МПК Е21В 34/06, опубл. 10.03.2008 г.)
Устройство состоит из спецмуфты, входящей в состав колонны насосно-компрессорных труб. В спецмуфте размещен обратный клапан кольцевого типа, в котором гидравлический канал выполнен для связи затрубного пространства с осевым каналом лифтовой колонны. Обратный клапан выполнен в виде втулки и установлен так, чтобы в верхнем положении открывать отверстие в клапане для перепуска затрубного газа.
При этом предотвращается излив газожидкостной смеси из осевого канала лифтовой колонны труб в затрубное пространство при снижении давления газа в затрубном пространстве ниже давления пластовой жидкости в насосно-компрессорной трубе на уровне размещения устройства. Уплотнитель способствует подаче газожидкостной смеси из осевого канала колонны НКТ в разветвлённый гидравлический канал.
Длина уплотнителя подобрана таким образом, чтобы не перекрывать впускное и выпускное отверстия гидравлического канала, который в средней части имеет сужение.
При работе устройства уплотнитель перекрывает прямой поток газожидкостной смеси, с подачей его через впускное отверстие в разветвленный гидравлический канал. В месте сужения, при движении газожидкостной смеси, происходит падение давления.
Втулка обратного клапана находится под избыточным давлением затрубного газа, что приводит к перемещению втулки в верхнее положение, с перепуском затрубного газа и его смешиванием с газожидкостной смесью, которая через впускное отверстие подается в осевой канал колонны НКТ под уплотнителем, расположенным в осевом канале спецмуфты. При снижении давления газа в затрубном пространстве, по сравнению с давлением газожидкостной смеси, в месте сужения разветвленного гидравлического канала, под действием давления втулка обратного клапана перемещается вниз, с перекрытием излива газожидкостной смеси через сужающийся канал, с соответствующим прекращением подачи в период всасывания.
К недостаткам устройства следует отнести
- существует неопределенность в работе;
- для замены штангового насоса требуется подъем всего оборудования из скважины;
- расчетный перепад давления, между затрубным пространством и осевым каналом колонны НКТ, поддержать невозможно.
Известно автоматическое клапанное устройство для перепуска затрубного газа (см. пат. РФ №2305171, МПК Е21В 34/06, опубл. 27.08.2007 г.).
Автоматическое клапанное устройство имеет обратный клапан и гидравлический канал Г-образной формы, который выполнен в соединительной муфте в колонне насосно-компрессорных труб. Муфта размещается в скважине на уровне расположения скважинной жидкости. Внутренняя поверхность муфты выполнена выпуклой относительно внешней поверхности.
На уровне размещения устройства располагается цилиндр большего диаметра, превосходящим по размеру диаметр насосных штанг. Длина цилиндра принята больше длины хода плунжера штангового насоса. На концах муфты размещены центраторы, охватывающие цилиндр.
Гидравлический канал в муфте входит в центр сегментной части, где размещается цилиндр. В зоне продуктивного пласта размещают штанговый насос, плунжер которого связан штангами с цилиндром. Перепуск затрубного газа происходит следующим образом:
При работе штангового насоса, скважинная жидкость проходит через кольцевое пространство, образованное цилиндром и сегментной частью муфты, со снижением давления в потоке жидкости. Это приводит к открытию обратного клапана и перепуску затрубного газа через гидравлический канал из затрубного пространства, в осевой канал лифтовой колонны труб над цилиндром, со снижением давления газа в затрубном пространстве.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- замена штанговых насосов может быть осуществлена только при подъеме всей компоновки, включая и спецмуфту;
Технологический зазор между сегментом муфты и цилиндром является гидравлическим сопротивлением. Однако получить достаточный перепад давления, чтобы открыть обратный клапан, при такой скорости потока пластовой жидкости, не представляется возможным. Это связано с тем, что объем подачи штангового насоса ограничен числом качаний и зависит от заполнения цилиндра. Простым расчетом можно определить скорость потока пластовой жидкости в кольцевом зазоре между муфтой и цилиндром. Скорость подачи пластовой жидкости исчисляется несколькими сантиметрами в секунду, что явно недостаточно для нормальной работы устройства;
- конструкция устройства не дает возможность регулировать перепад давления между затрубным пространством и осевым каналом лифтовой колонны труб.
Известно автоматическое клапанное устройство (см. а.с. СССР. №625021, Е21В 33/03, опубл. 25.09.78), принятое за прототип. Устройство состоит из корпуса, с подпружиненными фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с поршнем, шарнирно соединенным, через толкатель, с заслонкой, размещенной в осевом канале выкидной линии и шарнирно связанной с ее внутренней стенкой. Заслонка установлена перед обратным клапаном. Поршень опирается на кольцевые гофрированные трубки. Полость корпуса над поршнем гидравлически связана трубопроводом с межтрубным пространством скважины. Обратный клапан установлен в осевом канале трубопровода, гидравлически связанного с межрубным пространством скважины. Полость над обратным клапаном связана отверстием с выкидной линией за заслонкой.
Устройство работает следующим образом.
При повышении давления газа в межтрубном пространстве, воспринимаемого площадью сечения поршня, который перемещается в корпусе вниз и сжимает газ под поршнем, толкатель воздействует на заслонку, которая проворачивается на шарнире и перекрывает живое сечение канала выкидной линии, с созданием зоны пониженного давления жидкости. Обратный клапан открывается и газ из межтрубного пространства поступает в выкидную линию, до выравнивания давления между межтрубным пространством и полостью трубопровода за заслонкой. Обратный клапан закрывается. После этого сила давления сжатого газа в полости под поршнем, перемещает последний вверх, с возвратом заслонки в исходное положение, с восстановлением пропускной способности выкидной линии.
Для исключения промежуточного положения заслонки предназначены подпруженные фиксаторы, которые воспринимают часть усилия от давления газа на поршень.
С ростом давления в межтрубном пространстве цикл повторяется.
К недостаткам конструкции можно отнести:
- низкую надежность работы устройства, заключающееся в том, что сложно обеспечить герметичность полости между гофрированными трубками; а значит существует проблема возврата поршня и заслонки в исходное положение;
- нет условий для поддержания расчетного перепада давления между межтрубным пространством и выкидной линией;
- применение устройства при низких температурах может привести к замерзанию обратного клапана и жидкости в гофрированных трубках, что может допустить их разрушение и потерю работоспособности устройством.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения:
- возможность поддержания расчетного перепада давления между межтрубным пространством и выкидной линией;
- оптимизация работы штангового насоса, путем поддержания необходимого давления на приеме насоса, превосходящим давление насыщения;
- возможность подачи технических жидкостей в межтрубное пространство скважины и ее освоение после замены штангового насоса.
Технических результат достигается тем, что перепускной клапан, установленный на трубопроводе и соединяющий межтрубное пространство с выкидной линией, снабжен обратным клапаном, корпусом с поршнем и толкателем. Корпус выполнен разъемным, части которого соединены муфтой и содержат седло в месте разъема, на которое опирается подпружиненный торцовый клапан, толкатель выполнен полым и снабжен на конце внешним выступом, входящим в кольцевую проточку на седле. Торцовый клапан установлен с возможность охвата внешнего выступа толкателя и образованием кольцевой камеры с телом разъемного корпуса, гидравлически связанной отверстиями в седле, с осевым каналом разъемного корпуса. Седло обратного клапана снабжено полым штоком с шайбой на конце, связанной с переходником, с образованием кольцевой камеры, связанной отверстиями в шайбе, с осевым каналом переходника и перекрытой подпружиненным кольцевым поршнем. Обратный клапан поджат к седлу подпружиненным штоком, пропущенным через регулировочную гайку с отверстиями. Толкатель снабжен внутренним выступом, на который опирается подпружиненный поршень, а в толкателе под поршнем выполнены дренажные отверстия.
Конструкция перепускного клапана поясняется чертежами, где показано:
на фигуре 1 – общий вид устройства в разрезе в исходном закрытом положении;
- на фигуре 2 – общий вид устройства в разрезе в момент перепуска затрубного газа, при расчетном перепаде давления;
- на фигуре 3 – положение деталей устройства в режиме подачи жидкости глушения в затрубное пространство скважины;
- на фигуре 4 – общая компановка оборудования при оснащении устья скважин перепускным клапаном.
Перепускной клапан состоит из разъемного корпуса 1, состоящего из двух частей, связанных муфтой 2. В осевом канале 3 разъемного корпуса 1 установлено седло 4 с подпружиненным толкателем 5, снабженным внешним выступом 6, входящим в ответную проточку 7 на седле 4. На седло 4 опирается подпружиненный торцовый клапан 8, с возможностью охвата внешнего выступа 6 толкателя 5. Между торцовым клапаном 8 и внутренней поверхностью разъемного корпуса 1 сформирована кольцевая камера 9, гидравлически связанная отверстиями 10 в седле 4, с осевым каналом 3 разъемного корпуса 1.
Сверху кольцевая камера 9 перекрыта кольцевым поршнем 11, опирающимся на пружину 12, которая поджимает его к седлу 13 обратного клапана 14. Седло 13 соединено с полым штоком 15, на верхнем конце которого установлена шайба 16, закрепленная на нижнем конце переходника 17, связанного с трубопроводом 18 (см. фиг. 4).
Между полым штоком 15 и внутренней поверхностью разъемного корпуса 1 сформирована кольцевая камера 19, гидравлически связанная отверстиями 20 в шайбе 16, с осевым каналом 21 переходника 17. Обратный клапан 14 поджимается к седлу 13 пружиной 22, установленной на штоке 23, верхний конец которого пропущен через регулировочную гайку 24 с отверстиями 25, соединяющими осевой канал 26 полого штока 15, с осевым каналом 21 переходника 17. В осевом канале 27 толкателя 5 выполнен внутренний выступ 28, на который опирается подпружиненный поршень 29. В теле толкателя 5, под подпружиненным поршнем 29 выполнен ряд дренажных отверстий 30. Устройство в сборе включается в состав трубопровода 18 (см. фиг. 4) через переходник 17. Трубопровод 18 соединяет межтрубное пространство 31, через задвижки 32 с выкидной линией 33. Скважина оснащена штанговым насосом 34, в составе лифтовой колонны труб 35, с приводом от колонны 36 насосных штанг.
Работа перепускного клапана.
Устройство в сборе обвязывается в составе устьевой арматуры, скважины, оснащенной штанговым насосом 34.
При работе штангового насоса 34 в скважинах с высоким газовым фактором происходит накопление газа в межтрубном пространстве 31, с ростом давления. Поддержанное расчетного перепада давления между межтрубным пространством 31 и выкидной линией 33 ведется на уровне, превосходящим по значению давление насыщения. С ростом давления газа в межтрубном пространстве 31 оно воспринимается толкателем 5 и поршнем 29. Под этим давлением находится торцовый клапан 8, охватывающий внешний выступ 6 толкателя 5. Усилие от давления газа на торцовом клапане 8, принято меньше суммарного усилия от толкателя 5 с поршнем 29. Толкатель 5 внешним выступом 6 воздействует на торцовый клапан 8, сжатием пружины 12 и пружины толкателя 5, и отрывает торцовый клапан 8 от седла 4 (см. фиг. 2). Газ из осевого канала 3 разъемного корпуса 1 через отверстия 10 в теле седла 4 и зазор между седлом 4 и торцовым клапаном 8 поступает в осевой канал торцового клапана 8, с отрывом обратного клапана 14 от седла 13 и выбросом потока газа в осевой канал 26 полого штока 15. Далее поток газа через отверстия 25 в регулировочной гайке 24 выходит в осевой канал 21 переходника 17, с выбросом в трубопровод 18 (см. фиг. 4).
При снижении давления газа до расчетных значений, торцовый клапан 8 усилием сжатой пружины 12 садится на седло 4, с прекращением подачи газа к обратному клапану 14.
Толкатель 5 после отрыва торцового клапана 8 от седла 4, усилием сжатой пружины возвращается в исходное положение с входом внешнего выступа 6 в ответную проточку 7 на седле 4. С ростом давления газа в межтрубном пространстве 31 цикл повторяется. Для обеспечения подачи технологической жидкости в скважину выкидную линию 33 соединяют с трубопроводом 18. При подаче под давлением технологической жидкости через перепускной клапан, последняя через отверстия 20 в шайбе 16 подается в кольцевую камеру 19, с воздействием на кольцевой поршень 11, с его отрывом от седла 13, с образованием гидравлического канала для подачи технологической жидкости в осевой канал торцового клапана 8 и далее в осевой канал 27 толкателя 5. Под давлением технологической жидкости поршень 29 перемещается в осевом канале 27 толкателя 5, со сжатием пружины и расположением его ниже дренажных отверстий 30, что обеспечивает подачу технологической жидкости в осевой канал 3 разъемного корпуса 1 и далее, в межтрубное пространство 31 скважины. По окончанию подачи под давлением технологической жидкости кольцевой поршень 11 и поршень 29 усилиями сжатых пружин возвращаются в исходное положение. Кольцевой поршень 11 садится на седло 13 обратного клапана 14. Поршень 29 садится на выступ 28, с прекращением подачи технологической жидкости к дренажным отверстиям 30.