Спускной клапан для слива жидкости из колонны труб
DRAIN VALVE FOR DRAINING LIQUID FROM THE PIPE STRING

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для слива жидкости из колонны труб перед подъемом их из скважины с целью защиты окружающей среды от загрязнений скважинной жидкостью.
Известен скважинный сбивной клапан (патент РФ № 2068077, опубл. 13.03.1996), включающий корпус с двумя диаметрально выполненными каналами и запорный элемент в виде стержня из пластичного металла, концы которого установлены в каналах корпуса, и отрезка эластичной втулки, плотно насаженной на стержень и имеющей длину меньше, чем длина стержня, концы которой герметично установлены в расточке, выполненной в каналах корпуса, при этом часть корпуса с одним из каналов выполнена съемной и соединена с корпусом резьбой.
Недостатки устройства:
- короткий срок службы, т.к. сбивной клапан одноразового действия, после каждого подъёма труб необходимо заменять стержень;
- затраты на изготовление стержня из пластичного металла, которые необходимо использовать перед каждым подъёмом труб;
- затраты на сборку сбивного клапана после каждого подъёма труб из скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спускной клапан (патент RU № 2672298, опубл. 13. 11.2018) для слива жидкости из колонны насосных труб, содержащий шар, муфту с отверстием, штуцер, соединенный резьбой в отверстии муфты с отводом полого цилиндра с боковым отверстием, полый цилиндр оснащен фаской на нижнем конце внутренней боковой стенки, причем в полый цилиндр установлен подпружиненный пружиной сжатия шток со стержнем, причем в нижнем конце стержня имеется выступ в форме усеченного конуса, при этом на верхний конец штока над пружиной сжатия одета шайба, зафиксированная винтом, завернутым в радиальную резьбовую выборку, выполненную на штоке над шайбой, при этом шток выполнен за одно целое со стержнем, имеющим на нижнем конце выступ в форме усеченного конуса.
Недостатки устройства:
- низкая надёжность работы, так как шток может не переместиться под весом шарика, из-за того, что шарик не воздействует на центральную ось шайбы штока, из-за чего шток не воспринимает полный вес шарика, т.е. получается так, что шайба штока воспринимает вес шарика частично. Более того, конструкция устройства не имеет возможности регулировки усилия пружины сжатия штока со стержнем, при этом усилие сжатия пружины должно быть прямо пропорционально весу шара, сбрасываемого в колонну насосных труб с целью срабатывания сливного клапана, т.е. для надёжной работы устройства должно соблюдаться условие: чем меньше вес шара, тем слабее пружина сжатия;
- низкая эффективность устройства в работе. Это обусловлено тем, что шток, жёстко соединённый со стержнем имеет возможность свободного перемещения в полом цилиндре, и при перепаде давления скважинной жидкости в колонне труб усеченный конус стержня может перекрыть поступление жидкости в полый цилиндр и тогда переток скважинной жидкости из трубного в затрубное пространства прекратится;
- высокая вероятность отказа устройства в работе. С одной стороны - это обусловлено тем, что полый цилиндр клапана размещён эксцентрично (со смещением) относительно центральной оси колонны насосных труб и при использовании шарика малого диаметра последний может не попасть на верхний торец штока и опуститься вниз по колонне насосных труб мимо полого цилиндра устройства. С другой стороны - это обусловлено тем, что шарик большого диаметра приведет к срабатыванию сливного клапана, но ограничит гидравлический переток скважинной жидкости из трубного пространства через сливной клапан в затрубное пространство.
На фиг. 1 схематично изображён общий вид предлагаемого устройства.
На фиг. 2 схематично изображен увеличенный вид I в исходном положении сливного клапана.
На фиг. 3 схематично изображен увеличенный вид I в рабочем положении сливного клапана.
На фиг. 4 схематично изображен вид А сверху устройства.
Спускной клапан для слива жидкости из колонны труб, содержит шар (или отрезок насосной штанги) 1 (см. фиг. 1 и 4), муфту 2 (см. фиг. 1-4) с отверстием 3 (см. фиг. 2 и 3), штуцер 4, соединенный резьбой 5 в отверстии 3 муфты 2 с отводом 6 (см. фиг. 2-4) полого цилиндра 7 (см. фиг. 2 и 3) с боковым отверстием 8.
В полый цилиндр установлен подпружиненный пружиной сжатия 9 шток 10.
На верхнем конце штока 10 выполнена резьба 11, а нижний конец штока 10 снабжён наружным кольцевым выступом 12.
Наружный кольцевой выступ 12 (см. фиг. 2), выполненный на нижнем конце штока 10 ограничивает перемещение штока 10 вверх в исходном положении.
Также шток 10 оснащён наружными цилиндрической выборкой 13 (см. фиг. 2 и 3) и кольцевой проточкой 14 (см. фиг. 2). Наружная кольцевая проточка 14 расположена на штоке 10 ниже наружной цилиндрической выборки 13.
На резьбу 11 штока 10 навернута регулировочная гайка 15 (см. фиг. 2-3), поджимающая пружину сжатия 9 от верхнего торца полого цилиндра 7 при взаимодействии наружного кольцевого выступа 12 штока 10 с нижним торцом полого цилиндра 7.
Полый цилиндр 7 ниже бокового отверстия 8 оснащен внутренней кольцевой проточкой 16 (см. фиг. 2-3).
Во внутреннюю кольцевую проточку 16 полого цилиндра 7 установлено разрезное пружинное кольцо 17 (см. фиг. 2-3).
В исходном положении боковое отверстие 8 (см. фиг. 2) полого цилиндра 7 герметично перекрыто штоком 10 гидравлически разъединяющим трубное пространство трубы 18 (см. фиг. 1, 4) и затрубное пространство скважины.
В рабочем положении после взаимодействия шарик (см. фиг. 3) с верхним торцом регулировочной гайки 15 шток 10 имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз до попадания разрезного пружинного кольца 17 в наружную кольцевую проточку 14 штока 10 и фиксации штока 10 от перемещения вверх относительно полого цилиндра 7.
Наружная цилиндрическая выборка 13 штока 10 через боковое отверстие 8 полого цилиндра 7 отвод 6 и штуцер 4 гидравлически сообщают трубное пространство трубы 18 и затрубное пространство скважины. Уплотнительные кольца на фиг. 2 и 3 показаны условно обеспечивают герметичность в процессе работы устройства.
Устройство работает следующим образом.
Для работы устройства необходимо соблюдение следующих двух условий:
1. Центральная ось регулировочной гайки 15 (см. фиг. 4) должна быть на расстоянии L и совпадать с центральной осью муфты 2:
в
L = D/2, (1)
в
где D - внутренний диаметр муфты 2, мм;
L - расстояние от внутренней стенки муфты до осевой линии регулировочной гайки 15, мм
2. Диаметр шарика 1 должен быть подобран из условия:
ш
в
D.≥ (D - d) /2 + d/2, (2)
ш
где D - диаметр шарика 1, мм;
в
D - внутренний диаметр муфты 2, мм;
d - диаметр регулировочной гайки 15, мм. Примем d = 25 мм.
Условия 1 и 2 получены опытным путём исходя из того, что вес шарика 1 будет
полностью восприниматься верхним торцом регулировочной гайки 15.
в
Например, из скважины необходимо извлечь колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) диаметром 73 мм по ГОСТ 633-80 «Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним». Согласно ГОСТ 633-80 наружный диаметр муфты 2 колонны НКТ диаметром 73 мм составляет 88,9 м, а проходной диаметр, т.е. внутренний диаметр D= 73 мм.
Подставляя числовые значения по условиям 1 и 2 определяем:
1. Расстояние L до осевой линии регулировочной гайки 15 (см. фиг. 4):
в
L = D/2 =73 мм/ 2 =36,5 мм,
2. Диаметр шарика 1 должен быть подобран из условия:
ш
D ≥ (73 мм- 25 мм) / 2 + 25 мм / 2 = 24 мм+ 12, 5 мм =36,5 мм
ш
Примем диаметр шарика 1 равным D = 37 мм.
ш
3
Далее опытным путём подбирают усилие пружины сжатия 9 штока 10 (см. фиг 1-3). Например, пружина сжатия 9 выполнена по ГОСТ 9389-75 Б-2 из проволоки диаметром 1,2 мм, наружным диаметром 25 мм и высотой в свободном состоянии 60 мм с количеством витков равным 8. Исходя из того, что шарик имеет диаметр: D = 37 мм и выполнен из металла плотностью: ρ = 7800 кг/м. Определим массу шарика 1 по формуле:
ш
3
М =1/6 π·D·ρ, (3)
где, М - масса шарика 1, кг
ш
D - диаметр шарика 1, мм;
3
ρ = плотность металлического шарика. Примем 7800 кг/м.
Подставляя числовые значения в формулу 3 получим:
ш
3
3
Р =1/6 π·D·ρ = 1,6·3,14·(0,037)·7800 = 1,58 кг
Для шара массой 1,58 кг опытным путём подбирают жёсткость - пружины сжатия 9, которая составляет с= 0,19 Н/мм с учетом потери веса шарика 1 в жидкости, находящейся в колонне труб.
Изготавливают устройство с заданными параметрами. В процессе сборки устройства регулировочную гайку 15 вворачивают на резьбу 11 в верхней части штока 10 так, чтобы пружина сжатия 9 срабатывала (сжималась) в скважинной жидкости, что определяются опытным путем при стендовых испытаниях с учетом потери веса шара в жидкости. Затем спускают устройство в скважину в составе колонны труб и выполняют ремонт скважины, при этом устройство находится в исходном положении, когда боковое отверстие 8 (см. фиг. 2) полого цилиндра 7, герметично перекрыто штоком 10 гидравлически разъединяющим трубное пространство трубы 18 и затрубное пространство скважины.
Перед подъёмом колонны труб из скважины с целью исключения излива скважинной жидкости на устье скважины в колонну труб сбрасывают шарик 1. Шарик 1 по колонне труб опускается вниз и воздействует на верхний торец регулировочной гайки 15 штока 10.
В результате вес шарика 1 полностью воспринимается верхним торцом регулировочной гайки 15 штока 10, а усилие, на которое отрегулирована пружина 9 благодаря резьбе 11, выполненной на штоке 10, обеспечивает гарантированное срабатывание устройства при сливе скважиной жидкости при подъёме колонны труб из скважины. Всё это повышает надёжность работы устройства.
Под действием веса шарика (см. фиг. 3), воспринимаемого верхним торцом регулировочной гайки 15 штока 10, устройство занимает рабочее положение, при этом регулировочная гайка 15 со штоком 10 опускаются ограниченно вниз, сжимая пружину сжатия 9 до попадания разрезного пружинного кольца 17, находящегося во внутренней кольцевой проточке 16 полого цилиндра 7 в наружную кольцевую проточку 14 штока 10. В результате происходит фиксации штока 10 от перемещения вверх относительно полого цилиндра 7.
Начинают подъём колонны труб из скважины. В процессе подъёма труб из скважины скважинная жидкость, находящаяся в трубном пространстве колонны труб через боковое отверстие 8 (см. фиг. 3) полого цилиндра 7, наружную цилиндрическую выборку 13 штока 10, отвод 6 и штуцер 4 перетекает в затрубное пространство скважины.
Разрезное пружинное кольцо 17 имеет треугольное поперечное сечение и изготавливается, например из пружинной стали марки 65 Г по ГОСТ 14959-79 «Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали».
Предлагаемый сливной клапан многоразового использования, у которого регулируемая гайка позволяет настроить жёсткость пружины сжатия 9, что повышает надёжность работы. Кроме того, устройство позволяет зафиксировать шток 10 перед сливом жидкости из труб, что гарантированно позволяет обеспечить переток скважинной жидкости из трубного пространства в затрубное пространство.
Повышается эффективность устройства в работе, так как шток после ограниченного перемещения вниз неподвижно фиксируется относительно полого цилиндра разрезным пружинным кольцом. Это исключает возможность свободного перемещения штока в полом цилиндре при перепаде давления жидкости в колонне труб в процессе их подъёма, что обеспечивает гарантированный переток скважинной жидкости из трубного в затрубное пространство через устройство.
Исключается отказ устройства в работе вследствие того, что геометрические размеры устройства подобраны из условий 1 и 2. С одной стороны это исключает, то что шарик опустится вниз по колонне насосных труб мимо полого цилиндра устройства, а с другой стороны диаметр шарика подобран таким образом, что шарик не ограничивает гидравлический переток скважинной жидкости из трубного пространства через сливной клапан в затрубное пространство.
Спускной клапан для слива жидкости из колонны труб позволяет:
- повысить надёжность работы устройства;
- повысить эффективность работы устройства;
- исключить вероятность отказа устройства в работе.