Дросселирующее устройство
THROTTLING DEVICE

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для регулирования расхода пластового флюида на устье скважины.
Известна конструкция регулируемого дросселя (см. пат. РФ. №2, 105918, кл. МКИ F16K47/06 опубл. 27.02.1998).
Изобретение состоит из цилиндрического корпуса в осевом канале, с образованием кольцевой камеры. Пружина охватывает стержень и упирается одним торцом в корпус, а другим взаимодействует с механизмом перемещения регулирующего элемента.
Осевой размер пружины больше расстояния между входным и выходным отверстиями корпуса. Механизм перемещения выполнен в виде стакана, охватывающего стержень и герметизированного относительно стержня и корпуса.
При необходимости регулирования гидравлического сопротивления стакан перемещают вдоль стержня, что приводит к сжатию пружины, с размещением дополнительного количества витков между входным и выходным отверстиями. Имеется также возможность полного перекрытия поперечного сечения выходного отверстия телом стакана. Эффект полного перекрытия потока можно достичь при выполнении пружины из упругого легко деформируемого материала и полном сжатии витков.
К недостаткам конструкции следует отнести то, что пружина сжатия устанавливается в кольцевой камере, с образованием кольцевого зазора между стенкой корпуса и наружной поверхностью стержня.
Переток рабочего агента из подводящего отверстия к отводящему происходит не только между витками пружин, но также и по кольцевым зазорам, образованным витками пружины с корпусом и стаканом. При сжатии пружины происходит увеличение наружного диаметра витков, с одновременным увеличением кольцевого зазора со стержнем.
При этом расход рабочего агента будет определяться именно кольцевыми зазорами, что не позволит обеспечить полную отсечку потока.
Сложно также обеспечить диапазон регулирования расхода с получением необходимых характеристик потока на выходе.
В случае, когда в качестве рабочего агента выступает природный газ, то при таком конструктивном исполнении дросселя существуют условия образования газогидратов, с забиванием дросселирующих каналов и прекращения процесса добычи.
Известен регулируемый дроссель (см. а.с. СССР №400746 кл. МКИ F16C 3/04, опубл. 01.10.1973 г., Бюл. №10. Устройство состоит из корпуса, в котором установлен распределитель запрессована втулка, с ограничительным витком. На конце распределителя установлен дросселирующий элемент, имеющий вид винта. В теле распределителя выполнены радиальные отверстия, а во втулке продольный паз, гидравлически связанный с одним из радиальных отверстий, в зависимости от положения распределителя. Отверстия размещены по винтовой линии на равном расстоянии друг от друга. При расположении рукоятки, продольный паз во втулке сообщается с одним из отверстий в распределителе, благодаря чему включается в работу определенное количество витков дросселирующего элемента. При вращении рукоятки число витков может изменяться, с соответствующим изменением гидравлического сопротивления между подводящим и отводящим каналами.
Однако, исходя из конструктивных соображений количество радиальных отверстий имеет ограничения, поскольку они могут быть размещены по периметру распределителя и их количество зависит также от их диаметра. В связи с этим перепад давления, который может быть создан данным устройством мал по своему значению, что ограничивает область его применения. Следует также отметить, что на процесс регулирования оказывает влияние поток, поступаемый по кольцевым зазорам между распределителем и телом дросселирующего элемента. При этом суммарный расход через кольцевой зазор немного может превосходить по своему значению расход через радиальное отверстие в распределителе.
Известно устройство для регулирования малых расходов (см. а.с. СССР №1332271, кл. МКИ G05D 7/01, опубл. 23.08.87 г., Бюл. №31). Для расширения диапазона плавного регулирования малых расходов устройство содержит корпус, с входным и выходным каналами, расположенными с одной стороны корпуса, в котором установлена пробка с каналом, выполненным в виде соединенных между собой незамкнутого капилляра переменного сечения с вертикальным участком, и другого незамкнутого капилляра переменного сечения, ориентированного одинаково с первым капилляром. Вертикальный участок соединяет первый и второй капилляры в месте их наибольшего проходного сечения. При повороте конической пробки внутри корпуса, в положение, когда вертикальный участок канала совпадает с входным каналом и выходным, что позволяет при их соединении через вертикальный участок обеспечивать минимальное сопротивление потоку, с соответствующим максимальным расходом. При повороте пробки на определенный угол против часовой стрелки, в канал, соединяющий входной и выходной каналы, включается сопротивление первого и второго незамкнутых капилляров переменного сечения, что уменьшает расход. Степень уменьшения расхода пропорциональна углу поворота пробки.
К недостаткам конструкции можно отнести то, что суммарная длина капиллярных каналов, включая вертикальную перемычку, обладает малым гидравлическим сопротивлением, зависящим от диаметральных размеров конической пробки. Поскольку имеет место поворот конической пробки внутри корпуса, то также существует и технический зазор между ними, через который рабочая среда может перетекать из одного капиллярного канала в другой, минуя вертикальный участок.
Контролировать расход необходимо с учетом этих утечек. При использовании устройства для подачи газообразного агента, существует вероятность забивания капиллярных каналов газогидратами, что приведет к заклиниванию конической пробки в канале корпуса и прекращению процесса подачи.
Известна конструкция дросселя регулируемого (см. а. с. СССР №991106, кл. F16К 47/12), принятая авторами за прототип. Устройство состоит из корпуса, с рабочими патрубками для подвода и отвода рабочей среды. В осевом канале корпуса установлен регулирующий элемент, с нарезанной на его поверхности винтовой канавки переменного шага. В качестве рабочей среды применяется масло, которое под давлением подается в патрубок и через дросселирующий канал подается в отводящий патрубок и далее, на потребителя. Для изменения сопротивления дросселя осуществляют изменение дляны дросселирующего канала, путем перемещения дросселя в сторону отводящего патрубка. В этом случае дросселирующий элемент размещается винтовой канавкой с большим шагом под подводящим патрубком. При необходимости резкого изменения расхода рабочего агента от расчетных значений, дросселирующий элемент перемещают в сторону подводящего патрубка, т.е. по направлению уменьшения шага винтовой канавки. По мнению авторов, тем самым расширяется диапазон регулирования. Однако, поток рабочего агента подается по кольцевому зазору между корпусом и регулирующим элементом. Гидравлическое сопротивление винтовой канавки напрямую зависит от ее длины и площади поперечного сечения. В связи с этими доводами можно сделать вывод, что устройство применимо при малых расходах рабочего агента. В случае применения устройства для регулирования перепада давления, при больших расходах газообразного рабочего агента, то согласно газодинамики в потоке происходит изменение температуры в сторону падения и существование условия образования газогидратов, что может привести к остановке процесса.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность поддержания температуры газа после прохождения потока через дросселирующее устройство, с превышением нижних значений температуры гидратообразования;
- обеспечение герметичности полости между витками винтовой канавки за счет применения чулка, поджимаемого к поверхности дросселирующего элемента давлением газа в подводящем канале;
- оптимизация скорости движения газа в отводящем канале промыслового трубопровода по всей площади сечения, путем ввода части расхода газа из последнего витка в осевой канал выходного патрубка.
Технический результат достигается тем, что дросселирующее устройство состоит из корпуса, с подводящим и отводящим патрубками, дросселирующего элемента, который выполнен коническим, с нарезанной на его внешней стороне винтовой канавкой, и охваченным эластичным чулком, с образованием кольцевой камеры с корпусом, гидравлически связанной продольным пазом в теле соединительного кольца, установленного на чулке, с продольным пазом на теле поджимной гайки, связанной резьбой с корпусом. Дросселирующий элемент снабжен осевым каналом, в котором установлена дроссельная втулка с проточкой на внешней стороне, гидравлически связанная радиальным отверстием в теле дросселирующего элемента с полостью последнего витка винтовой нарезки, и перепускным отверстием в теле дроссельной шайбы - с ее осевым каналом, перекрытым штуцером. Поджимная гайка со стороны отводящего патрубка снабжена кольцевым внутренним выступом, входящим в ответную кольцевую проточку на теле дросселирующего элемента.
На фигуре 1 показана в разрезе конструкция дросселирующего устройства, для регулирования перепада давления при добыче природного газа.
Устройство состоит из корпуса 1 в осевом канале которого установлен дросселирующий элемент 2, в виде усеченного конуса, на пружиной поверхности которого выполнена глубокая винтовая канавка 3, начало которой гидравлически связанно с подводящим патрубкам 4 фонтанной арматуры скважины, а выходная часть винтовой канавки 3 связана с отводящим патрубком 5 промыслового трубопровода.
На пружинной поверхности дросселирующего элемента 2 установлен чулок 6 из эластичного материала с образованием кольцевой камеры 7 с корпусом 1, на концах которого установлены соединительные кольца 8 и 9.
Соединительное кольцо 8 снабжено продольным пазом 10. На концах корпуса 1 выполнена внутренняя резьба и установлены поджимные гайки 11 и 12. В теле гайки 11 выполнен продольный паз 13, гидравлически связанный с продольным пазом 10 на соединительном кольце 8. Гайка 12 снабжена кольцевым внутренним выступом 14, входящим во взаимодействие с кольцевой проточкой 15 на теле дросселирующего элемента 2, снабженного также осевым каналом 16, в котором на выходе установлена на резьбе дроссельная втулка 17, с проточкой 18 на внешней стороне, гидравлически связанной радиальным отверстием 19 в теле дросселирующего элемента 2 с полостью последней винтовой канавки 3.
Дроссельная втулка 17 снабжена перепускным отверстием 20 соединяющим проточку 18 с ее осевым каналом 21, в котором установлен штуцер 22.
Работа дросселирующего устройства заключается в следующем:
Устройство в сборе устанавливается в составе фонтанной арматуры подводящим патрубком 4.
При подаче пластового флюида (газа) последний подается к винтовой канавке 3, с закручиванием потока газа и его транспортировкой по виткам к каналу отводящего патрубка 5.
Давление газа через продольный паз 13 в теле гайки 11 и продольный паз 10 в теле соединительного кольца 8 подается в кольцевую камеру 7 с поджимом чулка 6 к телу дросселирующего элемента 2.
Осевое усилие от перепада давления на дросселирующий элемент 2 воспринимается кольцевым выступом 14 и гайки 12.
Площадь поперечного сечения каждой полости между витками винтовой канавки 3 определена больше предыдущей. Поток газа из последней винтовой канавки 3 через радиальное отверстие 19 в теле дросселирующего элемента 2 и проточку 18 на теле дроссельной втулки 17 подается через перепускное отверстие 20, в осевой канал 21 и далее через штуцер 22 подается в канал отводящего патрубка 5 промыслового коллектора. Поток газа транспортируемый по винтовой канавке 3 приобретает вращательное движение, что приводит к снижению давления в центре потока, при выходе его в канал отводящего патрубка промыслового коллектора. Для выравнивания поля давления по всему сечению канала отводящего патрубков, часть газа через штуцер 22 подается в центр потока.