КЛАПАН ОБРАТНЫЙ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ КОЛОННЫ-ХВОСТОВИКА

Область техники
Техническое решение относится к добывающей промышленности, в частности, к устройству клапана обратного (КО), предотвращающего перетекание бурового раствора из заколонного пространства во внутреннюю полость колонны-хвостовика при установке оборудования для осуществления гидроразрыва пласта, в частности, при спуске оборудования в открытый ствол скважины.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные варианты конструкции обратных клапанов для нефтегазодобывающей промышленности. В частности, из описания патента Китая на полезную модель CN205806578, МПК: F16K15/02, 14.12.2016 «Обратный клапан для вязкой жидкости» известна конструкция клапана, который включает в себя полый цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями и установленную в полости корпуса клапанную пару в виде седла, имеющего в сечении форму буквы "Т", закреплено в корпусе в кольцевой проточке, и подпружиненного запорного элемента с головкой конической формы со скругленным верхом. Технический результат данной полезной модели состоит в снижении риска заклинивания отверстия буровой трубы. Недостатком данного устройства является невысокая надежность седла клапанной пары.
Другой вариант аналогичного клапана известен из описания патента Китая на полезную модель CN207486144, МПК: F16K15/06; F16K31/20, 12.06.2018 «Новый обратный клапан с плавающим сердечником для бурового инструмента». В описании полезной модели раскрыта клапанная пара в виде кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента, содержащего шток и коническую головку, которые установлены и закреплены в корпусе клапанной клетки. Клетка, содержащая в себе клапанную пару, устанавливается в полость корпуса клапана на резьбе, что повышает общую ремонтопригодность клапана. Кроме того, в связи с тем, что при эксплуатации клапана буровой раствор оказывает абразивное воздействием на его детали, осуществляют высокочастотную упрочняющую обработку конической поверхности головки клапана для повышения износостойкости. Недостатком данного устройства является невысокая надежность винтового соединения головки со штоком запирающего элемента, а также низкая пропускная способность клапана.
Из описания патента РФ на изобретение RU 2358092 «ОБРАТНЫЙ КЛАПАН, ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫЙ ПОТОКОМ», МПК: E21B 34/08, опубликованного 10.06.2009, известна конструкция обратного клапана, содержащего полый цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями и установленную в полости корпуса клапанную пару в виде кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента грибкового типа, а также ограничитель хода запорного элемента в виде гайки со сквозными отверстиями для протока жидкости. Седло клапана выполнено монолитно вместе с корпусом клапана и взаимодействует с головкой клапана по конической поверхности. Недостатком конструкции данного клапана является низкая прочность запирающего элемента. Коническая головка запирающего элемента имеет тонкий колпачковый тип конструкции и установлена на штоке при помощи разъемного соединения, что снижает надежность конструкции в тяжелых эксплуатационных условиях.
В описании патента Китая CN201627989 на полезную модель, опубликованного 10.11.2010, раскрыты элементы конструкции обратного клапана повышенной надежности. В частности, на чертеже, иллюстрирующем конструкцию клапана, показан полый цилиндрический корпус клапана, в котором размещена клапанная пара в виде монолитного кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента, шток которого установлен в центральное направляющее отверстие гайки, выполненной с возможностью для протока жидкости. При этом один конец штока на резьбе установлен в головку запирающего элемента, а другой конец установлен во втулку, размещенную на гайке. Нажимная пружина установлена снаружи на втулку гайки. В верхней части головка запорного элемента имеет форму усеченного конуса с образованием при вершине площадки, перпендикулярной оси клапана, а в нижней части - форму цилиндра. Недостатком клапана является низкая надежность конструкции сборного запирающего элемента.
В качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели может быть выбран клапан, раскрытый в описании патента РФ на изобретение RU2641146, МПК: E21B 34/06, F16K 15/02, опубликованного 16.01.2018, «ОБРАТНЫЙ КЛАПАН». Известный из данного патента обратный клапан содержит полый цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями, установленную в полости корпуса клапанную пару, выполненную в виде кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента, а также ограничитель хода запорного элемента, выполненный в виде клетки с боковыми сквозными отверстиями для протока жидкости, при этом подпружиненный запорный элемент, взаимодействующий с рабочей кромкой седла, подвижно установлен внутри клетки клапана. В клетке расположена пружина для поджатия запорного элемента к седлу.
Седло представляет собой гайку с наружной резьбой, посредством которой седло завинчено в резьбу корпуса. Запорный элемент выполнен в виде расположенного внутри пружины стержня с полукруглой головкой, взаимодействующей с рабочей кромкой седла. Головка выполнена по радиусу тела вращения. Стержень запорного элемента и клетка выполнены с уступом, а пружина сжатия расположена между указанными уступами, при этом один конец пружины упирается в уступ клетки, а другой конец пружины упирается в уступ стержня. Пружина и запорный элемент имеют многослойное защитное покрытие. Недостатком данной конструкции является выполнение седла клапана в виде съемной гайки, что снижает прочность и надежность устройства. Кроме того, сопряжение сферической поверхности головки запорного элемента с рабочей кромкой седла по узкой кольцевой линии не создает требуемого уровня герметизации при закрытии клапанной пары, рабочая кромка быстро изнашивается, и клапанная пара часто требует ремонта.
Заявленная полезная модель направлена на расширение арсенала средств в виде обратных клапанов для нефтегазовой промышленности.
Заявленная полезная модель также направлена на решение задачи по повышению прочности, надежности, долговечности и работоспособности клапана обратного при его использовании в тяжелых эксплуатационных условиях в составе колонны-хвостовика при установке в нефтегазовые скважины оборудования для осуществления гидроразрыва пласта.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат заключается в повышении прочности конструкции клапана обратного при одновременном повышении его эксплуатационной надежности и при упрощении конструкции.
Для достижения заявленного технического результата предлагается клапан обратный, содержащий полый цилиндрический корпус с входным и выходным отверстиями, установленную в полости корпуса клапанную пару в виде кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента, а также ограничитель хода запорного элемента с боковыми сквозными отверстиями для протока жидкости. При этом седло выполнено заодно с корпусом клапана в форме внутреннего кольцевого выступа, имеющего со стороны входного отверстия коническую форму, сопряженную с проходным каналом седла цилиндрической формы и с фаской на нижней кромке, а запорный элемент выполнен в виде монолитной детали, содержащей головку в форме усеченного конуса и шток ступенчатой формы, при этом ограничитель хода запорного элемента выполнен в виде гайки, установленной в полости корпуса клапана со стороны выходного отверстия, причем гайка служит опорой для пружины и упором для ступени штока запирающего элемента, определяющей его рабочий ход, а также гайка содержит центральное направляющее отверстие для подвижного размещения в нем нижней части штока.
В предпочтительном варианте изготовления обратного клапана головка запирающего элемента в своей нижней части переходит в цилиндрическую юбку.
В другом варианте изготовления обратного клапана нижняя ступень штока запорного элемента и центральное направляющее отверстие в гайке ограничителя хода запорного элемента выполнены квадратного сечения соответствующего размера с обеспечением возможности осевой подвижности запорного элемента.
Для обеспечения установки обратного клапана в колонну насосно-компрессорных труб корпус клапана на одном конце выполняется с внутренней конической резьбой под входной патрубок, а на другом конце - с наружной конической резьбой под выходной соединительный патрубок.
В предпочтительном варианте изготовления обратного клапана внутренняя поверхность корпуса клапана, а также коническая поверхность седла и запорного элемента выполняются с защитными износостойкими покрытиями, а ограничитель хода запорного элемента выполняется из нержавеющей стали.
Также в предпочтительном варианте изготовления обратного клапана  соблюдается условие, что суммарная площадь сечения боковых отверстий в гайке ограничителя хода запорного элемента по меньшей мере в 2 раза превышает площадь сечения проходного отверстия седла, чем гарантированно обеспечивается переток жидкости даже в случае закупоривания одного или нескольких отверстий гайки, а также исключаются резкие перепады давления прокачиваемой жидкости, что повышает надежность устройства клапана.
Краткое описание чертежей
Чертеж представлен для лучшего понимания полезной модели, однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что раскрытая полезная модель не ограничивается вариантом, представленным на чертеже.
На фиг. 1 представлен общий вид продольного сечения клапана обратного в соответствии с настоящим описанием полезной модели.
Осуществление полезной модели
Клапан обратный содержит полый цилиндрический корпус 1 с верхним входным и нижним выходным отверстиями. В полости корпуса размещена клапанная пара в виде кольцевого седла и подпружиненного запорного элемента 2 грибкового типа. Ограничителем хода запорного элемента 2 является гайка 3, выполненная с боковыми сквозными отверстиями для протока жидкости. Как видно на чертеже, в предложенной конструкции клапана седло выполнено заодно с корпусом клапана в форме монолитного внутреннего кольцевого выступа, (что исключает установку в полость клапана дополнительных элементов в виде съемного седла, которые в свою очередь требуют установки дополнительных герметизирующих элементов), чем упрощается конструкция заявленного устройства и повышается его надежность и долговечность.
В предложенной конструкции клапана обратного седло со стороны входного отверстия выполнено с конической формой поверхности, образующей воронку, что снижает сопротивление потоку прокачиваемой жидкости. При этом проходной канал седла выполнен цилиндрической формы, а нижняя кромка проходного канала седла оформлена фаской на нижней рабочей кромке.  Сопряжен верхней конической плоскости седла с цилиндрическим проходным каналом позволяет избежать наличия острых кромок и тонкостенных элементов в конструкции клапана, что повышает прочность и надежность его конструкции.
Запорный элемент 2 выполнен в виде монолитной детали, что отвечает требованиям прочности и надежности конструкции клапана. Запорный элемент 2 содержит головку в форме усеченного конуса. Угол конуса головки запорного элемента 2 выполнен таким же, как и угол фаски на рабочей кромке седла корпуса. Достигнутое уплотнение конус-конус дает лучшую герметизацию по сравнению со сферой, выбранной в прототипе, что повышает эксплуатационную надежность заявленного устройства.
Основание конуса головки запорного элемента 2 в нижней части переходит в шток ступенчатой формы. Первая ступень штока имеет цилиндрическую форму для взаимодействия с пружиной 4, которая надета на шток и упирается своей верхней частью в головку запорного элемента 2, а ни жней частью в гайку 3 ограничителя хода запорного элемента. Причем упомянутая гайка 3 служит как опорой для пружины 4, так и упором для верхней цилиндрической ступени штока, определяющим ограничение рабочего хода клапана. Для взаимодействия со штоком запорного элемента 2 гайка содержит центральное направляющее отверстие для подвижного размещения в нем нижней части штока. При этом рабочий ход штока запирающего элемента подобран таким образом, что при полном открытии и последующем закрытии клапанной пары, перекос штока относительно оси клапана минимален. Для той же цели нижняя ступень штока запорного элемента и центральное направляющее отверстие в гайке ограничителя хода запорного элемента, предпочтительно, выполнены квадратного сечения соответствующего друг другу размера с обеспечением возможности осевой подвижности запорного элемента без прокрутки, что стабилизирует конструкцию в условиях динамических нагрузок от потока жидкости и повышает надежность работы заявленного устройства.
Для обеспечения установки обратного клапана в колонну насосно-компрессорных труб корпус 1 клапана на одном конце выполняется с внутренней конической резьбой под входной патрубок, а на другом конце - с наружной конической резьбой под выходной соединительный патрубок.
Выбор формы головки обратного клапана обусловлен требованиями его эксплуатационной надежности. Так, если в верхней части головка запорного элемента 2 имеет форму усеченного конуса с образованием при вершине площадки перпендикулярной оси клапана, то площадка усеченного конуса перпендикулярная оси клапана служит для прямого сопротивления встречному потоку жидкости, что позволяет открыть шток запорного элемента 2 при меньшем давлении встречного потока жидкости. А нижняя цилиндрическая часть головки запорного элемента стабилизирует поток жидкости, что также положительно влияет на работоспособность и надежность клапана.
Клапан обратный работает следующим образом.
Клапан обратный спускается в скважину на колонне труб и устанавливается в составе колонны-хвостовика в нижней части компоновки оборудования для заканчивания скважины, как правило, после направляющего башмака.
При включения насоса, работающего в составе компоновки оборудования для заканчивания скважины, например, для опрессовки или операций, рабочая жидкость поступает на вход клапана и через проходной канал седла проходит к головке запирающего элемента 2. Под давлением рабочей жидкости запирающий элемент 2 отходит от седла, сжимая пружину 4, и шток перемещается на величину рабочего хода, открывая клапан для прохода перекачиваемой жидкости.
Однако при возрастании  встречного давления пластовой жидкости в заколонном пространстве, когда жидкость поступает в клапан с обратной стороны через боковые отверстия гайки 3, попадая в полость клапана со стороны плоского основания головки запорного элемента 2, происходит запирание клапана. В этом случае головка клапана своей цилиндрической поверхностью прижимается к фаске на рабочей кромке седла и герметично запирает канал клапана. Запирая снизу канал колонны-хвостовика, клапан обратный (КО) надежно обеспечивает предотвращение перетекания бурового раствора из заколонного пространства во внутреннюю полость колонны насосно-компрессорных труб при спуске компоновки в открытый ствол при установке в скважину оборудования для осуществления гидроразрыва пласта.
Рабочее положение обратного клапана вертикальное, что не исключает возможность наклонного рабочего положения данного клапана.
Допускается последовательная установка двух таких клапанов. Два последовательно собранных обратных клапана обеспечивают надежную герметизацию трубного пространства как в наклонно-направленных, так и в горизонтальных скважинах.
Все элементы конструкции заявленного клапана обратного обладают высоким запасом прочности и обеспечивают ему высокую надежность в тяжелых условиях эксплуатации.
Заявленная полезная модель обеспечивает расширение арсенала средств в виде создания еще одной конструкции обратного клапана для нефтегазовой промышленности, которая эффективно решает задачу повышения прочности, надежности, долговечности и работоспособности клапана обратного при его использовании в тяжелых эксплуатационных условиях в составе колонны-хвостовика при установке в нефтегазовые скважины оборудования для осуществления гидроразрыва пласта.
Заявленная полезная модель обеспечивает достижение технического результата по повышению прочности клапана обратного при одновременном повышении его эксплуатационной надежности и упрощении также за счет снижения количества сборных элементов в составе его конструкции, поскольку седло выполнено монолитным заодно с корпусом, и запирающий элемент выполнен цельным (не сборным).