МАГНИТНЫЙ КЛАПАН, ПРИМЕНЯЕМЫЙ ПРИ ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
MAGNETIC VALVE USED DURING PRODUCTION AND TREATMENT OF LIQUID AND GASEOUS MINERAL RESOURCES

Изобретение относится к области узлов и деталей машин, а именно к области клапанов, обеспечивающих прохождение газового, жидкостного или газожидкостного потоков, и может быть использовано в нефтегазодобывающей, а также в нефтехимической отраслях промышленности.
Известно (RU, патент 2199662, опубл. 2003) устройство для измерения дебита скважин, содержащее газосепаратор с поплавком, связанным с заслонкой на газовой линии, гидравлически связанной с газовой и жидкостной линиями, счетчик жидкости, подпружиненный клапан со штоком, снабженный фиксирующими элементами, установленными с возможностью взаимодействия со штоком, седло клапана, дроссель, причем шток снабжен шайбой из магнитного материала, расположенной между кольцевыми магнитами, установленными в магнитопроводах, жестко прикрепленных к корпусу, взаимодействующими с шайбой при перемещении штока, а дроссель установлен в проходном сечении седла клапана и жестко соединен с последним.
Устройство работает следующим образом.
Газожидкостная смесь из нефтяной скважины через выходной патрубок поступает в сепарационную емкость, где происходит отделение газа от жидкости. Выделившийся газ через открытую газовую заслонку и выходной патрубок попадает в общий коллектор, а жидкость накапливается в нижней части сепарационной емкости, так как клапан удерживается в закрытом положении силой упругости пружины и удерживающей силой замкнутой магнитной цепи, образованной нижними магнитами и магнитопроводом, жестко закрепленным с корпусом, шайбой из магнитного материала, жестко закрепленной на штоке клапана. По мере накопления жидкости в сепарационной емкости поплавок закрывает газовую заслонку. С достижением перепада давления между сепарационной емкостью и общим выходным коллектором величины, достаточной для преодоления силы упругости пружины и удерживающей силы магнитной цепи, образованной нижними магнитами и магнитопроводом, жестко прикрепленным к корпусу, и шайбой из магнитного материала, клапан приоткрывается и начинается движение жидкости через дроссель. Перепад давления, образуемый при движении жидкости через дроссель, доводит клапан до верхнего положения и фиксируется в этом положении силой, образованной замкнутой магнитной цепью верхних магнитов, магнитопровода и шайбы, занимающей верхнее положение с полным открытием клапана.
По мере ухода жидкости из сепарационной емкости уменьшается ее уровень, поплавок приоткрывает заслонку, что приводит к уменьшению перепада давления между сепарационной емкостью и общим коллектором, которое в свою очередь приводит к уменьшению перепада давления на дросселе. Наступает момент, когда сила упругости пружины становится больше суммы сил, образованных замкнутой магнитной цепью из верхних магнитов с магнитопроводом и шайбой и силой давления, обусловленной перепадом давления при прохождении жидкости через дроссель, клапан закрывается. Далее цикл повторяется.
Недостатком известного устройства следует признать сложность конструкции.
Известен также (RU, патент 90865, опубл. 2010) обратный клапан, содержащий корпус, внутри которого расположен затвор, установленный на поворотной оси, седло с уплотнительным элементом, расположенным вокруг напорного отверстия в корпусе, и крышку. Кроме того, обратный клапан дополнительно снабжен электромеханическим устройством, состоящим из магнита, совмещенного с затвором, герконом, установленным перед седлом, соединительным проводом, выведенным через сальниковый узел, а также с возможностью настройки и регулировки порогов переключения электромеханического устройства посредством возможности взаимного перемещения геркона и магнита.
Недостатком известного обратного клапана следует признать сложность конструкции, а также невозможность перенастройки клапана на другие условия его работы.
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 124759, опубл. 2013) клапан с фиксированным положением затвора, применяемый при добыче жидких полезных ископаемых, содержащий корпус и сборную трубу с отверстиями для входа и выхода проточной среды, седло, затвор и средство фиксации положения затвора, причем клапан дополнительно содержит пробку, по меньшей мере, часть которой изготовлена из ферромагнитного материала, установленную в корпус, а средство фиксации положения затвора выполнено в виде, по меньшей мере, одного магнита с заранее рассчитанной коэрцитивной силой.
В нормальном состоянии клапан находится в открытом положении за счет коэрцитивной силы постоянного магнита, входящего в состав средства фиксации положения затвора. Переключение клапана может происходить под действием перепада давления на затворе при изменении расхода текущей среды. Причем за счет коэрцитивной силы постоянного магнита можно регулировать момент срабатывания клапана (его закрытие или открытие).
Недостатком известного клапана можно признать недостаточную надежность работы клапана, а также невысокий ресурс работы при отсутствии возможности управления работой затвора.
Техническая задача, решаемая посредством устройства разработанной конструкции, состоит в расширении ассортимента оборудования, применяемого при добыче углеводородов, а также их переработке.
Технический результат, получаемый в результате реализации разработанной конструкции, состоит в повышение надежности и срока эксплуатации систем и устройств, в состав которых входит магнитный клапан разработанной конструкции.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать магнитный клапан, применяемый при добыче и переработке жидких и газообразных полезных ископаемых, разработанной конструкции. Магнитный клапан разработанной конструкции, применяемый при добыче и переработке жидких и газообразных полезных ископаемых, содержит корпус с устройствами для входа и выхода проточной среды, седло, затвор, кожух и средство фиксации положения затвора, причем затвор, по меньшей мере, частично выполнен из магнитного или ферромагнитного материала, а средство фиксации затвора содержит, по меньшей мере, один магнит или электромагнит с заранее рассчитанной магнитной силой.
Работа клапана разработанной конструкции основана на взаимодействии двух разных физических явлений - магнетизма (или электромагнетизма) и гидродинамики.
Для варианта нормально открытого клапана указанное взаимодействие происходит следующим образом.
При движении потока через проточный тракт, образованный элементами конструкции клапана, из-за скоростного напора и гидравлического сопротивления текучей среды, а также вследствие уменьшения давления в областях с повышенной скоростью потока, происходит изменение давления на поверхности затвора. В результате на затвор клапана начинает действовать гидродинамическая сила, которую компенсирует сила, по меньшей мере, одного магнита или электромагнита, входящего в состав клапана. Величину указанной магнитной силы рассчитывают на стадии проектирования клапана, исходя из условий его эксплуатации. При возрастании расхода жидкости гидродинамическая сила, воздействующая на затвор со стороны текущей среды, становится больше магнитной силы и изменяет состояние клапана. Затвор садится на седло и клапан закрывается. При этом поток направляется по другому тракту течения. Аналогично идет взаимодействие сил и при уменьшении расхода текучей среды - перепад давления на затворе уменьшается и магнитная сила возвращает затвор клапан в исходное открытое состояние.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в средстве фиксации положения затвора магнит или электромагнит расположены, по меньшей мере, с одной стороны затвора. Это упрощает конструкцию клапана.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в средстве фиксации положения затвора магнит или электромагнит расположены более чем с одной стороны затвора. Это повышает надежность работы клапана разработанной конструкции.
Разработан вариант реализации устройства, в котором средство фиксации положения затвора выполнено с возможностью задания положения затвора относительно магнита или электромагнита. Это расширяет возможности использования клапана разработанной конструкции.
В средстве фиксации положения затвора использован в зависимости от условий эксплуатации клапана, по меньшей мере, один магнит или электромагнит с произвольно ориентированными полюсами или с заданной ориентацией полюсов.
Средство фиксации положения затвора может быть выполнено из немагнитного материала.
Входное устройство клапана может быть выполнено, по меньшей мере, с одним каналом для подвода среды.
Выходное устройство может быть выполнено, по меньшей мере, с одним каналом для отвода среды.
Клапан может дополнительно содержать упор затвора, причем упор затвора может быть выполнен в виде пластины, штифта, проточки в виде ребра или ступеньки.
В некоторых вариантах реализации клапан может быть выполнен с возможностью самостоятельного возвращения в исходное положение.
Также в некоторых вариантах реализации клапан может быть выполнен с возможностью удержания затвора в исходном положении с обеспечением возможности переключения в противоположное состояние при использовании дополнительного воздействия.
Клапан может быть выполнен с возможностью удержания затвора в переключенном состоянии с обеспечением возможности возвращения в исходное положение при использовании дополнительного воздействия.
В нормальном состоянии клапан находится в открытом положении за счет магнитной силы магнита или электромагнита. Переключение клапана может происходить под действием перепада давления на затворе при изменении расхода текущей среды. Причем за счет магнитной силы можно регулировать момент срабатывания клапана (его закрытие и открытие).
Клапан разработанной конструкции с некоторыми ее модификациями может быть использован в активной, пассивной или автономной системе регулирования направления движения потоков внутри скважины при различных режимах ее эксплуатации: установки оборудования в скважину, добычи нефти, гидроразрыва пласта, промывки скважины и др.
Магнитный клапан разработанной конструкции приведен на фиг.1 и фиг.2, причем на фиг.1 приведен вариант клапана, работающего на принципе скоростного напора и гидравлического сопротивления текучей среды, а на фиг.2 - вариант клапана, работающего на принципе уменьшения давления в областях с повышенной скоростью потока, при этом использованы следующие обозначения: седло 1, затвор 2, упор 3, средство 4 фиксации положения затвора 2, выходное устройство 5.
По первому варианту реализации разработанной конструкции магнитного клапана затвор постоянно находится в потоке, испытывая при этом гидродинамическую силу, которая, действуя на затвор, стремится прижать его к седлу. Одновременно магнитная сила удерживает затвор в открытом состоянии. При превышении гидродинамической силы над магнитной силой затвор сядет на седло и клапан закроется.
По второму варианту реализации разработанной конструкции магнитного клапана при нахождении затвора в краевой области, где скорость потока низкая, затвор будет затягиваться в центр потока, где величина скорости выше. Одновременно на затвор будет действовать гидродинамическая сила, которая стремится прижать затвор к седлу. Магнитная сила удерживает затвор в открытом состоянии. При превышении гидродинамической силы над магнитной силой, затвор сядет на седло и клапан закроется.
Магнитный клапан разработанной конструкции может быть использован в составе оборудования заканчивания скважины с использованием фильтров, оснащенных адаптивными устройствами регулирования потока. Адаптивное устройство контроля притока состоит в данном случае из последовательно или параллельно установленных гидравлических сопротивлений и клапанов, в том числе и магнитных клапанов разработанной конструкции.
Работа адаптивного устройства регулирования потока флюида происходит следующим образом.
При спуске оборудования в скважину все клапаны открыты. Поток жидкости и/или газа проходит через входное устройство, открытые клапаны и попадает в добывающую трубу. При превышении определенного (заданного) значения расхода через клапан, клапан закрывается. Работа магнитного клапана разработанной конструкции в этом варианте использования приведена ранее. При этом изменяется тракт течения флюида, и поток в регулирующей ступени перенаправляется через гидравлическое сопротивление и следующий открытый клапан.
Клапан разработанной конструкции в варианте с использованием электромагнитов может быть использован в системе управления добычей с устья скважины. В случае изменения со временем характеристик призабойной зоны пласта, а также при прорыве воды или газа, возможно ограничить приток упомянутых компонентов путем подачи управляющего электрического сигнала для переключения клапанов и настройки параметров добычи в необходимых интервалах ствола скважины.
Применение магнитных клапанов разработанной конструкции позволяет повысить надежность и срок эксплуатации систем и устройств, в состав которых входит магнитный клапан разработанной конструкции.