Обратный клапан для работы в условиях низкого пластового давления

Полезная модель относится к элементам внутрискважинного оборудования, связанного с добычей нефти, предотвращающим обратный поток жидкости, точнее к обратным клапанам для эксплуатационных нефтяных или газовых скважин, предназначенным для работы преимущественно в горизонтальном или наклонном положениях, в том числе и в условиях низкого пластового давления.
Ресурс таких клапанов определяется в первую очередь долговечностью пары «запорный элемент - седло», а сфера применения - плотностью материала запорного элемента. Так, для клапанов, располагаемых в наклонном или горизонтальном положении, а также для быстродействующих клапанов желательно иметь запорный элемент из материала плотностью не более 5 г/см3.
В настоящем описании направляющий элемент клапана, служащий для ограничения поперечных перемещений запорного элемента, для краткости будет называться клеткой, как это принято в уровне техники (см., например, документы [RU 55018, RU 56940, RU 70544, RU 190418]). Элемент клапана, служащий для ограничения продольных перемещений запорного элемента, будет называться ограничителем. Ограничитель и клетка могут составлять одно целое [SU 1830121, RU 55018, RU 2752503], даже одно целое с корпусом [RU 56940, RU 76676], а могут быть выполнены как отдельные детали [RU 175100, RU 190418].
В условиях низкого пластового давления выделение газа из пластовой жидкости, сопровождаемое кавитацией, начинается непосредственно в обратном клапане. Кавитация вызывает сравнительно быстрое разрушение седла клапана и запорного элемента: как из-за хаотических метаний запорного элемента в пределах клетки, так и за счёт непосредственного воздействия кавитационных ударов на седло и запорный элемент.
Известны обратные клапаны, содержащие корпус с установленными в нём седлом и запорным элементом, выполненным в виде шара, характеризуемые тем, что запорный элемент и седло выполнены из твёрдого сплава, сравнительно стойкого к кавитационному воздействию [RU 55018 и RU 70544, US 4513778 и US 4662392]. При этом первые два из указанных клапанов содержат клетку, выполненную в виде стакана с окнами на боковой стенке [RU 55018] либо как одно целое с корпусом в виде того же стакана [RU 70544]. Ограничителем продольного перемещения в обоих клапанах служило дно стакана.
В вышеуказанных патентах США сёдла состоят из установленных в корпусе оправок, в которых закреплены вставки из твёрдого сплава или карбида вольфрама, непосредственно контактирующие с запорным элементом. Недостаток таких клапанов состоит в том, что запорные элементы из твёрдых сплавов очень тяжелы из-за входящего в их состав вольфрама. Это ограничивает круг их применения, поскольку работать в положении «седло сверху» они могут только при перепаде давлений от 40 кПа и выше. Работать в горизонтальном положении они не могут, а в наклонном положении вес запорного элемента почти не участвует в создании прижимающего его к седлу усилия, хуже того, из-за его массивности (шар диаметром 72 мм из твёрдого сплава весит более 1,5 кГ), время срабатывания клапана затягивается. Практически такой клапан может использоваться только при вертикальной установке. В условиях кавитации, сопровождающейся частыми бросками запорного элемента от седла к ограничителю и обратно, твердосплавный запорный элемент быстро разбивает ограничитель (дно стакана) и даже седло.
Известны обратные клапаны, содержащие корпус, клетку в виде стакана с окнами на боковой поверхности и ограничителем продольных перемещений запорного элемента в виде сплошного дна, перекрывающего торцевую часть клетки, седло и запорный элемент, имеющий внутреннюю полость [SU 1830121 и RU 2110002]. Подбирая объём внутренней полости, можно облегчить запорный элемент настолько, что клапан станет работоспособным в горизонтальном и наклонном положении. Однако такие запорные элементы, требуя больших трудовых затрат на изготовление, нетехнологичны. Кроме того, в условиях кавитации долговечность полого запорного элемента, почти непрерывно ударяющегося об ограничитель и седло, весьма невелика.
Известен обратный клапан для обсадной колонны, включающий корпус с установленными в нём седлом, запорным элементом, выполненным в виде шара, и металлической клеткой, в котором седло в месте контакта с шаром снабжено уплотнительным эластичным элементом [RU 2478771]. Выполненная в виде полого цилиндра с окнами клетка на конце, противоположном седлу, имеет сужение, ограничивающее продольное перемещение шара. С целью повышения надёжности срабатывания клапана в определённых условиях его запорный элемент-шар выполнен из материала низкой плотности, например капролона, или на основе бакелита.
В условиях кавитации запорный элемент (шар) из таких материалов подвергается эрозии как под воздействием ударных волн от схлопывания кавитационных пузырьков, так и от ударов запорного элемента о сужение на конце клетки, усиливаемых отдачей эластичного уплотнительного элемента при резком перебросе шара.
Общим недостатком известных клапанов является повышенные металлоёмкость и трудоёмкость изготовления клетки, выполненной из одного куска металла в виде стакана с выполняющим роль ограничителя дном. От этих недостатков свободны клетки в виде втулок с окнами, содержащие дополнительный элемент для ограничения продольного перемещения шара, выполненный в виде поперечно расположенного стержня.
Известен обратный клапан, содержащий корпус, седло, запорный элемент, клетку в виде втулки с окнами на боковой поверхности и ограничитель продольных перемещений запорного элемента, выполненный в виде стержня, установленного поперек клетки и ввёрнутого в резьбовое отверстие в её стенке, причём запорный элемент выполнен в виде шара из неметаллического материала плотностью (2-3) г/см3, в частности из плавленого кварца или ситалла [RU 175100]. В условиях кавитации, происходящей непосредственно в клапане, он быстро теряет герметичность из-за эрозии шара и седла вследствие воздействия на них как собственно кавитации, так и ударов о седло и об ограничитель при частых бросках шара от одного крайнего положения к другому. Тем более что твёрдость запорного элемента, изготовленного из двуокиси кремния (6…7 баллов по шкале Мооса или около 1011 Па), сравнительно невелика.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является обратный клапан, содержащий корпус с установленными в нём седлом из неметаллического материала, точнее технического сапфира (называемого в уровне техники также корундом), запорным элементом, выполненным в виде шара из технического сапфира, клетку в виде полого цилиндра с окнами, имеющую на конце, противоположном седлу, ограничитель продольного перемещения запорного элемента, выполненный в виде стержня, установленного поперёк клетки [RU 190418]. Благодаря сравнительно невысокой массе запорного элемента (плотность технического сапфира лежи в пределах от 3,9 до 4,1 г/см3) известный клапан работоспособен в горизонтальном и наклонном положениях. Но в условиях низкого пластового давления сопровождаемое кавитационными явлениями выделение газов из скважинного флюида часто происходит непосредственно в клапане. Воздействие кавитационных ударов на седло и запорный элемент сравнительно быстро приводит к появлению на их поверхности каверн, нарушающих герметичность клапана. Снижению ресурса клапана способствуют также порождаемые кавитацией частые жёсткие удары запорного элемента то о седло, то об ограничитель.
Задачей настоящей полезной модели является повышение ресурса обратного клапана для добывающих скважин, способного работать в любом пространственном положении в условиях кавитационного воздействия скважинного флюида.
Техническими результатами от использования предложенной полезной модели являются повышение ресурса клапана и расширение круга его возможных применений.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном обратном клапане, содержащем корпус с установленными в нём седлом, запорным элементом в виде шара из неметаллического материала, клеткой в виде втулки с окнами на боковой поверхности и ограничителем продольного перемещения запорного элемента, выполненным в виде стержня, установленного поперёк клетки, седло выполнено из ударопрочного полимерного материала, а на ограничителе продольного перемещения установлена втулка из ударопрочного полимерного материала.
Кроме того, седло и втулка выполнены из капролона.
Кроме того, седло и втулка выполнены из полиуретановой композиции.
Благодаря выполнению седла из ударопрочного полимерного материала и оснащению ограничителя продольного перемещения втулкой из того же материала повышается ресурс клапана в условиях, когда кавитационные процессы в скважинном флюиде происходят непосредственно в клапане. Это бывает в условиях низкого пластового давления.
Благодаря выполнению седла и втулки из капролона повышается ресурс клапана с запорным элементом из материала плотностью не свыше 5 г/см3.
Благодаря выполнению седла и втулки из полиуретановой композиции повышается ресурс клапана за счёт подбора оптимального сочетания их твёрдости и упругости с характеристиками материала запорного элемента.
Благодаря тому, что втулка и седло соединены с элементами клапана методом литья, повышается ресурс клапана из-за устранения возможных зазоров между ними и элементами клапана, которые ускоряют износ в условиях частых срабатываний клапана.
Существо полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан один из возможных вариантов исполнения клапана.
На фиг. 2 показан вариант исполнения клапана с литыми седлом и втулкой.
Обратный клапан содержит корпус 1, концы которого снабжены резьбой для присоединения переводников. В корпусе 1 установлено и закреплено седло 2, выполненное в виде втулки и закреплённое в корпусе резьбовым кольцом 3. Внутренняя кромка 4 седла 2, обращённая внутрь корпуса 1, выполнена с возможностью взаимодействия с запорным элементом 5, выполненным в виде шара. В частности, она может быть выполнена в виде вогнутой галтели с радиусом, равным радиусу шара.
Запорный элемент 5 установлен в направляющем элементе (клетке) 6 с возможностью продольного перемещения под давлением протекающей через клапан среды. Клетка 6 выполнена в виде втулки с окнами 7 для перетекания проходящего через клапан скважинного флюида и зафиксирована от продольного перемещения стопорной шайбой 8. В верхней части клетка 6 имеет отверстия, в которых установлен поперёк её оси ограничитель продольных перемещений запорного элемента 5, выполненный в виде стержня 9 с резьбой на одном из концов. На стержне 9 установлена втулка 10.
Седло 2 уплотнено в корпусе 1 посредством кольцевой прокладки 11.
Седло 2 и втулка 10 выполнены из ударопрочного полимерного материала. Эти материалы не считаются эластичными, их эластичность очень невелика, но она во много раз больше эластичности металлических или керамических материалов, используемых для сёдел в уровне техники. Приблизительно модуль упругости ударопрочных полимеров на порядок меньше, чем у стали, но на два порядка больше, чем у резиноподобных материалов. Вследствие этого удары запорного элемента о седло смягчаются, а стойкость к воздействию кавитационных процессов существенно повышается. Срок службы клапана увеличивается. В то же время эластичность не настолько велика, чтобы заставлять запорный элемент хаотически метаться от седла к ограничителю, как это происходит в клапанах с сёдлами, включающими эластичный уплотнительный элемент как, например, в [RU 2478771].
В качестве такого материала может быть использован капролон (ПА-6) марки А, выпускаемый в России по ТУ 2224-036-00203803-2012. Этот материал отличается очень высокой ударной вязкостью (прочностью), достигающей 120 кДж/м2, твёрдостью (100-120 Мпа), достаточно широким диапазоном рабочих температур (от -40 до +70°С). Он устойчив к воздействию эфиров, спиртов, нефти и нефтепродуктов: растворителей, керосина, дизельного топлива, бензина, масел. Он хорошо обрабатывается и может производиться заливкой непосредственно в форму нужной конфигурации.
В тех случаях, когда требуется изготовить клапан для строго определённых условий работы, с запорным элементом из материала заданной плотности, целесообразно использовать полиуретановые композиции, свойствами которых можно управлять в очень широких пределах, оптимизируя сочетание твёрдости, упругости и ударной вязкости. Наиболее подходящими являются двухкомпонентные литьевые системы типов АДВ-38-2 и АДВ-38-7, выпускаемые по ТУ 2226-050-22736960-2000. Меняя соотношение компонентов, можно варьировать свойства продукта в широких пределах, добиваясь оптимальных для заданных условий работы. Диапазон рабочих температур этого материала ещё шире: от -55 до +110°С. Полиуретановые композиции могут производиться заливкой в форму нужной конфигурации со смешиванием компонентов непосредственно перед заливкой.
Благодаря этому седло и втулка могут быть изготовлены литьём: седло 2 - в металлической оправке 12, а втулка 10 - непосредственно на стержне 9 (фиг. 2).
В зависимости от наличия в скважинном флюиде веществ, агрессивных к вышеуказанным материалам, для седла и втулки могут также использоваться такие полимерные материалы, как ударопрочный полистирол, сополимер СНП или материалы из группы АБС-сополимеров.
Опыт практической эксплуатации нескольких клапанов на скважинах с невысоким пластовым давлением показал, что, несмотря на проявления кавитации непосредственно в клапанах, их ресурс не ниже, чем у клапанов с металлическими и керамическими сёдлами, а на порядок выше.