КЛАПАН РЕГУЛИРУЕМЫЙ
REGULATED VALVE

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устьевым регулирующим устройствам, для эксплуатации фонтанирующих нефтяных и газовых скважин.
Известна конструкция прямоточного регулируемого штуцера (см. «Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин», Ю.В. Зайцев, Р.А. Муксутов, О.В. Чурбаков и др. - М.: «Недра», 1984 г., с.115-116).
Устройство состоит из полого корпуса, в осевом канале которого размещена штуцерная насадка. На днище полого поршня установлен наконечник симметрично каналу штуцерной насадки, который связан через шаровое зацепление с гайкой на внешней стороне полого корпуса.
За счет осевого перемещения наконечника изменяют площадь поперечного сечения канала штуцерной насадки. Тем самым обеспечивают изменение расхода пластового флюида. Однако осуществить замену штуцерной насадки без демонтажа устройства с места установки невозможно за счет перемещения наконечника. Невозможно также осуществить очистку дросселирующего канала от отложений и наличия механических примесей.
Известно клапанное устройство (см. авт. св. №1.440.574, М. кл. E21B 34/06, опубл. 30.11.1988, бюл. №44).
Устройство состоит из цилиндрического корпуса с приемной и отводящей камерами, сообщающимися друг с другом через осевой канал, в котором установлена ступенчатая втулка. В теле ступенчатой втулки выполнены радиальные отверстия, снабженные насадками. Осесимметрично установлен дроссель, в осевой канал которого введен стержень, снабженный гидравлическим приводом в виде подпружиненной гильзы с фиксатором. Снаружи на гильзе установлена ступенчатая втулка с образованием между ними камеры, гидравлически связанной с отводящей камерой. Ступенчатая втулка снабжена подпружиненным золотником с фиксатором.
В случае изменения перепада давления на штуцере, например, при его забивании механическими примесями или отложениями газогидратов, происходит воздействие избыточного от расчетного перепада давления на сечение гильзы. Это приводит к ее перемещению в сторону отводящей камеры и воздействию на золотник, который сжимает пружину и снимает его с фиксатора, что приводит к образованию гидравлической связи приемной камеры с отводящей камерой через радиальные отверстия в теле ступенчатой втулки. Одновременно, при перемещении гильзы, с которой связан стержень, последний вводится в осевой канал дросселя и воздействует на слой механических примесей или газогидратов, с их разрушением и удалением. При этом происходит выравнивание перепада давления до расчетного, и усилием предварительно сжатой пружины стержень возвращается в исходное положение с продолжением процесса добычи пластового флюида через осевой канал дросселя.
К недостаткам конструкции можно отнести следующие:
- невозможность осуществить настройку устройства на заданный технологический режим работы без демонтажа с места применения;
- сложность монтажа устройства в осевом канале корпуса, что связано с необходимостью его завинчивания внутрь трубы.
Кроме того, в процессе эксплуатации устройства возникают условия забивания пропускного канала штуцерной насадки механическими примесями или газогидратами с изменением режима эксплуатации в худшую сторону. При этом восстановить работоспособность устройства без демонтажа с места применения не представляется возможным.
Известно клапанное устройство для управления работой газонефтяной скважины (см. авт. св. №1.624.130, М. кл. E21B 34/16, опубл. 30.01.91, бюл. №4), принятое авторами за прототип.
Устройство состоит из корпуса с приемной и отводящей камерами, связанными между собой через осевой канал дросселя, стержня для его очистки и привода.
Корпус снабжен стаканом, в ступенчатой расточке в нижней части которого размещено посадочное седло, на которое установлен торцовый клапан. Между стаканом и посадочным седлом образована кольцевая полость, в которой размещен кольцевой выступ подпружиненного поршня. В его осевом канале размещен стержень и дросселирующий штуцер. Стержень расположен выше радиальных щелей подпружиненного поршня, гидравлически связанных с приемной камерой и кольцевой полостью. Высота щелей принята меньше диаметра канала дросселирующего штуцера.
Работа устройства
Пластовая жидкость из подводящей магистрали подается внутрь устройства и далее через щели в канал дросселирующего штуцера, откуда истекает в отводящую камеру и далее - в промысловый коллектор.
При забивании канала дросселирующего штуцера газогидратами или механическими примесями изменяется перепад давления между подводящей и отводящей магистралями, что приводит к перемещению подпружиненного поршня с дросселирующем штуцером вверх, с вводом стержня в осевой канал штуцера и очисткой отложений. При этом процесс добычи пластового флюида ведется через кольцевую камеру под открытым кольцевым поршнем.
При выравнивании перепада давления происходит возврат кольцевого поршня на седло, с выходом стержня из канала дросселирующего штуцера и возобновление добычи в прежнем режиме.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести следующие:
- высокое гидравлическое сопротивление потоку пластовой жидкости, которое существует при изменении направления движения;
- для замены изношенных деталей (дросселирующего штуцера, стержня, седла и т.д.), необходимо прекратить подачу и отвод пластовой жидкости через устройство, что требует наличия задвижек. Для этого необходимо произвести переобвязку устьевого оборудования с применением газосварочных работ.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- снижение местных гидравлических сопротивлений потоку добываемого пластового флюида;
- возможность замены и очистки осевого канала дросселирующего штуцера без демонтажа устройства с места применения и проведения дополнительных операций по переоснащению устьевой пускорегулирующей арматуры;
- повышение надежности работы устройства за счет снижения воздействия абразивных частиц на детали конструкции;
- возможность поддержания необходимых контактных напряжений на торцовой поверхности дискового шибера с обеспечением его центровки относительно седел, установленных в расточках полу корпусов.
Корпус устройства выполнен разъемным и состоит из двух полукорпусов с подводящей и отводящей камерами, связанных между собой через осевой канал сменного дросселирующего штуцера. В одном из полукорпусов выполнена внутренняя расточка, в которой на оси вращения размещен дисковый шибер. Шибер снабжен зубчатым венцом и посадочным отверстием, в котором установлено посадочное седло со сменным дросселирующем штуцером внутри. Привод выполнен в виде вала-шестерни, установленного с возможностью взаимодействия с зубчатым венцом дискового шибера. В подводящем и отводящем каналах полукорпусов выполнены проточки, внутри которых расположены седла, установленные с возможностью торцового контакта с дисковым шибером. В теле полукорпусов дополнительно выполнены цилиндрические расточки, удаленные от оси вращения на равном расстоянии, что и посадочное отверстие под сменный дросселирующий штуцер в шибере. В одной из цилиндрических расточек установлен регулирующий элемент. Он включает в себя прорезную втулку, поджатую к торцу дискового шибера резьбовой втулкой с внутренним кольцевым выступом, в осевой канал которого пропущен подпружиненный стержень. В цилиндрической расточке другого полукорпуса установлена прорезная втулка с внутренним кольцевым выступом, поджимаемая к торцовой поверхности дискового шибера резьбовой втулкой. В последней имеются дренажные отверстия и внутреннее сужение, выполняющие роль посадочного седла под подпружиненный шаровой клапан. Также в осевой канал данной резьбовой втулки пропущен толкатель, установленный с возможностью взаимодействия с шаровым клапаном.
Прорезные втулки выполнены из материала, обладающего низким коэффициентом трения, например фторопласта.
Конструкция клапана регулируемого показана на рисунках, где:
- фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе в рабочем положении подачи пластового флюида;
- фиг. 2 - в разрезе и увеличенном масштабе показано устройство по месту расположения регулирующих элементов конструкции;
- фиг. 3 - взаимное расположение регулирующих элементов конструкции при прекращении подачи пластового флюида через устройство в увеличенном масштабе.
Клапан регулируемый состоит из двух полукорпусов 1 и 2, в одном из которых выполнена расточка 3. В полукорпусах 1 и 2 имеются подводящий 4 и отводящий 5 каналы, в которых выполнены проточки с установленными в них седлами 6 и 7. Эти седла образуют торцовый контакт с дисковым шибером 8, размещенным на оси вращения 9 внутри расточки 3. В теле дискового шибера 8 выполнено посадочное отверстие 10 с размещенным в нем посадочным седлом 11 со сменным дросселирующим штуцером 12. Дисковый шибер 8 содержит зубчатый сектор 13.
В полукорпусах 1 и 2 установлен привод в виде вала - шестерни 14. Он расположен внутри расточки 3 и взаимодействует с зубьями зубчатого сектора 13 дискового шибера 8.
В теле полукорпуса 1 выполнена цилиндрическая расточка 15, в которой размещен регулирующий элемент, состоящий из прорезной втулки 16, поджатой к торцовой поверхности дискового шибера 8, и резьбовой втулки 17 с внутренним кольцевым выступом 18 в осевом канале 19. На внутренний кольцевой выступ 18 опирается своим внешним кольцевым выступом 20 стакан 21, проходящий в осевом канале прорезной втулки 16. Внутри осевого канала резьбовой втулки 17 установлен стержень 22 с образованием между ними кольцевого зазора 19, в котором размещается пружина 23 с опорой на внутреннее сужение 24 стакана 21, охватывающего стержень 22. В теле резьбовой втулки 17 выполнена резьба, на которой установлена упорная гайка 25.
Цилиндрическая расточка 15 выполнена на равном удалении от оси вращения 9 дискового шибера 8, что и проточки под посадочные седла 6 и 7. Осесимметрично расположению цилиндрической расточки 15 в теле полукорпуса 2 также выполнена цилиндрическая расточка 26, в которой установлена прорезная втулка 27 с внутренним кольцевым выступом 28, поджатая к торцовой поверхности 29 дискового шибера 8 резьбовой втулкой 30 с внутренним кольцевым выступом 31. Этот выступ оканчивается сужением 32, выполняющим роль седла под шаровой клапан 33, который поджимается пружиной 34.
Осевой канал 35 резьбовой втулки 30 гидравлически связан дренажными отверстиями 36 с внешней средой. Внутри резьбовой втулки 30 в осевом канале 35 размещен толкатель 37 с возможностью его взаимодействия с шаровым клапаном 33 при осевом перемещении.
Работа устройства
Устройство в сборе устанавливается в составе фонтанной арматуры скважины при открытой гидравлической связи подводящего канала 4 полукорпуса 1 через сменный дросселирующий штуцер 12 с отводящим каналом 5 полукорпуса 2.
В процессе эксплуатации скважины существует вероятность забивания перепускного канала сменного дросселирующего штуцера 12 механическими примесями в виде окалины или песка. При изменении термодинамического режима эксплуатации скважин и резком снижении температуры окружающей среды, существует высокая вероятность отложения газогидратов внутри устройства, что может также привести к прекращению процесса добычи пластового флюида.
В этом случае существует необходимость восстановления пропускной способности устройства. Для этого вращением вала-шестерни 14 осуществляют поворот дискового шибера 8 на оси вращения 9 с получением состояния, когда осевой канал сменного дросселирующего штуцера 12 располагается осесимметрично цилиндрическим расточкам 15 и 26 в полукорпусах 1 и 2. В этом положении осуществляют осевое перемещение толкателя 37 внутри резьбовой втулки 30, с воздействием на шаровой клапан 33 и его отжимом от седла 32. В случае наличия пластового флюида под давлением внутри устройства осуществляют его стравливание в атмосферу через дренажные отверстия 36 в теле резьбовой втулки 30. После этого осуществляют процедуру очистки осевого канала сменного дросселирующего штуцера 12 путем ввода внутрь стержня 22 с воздействием на слой отложений, который разрушается и выносится в полость прорезной втулки 27 полукорпуса 2. При наличии большого количества отложений можно удалить резьбовую втулку 30 с прорезной втулкой 27, что позволяет свободно удалять механические примеси из цилиндрической расточки 26 в окружающую среду. Затем снова устанавливают на прежнее место прорезную втулку 27 и резьбовую втулку 30. После этого контролируют возврат стержня 22 в исходное положение с его выводом из осевого канала сменного дросселирующего штуцера 12. Вращением вала-шестерни 14 поворачивают дисковый шибер 8 на оси вращения 9 до тех пор, пока осевой канал сменного дросселирующего штуцера 12 станет осесимметричен седлам 6 и 7. Это позволяет продолжить добычу пластового флюида.
При необходимости изменения технологического режима добычи возникает потребность смены дросселирующего штуцера 12. Для этого переводят устройство в режим прекращения добычи пластового флюида с расположением дискового шибера 8 таким образом, чтобы сменный дросселирующий штуцер 12 располагался осесимметрично цилиндрическим расточкам 15 и 26. Демонтируют регулирующие элементы из этих расточек и удаляют сменный дросселирующий штуцер 12 из посадочного седла 11 в теле дискового шибера 8. Затем заменяют его на новый с большим или меньшим диаметром его перепускного канала. В соответствии с этими размерами подбирают и стержень 22. Затем восстанавливают на прежнем месте регулирующие элементы. Вращением вокруг оси 9 дискового шибера 8 возвращают в прежнее положение сменный дросселирующий штуцер 12, с продолжением процесса добычи пластового флюида.
Для повышения эффективности герметизации кольцевого зазора между торцовыми поверхностями дискового шибера и полукорпусами 1 и 2, прорезные втулки 16 и 27 выполнены из термически расширяемого материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта. В таком исполнении они играют роль прорезной пружины. Также такое исполнение позволяет обеспечить надежную центровку дискового шибера 8 относительно седел 6 и 7.