КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ С ГИЛЬЗОВЫМ ЗАТВОРОМ

Полезная модель относится к оборудованию для бурения, точнее, к внутрискважинным клапанным устройствам, а именно к клапанам, затвор которых закрывается при взаимном смещении вложенных друг в друга патрубков, имеющих боковые отверстия и уплотнения.
Ниже представлены толкования или определения терминов, используемых в настоящем описании. В скобках указаны встречающиеся в уровне техники при описании аналогичных устройств эквивалентные названия аналогичных элементов. Определения терминов «клапан» и «затвор» соответствуют тому, как они используются в технической и патентной литературе по буровому делу, а не определениям ГОСТ 24856-81.
Вертикальный - параллельный оси клапана, установленного в вертикальной скважине.
Верх, верхний - ближе к устью скважины. Соответственно, низ, нижний - дальше от устья скважины, чем другие элементы клапана.
Гильзовый затвор - рабочий орган клапана, состоящий из вложенных друг в друга патрубков, имеющих боковые отверстия и уплотнения, закрытие которого происходит при взаимном смещении патрубков.
Глухой патрубок - патрубок, заглушенный с одного конца, имеющий дно. Может иметь радиальные, наклонные или тангенциальные отверстия в боковых стенках.
Затвор - рабочий орган клапана, непосредственно перекрывающий поток, запорное устройство. В настоящем описании затвором называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан - устройство для перекрытия потока, включающее привод, рабочий орган (затвор), корпус, присоединительные элементы. В настоящем описании клапаном называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан-отсекатель - в тексте настоящего описания, следующем ниже раздела «Описание прототипа», так называется только клапан, составляющий предмет предложенной полезной модели.
Многоходовый кулачковый механизм - механизм, у которого пространственный кулачок, совершая вращательное движение и взаимодействуя с выходным звеном (роликом, рычагом, пальцем), совершает один оборот за несколько циклов возвратно-поступательного движения выходного звена (см. А.Ф. Крайнев. Словарь-справочник по механизмам / М.: «Машиностроение», 1981, стр. 154, схемы поз. р, с, у). Англоязычный синоним такого механизма, используемого в настоящем изобретении, - j-slot mechanism, то есть механизм с J-образным пазом (далее - j-slot механизм). В варианте исполнения такого механизма, использованном в настоящем изобретении возвратно-поступательное движение с одновременным вращением совершает кулачок, а выходное звено (ролик, рычаг, палец) остается неподвижным относительно корпуса устройства.
Обратный (дифференциальный) клапан - клапан, пропускающий жидкость или газ только в одну сторону.
Патрубок (труба, втулка, стакан, гильза) - отрезок трубы, не обязательно гладкой, сравнительно небольшой (несколько диаметров) длины. Патрубок может быть ступенчатым, иметь отверстия, канавки или буртики на боковых поверхностях.
Палец - звено кулачкового механизма, взаимодействующее с пазом кулачка. Может быть выполнен в виде стержня, рычага или ролика.
Сквозной патрубок - патрубок, открытый с обоих концов.
Известен клапан-отсекатель с гильзовым затвором, включающий корпус с ввернутым в него сверху переводником, выполненный в виде глухого неподвижного патрубка и установленный в него с возможностью скольжения сквозной подвижный патрубок, снабженные радиальными отверстиями [RU 2007547]. Клапан не содержит собственный механизма привода, а приводится в действие штоком, соединенным со вставным насосом. Недостатками известного клапана являются его узкая специализация и невозможность присоединять к нему снизу какое-либо внутрискважинное оборудование. Еще один недостаток этого клапана состоит в низкой надежности, обусловленной возможностью прихвата и задиров из-за деформации корпуса, вызванной усилиями при свертывании его с элементами скважинного оборудования.
Известен клапан-отсекатель, управляемый изменениями давлением пластовой жидкости над и под ним, включающий разъемный корпус из трех свинчивающихся цилиндрических деталей с ввернутыми в него верхним и нижним переводниками, запорный орган в виде подвижного корпуса-патрубка, с посадочной поверхностью в нижней части, взаимодействующей с седлом, выполненным в нижнем переводнике, а также элементы привода в виде установленного в корпусе с возможностью скольжения подпружиненного ступенчатого сквозного патрубка с радиальными отверстиями и шаровых обратных клапанов, один из которых установлен на верхнем конце сквозного патрубка, а другой - на верхнем конце корпуса-патрубка [RU 2516708]. Из-за необходимости размещения в корпусе всех элементов привода запорного органа, подвижный сквозной патрубок имеет значительную длину, в несколько раз превышающую диаметр корпуса, что делает все устройство чувствительным к загрязнениям и перекосам, вызванным деформацией сравнительно непрочного разъемного корпуса. При свертывании корпуса с выше- и нижерасположенными элементами скважинного оборудования возникают большие усилия, необходимые для плотного соединения на конической резьбе. Эти усилия могут деформировать корпус, по внутренней поверхности которого скользит сквозной патрубок, что приводит к заеданию, прихватам, повреждению прокладок из-за возможных задиров и нарушению герметичности клапана.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является гильзовый клапан-отсекатель, присоединяемый к колонне насосно-компрессорных труб, содержащий корпус с трубной конической резьбой для переводника в нижней части и установленный в нем гильзовый затвор, включающий плотно посаженный в корпусе глухой патрубок с уплотнениями, верхняя часть которого имеет глухое дно, и установленный с возможностью скольжения между ним и корпусом сквозной патрубок, снабженные радиальными отверстиями [RU 2102582]. Приводом клапана является вставной насос, при соединении которого с клапаном он открывается, а при подъеме насоса - закрывается. Недостаток клапана состоит в ограниченных функциональных возможностях, поскольку для его закрытия требуется непременно поднимать насос. Клапан не содержит собственные средства фиксации его в положениях «закрыто» и «открыто» и элементы, обеспечивающие его не зависимый от внешних устройств привод от изменений давления пластовой жидкости над и под ним.
Использование внутренней поверхности корпуса в качестве опорной для скольжения сквозного патрубка порождает риск заедания или прихвата патрубка вследствие деформаций корпуса усилиями затяжки резьбовых соединений. Для известного клапана, имеющего небольшую длину и приводимого в действие механическим усилием, этот риск сравнительно невелик. Но он стремительно увеличивается, а надежность клапана известной конструкции уменьшается при попытке оснастить его средствами независимого привода. Эти средства, как правило, не могут развивать усилия, доступные механическим средствам, и потому более чувствительны к деформациям и загрязнениям. А чтобы их разместить, требуется увеличить длину корпуса, что еще более повышает чувствительность всей конструкции к внешним усилиям.
Задачей предложенной полезной модели является повышение надежности клапана-отсекателя с гильзовым затвором, открываемого и закрываемого без применения механических средств,
Технический результат от применения предложенного клапана-отсекателя состоит в повышении эксплуатационной надежности.
Указанные результаты достигаются тем, что в известный клапан-отсекатель, содержащий корпус с установленным в нем гильзовым затвором, включающим сквозной и глухой патрубки, снабженные сквозными отверстиями на боковых стенках, один из которых выполнен подвижным, дополнительно включен привод затвора от разницы давлений над и под ним, часть элементов которого скреплена между собой и с подвижным патрубком посредством подвижных вращательно-осевых соединений.
Кроме того, вращательно-осевые соединения выполнены по схеме «Т-образный паз - грибообразный выступ».
Благодаря включению в состав клапана-отсекателя привода гильзового затвора от разницы давлений над и под ним, увеличиваются функциональные возможности клапана-отсекателя, отпадает надобность во внешних средствах управления им.
Благодаря скреплению элементов привода затвора между собой и с подвижным патрубком посредством подвижных вращательно-осевых соединений, повышается эксплуатационная надежность клапана-отсекателя за счет снижения чувствительности его подвижных элементов к перекосам и задирам из-за возможных деформаций корпуса, упрощается и удешевляется изготовление элементов клапана, за счет уменьшения длины неразъемных элементов.
Благодаря выполнению вращательно-осевых соединений по схеме «Т-образный паз - грибообразный выступ», обеспечивается высокая надежность этих соединений и клапана-отсекателя в целом, упрощаются и удешевляются процессы его изготовления и сборки.
Существо полезной модели поясняется чертежами, на которых изображен вариант исполнения предложенного клапана-отсекателя, управляемого перепадом давлений по обе его стороны, элементы привода которого включают обратный клапан, многоходовый кулачковый механизм и поршень-скребок.
На фиг. 1 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «открыто».
На фиг. 2 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «закрыто».
На фиг 3 изображено сечение соединения «Т-образный паз - грибообразный выступ» плоскостью, перпендикулярной оси клапана-отсекателя.
На чертежах клапан-отсекатель изображен в вертикальном положении верхним концом к устью скважины.
Предложенный клапан-отсекатель (фиг. 1) содержит корпус 1 с верхним и нижним переводниками 2 и 3 соответственно.
В верхней части корпуса 1 имеется участок 4 с внутренней резьбой, в которую ввернут сквозной патрубок 5. Нижний конец этого патрубка свободно посажен на втулку 6, которой заканчивается верхний конец переводника 3 и которая центрирует ее в корпусе 1. Для прохода пластовой жидкости втулка 6 снабжена сквозными отверстиями 7. Величина гарантированного зазора между поверхностями патрубка 5 и втулки 6 устанавливается в зависимости от размеров клапана-отсекателя такой, чтобы усилия от возможных, ожидаемых деформаций корпуса 1 не передавались патрубку 5. Это снижает риск заеданий или прихватов затвора.
В верхней части сквозной патрубок 5 имеет сквозные отверстия 8. В настоящем описании под словами «сквозные отверстия» подразумеваются отверстия, проходящие через стенку патрубка или втулки, независимо от того, какой угол их оси составляют с осью клапана-отсекателя и пересекаются ли продолжения их осей с осью клапана. Иными словами, отверстия в боковых стенках патрубков и втулок, в том числе и отверстия 7 могут быть радиальными, наклонными или тангенциальными.
Внутри сквозного патрубка 5 соосно с ним установлен с возможностью скольжения подвижной глухой патрубок 9, верхний конец которого открыт, а нижний выполнен глухим, т.е. имеет сплошное дно. В уровне техники подобные подвижные элементы с глухим дном иногда называют поршнем или плунжером. В боковой стенке глухого патрубка 9 имеются сквозные отверстия 10. Для того чтобы при совмещении уровней осей отверстий 8 и 10 проход жидкости через них был обеспечен при любом взаимном угловом положении обоих патрубков, на уровне отверстий 10 наружная поверхность патрубка 9 снабжена лысками 11, а отверстия 8 выполнены прямоугольными и на их уровне патрубок 5 имеет изнутри кольцевую проточку 12.
Патрубок 9 имеет, по меньшей мере, три уплотнения 13, 14 и 15, расположенные выше и ниже отверстий 10, а также в его верхней части. Все уплотнения предложенного клапана-отсекателя - обычного типа, например, в виде упругих колец или манжет, помещенных в канавки на наружной стороне цилиндрических деталей. Работа клапана более надежна, когда каждое уплотнение содержит два или три кольца/манжеты, помещенные каждое в свою канавку.
Патрубки 5 и 9 образуют гильзовый затвор клапана-отсекателя. При совмещении отверстий 8 и 10 затвор открыт (фиг. 1). При смещении подвижного глухого патрубка 9 книзу отверстия расходятся, затвор переходит в закрытое состояние (фиг. 2).
Привод затвора предложенного клапана-отсекателя может быть внешним, механическим или гидравлическим. Наибольшие возможности для использования в ряде различных компоновок скважинного оборудования предоставляет исполнение привода, дающее возможность управления клапаном-отсекателем, изменяя давление над и под ним, не прибегая к использованию внешнего привода. Такое исполнение требует введения в состав клапана-отсекателя дополнительных элементов, которые, будучи размещены внутри корпуса, увеличивают его длину, а следовательно, риск деформации корпуса под действием различных нагрузок, способной привести к заеданию или прихватам подвижных частей затвора и его привода.
В описании настоящей полезной модели в качестве примера конкретного выполнения представлен управляемый давлением клапан-отсекатель повышенной надежности. Помимо гильзового затвора он содержит элементы его привода: обратный клапан, многоходовый кулачковый механизм и поршень-скребок, предотвращающий загрязнение этого механизма.
Обратный клапан, открываемый давлением снизу, установлен в верхней части патрубка 9 над отверстиями 10. На чертежах в качестве примера показан шаровой клапан с запорным телом в виде шара 16, ложащегося на седло 17. Клетка клапана образована расширением внутреннего канала глухого патрубка 9. Выпадение шара 16 предотвращается штифтом 18, устанавливаемым на резьбе или плотной посадке.
К нижней части, т.е. к дну глухого патрубка 9 посредством соединения, обеспечивающего передачу только осевых усилий, прикреплен кулачок 19 многоходового кулачкового механизма. Совместно с обратным клапаном этот механизм обеспечивает управление затвором клапана-отсекателя посредством попеременного изменения давления над и под ним. Кулачок 19 имеет замкнутый фигурный кулачковый паз (канавку) 20, форма которого обеспечивает фиксацию клапана-отсекателя в положениях «открыто» и «закрыто». В зависимости от назначения клапана-отсекателя, конфигурация кулачкового паза, определяющая алгоритм управления клапаном, может быть различной.
Для защиты кулачкового механизма от загрязнения под глухим патрубком 9 может быть установлен выполненный заодно с ним или скрепленный с ним поршень-скребок 21.
Вторым звеном кулачкового механизма является палец 22, установленный в отверстии сквозного патрубка 5, входящий в кулачковый паз 20 и взаимодействующий с ним. Для снижения вероятности перекоса, предпочтительно чтобы таких пальцев было не менее двух и чтобы они были расположены симметрично по окружности патрубка 5. На чертежах в качестве примера показаны два пальца 22, установленные на диаметрально противоположных сторонах патрубка 5. Для снижения трения конструкция пальцев может быть усложнена, например, выполнением их в виде роликов.
Клапан-отсекатель может быть работоспособен и в случае, когда элементы гильзового затвора и его привода: подвижный глухой патрубок 9, кулачок 19 и поршень-скребок 21, будут выполнены как единая деталь. Однако надежность клапана-отсекателя будет невысокой из-за большой длины такой детали. Даже незначительные деформации корпуса под воздействием внешних усилий будут вызывать заедание или прихваты. Кроме того, изготовление такой длинномерной детали, да еще имеющей фигурный паз сложной формы на боковой поверхности будет очень трудоемким и дорогим. Поэтому техническим решением, направленным на повышение надежности клапана-отсекателя, в настоящей полезной модели является разделение привода затвора на отдельные элементы, часть которых (в представленном примере это патрубок 9, кулачок 19 и поршень-скребок 21) скреплена посредством подвижных вращательно-осевых соединений, т.е. соединений, фиксирующих детали в осевом направлении и допускающих свободу вращения кулачка 19 относительно глухого патрубка 9 и поршня-скребка 21 относительно кулачка 19.
В представленном на чертежах примере конкретного выполнения седло 17 и клетка обратного клапана выполнены как одно целое с патрубком 9, поскольку длина такой детали невелика и вероятность ее заедания в патрубке 5 практически отсутствует. При необходимости и этот элемент привода затвора может быть выполнен отдельно от патрубка 9 и скреплен с ним посредством подвижного вращательно-осевого соединения.
Известно не менее тридцати вариантов конструкции вращательно-осевых соединений (см., например, П.И. Орлов. Основы конструирования / М: Машиностроение, 1988, т. 1, стр. 368…370). Однако все они используют дополнительный элемент, ограничивающий взаимное смещение соединяемых деталей. В описываемом клапане-отсекателе нет нужды в вышеуказанном дополнительном элементе, поскольку радиальному смещению соединяемых деталей, одна из которых имеет сквозной поперечный паз 23 Т-образной формы, а другая - цилиндрический грибообразный выступ 24, входящий в этот паз, препятствует неподвижный патрубок 5. Соединение имеет небольшие радиальные зазоры (фиг. 3), способствующие снижению чувствительности гильзового затвора к перекосам и деформациям корпуса. Описанное соединение несложно в изготовлении и сборке. Как показал опыт практической эксплуатации предложенного клапана-отсекателя, оно абсолютно надежно.
Предложенный клапан-отсекатель работает следующим образом.
В открытом положении (фиг. 1) отверстия 8 и 10 совмещены, шар 16 приподнят давлением пластовой жидкости над седлом 17, клапан открыт.Пластовая жидкость через отверстия 7 попадает в кольцевое пространство между корпусом 1 и сквозным патрубком 5, поднимается к совмещенным отверстиям 8 и 10 и через них и открытый обратный клапан - к выходу из клапана-отсекателя.
Чтобы закрыть клапан, увеличивают давление над ним, шар 16 садится на седло 17, обратный клапан закрывается. Под давлением сверху глухой патрубок 9, направляемый внутренними стенками сквозного патрубка 5, скользит вниз, отверстия 8 и 10 расходятся, клапан-отсекатель закрывается (фиг. 2). Пальцы 22 взаимодействуя с кулачковым пазом 20, фиксируют глухой патрубок 9 в нижнем положении.
При деформациях корпуса 1 или связанного с ним сквозного патрубка 5 элементы клапана-отсекателя 9, 19 и 21 благодаря некоторой свободе соединений между ними самоустанавливаются по изгибам патрубка 5 так, чтобы их движение встречало наименьшее сопротивление. Это снижает чувствительность клапана-отсекателя к внешним механическим воздействиям, повышая тем самым его надежность.
Клапан-отсекатель преимущественно предназначается для работы в комплексе защиты пласта КЗП КОУГ, включающем (перечисление элементов снизу вверх):
- предложенный клапан-отсекатель, выполняющий функцию разобщения надпакерной и подпакерной зон скважины;
- пакер, предназначенный для герметизации кольцевого межтрубного пространства;
- расцеп и ловильная головка, предназначенные для доставки комплекса в интервал установки и для извлечения его на поверхность;
- протектор для улавливания посторонних предметов, попадающих в скважину.
Нижний конец клапана-отсекателя свободно открыт в подпакерное (пластовое) пространство скважины.
Описанная конструктивная развязка подвижных элементов делает работу клапана независимой от деформаций корпуса.
Предложенный клапан-отсекатель показал высокую надежность по таким показателям, как наработка на отказ и долговечность. Отказов по причине заедания и прихватов подвижных элементов не отмечалось ни разу.