КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ ДЛЯ ГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ
CUTOUT VALVE FOR GAS WELL

Изобретение относится к трубопроводной арматуре для газовой промышленности, предназначено для автоматического отсечения потока флюида, исходящего из газовой скважины при аварийном разрушении устьевой запорной арматуры или несанкционированном выбросе газа, и может быть использовано при разработке и создании клапанов-отсекателей, устанавливаемых в насосно-компрессорные трубы.
В настоящее время для управления потоком трубного пространства газовой скважины при ее эксплуатации и его аварийного перекрывания в случае необходимости используются гидравлически управляемые клапаны-отсекатели, содержащие корпус с размещенной в его полости поворотной заслонкой, удерживаемой в открытом положении фиксирующим механизмом, содержащим поршневое устройство, подвижный орган которого с одной стороны подпружинен, а с другой - сообщен с полостью корпуса, которые работают следующим образом.
При работе скважины в расчетных условиях в управляющую полость клапана-отсекателя подается рабочая жидкость под давлением, которая воздействует на поршень исполнительного механизма и, преодолевая силу упругости возвратной пружины, перемещает рабочий орган исполнительного механизма, представляющий собой профилированный полый цилиндр, расположенный по оси клапана, к поворотной заслонке. Заслонка открывается и удерживается в открытом положении за счет поддержания давления в управляющей полости.
В случае возникновения аварийной ситуация или разрушения устьевой запорной арматуры давление рабочей жидкости уменьшается, возвратная пружина перемещает исполнительный механизм в исходное положение, в данном случае - вверх по отношению к поверхности, подвижная подпружиненная заслонка перекрывает проходное сечение клапана, отсекая подачу газовой смеси из скважины, тем самым предохраняя атмосферу и окружающую среду от масштабного загрязнения.
Также в случае выхода из строя линии управления данного клапана или возникновения негерметичности между клапаном и ниппелем гидравлически управляемый клапан извлекается из ниппеля в насосно-компрессорной трубе и на его место устанавливается автоматический механический клапан, управляемый потоком газа, идущим из скважины.
Автоматический управляемый клапан содержит корпус с размещенной в его полости поворотной заслонкой, удерживаемой в открытом положении рабочим органом исполнительного механизма, представляющим собой трубу с профилированной входной частью, при этом площадь проходного сечения входной части трубы определена из условия, при котором сила упругости возвратной пружины, воздействующей на исполнительный механизм, с одной стороны, и давление набегающего потока газа, с другой стороны, будут равны. При увеличении расчетных параметров потока, в частности расхода, исполнительный механизм, преодолевая силу упругости пружины, перемещается вверх по отношению к поверхности земли, и заслонка перекрывает проходное сечение клапана, отсекая, таким образом, поток.
Основными недостатками данных клапанов и способа их применения и эксплуатации в условиях скважины при ее работе является необходимость использования двух видов клапанов-отсекателей - гидравлически управляемого и автоматического механического, управляемого потоком газа, что приводит к необходимости иметь в наличии запас клапанов двух видов, к их обслуживанию, наличию запчастей и т.д.
Данный способ может быть реализован при использовании клапанов по патенту РФ №2103579 С1, кл. F16K 3/04 В, авторскому свидетельству СССР №446715 А, кл. F16L 37/22 и др.
Известен отсекающий клапан, содержащий поворотный запорный орган типа заслонки и фиксирующий заслонку в открытом положении чувствительный элемент, выполненный в виде нагруженного пружиной штока (патент США №2694408, кл. 137-460).
Известен клапан-отсекатель для газовой скважины, содержащий корпус с седлом, запорный орган, узел управления запорным органом, включающий поршень с осевым каналом для прохода газа, установленный в корпусе с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с запорным органом и образующий с корпусом кольцевую камеру, гидравлически связанную с каналом для прохода газа, и узел перезарядки запорного органа, включающий подпружиненный шток с осевым каналом, установленный в корпусе с возможностью осевого перемещения и образующий с корпусом кольцевую полость для размещения силового агента, управляющего штоком, при этом узел перезарядки выполнен в виде телескопически установленной внутри поршня и штока с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с поршнем и штоком защитной втулки с радиальными каналами, образующей с корпусом, поршнем и штоком кольцевое пространство, связанное при открытом положении запорного органа с каналом для прохода газа, а узел управления запорным органом выполнен в виде установленного с зазором в корпусе стакана, в котором размещен обратный клапан (а.с. СССР №1357547 А1 от 27.09.85, МПК Е21В 34/06).
Для открытия запорного органа создают давление силового агента, который, воздействуя на поршень подпружиненного штока, перемещает шток в крайнее нижнее положение и открывает запорный орган в виде подпружиненной заслонки.
При сбрасывании давления, например при возникновении аварийной ситуации, шток под действием пружины поднимается вверх, заслонка перекрывает проходное сечение штока, и поток газа перекрывается.
Известен клапан-отсекатель для газовой скважины, содержащий корпус с седлом, запорный орган, узел управления запорным органом, включающий подпружиненный шток с осевым каналом, установленный в корпусе с возможностью осевого перемещения и образующий с корпусом кольцевую полость для размещения управляющего агента, управляющего штоком, уплотнительные упорные кольца, при этом корпус и шток выполнены составными, опорные элементы конструкции, воспринимающие усилие пружины штока и взаимодействующие с ответными упорными поверхностями корпуса и штока, выполнены с идентичными посадочными местами и с возможностью перестановки с одного конца штока на другой, во входной части осевого канала штока установлена сменная профилированная втулка, а кольцевая полость выполнена с возможностью одновременного глушения каналов подачи управляющего агента (патент РФ №2311578, МПК F16K, Е21 - прототип).
Для открытия запорного органа создают давление силового агента, который, воздействуя на поршень подпружиненного штока, перемещает шток в крайнее нижнее положение и открывает запорный орган в виде подпружиненной заслонки.
При сбрасывании давления, например при возникновении аварийной ситуации, шток под действием пружины поднимается вверх, заслонка перекрывает проходное сечение штока, и поток газа перекрывается.
Основными недостатками данного клапана является то, при переоборудовании гидравлически управляемого клапана в механический автоматический нет возможности изменения силы упругости пружины, и в каждом конкретном случае, для каждого значения интервалов расхода, необходимо подбирать свою пружину.
Известен способ применения клапана-отсекателя, заключающийся в соединении его с адаптером насосно-компрессорных труб посредством цанговой муфты и установке его в ниппеле (пат. РФ №2250354, МПК Е21В 34/06).
Недостатком данного способа является то, что, в случае его выхода их строя, он полностью заменяется на новый, что требует значительных материальных затрат.
Известен способ эксплуатации клапана-отсекателя, заключающийся в его установке в ниппеле насосно-компрессорной трубы, пропускании потока газового флюида через полый подпружиненный шток клапана при его гидравлическом управлении и его замене, при возникновении аварийной ситуации, на автоматический механический клапан, управляемый потоком флюида, идущим из скважины, при этом при аварийном или ином отключении скважины клапан демонтируют из ниппеля насосно-компрессорной трубы, заглушают каналы в кольцевой полости для подачи управляющего агента, переставляют опорные элементы конструкции, воспринимающие усилие пружины штока и взаимодействующие с ответными упорными поверхностями корпуса и штока, с одного конца штока на другой, во входной части осевого канала штока устанавливают сменную профилированную втулку, проходное сечение которой подбирают таким образом, чтобы при увеличении скоростного напора потока газа выше расчетного происходило автоматическое перемещение штока с закрытием запорного органа, и устанавливают обратно в ниппель насосно-компрессорной трубы (патент РФ №2311578, МПК F16K, Е21 - прототип).
Основными недостатками рассмотренных клапанов является то, что их конструктивное исполнение в большинстве случаев не позволяет применять их или как гидравлически управляемые или как механически управляемые. Пружина, устанавливаемая на штоке в гидравлически управляемом клапане, из-за своей жесткости не позволяет ее использовать для механически управляемого клапана. Это приводит к необходимости иметь на скважине два вида пружин с различной силой упругости. При этом пружину с меньшей силой упругости устанавливают в механически управляемый клапан, а с большей - в гидравлический.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание клапана, конструкция которого позволяет его использование как гидравлически управляемого, так и автоматического механического, управляемого потоком газа, с пружиной переменной силой упругости, что позволит значительно упростить обслуживание скважин и уменьшить потери, связанные с обслуживанием и ремонтом самих клапанов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном клапане-отсекателе для газовой скважины, устанавливаемом в ниппель насосно-компрессорной трубы, содержащем корпус с седлом, запорный орган, узел управления запорным органом, включающий подпружиненный шток с осевым каналом, установленный в корпусе с возможностью осевого перемещения и образующий с корпусом кольцевую полость для размещения управляющего агента, управляющего штоком, уплотнительные упорные кольца, при этом корпус и шток выполнены составными, опорные элементы конструкции, воспринимающие усилие пружины штока и взаимодействующие с ответными упорными поверхностями корпуса и штока, выполнены с идентичными посадочными местами и с возможностью перестановки с одного конца штока на другой, во входной части осевого канала штока установлена сменная профилированная втулка, кольцевая полость выполнена с возможностью одновременного глушения каналов подачи управляющего агента, согласно изобретению, пружина штока составлена из нескольких частей с возможностью изменения ее силы упругости путем снятия одной или нескольких частей при одновременном глушении кольцевой полости.
Для оптимизации конструкции клапана пружина штока выполнена с возможностью замены ее на пружину с меньшей силой упругости или состоящей из нескольких частей.
Наиболее полно преимущества данной конструкции клапана раскрываются при следующем способе его эксплуатации, заключающемся в его установке в ниппеле насосно-компрессорной трубы, пропускании потока газового флюида через полый подпружиненный шток клапана при его гидравлическом управлении и его замене, при возникновении аварийной ситуации, на автоматический механический клапан, управляемый потоком флюида, идущим из скважины, при этом при аварийном или ином отключении скважины клапан демонтируют из ниппеля насосно-компрессорной трубы, заглушают каналы в кольцевой полости для подачи управляющего агента, переставляют опорные элементы конструкции, воспринимающие усилие пружины штока и взаимодействующие с ответными упорными поверхностями корпуса и штока, с одного конца штока на другой, во входной части осевого канала штока устанавливают сменную профилированную втулку, проходное сечение которой подбирают таким образом, чтобы при увеличении скоростного напора потока газа выше расчетного происходило автоматическое перемещение штока с закрытием запорного органа, и устанавливают обратно в ниппель насосно-компрессорной трубы, при этом при переоборудовании клапана из управляемого в механический пружину штока меняют на пружину, сила упругости которой меньше силы упругости пружины гидравлически управляемого клапана.
м
у
м
у
При данном способе эксплуатации сила упругости пружины штока автоматического механического клапана составляет F=(0,4-0,8)F, где F - сила упругости пружины штока автоматического механического клапана, F - сила упругости пружины штока гидравлически управляемого клапана.
м
у
Нижнее значение силы упругости пружины штока автоматического механического клапана составляет F=0,4F исходя из того, что при дальнейшем понижении его значения клапан будет срабатывать при любом рабочем расходе, и, кроме этого, клапан может не открыться из-за значительно большей силы трения подвижных частей и штока об уплотнительные элементы.
м
у
Верхнее значение силы упругости пружины штока автоматического механического клапана составляет F=0,8F исходя из того, что при дальнейшем повышении его значения сила, возникающая на сменной профилированной втулке от скоростного напора газового флюида, будет заведомо меньше силы упругости пружины и клапан не закроется.
С целью оптимизации конструкции и сокращения времени переоснащения клапана силу упругости пружины штока автоматического клапана уменьшают за счет снятия со штока одной из частей пружины.
Конструктивное решение устройства дает возможность использования предложенного клапана как гидравлически управляемого путем подачи давления рабочей жидкости - управляющего агента - в управляющую полость, так и автоматически управляемого механического с приводом узла управления запорным органом от набегающего потока газа, что позволяет значительно сократить ассортимент и количество используемых клапанов при обслуживании скважины, снизить время и стоимость их обслуживания, снизить время обслуживания скважины при ремонтных работах.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенного клапана-отсекателя в варианте с гидравлически управляемой заслонкой, на фиг.2 - продольный разрез предложенного клапана-отсекателя в варианте с механически управляемой заслонкой, на фиг.3 - пружина, состоящая из нескольких частей.
В выходной части клапана установлен замок 1 с адаптером замка 2. Адаптер соединен с корпусом исполнительного механизма 3 клапана, в котором выполнены каналы 4 для подачи жидкости в управляющую полость 5. Полость 5 образована внутренней поверхностью корпуса 3 исполнительного механизма и наружной профилированной поверхностью полого цилиндра 6 со сменной профилированной выходной частью, в которой установлена сменная профилированная втулка 7, образующими составной шток с внутренним осевым каналом, установленный внутри внутреннего корпуса 8 исполнительного механизма с каналами для подачи рабочей жидкости 9. Внутри клапана, на полом цилиндре 6, установлена возвратная пружина 10, состоящая из нескольких частей, которая одним концом через опорные шайбы 11 упирается в опорную кольцевую поверхность полого цилиндра 6, а другим - в ответную опорную поверхность корпуса клапана 12, одним концом соединенного с корпусом исполнительного механизма 3, через промежуточную сменную втулку 13. Опорные шайбы 11, кольцевая поверхность полого цилиндра 6, опорная поверхность корпуса клапана 12 и промежуточная сменная втулка 13 являются сменными опорными элементами конструкции клапана. Во входной части корпуса клапана 12 установлена поворотная заслонка 14 с пружиной 15, взаимодействующая с входной частью полого цилиндра 6 исполнительного механизма.
Предложенный клапан работает следующим образом.
При расчетной работе скважины клапан устанавливается в ниппель насосно-компрессорной трубы и закрепляется в нем при помощи замка 1, установленного в адаптере 2. Через каналы 4, выполненные в корпусе 3 исполнительного механизма, и каналы 9 во внутреннем корпусе 8 в управляющую полость 5, образованную внутренней поверхностью корпуса 3 и наружной поверхностью полого цилиндра 6, образующего вместе с профилированной входной частью, в которой установлена сменная профилированная втулка 7, подпружиненный шток, подается рабочая жидкость под давлением и воздействует на кольцевой выступ на профилированной наружной поверхности полого цилиндра 6, выполняющий роль поршня. Под действием давления рабочей жидкости подпружиненный шток, состоящий из профилированного полого цилиндра 6, смещается в сторону поворотной заслонки 14 и открывает ее, сжимая при этом возвратную пружину 10, состоящую из нескольких частей и упирающуюся своими торцами, с одной стороны, в опорные шайбы 11, с другой - в ответную опорную поверхность корпуса клапана 12 через промежуточную сменную втулку 13. В свою очередь, поворотная заслонка 14, проворачиваясь вокруг своей оси вращения, сжимает пружину 15.
При возникновении нерасчетных или аварийных условий работы, по команде с пульта управления, давление жидкости в управляющей полости 5 уменьшается и возвратная пружина 10, состоящая из нескольких частей, перемещает полый цилиндр 6 со сменной профилированной втулкой 7 от поворотной заслонки 14, которая затем закрывается под действием пружины 15 и набегающего потока газа.
При необходимости, при преобразовании гидравлически управляемого клапана в механически управляемый автоматический на клапане заменяется сменная профилированная втулка 7 полого цилиндра 6 и на внутренней поверхности корпуса 3 исполнительного механизма выполняется проточка для сообщения данной полости с полостью клапана. Также в этом случае исключаются из работы каналы 4 путем их одновременного перекрытия, например посредством вворачивания в них заглушек, или замены корпуса с каналами на корпус без каналов, и переставляются, с одновременной настройкой силы сжатия пружины 10 за счет снятия ее одной или нескольких частей, опорные шайбы 11 возвратной пружины 10 и сменная промежуточная втулка 13 таким образом, чтобы пружина воспринимала усилие концом, обращенным к поворотной заслонке 14.
Площадь проходного сечения сменной профилированной втулки 7 полого цилиндра 6 трубы определяется из условия, при котором сила упругости возвратной пружины 10, определяемая количеством составных частей, воздействующая на исполнительный механизм, с одной стороны, будет больше или равна давлению набегающего потока газа, воздействующего на сменную профилированную втулку 7, с другой стороны. При увеличении расчетных параметров потока, в частности расхода, полый цилиндр 6 исполнительного механизма, преодолевая силу упругости возвратной пружины 10, перемещается вверх и поворотная заслонка 14 перекрывает проходное сечение клапана, отсекая, таким образом, поток.
Для наиболее полного использования преимуществ конструкции данного клапана предложен способ его эксплуатации, заключающийся в его установке в ниппеле насосно-компрессорной трубы, пропускании потока газового флюида через полый подпружиненный шток клапана 6 при его гидравлическом управлении и его замене, при возникновении аварийной ситуации, на автоматический механический клапан, управляемый потоком флюида, идущим из скважины, состоящий в том, что при замене гидравлически управляемого клапана на механический клапан демонтируют из ниппеля насосно-компрессорной трубы, заглушают каналы 4 в кольцевой полости 5 для подачи управляющего агента, переставляют опорные элементы конструкции, воспринимающие усилие пружины штока и взаимодействующие с ответными упорными поверхностями корпуса и штока, с одного конца штока на другой, изменяют силу упругости пружины 10, например, путем снятия одной или нескольких частей, во входной части осевого канала штока устанавливают сменную профилированную втулку 7, проходное сечение которой подбирают таким образом, чтобы при увеличении скоростного напора потока газа выше расчетного происходило автоматическое перемещение штока вверх с закрытием запорного органа, и устанавливают обратно в ниппель насосно-компрессорной трубы.
Использование предложенного технического решения позволит унифицировать конструкцию клапана-отсекателя, создав, таким образом, универсальный клапан, комплектуя, при необходимости, практически из одних и тех же составляющих, гидравлически управляемый или автоматический механический клапан, значительно расширить его функциональные возможности, что в конечном итоге позволит значительно снизить время и затраты на обслуживание скважин.
Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного клапана в условиях Астраханского газоконденсатного месторождения полностью подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.