КЛАПАН ОБРАТНЫЙ УНИФИЦИРОВАННЫЙ

Область техники:
Полезная модель относится к нефтегазодобывающей (горной) промышленности и может использоваться для добычи скважинной продукции (механизированный, газлифтный способ эксплуатации скважин).
Устройство предназначено для эффективной эксплуатации погружного оборудования в скважинах (увеличения наработки на отказ), добываемая продукция которых (флюид) содержит механические примеси, песок-абразив, проппант, с возможностью использования клапана обратного в участках эксплуатационных колонн с отклонением от вертикали (зенитный угол) до 90 и более градусов.
Уровень техники:
Проведенный поиск прототипов в существующем уровне техники по созданию клапанов обратных для нефтедобывающей промышленности показал наличие пяти типов основных направлений по их созданию. Классификация выполнена по конструкции запорного элемента. Рассмотрим их:
1. Тарельчатый тип.
Известен обратный клапан установки электроцентробежного насоса (патент на полезную модель №152084 МПК F16K 15/00). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует защита подвижного элемента запорного устройства клапана, что приводит к засорению и заклиниванию подвижного элемента - тарелки и выходу из строя клапана; в) отсутствует защита от оседания механических примесей сверху на запорный узел, что после остановки насоса и при наличии значительных и плотных осадконакоплениях выше клапана на большой площади верхней поверхности тарелки приводит к невозможности открытия подвижного элемента - тарелки запорного узла, с последующим выходом из строя клапана и всего погружного оборудования в целом; г) недолговечность резинового уплотнителя при эксплуатации в скважинах с большой глубиной залегания пластов и повышенными перепадами давлений выше и ниже запорного узла клапана; д) установка клапана внутри электроцентробежного насоса приводит к усложнению конструкции насоса; е) установка клапана внутри электроцентробежного насоса при остановке приводит к отложению механических примесей внутри насоса и заклиниванию валов насоса, отказу оборудования УЭЦН; ж) установка клапана внутри электроцентробежного насоса при остановке УЭЦН в условиях большого газового фактора флюида и низком давлении на приеме УЭЦН приводит к заполнению рабочих ступеней насоса газом (газовый блок) и невозможности запуска УЭЦН.
Известен обратный клапан скважинного электроцентробежного насоса (патент на изобретение №2187709 МПК F04D 15/02). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) клапан устанавливается внутри модуль-головки электроцентробежного насоса без защиты от оседания механических примесей сверху на запорный узел (клапан-пробку), что после остановки насоса и при наличии значительных и плотных осадконакоплениях выше клапана на большой площади верхней поверхности пробки приводит к невозможности подъема пробки и открытия проточной части подвижного элемента - пробки запорного узла, с последующим выходом из строя клапана и всего погружного оборудования в целом; в) клапан-пробка устанавливается внутри модуль-головки электроцентробежного насоса и при остановке УЭЦН в условиях большого газового фактора флюида и низком давлении на приеме УЭЦН приводит к заполнению рабочих ступеней насоса газом (газовый блок) и невозможности запуска УЭЦН.
Приведенные выше данные значительно ограничивают возможность использования данного типа клапанов, в следствии чего, они не получили массового применения в нефтедобывающей промышленности.
2. Шариковый тип.
Известен клапан обратный (патент на изобретение №2379566 МПК F16K 15/04).
Известен клапан обратный (патент на полезную модель №125248 МПК Е21В 34/08).
Известен клапан обратный (патент на полезную модель №56940 МПК Е21В 34/06).
Недостатки конструкции данного типа клапанов одинаковы: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует устройство осадконакопления механических примесей выше запорного устройства клапана, что приводит к осаждению мехпримесей на посадочном седле запорного узла, в результате чего невозможна герметичная посадка запорного устройства, клапан не обеспечивает герметичности, происходит слив жидкости из насосно-компрессорных труб (НКТ) через насос в скважину.
3. Шариковый тип с устройством осадконакопления механических примесей - прототипы.
Известен обратный клапан (патент на полезную модель №176713 МПК Е21В 34/08, F16K 15/04). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) при запуске насоса открытие проточной части фильтра выполненного из проволочно-проницаемого материала (ППМ) осуществляется вверх давлением напора жидкости снизу из насоса, что при плотных и значительных осадконакоплениях механических примесей сверху на ППМ, на большой площади верхней поверхности ППМ приводит к невозможности подъема ППМ и открытия проточной части подвижного элемента ППМ, шара запорного устройства, с последующим выходом из строя клапана и всего погружного оборудования в целом. При этом скорости движения жидкости из насоса вверх через ППМ будет совершенно недостаточно для успешного размывания плотных отложений механических примесей.
Известен клапан обратный опрессовочный к погружным центробежным насосам выпускаемый ЗАО «Новомет-Пермь». Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства. Отклонение ствола скважины от вертикали должно быть не более 60°. Каталог продукции ЗАО «Новомет-Пермь» июль 2017 г стр. 126.
Известен клапанный механизм скважинного насоса со шламоуловителем (патент на полезную модель №59170 МПК F04D 15/02, Е21 В 34/06). Недостатки конструкции: отсутствует самоочистка контейнера шламоуловителя.
Известна скважинная насосная установка со шламоуловителем (патент на изобретение №2135836 МПК F04D 13/10). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует самоочистка контейнера шламоуловителя.
Известен шламоуловитель (патент на полезную модель №77916 МПК F04D 13/10). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует самоочистка контейнера шламоуловителя.
Известен шламоуловитель скважинного насоса (патент на полезную модель №154480 МПК F04B 47/02). Недостатки конструкции: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует самоочистка контейнера шламоуловителя.
4. Шариковый тип с принудительным возвратом шарика в седло - прототипы.
Известен клапан обратный буровой (патент на полезную модель №99814 МПК Е21 В 34/06). Не может быть использован для добычи скважинной продукции (флюида) в нефтедобывающих скважинах, так как конструктивно предназначен для перекачки жидкости в обратном направлении.
Известен обратный клапан переключаемый потоком (патент на изобретение №2358092 МПК Е21В 34/08). Не может быть использован для добычи скважинной продукции (флюида) в нефтедобывающих скважинах, так как конструктивно отсутствуют резьбы для присоединения клапана с насосно-компрессорными трубами.
Известен клапан обратный (патент на изобретение №2493355 МПК Е21В 34/06).
Общие недостатки конструкции представленных типов клапанов: а) отсутствует устройство осадконакопления механических примесей выше запорного устройства клапана, что приводит к осаждению мехпримесей на посадочном седле запорного узла, в результате чего невозможна герметичная посадка запорного устройства, клапан не обеспечивает герметичности, происходит слив жидкости из НКТ через насос в скважину; б) не обеспечена защита возвратной пружины от абразивно-эрозионного износа песком-абразивом содержащимся в перекачиваемой жидкости.
Известен самоустанавливающийся клапан глубинного насоса (патент на изобретение №2382904 МПК F04B 53/00, F16K 15/04). Недостаток конструкции: отсутствует устройство осадконакопления механических примесей выше вращающейся направляющей и запорного устройства клапана, что приводит к осаждению мехпримесей на вращающемся механизме и па посадочном седле запорного узла и приводит к заклиниванию вращающегося внутри корпуса под действием сил гравитации направляющего, установленного на центральной оси, в результате чего работа клапана в горизонтальных скважинах становится невозможной так как невозможна посадка шарика в седло капана, а так же приводит к осаждению мехпримесей на посадочном седле запорного узла, в результате чего невозможна герметичная посадка шарика на седло, при таких условиях клапан не обеспечивает посадки шарика в седло, герметичность запорного устройства невозможна, происходит слив жидкости из НКТ через насос в скважину. 5. Шариковый тип с возможностью открытия клапана в обратном направлении.
Известен обратный клапан (патент на изобретение №2455546 МПК F16K 15/04, Е21В 34/06).
Известен обратный клапан (патент на изобретение №2544930 МПК Е21В 34/06).
Известен обратный клапан (патент на изобретение №2391592 МПК F16K 15/04, F04D 13/10, Е21В 34/00).
Данный тип обратных клапанов предназначен для нефтедобывающей промышленности и может использоваться для добычи скважинной продукции, а так же для промывки и освоения скважин. Недостатки конструкции данного типа клапанов одинаковы: а) отсутствует принудительно-возвратный механизм запорного устройства; б) отсутствует устройство осадконакопления механических примесей выше запорного устройства клапана, что приводит к осаждению мехпримесей на посадочном седле запорного узла, в результате чего невозможна герметичная посадка запорного устройства, клапан не обеспечивает герметичности, происходит слив жидкости из НКТ через насос в скважину; в) отсутствует регулировка усилия открытия клапана в обратном направлении, невозможно использование в глубоких скважинах с большими гидростатическими давлениями внутри труб, так как это приводит к не санкционированному открытию клапана в обратном направлении и сливу жидкости из НКТ через насос в скважину.
Приведенные выше данные значительно ограничивают возможность использования данного типа клапанов, в следствии чего они не получили массового применения в нефтедобывающей промышленности.
Выводы:
Общим недостатком рассмотренных в п. №1, 2, 4, 5 типов клапанов является отсутствие устройства для осадконакопления механических примесей выше запорного устройства, что приводит к осаждению мехпримесей на посадочном седле запорного устройства клапана, в результате чего невозможна герметичная посадка запорного устройства, клапан не обеспечивает герметичности, происходит слив жидкости из НКТ через насос в скважину. Для обеспечения возможности использования клапанов такого типа, обязательным является установка дополнительного оборудования - шламоуловителей, что приводит к использованию дополнительного оборудования и дополнительным резьбовым соединениям в подвеске НКТ.
Общим недостатком рассмотренных в п. №1, 2, 5 типов клапанов является отсутствие принудительно-возвратного механизма запорного устройства, из-за чего невозможно эксплуатировать клапана в участках эксплуатационных колонн с отклонением от вертикали (зенитный угол) до 90 и более градусов. Запорное устройство не закрывается и происходит слив жидкости из НКТ через насос в скважину.
Общим недостатком рассмотренных в п. №4, 5 типов клапанов является отсутствие защиты поверхности возвратной пружины от абразивно-эрозионного износа песком-абразивом содержащимся в перекачиваемой жидкости.
В п. №3 представлены типов клапанов с различными недостатками по разновидностям технических характеристик.
Раскрытие полезной модели:
В данной полезной модели решается задача по обеспечению работоспособности клапана обратного для погружного оборудования нефтегазодобычи в условиях: 1) содержания в перекачиваемой жидкости механических примесей, песка-абразива, проппанта, 2) возможность эксплуатировать клапан в участках эксплуатационных колонн с отклонением от вертикали (зенитный угол) до 90 и более градусов.
Поставленная цель достигается:
1) В одном устройстве совмещены два устройства: клапан обратный с принудительно-возвратным механизмом запорного устройства и самоочищающийся шламоуловитель с принудительно-возвратным механизмом открыванием и закрыванием проточных каналов для течения флюида.
2) Конструкция устройства двухклапанная. Нижнее запорное устройство шарикового типа (клапан) имеет стандартное исполнение для шариковых клапанов обратных и предназначено для герметичного разделения внутритрубного пространства НКТ выше и ниже клапана обратного. Выше шарикового клапана, внутри нижней части шламоуловителя размещено верхнее запорное устройство (клапан) конусного типа, предназначенное для обеспечения осадконакопления механических примесей выше основного клапана (шарикового типа) - в самоочищающемся контейнере шламоуловителя. Не допуская тем самым оседания механических примесей на посадочное седло шарового клапана.
3) Установкой двух пружин (по одной на каждом запорном устройстве).
4) При работе насоса и открытых нижним и верхнем запорных устройствах пружины располагаются в закрытых полостях и недоступны для внешнего негативного абразивно-эрозионного износа песком-абразивом содержащимся в перекачиваемой жидкости.
5) Работоспособность двухклапанной системы запорных устройств может быть организована как с использованием, так без использования соединяющего штока-толкателя. Варианты конструкции приведены на фигурах №1, 2, 3, 4.
6) Очистка контейнера шламоуловителя осуществляется энергией восходящего потока жидкости от работающего насоса через клапан обратный, дыхательные отверстия (или щелевидный фильтр) и основные проточные отверстия в нижней части корпуса шламоуловителя, с дальнейшим подъемом отложений из контейнера в НКТ и на поверхность.
Таким образом, в данном устройстве совмещены два устройства: клапан обратный с принудительно механизмом запорного устройства и самоочищающийся шламоуловитель с внутренним принудительным открыванием и закрыванием проточных каналов для течения флюида. Конусное не герметичное посадочное место верхнего запорного устройства внутри шламоуловителя обеспечивает легкость открытия и закрытия без подклинок верхнего запорного устройства и всего механизма в целом.
На основании чего можно считать, что представленная работа обладает новаторским уровнем.
Краткое описание чертежей:
На фигуре №1 представлен эскиз клапана обратного унифицированного двухклапанной конструкции с соединяющим штоком клапанов в закрытом положении. На фигуре №2 представлен эскиз клапана обратного унифицированного двухклапанной конструкции с соединяющим штоком клапанов в открытом положении, стрелкой показана схема движения жидкости в клапане.
На фигуре №3 представлен эскиз клапана обратного унифицированного двухклапанной конструкции без использования соединяющего штока клапанов в закрытом положении. На фигуре №4 представлен эскиз клапана обратного унифицированного двухклапанной конструкции без использования соединяющего штока клапанов в открытом положении, стрелкой показана схема движения жидкости в клапане.
На эскизах пронумерованы следующие детали:
1. Корпус клапана, включающий верхнюю и нижнюю присоединительные резьбы. 2. Седло нижнего запорного устройства. 3. Шар нижнего запорного устройства. 4. Пружина возвратная. 5. Седо конусное верхнего запорного устройства. 6. Конус верхнего запорного устройства. 7. Пружина возвратная верхнего запорного устройства. 8. Соединяющий шток. 9. Кольцо. 10. Конус переходной. 11. Труба шламоуловителя. 12. Дыхательное отверстие в верхней части шламоуловителя (закрывается проволочно-проницаемым материалом или отверстие заменяется щелевидным фильтром).
В верхней части корпуса трубы шламоуловителя предусмотрено дыхательное отверстие для выравнивая давления при рабочем ходе конуса верхнего запорного устройства, размывания механических примесей и подъема их из контейнера в НКТ.
Осуществление полезной модели:
Описание устройства при спуске в скважину и при остановке насоса.
При спуске погружного оборудования в скважину, при помощи присоединительных резьб клапан обратный встраивается в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ). При спуске он служит для поинтервальной опрессовки НКТ. При остановке насоса прекращается восходящий в верх поток жидкости и давление внутри НКТ ниже клапана выравнивается, а затем становится менее давления гидростатического столба жидкости выше клапана и двухклапанная система запорных устройств под воздействием пружин закрывается, перекрывая герметично проточную часть нижним запорным устройством (шарик-седло) и отделяя механические примеси от жидкости верхним запорным устройством (конусным) для обеспечения их осадконакопления выше двухклапанной системы запорных устройств - в самоочищающемся контейнере шламоуловителя. Не допуская тем самым оседания механических примесей на посадочное седло шарового клапана.
Описание устройства при работе насоса.
При запуске насоса, увеличивающимся давлением восходящего потока жидкости в НКТ ниже клапана достигает, а затем превышает давление гидростатического столба жидкости внутри НК Т над клапаном. Шарик сжимает пружину нижнего запорного устройства, при этом вся пружина помещается в предназначенную для этого проточку и закрывается резиновым амортизатором. Чем обеспечивается защита пружины от абразивно-эрозионного износа песком-абразивом содержащимся в перекачиваемой жидкости. Выравнивание давления внутри и снаружи шламоуловителя осуществляется через дыхательное отверстие (или щелевидный фильтр) в верхней части корпуса шламоуловителя. Запорные устройства открывают проточную часть клапанов для свободного течения жидкости по НКТ вверх, к устью скважины. Очистка контейнера шламоуловителя осуществляется энергией восходящего потока жидкости от работающего насоса через клапан обратный, дыхательные отверстия (или щелевидный фильтр) и основные проточные отверстия в нижней части корпуса шламоуловителя, с дальнейшим подъемом отложений из контейнера в НКТ и на поверхность.
Таким образом, устройство обеспечивает долговечность работы погружного оборудования за счет повышения эксплуатационной надежности клапана обратного, позволяет гарантированно удерживать жидкость в колонне НКТ после остановки насоса даже при отклонении от вертикали (зенитный угол) до 90 и более градусов, а также предотвращает засорение погружного оборудования механическими примесями, что приводит к увеличению срока стабильной работы оборудования, увеличению межремонтного периода, уменьшению расходов на ремонт скважин и в результате, сокращению себестоимости добычи флюидов.