Клапан обратный противофонтанный

Полезная модель относится к изделиям нефтяного машиностроения и может использоваться в качестве комплектующего устройства в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при бурении нефтегазовых скважин для предупреждения неуправляемого выброса продукции из ствола скважины в процессе ее углубления (бурения) или проведения ремонтных работ в скважине. Отсутствие в составе КНБК обратного противофонтанного клапана при бурении нефтяной или газовой скважины или его техническая неисправность повышает риск возникновения нефтегазопроявлений при выдавливании флюида нефтяного пласта по внутренней полости бурильных или насосно-компрессорных труб на дневную поверхность. Как показывает многолетняя практика разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений, последствия неуправляемого нефтегазопроявления на скважине, возникшего в процессе бурения или подземном ремонте, приводят к загрязнению окружающей среды, большим потерям времени и материальных средств и финансовым затратам на их ликвидацию.
КОП должен выполнять целый ряд важных функций: встраиваться с помощью присоединительных резьб в состав бурильной колонны труб; сохранять работоспособное состояние в течение длительного времени при бурении скважины; передавать крутящий момент КНБК и обеспечивать транспортировку промывочной жидкости с технологически необходимыми расходами; препятствовать эрозионному разрушению механическими примесями (песком) узлов и деталей клапана; герметично перекрывать внутреннюю полость бурильных труб и предупреждать обратный (восходящий) переток скважинной жидкости (бурового раствора) на дневную поверхность, в случае нарушения режима прямой циркуляции.
При использовании известных и освоенных нефтяным машиностроением КОП их применение сопряжено с частыми отказами, которые вызваны эрозией деталей (возвратных пружин), мест уплотнений и сужений в проходных каналах высокоскоростными потоками промывочной жидкости и утратой герметизирующей способности. В составе нагнетаемой в скважину промывочной жидкости (бурового раствора) содержатся продукты разрушения горных пород - мехпримеси (песок), утяжелители и кольматанты, ускоряющие процесс абразивной эрозии мест уплотнений и деталей, входящих в конструкцию обратного клапана. В этой связи техническая задача по созданию обратного противофонтанного клапана, с увеличенным ресурсом безотказной работы, является актуальной и подлежит рассмотрению, с учетом разрабатываемых инновационных технических и технологических решений.
При проведении патентных исследований известных технических решений выявлены многочисленные решения клапанов, которые разработаны, описаны в технической литературе и используются в различных отраслях промышленности, где, по техническим условиям работы, требуется автоматическое предупреждение обратных перетоков технологических жидкостей и газов в различных гидравлических системах. Например, обратные клапаны КОБТ, КОБШ, выпускает ООО «ПКФ Синтез» [1], которые рекомендованы в качестве комплектующих устройств в КНБК при бурении нефтяных и газовых скважин.
Известен обратный клапан (патент на изобретение RU 2449192 С1 МПК Е21В 34/08) [2], который рекомендован для использования в нефтяной промышленности, в частности, с внутрискважинным оборудованием при промывке и освоении скважин. Запорные элементы выполнены в форме шаров со свободным или подпружиненным ходом. Недостатками известного обратного клапана являются его недостаточная надежность при эксплуатации, а также сложность его конструкции.
Известно техническое решение «Обратный клапан» из описания полезной модели RU 95737 U1 С1 МПК Е21В 34/06 [3], в котором установлены две клапанные пары с подпружиненными штоками и прижимным узлом. Недостатками известного обратного клапана являются незащищенность внутренней полости клапана от абразивного влияния перекачиваемой промывочной жидкости и сложность конструктивного исполнения.
Известно техническое решение из описания полезной модели «Обратный клапан для обсадной колонны» RU 101489 U1 С1 МПК Е21В 34/10 [4], в котором установлены фильтр, седло с осевым отверстием и размещенной в нем уплотнительной манжеты и шара, а также ограничитель осевого перемещения шара, выполненный в виде стакана с центральным и продольными каналами и закрепленного в нижней части седла. В стакане размещен подпружиненный в осевом направлении шток, с возможностью его движения вместе с шаром и прижатия его к манжете. Недостатками известного клапана являются ненадежность его работы и большая трудоемкость изготовления для одноразового применения при спуске и цементировании эксплуатационной колонны.
Наиболее близким по технической сущности решением выявлен «Обратный клапан для обсадной колонны» (патент на изобретение RU №2467158 МПК F16K 15/06) [5], принятый за прототип, где в корпусе клапана установлены седло с осевым каналом и закрепленными в нем уплотнительной манжетой и поджимающей ее к седлу втулкой, с радиальными отверстиями, в которой установлен, с возможностью осевого перемещения, взаимодействующий с запорным элементом, выполненным в виде шара, шток-толкатель с осевой пружиной. Торцевая поверхность штока-толкателя имеет форму диска, а в нижней части втулки закреплена гайка с отверстиями по кругу и осевым отверстием, выполненным с возможностью центрирования штока-толкателя посредством осевого отверстия.
Недостатками известного «Обратного клапана для обсадной колонны» являются интенсивный абразивный износ (эрозия) как запорного элемента-шара, расположенного в непосредственной близости от седла, так и его автоколебательный режим (продольное рысканье), вызванный отсутствием ограничителя продольного хода подпружиненного толкателя шара-клапана, а также незащищенность возвратной пружины от прямого воздействия промывочной жидкости. Ресурс работы известного «Обратного клапана для обсадной колонны» ограничен одноразовым его применением при работах по цементированию обсадной колонны, а его конструктивное исполнение не может обеспечивать длительную работу клапана в составе КНБК в процессе проводки (углубления) скважин, что не отвечает современным техническим требованиям ведения буровых работ на нефть и газ.
В этой связи техническим результатом предлагаемого технического решения «Клапан обратный противофонтанный» является повышение надежности и увеличение ресурса его работы в условиях бурения скважин с буровыми растворами с повышенным содержанием механических примесей и технологически необходимыми расходами промывочной жидкости. Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, связана с выявлением причин преждевременных отказов обратных клапанов и их конструктивных недостатков и созданием КОП, отвечающего современным требованиям к внутрискважинному оборудованию, с увеличенными показателями надежности и ресурса работы.
Поставленная цель достигается конструкторско-технологическими приемами, с применением технических решений изобретательского уровня.
Для выполнения поставленной задачи обратный клапан выполнен в цилиндрическом корпусе, с внутренней его расточкой для свободного прохода промывочной жидкости. При этом он снабжен верхней (муфтовой) и нижней (ниппельной) замковыми резьбами, которые необходимы для встраивания в компоновку бурильной колонны. В корпусе, соосно с его наружной поверхностью, установлено седло в корпусе гильзы и закреплено прижимной гайкой. Шар-клапан оперт на съемную направляющую воронку круглой формы с радиальными пазами, которая объединена резьбовым соединением со штоком-толкателем и заштифтована. Шток-толкатель охвачен возвратной пружиной, которая оперта, в верхней части, на заплечики съемной направляющей воронки. А в нижней части на центрирующую обойму. В гильзе установлено, с возможностью замены, посадочное седло из износостойкого материала для взаимодействия с шаром-клапаном, который изготовлен из абразивно-стойкого керамического материала. Центрирующая обойма, закрепленная резьбой в нижней внутренней части корпуса клапана, выполнена с широкими проходным каналами для прохода бурового раствора. Съемная направляющая воронка содержит дренажные отверстия на своей боковой части (поверхности) для прохода бурового раствора и подъема шара-клапана, например, в случае потери продольной подвижности штока-толкателя, а также радиальные пазы на наружной поверхности для снижения сил трения о внутреннюю поверхность гильзы. Для снижения скоростного потока во внутренней полости КОП посадочное седло выполнено с широким проходным отверстием и возможностью его замены. Размер внутреннего диаметра гильзы выполнен, относительно шара-клапана по широкоходовой посадке, с зазором (по системе вала), обеспечивающим свободное (без заклинивания) его движение. Это условие выполняется при воздействии возвратной пружины на шток-толкатель шара со съемной направляющей воронкой, в интервале от точки контакта шара с седлом, до упора заплечиков съемной направляющей воронки, с коническим упором в гильзе. Возвратная пружина, для предупреждения эрозионного разрушения механическими примесями, размещена в защитном патрубке, закрепленном резьбой в нижней части центрирующей обоймы. Тело гильзы (в средней части) снабжено радиальными каналами, форма и размер которых обеспечивают формирование в живом сечении тела обоймы призматические ребра треугольного профиля. Каждое призматическое ребро, с равнобедренным треугольником, симметрично обращено к центральной оси гильзы и обеспечивает линейный контакт (внутри гильзы) с направляющей воронкой и шаром-клапаном, что сводит к минимуму вероятность заклинивания подвижных деталей клапана механическими примесями. В нижней части гильзы, на ее наружной поверхности, с помощью резьбы, установлено штуцирующее регулировочное кольцо, положение которого, при сборке КОП, настраивают на расчетное значение местного гидравлического сопротивления, на выходе из кольцевого пространства, образованного внутренним диаметром корпуса клапана и наружным диаметром регулировочного кольца (зона штуцирования потока промывочной жидкости в кольцевом зазоре, размером S). Кольцо регулировочное штуцирующее от самопроизвольного вращения зафиксировано стопорным винтом. В процессе создания необходимого технологического режима подачи промывочного раствора через КНБК обеспечивается оптимальная разница давления (перепад давления) над шаром-клапаном и давлением в полости бурильных труб (ниже КОП), что способствует удержанию шара-клапана с толкателем (при сжатой пружине) в устойчивом (неподвижном) состоянии на коническом упоре гильзы. При этом снижается износ подвижных деталей клапана и, в целом, увеличивается его работоспособность. В нижней части регулировочного штуцирующего кольца, на ее наружной поверхности, выполнена наплавка из износостойкого материала, упреждающая износ поверхности регулировочного штуцирующего кольца в зоне штуцирования (в кольцевом зазоре S).
Реализация указанных выше технических решений в КОП, достигнутых благодаря применению конструкторско-технологических приемов изобретательского уровня, по мнению авторов, позволят обеспечить повышение надежности его работы, с кратным (по времени) увеличением наработки на отказ.
Клапан обратный противофонтанный (КОП) по настоящему техническому решению представлен на фигурах (фиг. 1-6):
на фиг. 1 приведена схема КОП в исходном состоянии;
на фиг. 2 показана схема КОП при рабочем режиме движения промывочной жидкости через клапан;
на фиг. 3 показана схема комплектующих деталей, входящих в клапан;
на фиг. 4 показано сечение клапана на участке радиальных каналов;
на фиг. 5 показана схема съемной направляющей воронки;
на фиг. 6 показан вид «Б» на центрирующую обойму.
1
Клапан обратный противофонтанный (КОП) включается в компоновку низа бурильного колонны (КНБК) в процессе спуска КНБК в скважину (на фиг. не показано). КОП (фиг. 1-6) включает: цилиндрический корпус 1, изготовленный из высокопрочной легированной стали, с внутренней цилиндрической расточкой корпуса 2, оснащен замковыми присоединительными резьбами в муфтовом 3 и ниппельном 4 исполнениях. В корпус 1, соосно с его наружной поверхностью, с помощью резьбы установлена гильза 5 из высокопрочной нержавеющей стали. В гильзе 5 установлено, с возможностью замены, посадочное седло 6, из износостойкого материала. Шар-клапан 7 диаметром (D) выполнен из абразивно-стойкого керамического материала, например нитрида кремния (степень точности не ниже G40). Шар-клапан 7 оперт на съемную направляющую воронку 8, которая объединена резьбовым соединением со штоком-толкателем круглого сечения 9 и застопорена штифтом 10. Шток-толкатель 9 охвачен возвратной пружиной 11, которая оперта в верхней части на заплечики съемной направляющей воронки 8, а в нижней - на центрирующую обойму 12 (фиг. 1-3). Центрирующая обойма 12 установлена в нижней внутренней части корпуса клапана 1 и выполнена с широкими проходными каналами 13 (фиг. 6). Направляющая воронка 8 оснащена дренажными отверстиями 14 (фиг. 1, 3, 5), а на ее боковой конической поверхности снабжена радиальными пазами 22. Посадочное седло 6, в корпусе гильзы 5, закреплено гайкой 15. Размер внутреннего диаметр гильзы 5 выполнен относительно шара-клапана 7 по посадке с зазором (например, Zb7 по системе вала). Возвратная пружина 11 размещена в защитном патрубке 16, который в нижней части оснащен резьбой и закреплен в центрирующей обойме 12 (фиг. 1-3). Тело гильзы 5 (в средней части) снабжено радиальными каналами 17 (фиг. 4). Форма и размер радиальных каналов (их не менее 8) обеспечивают в живом сечении тела обоймы призматические ребра 18, из равнобедренных треугольников, с углом при вершине α=90°…100°, которые симметрично обращены во внутрь гильзы в сторону главной оси О (фиг. 4), для обеспечения линейного контакта с направляющей воронкой 8 и шаром-клапаном 7 (фиг. 1, 2). Внутренняя часть гильзы снабжена коническим упором 23, для неподвижной посадки съемной направляющей воронки 8 (фиг. 3), в работающем (открытом) состоянии клапана. В нижней части гильзы 8, на ее наружной поверхности, с помощью резьбы, установлено штуцирующее регулировочное кольцо 19, с помощью которого (путем вращения регулировочного кольца 19) изменяют размер кольцевого зазора S (фиг. 1, 2), выполняющего роль штуцера. Регулировочное кольцо 19 (фиг. 1-3) в нижней части облицовано износостойким материалом 20 (фиг. 1-3) и застопорено винтом 21. Выходы промывочной жидкости из полости гильзы 5, через радиальные каналы 17, выполнены под углом β=30°…60° (фиг. 3).
Клапан обратный противофонтанный (КОП) работает следующим образом.
Работа с КОП начинается с включения его в собранном (исходном) состоянии (фиг. 1) в компоновку низа бурильной колонны (КНБК) путем свинчивания резьбовых соединений 3 и 4 (фиг. 1, 2) с бурильными трубами (на фиг. не показано).
1
1
2
1
2
1
При спуске в скважину КНБК с КОП внутреннюю полость бурильных труб периодически заполняют промывочной жидкостью (прокачивают буровым раствором), так как шар-клапан 7 плотно прижат к посадочному седлу 6 усилием возвратной пружины 11 и исключает поступление жидкости в полость бурильных труб из скважины. В процессе углубления скважины в горные породы (бурении) и закачке промывочной жидкости в бурильные трубы наземными насосными агрегатами, с расходом Q и давлением P (фиг. 2) шар-клапан 7, вместе с направляющей воронкой 8, и штоком-толкателем 9 смещаются вниз, сжимая возвратную пружину 11, до упора заплечиков направляющей воронки 8 с коническим упором 23, выполненным на внутренней поверхности гильзы 5. Промывочная жидкость (буровой раствор) из внутренней полости гильзы 5, через радиальные каналы 17, поступает в кольцевое пространство между гильзой 5 и внутренним диаметром корпуса клапана 1 (фиг. 2). Далее поток промывочной жидкости Q, преодолевая технологически необходимое гидравлическое сопротивление в кольцевом зазоре S (фиг. 1, 2), поступает в кольцевое пространство между защитным патрубком 16 и внутренним диаметром ниппельной части корпуса 1, а затем проходит через проходные каналы 13, выполненные в центрирующей обойме 12 (фиг. 2, 6). Перепад давления (ΔР), как разница давлений над шаром-клапаном P и ниже шара-клапана Р (ΔР=Р-Р), вызванного влиянием штуцирующего эффекта в кольцевым зазоре S (между регулировочным штуцирующим кольцом 19, на участке износостойкой наплавки 20 и внутренним диаметром корпуса 1), обеспечивает положение шара-клапана 7, съемной направляющей воронки 8 и штока-толкателя 9 (при сжатой возвратной пружине 11) в неподвижном (без продольных колебаний), состоянии. При этом шар-клапан 7 удален от посадочного седла 6 на расстояние, равное (приближенно) его наружному диаметру (D), что снижает скорость потока промывочной жидкости в полости клапана и, соответственно, интенсивность процессов абразивного износа внутренних деталей КОП (фиг. 2, 3). Оценочные расчеты (не приводятся) показали, что, с учетом расхода промывочной жидкости при бурении Q от 15 до 30 л/с и упругой реакции пружины при полном ее сжатии F=180 Н, кольцевой зазор S, для реальных изделий, может настраиваться в пределах от 5 до 10 мм.
Предложенные технические решения в КОП, направленные на повышение надежности и увеличение ресурса его работы, с внутрискважинным оборудованием КНБК, обладают новизной исполнения составных частей и необходимым уровнем их совершенства, которые находятся между собой в функционально-конструктивном единстве, с наличием признаков существенных отличий, что, в их совокупности, позволяет выполнять поставленную задачу, а детальная конструкторская проработка комплектующих узлов и деталей КОП свидетельствует о возможности освоения его производства (см. фото КОП и его составных частей в приложениях) и успешное применение в нефтегазовой промышленности.
Информационные источники:
1. Каталог. Оборудование для механизации бурения. Пермь 2011. ПКФ «Синтез».
2. Патент на изобретение RU 2449192 С1 МПК Е21В 34/08. Клапан обратный реверсивный. БИ №12, 2012.
3. Патент к описанию полезной модели RU 95737 U1 С1 МПК Е21В 34/06 МПК Е21В 34/06 Клапан обратный. БИ №19, 2010.
4. Патент к описанию полезной модели RU 101489 U1 С1 МПК Е21В 34/10 «Обратный клапан для обсадной колонны». БИ №2, 2011.
5. Патент на изобретение RU №2467158 МПК F16K 15/06 «Обратный клапан для обсадной колонны». БИ №32, 2012.