Регулируемый дроссель
ADJUSTABLE THROTTLE

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для регулирования расхода газа при газлифтном способе эксплуатации.
Известен прямоточный регулируемый штуцер (см. Зайцев Ю.В., Максутов Р.А. и др. «Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин» / - М.: «Недра», 1984. - С. 115-116.).
Устройство состоит из корпуса, в осевом канале которого размещен поршень, с керамическим наконечником на конце. Корпус снабжен фланцем, в осевом канале которого установлена керамическая насадка. Ход поршня с наконечником в осевом канале корпуса осуществляется посредством ходовой части на наружной поверхности корпуса, кинематически связанной с поршнем посредством шариков. Изменение положения наконечника относительно керамической насадки приводит к изменению величины кольцевого зазора и плавного изменения расхода газа. Требуемая площадь сечения кольцевого зазора устанавливается по нониусу, с делениями соответствующими определенному размеру расхода.
При максимальном удалении наконечника от насадки имеет место максимальный расход газа.
нас
пр
Согласно паспортным данным диаметр насадки равен d=20 мм. При диаметре условного прохода, d=50 мм.
Как показывает практика эксплуатации этого устройства, при необходимости иметь минимальный расход газа размер щели между телом насадки и наконечника исчисляется долями миллиметра, что подтверждается приводимым расчетом.
щ
нас
2
Принимается размер щели δ=0,5 мм. Тогда площадь сечения кольцевого зазора определится: S=2*π*R*δ=2*3,14*10*0,5=31,4 мм.
нас
нac
2
2
Для работы газлифтной скважины необходимый диаметр насадки равен d=5 мм. S=0,785*5=19,6 мм.
Из приведенных расчетов следует, что рассматриваемое устройство, при малом кольцевом зазоре работать не может, поскольку в этом случае имеет место дросселирующий эффект, с созданием условий для гидратообразования в кольцевой щели. Это приводит к ее забиванию и прекращению процесса подачи газа в скважину, что ограничивает область применения.
Известна конструкция регулятора расхода газа (см. а.с. СССР №868712, Кл. МКИ G05D 7/01., опубл. 30.09.81. Бюл. №36).
Регулятор состоит из корпуса, с входным и выходным отверстиями, ступенчатого плунжера, образующего с корпусом дросселирующее сечение, разделяющее входную и выходную полости, подвижного седла, поджатого пружиной к седлу в ступенчатом плунжере. Перемещение подпружиненного клапана ограничено упором, расположенным между входной полостью и полостью, образованной торцом ступенчатого плунжера, большего диаметра и корпусом.
Регулятор расхода газа работает следующим образом. Через входное отверстие газ подается во входную полость и по каналам в плунжере поступает к клапанам. Давление газа действует на один из клапанов, с его отжимом от седла и прохождением в полость, расположенную под ступенчатым плунжером, с его поджимом в крайнее верхнее положение. Газ при этом воздействует на подвижное седло, с его отжимом от посадочного места в ступенчатом плунжере. Вместе с подвижным седлом происходит перемещение подпружиненного клапана, с входом в контакт с упором и остановкой, с образованием технологического зазора, через который происходит заполнение полости под крышкой, и набором расчетного давления, которое обеспечивается соотношением величины поджатия пружины и эффективной площадью подвижного седла. После заполнения полости до давления, при котором подвижное седло возвращается в исходное положение, дальнейший переток газа в полость под крышкой, происходит через жиклер в клапане, что приводит к перемещению ступенчатого плунжера вниз, с сжатием газа в нижней полости, откуда газ через жиклер и клапан выходит во входную полость, что приводит к демпфированию и плавному перемещению ступенчатого плунжера и открытием дросселирующего сечения, образуемого ступенчатым плунжером и корпусом, с плавным нарастанием расхода. Регулятор дает возможность устранить задержку по времени от момента подачи давления на вход до начала его открытия на потребителя, что повышает его быстродействие.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести:
- высокую сложность конструкции;
- область применения имеет ограничения малыми расходами и малыми перепадами давления, что делает невозможным применить такую конструкцию, например, для управления процессом подачи газа в скважину при газлифтном способе эксплуатации.
Известен регулируемый дроссель (см. а.с. СССР №1802080, Кл. МКИ Е21В 33/03; 43/12, опубл. 15.03.93. Бюл. №10), принятый авторами за прототип.
Устройство состоит из полого корпуса с крышками на концах. В осевом канале корпуса сформированы полости входа и выхода струи рабочего агента. Внутри осевого канала установлен шпиндель с наконечником, проходящим в полость ввода рабочего агента, шпиндель связан резьбой с механизмом ручного управления. Дроссель снабжен поршнем, связанным жестко со шпинделем. Поршень установлен в осевом канале корпуса между полостями выхода струи и одной из крышек. Каждый из поршней, с соответствующими крышками, образуют замкнутые камеры, гидравлически связанными между собой и постоянно заполненные вязкой жидкостью.
Регулируемый дроссель работает следующим образом. При необходимости повышения давления в полости на входе струи рабочего агента, вращают маховик механизма ручного управления, с перемещением шпинделя с наконечником в сторону насадки, с уменьшением зазора между ними. В полости ввода струи растет давление и увеличивается скорость потока с динамическим воздействием на поршень. Поршень создает давление в полости между левой крышкой, с передачей этого давления на поршень через гидравлический канал, с созданием усилия противоположенное тому, которое создается давлением в полости входа струи.
Варьируя диаметрами поршней, с левой и правой стороны можно получить сколь угодное малое усилие, действующее на механизм управления дросселем при повышении плавности и точности регулирования давления. При этом уменьшается износ резьбовой пары. При необходимости снижения давления в приемной полости вращают маховик механизма управления против часовой стрелки, что приводит к перемещению шпинделя с наконечником влево от насадки с увеличением зазора между ними и снижению давления в приемной полости. Это приводит также к снижению скорости потока, протекающего в правую полость и уменьшения динамического усилия, действующего на поршень в левой полости.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- работоспособность устройства вызывает сомнения поскольку участок кольцевой полости, находящийся справа от поршня, в месте его соединения со шпинделем, изолирован и это не позволяет обеспечить перемещение поршня в левой полости;
- имеет место ручное управление расходом рабочего агента через кольцевой зазор между наконечником и насадкой, за счет осевого перемещения поршня со шпинделем. При этом, когда осевой канал насадки имеет достаточно большие размеры, то чтобы изменить расход рабочего агента в меньшую сторону необходимо иметь кольцевой зазор малого размера, что при дросселировании рабочего агента через малый зазор может привести к возникновению ситуации, когда происходит переохлаждение рабочего агента (газа) с отложением кристаллогидратов. Из этих доводов следует, что устройство имеет ограничения при подаче малых расходов рабочего агента.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность регулирования расхода рабочего агента-газа в широком диапазоне параметров без остановки технологического процесса добычи;
- изменение гидравлического сопротивления потока с сохранением температурных показателей и предотвращением гидратообразования;
- оптимизация процесса регулирования расхода газа при больших перепадах давления.
Технический результат достигается тем, что регулируемый дроссель состоит из полого корпуса с подводящим и отводящим каналами, насадкой, шпинделем с наконечником, установленным в осевом канале полого корпуса, имеющим ступенчатую расточку, в которой размещен сердечник с насадкой в конусном канале, и цилиндрическую расточку, выполненную перпендикулярно оси полого корпуса. Шпиндель снабжен наконечником и установлен в цилиндрической расточке полого корпуса, в которой размещается отражательное полукольцо, поджимаемое гайками, с образованием зазоров с внутренней поверхностью цилиндрической расточки и кулачком, причем кулачок установлен на шпинделе между гайками с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью отражательного полукольца в крайнем положении, насадка установлена в конусном канале сердечника на уровне зазора между отражательным кольцом и поверхностью кулачка. Шпиндель выходит за пределы полого корпуса и снабжен уплотнительным и стопорным кольцами.
Конструкция регулируемого дросселя поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 устройство в разрезе, в положении максимальной подачи рабочего агента (газа) в скважину;
- на фиг. 2 устройство в разрезе, в положении деталей для минимальной подачи газа в скважину;
- на фиг. 3 поперечное сечение конструкции по месту установки регулирующего элемента, в увеличенном масштабе.
Устройство состоит из полого корпуса 1, с внешней присоединительной резьбой 2. В осевом канале 3 полого корпуса 1, выполненного ступенчатым, установлен сердечник 4, в котором с эксцентриситетом выполнен конусный канал 5 и установлена насадка 6. Осевой канал 3 полого корпуса 1 перекрыт переходником 7 с подводящим каналом 8. Конусный канал 5 выходит в цилиндрическую расточку 9 сердечника 4. Осесимметрично цилиндрической расточки 9 установлен кулачок 10 на шпинделе 11, который выходит за пределы полого корпуса 1. Кулачок 10 с обеих сторон охвачен телом гаек 12, в которых выполнены расточки 13, гидравлически связанные через осевой канал 3 с отводящим каналом 14. В средней части цилиндрической расточки 9 размещено отражательное полукольцо 15 (см. рисунок 3), ориентированное срезом в направлении канала насадки 6. На цилиндрической поверхности сердечника 4 и переходника 7 выполнены кольцевые канавки, в которых размещены уплотнительные кольца 16 и 17. Кольцевой зазор в месте выхода из полого корпуса 1 оси 11 перекрыт уплотнительным кольцом 18. Для защиты от перемещений на шпинделе 11 выполнена кольцевая канавка 19, в которой установлено стопорное кольцо 20. Размер канала насадки 6 определяется из предполагаемого максимального расхода рабочего агента.
На рисунке 1 кулачок 10 располагается таким образом, чтобы создать минимальное гидравлическое сопротивление потоку рабочего агента, истекающему из канала насадки 6.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Поток рабочего агента через канал насадки 6 подается в кольцевой зазор между отражательным кольцом 15 и поверхностью кулачка 10, с выходом в осевой канал 3 полого корпуса 1 между его внутренней поверхностью и телом гаек 12 и, далее по трубопроводу в межтрубное пространство скважины. При необходимости изменения расхода газа, в сторону его уменьшения, осуществляют вращение шпинделя 11 вместе с кулачком 10. При крайнем положении кулачка 10 (см. фиг. 2) имеет место минимальный расход газа, поскольку поток, истекающий из насадки 6, отклоняется поверхностью кулачка 10 в кольцевой зазор между отражательным полукольцом 15 и телом сердечника 4 по его внутренней цилиндрической расточке 9. При этом поток газа получает вращение с закручиванием по спирали и воздействием на струю газа, истекающей из канала насадки 6, что приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления потоку газа и изменению его расхода. Минимальный расход газа имеет место, когда телом кулачка 10 полностью прекращен доступ потока газа в канал между отражательным полукольцом 15 и кулачком 10. При выходе потока газа из каналов в теле гаек 12 он попадает в осевой канал 3 полого корпуса 1 и далее в отводящий канал 14 к потребителю. При среднем положении кулачка 10 часть расхода газа направляется над поверхностью отражательного полукольца 15 с воздействием на поток газа, истекающего из канала насадки 6, отсекая последний, с резким увеличением гидравлического сопротивления всему потоку, что приводит к изменению расхода газа на выходе из осевого канала 3 полого корпуса 1 в отводящий канал 14. При повороте кулачка 10 и полном перекрытии кольцевого зазора между внутренней поверхностью отражательного полукольца 15 происходит изменение направления потока газа над ним и взаимодействием, при его вращении, со струей газа, истекающей из насадки 6, что приводит к резкому снижению расхода за счет возрастания гидравлических сопротивлений.