УСТРОЙСТВО ЗАПОРНОЕ АВТОНОМНОЕ
SELF-CONTAINED SHUTOFF DEVICE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при бурении и эксплуатации различных скважин, а также при строительстве и эксплуатации поверхностных трубопроводных систем.
Известны клапан-отсекатели, предназначенные для герметичного перекрытия ствола скважины при эксплуатации нефтяных и газовых скважин, RU №2312203 С2, Е21В 34/06, 10.12.2007; RU №25527 U1, Е21В 34/06, 10.10.2002.
Известен клапан-отсекатель, имеющий корпус, в котором размещены подпружиненный шаровой затвор с седлом, толкатель, взаимодействующий с шариком, RU №2191253 С1, Е21В 34/06, 24.01.2001; RU №2172815 C1, Е21В 34/06, 27.08.2001; RU №32183 U1, Е21В 34/06, 10.09.2003.
Известен клапан-отсекатель, содержащий корпус, запорный элемент со сферической поверхностью, пружину для подпруживания запорного элемента, RU №2094593 C1, Е21В 34/06, F16K 17/20, 27.10.1997.
Известен клапан-отсекатель с запорным элементом в виде поршня с механизмом переключения и фиксации, RU №2145024 C1, E21B 34/08, F16K 17/34, 27.01.2000; RU №22174 U1, E21B 34/06, F16K 17/34, 10.03.2002.
Известен клапан-отсекатель, содержащий затвор в виде тарельчатого клапана и привод затвора, RU №2234595 С1, Е21В 34/10, 20.08.2004; RU №2160357 С2, E21B 34/06, 10.12.2000; RU №2102582 C1, E21B 34/06, 20.01.1998.
Известен стационарный проходной клапан-отсекатель, включающий корпус и установленные в нем дифференциальный плунжер с фиксатором и уплотнительными элементами, седло, распорную втулку и подпружиненную хлопушку на оси, выполненную с возможностью прижатия к седлу в положении "закрыто", RU №2250354 С2, E21B 34/06, 10.01.2005; RU №2293839 C1, E21B 34/06, 20.02.2007.
Известно клапанное устройство, содержащее корпус, затворный элемент, выполненный в виде плунжерной пары, или в виде шарика или штока, или сферы и полусферы и связанный с исполнительным механизмом в виде камеры сильфона или пружины, мотор, установленный с возможностью взаимодействия с исполнительным механизмом, RU №2363835 C1, E21B 34/06, 10.08.2009.
Управляет открытием или закрытием известных клапан-отсекателей специнструмент в составе бурильной или эксплуатационной колонны в зависимости от проводимых работ.
Известен клапан-отсекатель, содержащий корпус, запорный элемент с седлом и тарелкой, фиксатор, RU №2311526 С2, Е21В 34/06, 27.11.2007.
Данное техническое решение принято в качестве «ближайшего аналога» настоящего изобретения.
В «ближайшем аналоге» корпус выполнен эксцентричным, тарелка подпружинена и оснащена дополнительной стартовой пружиной, кольцевой фиксатор подружинен, дифференциальный плунжер взаимодействует с седлом, тарелкой и кольцевым фиксатором.
«Ближайший аналог» имеет сложную конструкцию, что снижает его надежность.
После закрытия запорного элемента открытие его для возобнавления эксплуатационных работ затруднено.
Конструкция «ближайшего аналога» не обеспечивает пропуска потока с максимально-нормативной интенсивностью, определяемого и необходимого для скважины данного (конкретного) диаметра.
Клапан-отсекатель «ближайшего аналога» не имеет возможности широкого использования, выполнен для пропуска потока с определенной интенсивностью, что ограничивает возможности его применения.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи, позволяющей обеспечить максимально-нормативную интенсивность пропуска потока, осуществлять контроль над закрытием и открытием запорного элемента, повысить надежность запорного устройства для проведения безопасных эксплуатационных работ и расширить функциональное применение.
Технический результат настоящего изобретения заключается в выполнении запорного устройства с возможностями пропускать поток в обоих направлениях, самостоятельно распознавать увеличение потока выше нормированного, самостоятельно перекрывать проходной канал потока и открывать его при возвращении запорного элемента в исходное положение.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что устройство запорное автономное содержит корпус, запорный клапан с седлом и тарелкой, фиксатор.
Устройство содержит аккумулятор потенциальной энергии, установленный на упорном кольце в корпусе.
Устройство содержит удерживающе-спусковой механизм, неподвижно закрепленный в корпусе и снабженный фиксирующими элементами.
Тарелка выполнена в виде барабана. Реборды тарелки в виде барабана снабжены уплотнениями.
На наружной поверхности тарелки в виде барабана имеется коническая канавка. Коническая канавка имеет возможность взаимодействия с фиксирующими элементами.
Внутри тарелки в виде барабана размещен проходной канал потока, имеющий поверхность конической формы с расширением от входа к выходу и поверхность цилиндрической формы на выходе.
Тарелка содержит сменный штуцер, установленный в проходном канале потока на входе, и сопряжена с аккумулятором потенциальной энергии.
Седло содержит циркуляционные каналы на кольцевой ее части и выполнено с приливом.
Прилив образован цилиндрической поверхностью с возможностью сопряжения с поверхностью цилиндрической формы проходного канала потока и сферической поверхностью, выполненной со сферическим торцом, имеющей возможность сопряжения с поверхностью конической формы проходного канала потока на выходе.
При этом между корпусом и наружной поверхностью тарелки в виде барабана образована герметизированная полость.
Кроме того, аккумулятор потенциальной энергии выполнен в виде жесткой пружины.
Кроме того, герметизированная полость заполнена смазкой.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта.
Выполнение устройства запорного с аккумулятором потенциальной энергии и удерживающе-спусковым механизмом обеспечивает управление направлением внутритрубным потоком и повышает надежность.
Снабжение удерживающе-спускового механизма фиксирующими элементами обеспечивает закрытие и открытие клапана запорного, а закрепление удерживающе-спускового механизма неподвижно в корпусе повышают надежность устройства запорного при эксплуатации.
Выполнение тарелки в виде барабана с ребордами создает герметичное пространство, образующее герметизированную полость, в которой размещен удерживающее-спусковой механизм, что повышает надежность устройства запорного.
Снабжение тарелки уплотнениями повышает надежность герметизации клапана запорного.
Выполнение тарелки с конической канавкой на его наружной поверхности обеспечивает взаимное действие удерживающе-спускового механизма и запорного клапана и при нештатной ситуации способствуют перекрытию проходного канала потока.
Размещение внутри тарелки проходного канала потока с поверхностью конической формы с расширением от входа к выходу обеспечивает максимальную интенсивность пропуска потока как в условиях нормального рабочего режима, так и при внештатной ситуации, и выполнение проходного канала потока с поверхностью цилиндрической формы на выходе способствует надежности его перекрытия при внештатной ситуации.
Установка сменного штуцера в тарелке на входе в проходной канал потока обеспечивает контролирование срабатывания запорного клапана и управление движением потока.
Выполнение седла с приливом обеспечивает максимальный эффект уплотнения клапана запороного при перемещении аккумулятора в крайнее верхнее положение до упора в тарелку.
Наличие прилива с цилиндрической и со сферической поверхностями и кольцевой части у седла обеспечивает (при совмещении тарелки и седла) уплотнение по трем сечениям: кольцевой части седла и тарелки, цилиндрической поверхности прилива и поверхности цилиндрической формы проходного канала потока, сферической поверхности прилива и поверхности конической формы проходного канала потока на выходе (частично), что повышает надежность и обеспечивает герметизацию в случаях, например, эрозионного разрушения той или иной поверхности.
Сферический торец обеспечивает перераспределение потока и повышает надежность устройства запорного.
Заполнение герметизированной полости смазкой предохраняет от попадания в нее всевозможных загрязнителей и защищает удерживающе-спусковой механизм от внешних воздействий, что повышает надежность работы удерживающее-спускового механизма и всего устройства запорного в целом.
Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат, в связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображено устройство запорное автономное, общий вид.
Устройство содержит:
Корпус - 1.
Клапан запорный (в корпусе 1) - 2.
Аккумулятор потенциальной энергии (в корпусе 1) - 3,
упорное кольцо (для аккумулятора 3) - 4.
Удерживающе-спусковой механизм (в корпусе 1) - 5,
фиксирующие элементы (механизма 5) - 6.
Клапан запорный 2 включает:
Седло (клапана 2) - 7,
кольцевую часть (седла 7) - 8,
циркуляционные каналы (части 8) - 9,
прилив (седла 7) - 10,
цилиндрическую поверхность (прилива 10) - 11,
сферическую поверхность (прилива 10) - 12,
сферический торец (прилива 9) - 13.
Тарелку в виде барабана (клапана 2) - 14,
реборды (барабана 14) - 15,
уплотнения (реборд 15)- 16,
наружную поверхность (барабана 14) - 17,
коническую канавку (на поверхности 17) - 18,
проходной канал потока (внутри барабана 14) - 19,
вход (канала 19) - 20,
выход (канала 19) - 21,
поверхность конической формы (канала 19) - 22,
поверхность цилиндрической формы (канала 19) - 23,
сменный штуцер (на входе 20) - 24.
Герметизированную полость (между корпусом 1 и поверхностью 17) - 25.
Устройство запорное автономное содержит корпус 1, запорный клапан 2, аккумулятор потенциальной энергии 3, и удерживающе-спусковой механизм 5.
Аккумулятор потенциальной энергии 3 установлен на упорном кольце 4 в корпусе 1.
Аккумулятор потенциальной энергии 3 выполнен в виде жесткой пружины.
Удерживающе-спусковой механизм 5 неподвижно закреплен в корпусе 1 и снабжен фиксирующими элементами 6.
Запорный клапан 2 содержит седло 7 и тарелку 14.
Тарелка 14 выполнена в виде барабана с ребордами 15. Реборды 15 снабжены уплотнениями 16.
На наружной поверхности 17 тарелки 14 в виде барабана имеется коническая канавка 18. Канавка 18 имеет возможность взаимодействия с фиксирующими элементами 6.
Между корпусом 1 и наружной поверхностью 17 тарелки 14 в виде барабана образована герметизированная полость 25 для удерживающе-спускового механизма 5. Герметизированная полость 25 заполнена смазкой.
Внутри тарелки 14 в виде барабана размещен проходной канал потока 19. Проходной канал потока 19 имеет поверхность конической формы 22 с расширением от входа 20 к выходу 21. На выходе 21 проходной канал потока 19 имеет поверхность цилиндрической формы 23.
Тарелка 14 в виде барабана содержит сменный штуцер 24, установленный в проходном канале потока 19 на входе 20. Тарелка 14 в виде барабана сопряжена с аккумулятором потенциальной энергии 3.
Седло 7 содержит циркуляционные каналы 9 на кольцевой ее части 8 и выполнено с приливом 10.
Прилив 10 образован цилиндрической поверхностью 11 и сферической поверхностью 12, выполненной со сферическим торцом 13.
Цилиндрическая поверхность 11 имеет возможность сопряжения с поверхностью цилиндрической формы 23 проходного канала потока 19.
Сферическая поверхность 12 имеет возможность сопряжения с поверхностью конической формы 22 проходного канала потока 19 на выходе 21.
Устройство работает следующим образом.
Устройство запорное устанавливают в скважину в составе бурильной колонны.
Устройство запорное позволяет осуществлять прямую и обратную циркуляцию потока при открытом клапане запорном 2.
В рабочем состоянии на клапан запорный 2 действует система сил:
у
Удерживающая сила - Р,
п
Потенциальная энергия аккумулятора 3 (снизу-вверх) - Р.
у
п
Величины сил Р, Р определяют при конструировании и изготовлении устройства и они должны удовлетворять неравенству:
у
п
Р>Р,
у
где Р - сила удерживающая;
п
Р - сила потенциальная.
При движении жидкости через сменный штуцер 24 возникают потери напора и, соответственно, сила, воздействующая на клапан запорный 2, направленная в ту или иную сторону, в зависимости от направления потока.
в
При осуществлении обратной циркуляции возникает сила от потери напора, воздействующая на клапан запорный 2 снизу-вверх (Р).
н
При нормативной интенсивности циркуляции или притока пластового флюида на клапан запорный 2 воздействует нормативная сила (Р).
При осуществлении прямой циркуляции (нагнетание по трубам сверху-вниз) с нормативной интенсивностью какого-либо нарушения циркуляции потока в устройстве не произойдет.
в
н
Если интенсивность потока (Р) превышает нормативную (Р), тогда удерживающе-спусковой механизм 5 срабатывает, при этом справедливо неравенство:
в
н
Р>Р,
в
где Р - сила от потери напора;
н
Р - сила нормативная.
Соотношение сил в устройстве должно отвечать условию:
у
п
н
Р-Р>кР,
где к - коэффициент запаса (допустимого увеличения притока относительно нормативного).
Соблюдение этого соотношения позволит осуществлять прямую и обратную циркуляцию в устройстве, спущенном в скважину, и получать приток пластовых флюидов с нормативной интенсивностью.
в
При значительном превышении количества жидкости протекающей сквозь штуцер 24 (более допустимого с учетом «к») резко возрастают потери напора, а значит и сила Р, воздействующая на клапан запорный 2 снизу-вверх, увеличивается.
В удерживающе-спусковом механизме 5, неподвижно закрепленном в корпусе 1, фиксирующие элементы 6 выйдут из конической канавки 18 и освободят тарелку 14.
Тарелка 14 под воздействием освободившейся потенциальной энергии (преобразующейся в кинетическую энергию) аккумулятора 3 мгновенно переместится («выстрелит») в крайнее верхнее положение, при этом прилив 10 седла 7 своей цилиндрической поверхностью 11 герметично перекроет проходной канал потока 19 (относительно поверхности цилиндрической формы 23), а оставшаяся жидкость будет удалена через циркуляционные каналы 9.
Устройство запорное самостоятельно «распознает» нештатную ситуацию и, не ожидая команды извне, мгновенно перекрывает проходной канал потока 19.
Открытие устройства запорного осуществляют следующим образом.
В трубное пространство нагнетают жидкость с интенсивностью, несколько большей той, при которой происходит закрытие устройства запорного. При этом под воздействием усилия в сменном штуцере 24, возникающего вследствие потерь напора (к) и направленного сверху-вниз, клапан запорный 2 переместится в крайнее нижнее положение, аккумулятор потенциальной энергии 3 зарядится (пружина сожмется), тарелка 14 зафиксируется фиксирующими элементами 6 удерживающе-спускового механизма 5 и клапан запорный 2 останется приведенным в рабочее состояние после плавного снижения интенсивности потока.
у
п
н
Устройство может быть закрыто и по команде с дневной поверхности, например, перед наращиванием бурильной колонны при бурении с регулированием дифференциального давления в системе скважина-пласт. Для этого достаточно увеличить величину депрессии, приток пластового флюида при этом возрастет и соотношение сил в устройстве запорном (Р-Р>кР) нарушится и произойдет перекрытие проходного канала потока 19.
Устройство запорное может быть установлено в подъемный лифт скважины или в любом ином месте.
Устройство запорное может быть использовано в различных поверхностных трубопроводах, в том числе во встречном направлении движения потока.
В этом случае, при необходимости, оно дополнительно снабжается приводом для открывания клапана.
вн
Устройство запорное реагирует на «плавное» увеличение интенсивности потока сквозь штуцер, например, при возникновении трещины или при иных утечках в проходном канале трубопровода. В любом случае, при превышении интенсивности потока сверх нормативного (Р), произойдет увеличение потерь напора (к) и клапан запорный освободится и перекроет проходной канал.
Возможность использования устройства запорного при установке в скважину в составе бурильной колонны или в подъемный лифт, или в любом ином месте, а также использование его в различных поверхностных трубопроводах позволяет расширить его функциональное применение.
Использование сменного штуцера позволяет применять устройства запорные для различных нормативных потоков.
В скважине или на любом используемом объекте может быть устанавлено несколько устройств запорных, что способствует повышению безопасности при осуществлении технологических операций.
Конструкция устройства запорного автономного обеспечивает возможность максимально-нормативной интенсивности пропуска потока относительно диаметра скважины, определяемого в каждом конкретном случае.
В предложенном устройстве запорном использованы детали и узлы, широко применяемые в нефтегазодобывающем оборудовании, и проведенные испытания опытного образца обусловливают, по мнению заявителя, его соответствие критерию «промышленная применимость».
Заявляемое устройство запорное автономное позволяет:
- обеспечить максимально-нормативную интенсивность пропуска потока;
- осуществлять контроль над закрытием запорного элемента, «распознает» нештатную ситуацию и, не ожидая команды извне, мгновенно перекрывает проходной канал потока;
- осуществлять открытие запорного элемента;
- повысить безопасность и надежность запорного устройства для проведения эксплуатационных работ;
- расширить функциональное применение.