Шаровой клапан для буровых скважин

Полезная модель относится к регулирующим или обратным клапанам для буровых скважин с запорным элементом, выполненным в виде шара.
Ресурс таких клапанов определяется в первую очередь долговечностью пары «шаровой запорный элемент – седло», а сфера применения – плотностью материала запорного элемента. Так, для клапанов, располагаемых в наклонном или горизонтальном положении, а также для быстродействующих клапанов желательно иметь запорный элемент из материала как можно более низкой плотности.
В настоящем описании седлом называется часть запорного устройства клапана, неподвижно закреплённая в его корпусе и непосредственно взаимодействующая с подвижным запорным элементом.
Так, известен шаровой клапан для обсадной колонны, включающий корпус с установленными в нём седлом для взаимодействия с запорным элементом, выполненным в виде шара, в котором седло в месте контакта с шаром снабжено уплотнительным эластичным элементом. С целью повышения надёжности срабатывания клапана в определённых условиях его запорный элемент-шар выполнен из материала низкой плотности, например капролона или на основе бакелита [RU 2478771]. Недостаток известного клапана состоит в его низкой надёжности по показателям безотказности и ресурса, что обусловлено малой механической прочностью и твёрдостью запорного элемента.
Известны шаровые клапаны, содержащие корпус с установленными в нём запорным элементом-шаром и седлом, в которых с целью повышения ресурса запорного элемента имеется внутренняя полость, внутри которой свободно расположен груз, выполненный в виде тела вращения [RU 2107859 и RU 2110002]. Свободное перемещение груза внутри полости вызывает вращение запорного элемента, и он каждый раз садится на седло новым местом, что, обеспечивая равномерность износа поверхности запорного элемента, повышает ресурс клапана. Недостатками известных клапанов являются нетехнологичность конструкции и недостаточная прочность тонкостенного запорного элемента.
Известны шаровые клапаны, содержащие корпус с установленными в нём седлом и шаровым запорным элементом, характеризуемые тем, что запорный элемент и седло выполнены из твёрдого сплава [RU 55018 и RU 70544]. Недостаток таких клапанов состоит в том, что запорные элементы из твёрдых сплавов очень тяжелы из-за входящего в их состав вольфрама. Это ограничивает круг их применения, поскольку работать в положении «седло сверху» они могут только при перепаде давлений от 40 кПа и выше. Их быстродействие невелико из-за большой массы запорного элемента.
11
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является шаровой клапан, содержащий корпус с установленными в нём седлом и запорным элементом, выполненным в виде шара из ситалла или плавленого кварца [RU 175100]. Недостатками известного клапана являются ограниченный срок службы из-за невысокой твёрдости (6…7 баллов по шкале Мооса или около 10 Па) двуокиси кремния, являющейся основой этих материалов, а также высокая стоимость.
Задачей настоящей полезной модели является создание такого клапана, который при долговечности, равной или превышающей долговечность известных аналогов, был бы пригоден для максимально широкого круга применений.
Техническими результатами от использования предложенной полезной модели являются повышение ресурса клапана и расширение круга его возможных применений.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном шаровом клапане, содержащем корпус с установленными в нём седлом и шаровым запорным элементом, запорный элемент и седло выполнены из технического сапфира, или корунда.
Благодаря выполнению седла и запорного элемента из технического сапфира, в уровне техники называемого также техническим корундом, существенно повышается их износостойкость и, соответственно, ресурс клапана.
Благодаря выполнению запорного элемента-шара из технического сапфира обеспечивается возможность использования клапана в наклонных или горизонтальных участках скважин, а также в качестве быстродействующего обратного клапана, срабатывающего при превышении давления снизу, что расширяет круг его возможных применений.
Существо полезной модели поясняется чертежом.
Предложенный клапан содержит корпус 1, концы которого снабжены резьбой для присоединения переводников. В корпусе 1 установлено и закреплено седло 2, выполненное в виде втулки и закреплённое в корпусе резьбовым кольцом 3. Внутренняя кромка 4 седла 2, обращённая внутрь корпуса 1, выполнена с возможностью взаимодействия с запорным элементом 5, выполненным в виде шара. В частности, она может быть выполнена в виде вогнутой галтели с радиусом, равным радиусу шара. Запорный элемент 5 установлен в направляющем элементе (клетке) 6 с возможностью продольного перемещения под давлением протекающей через клапан среды. Клетка 6 содержит окна 7 для перетекания проходящего через клапан скважинного флюида и зафиксирована от продольного перемещения стопорной шайбой 8. В верхней части клетка 6 имеет ограничитель 9 продольных перемещений запорного элемента 5. В качестве примера на чертеже ограничитель показан выполненным в виде поперечной шпильки.
Седло 2 уплотнено в корпусе 1 посредством кольцевой прокладки 10.
10
3
Седло 2 и запорный элемент 5 выполнены из технического сапфира, представляющего собой практически чистый оксид алюминия. Его твёрдость составляет около 2∙10 Па, что в полтора-два раза выше, чем у твёрдых сплавов на основе вольфрама. Его плотность лежит в пределах (3,9…4,1) г/см, что вдвое меньше, чем у закалённой стали, и почти вчетверо меньше, чем у твёрдых сплавов на основе вольфрама. Стоимость этого материала, выпускаемого в промышленных масштабах, почти вдвое меньше, чем у менее прочных ситаллов и плавленого кварца, что создаёт дополнительный аргумент в пользу предложенного клапана.
Технический сапфир является искусственной разновидностью минерала корунда, имеющего самую высокую после алмаза твёрдость по шкале Мооса. Это обеспечивает его исключительно высокую износостойкость. При этом его твёрдость в абсолютных единицах всё же вчетверо меньше, чем у алмаза, и потому он легко обрабатывается алмазным инструментом.
В ходе разработки настоящей полезной модели была установлена технологическая возможность и экономическая целесообразность изготовления из технического сапфира шара и седла с точностью, достаточной для практического использования в качестве запорной пары в клапане.
Экспериментальная проверка показала безотказность срабатывания клапана на закрывание в положении, когда седло 2 находится над шаровым запорным элементом 5 при перепаде давлений не более 10 кПа. Срабатывание клапана, находящегося в горизонтальном положении, происходит при перепаде давлений не свыше 6 кПа.
Таким образом, сфера применений предложенного клапана охватывает все возможные его пространственные положения, а перепад давлений, необходимый для его срабатывания и определяющий его быстродействие, лишь немногим меньше, чем у аналогов с запорным элементом из плавленого кварца или ситалла. Опыт практической эксплуатации показал полную функциональную взаимозаменяемость предложенного и известных клапанов. Опыт показал также существенное повышение долговечности предложенного клапана в условиях сильного насыщения песком проходящего через него флюида и частых срабатываний.
Ресурс предложенного клапана на момент подачи настоящей заявки пока не установлен из-за отсутствия отказов 26 испытуемых клапанов по причине износа запорных элементов. Но он существенно превышает средний ресурс известных клапанов, установленных в одно время с испытуемыми, среди которых 31 из 43 был выведен из эксплуатации по причине потери герметичности.