КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ

Полезная модель относится к буровому оборудованию, точнее к внутрискважинным клапанным устройствам, а именно к клапанам-отсекателям, затвор которых закрывается при взаимном смещении вложенных друг в друга патрубков, имеющих боковые отверстия и уплотнения.
Ниже представлены толкования или определения терминов, используемых в настоящем описании. В скобках указаны встречающиеся в уровне техники при описании аналогичных устройств эквивалентные названия аналогичных элементов. Определения терминов «клапан» и «затвор» соответствуют тому, как они используются в русской технической и патентной литературе по буровому делу.
Вертикальный - параллельный оси клапана, установленного в вертикальной скважине.
Верх, верхний - ближе к устью скважины. Соответственно низ, нижний - дальше от устья скважины, чем другие элементы клапана.
Гильзовый затвор - рабочий орган клапана, состоящий из вложенных друг в друга патрубков, имеющих боковые отверстия и уплотнения, закрытие которого происходит при взаимном смещении патрубков.
Глухой патрубок - патрубок, заглушенный с одного конца, имеющий дно. Может иметь радиальные, наклонные или тангенциальные отверстия в боковых стенках.
Затвор - рабочий орган клапана, непосредственно перекрывающий поток, запорное устройство. В настоящем описании затвором называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан - устройство для перекрытия потока, включающее привод, рабочий орган (затвор), присоединительные элементы. В настоящем описании клапаном называются все такие устройства независимо от их конструкции.
Клапан-отсекатель - в тексте настоящего описания, следующем ниже раздела «Описание прототипа», так называется только клапан, составляющий предмет настоящей полезной модели.
Многоходовый кулачковый механизм - механизм, у которого пространственный кулачок, совершая вращательное движение и взаимодействуя с выходным звеном (роликом, рычагом, пальцем), совершает один оборот за несколько циклов возвратно-поступательного движения выходного звена (см. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1981, с. 154, схемы поз. p, c, y). Англоязычный синоним такого механизма, используемого в настоящем изобретении, - j-slot mechanism, то есть механизм с J-образным пазом (далее j-slot механизм). В варианте исполнения такого механизма, использованном в настоящем изобретении, возвратно-поступательное движение с одновременным вращением совершает кулачок, а выходное звено (ролик, рычаг, палец) остается неподвижным относительно корпуса устройства.
Обратный (дифференциальный) клапан - клапан, пропускающий жидкость или газ только в одну сторону.
Патрубок (труба, втулка, стакан, гильза) - отрезок трубы, не обязательно гладкой, сравнительно небольшой (несколько диаметров) длины. Патрубок может быть ступенчатым, иметь отверстия, канавки или буртики на боковых поверхностях.
Палец - звено кулачкового механизма, взаимодействующее с пазом кулачка. Может быть выполнен в виде стержня, рычага или ролика.
Сквозной патрубок - патрубок, открытый с обоих концов.
Известен клапан-отсекатель, управляемый изменениями давлением пластовой жидкости над и под ним, включающий разъемный корпус из трех свинчивающихся цилиндрических деталей с ввернутыми в него верхним и нижним переводниками, запорный орган в виде подвижного корпуса-патрубка, с посадочной поверхностью в нижней части, взаимодействующей с седлом, выполненным в нижнем переводнике, а также элементы привода в виде установленного в корпусе с возможностью скольжения подпружиненного ступенчатого сквозного патрубка с радиальными отверстиями и шаровых обратных клапанов, один из которых установлен на верхнем конце сквозного патрубка, а другой - на верхнем конце корпуса-патрубка [RU 2516708]. Наличие разъемного корпуса снижает его прочность, создает риск развертывания резьбовых соединений корпуса при отсоединении клапана-отсекателя от других элементов скважинного оборудования. Еще один недостаток клапана состоит в его низкой надежности, связанной с тем, что при свертывании корпуса с выше- и нижерасположенными элементами скважинного оборудования возникают большие усилия, необходимые для плотного соединения на конической резьбе. Эти усилия могут деформировать корпус, по внутренней поверхности которого скользит сквозной патрубок, что приводит к заеданию, прихватам, повреждению прокладок из-за возможных задиров и нарушению герметичности клапана.
Известен также клапан-отсекатель с гильзовым затвором, включающий корпус с ввернутым в него сверху переводником, выполненный в виде глухого неподвижного патрубка, и установленный в него с возможностью скольжения сквозной подвижный патрубок, снабженные радиальными отверстиями [RU 2007547]. Клапан не имеет собственного привода, а приводится в действие штоком, соединенным со вставным насосом. Недостатками известного клапана являются его узкая специализация и невозможность присоединять к нему снизу какое-либо внутрискважинное оборудование. Еще один недостаток этого клапана состоит в низкой надежности, обусловленной возможностью прихвата и задиров из-за деформации корпуса, вызванной усилиями при свертывании его с элементами скважинного оборудования.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является гильзовый клапан-отсекатель, присоединяемый к колонне насосно-компрессорных труб, содержащий корпус с трубной конической резьбой для переводника в нижней части и установленный в нем гильзовый затвор, включающий плотно посаженный в корпусе глухой патрубок с уплотнениями, верхняя часть которого имеет глухое дно, и установленный с возможностью скольжения между ним и корпусом сквозной патрубок, снабженные радиальными отверстиями [RU 2102582]. Приводом клапана является вставной насос, при соединении которого с клапаном он открывается, а при подъеме насоса - закрывается. Функциональные возможности клапана невелики, поскольку для его закрытия требуется непременно поднимать насос.
Использование внутренней поверхности корпуса в качестве опорной для скольжения сквозного патрубка порождает риск заедания или прихвата патрубка вследствие деформаций корпуса усилиями затяжки резьбовых соединений. Для известного клапана, имеющего небольшую длину, и приводимого в действие механическим усилием, этот риск сравнительно невелик. Но он стремительно увеличивается, а надежность клапана известной конструкции уменьшается при попытке оснастить его средствами независимого привода. Эти средства, как правило, не могут развивать усилий, доступных механическим средствам. Кроме того, чтобы их разместить требуется увеличить длину корпуса, что еще более повышает чувствительность всей конструкции к внешним усилиям.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности клапана-отсекателя с гильзовым затвором, открываемого и закрываемого без применения механических средств.
Технический результат от применения предложенного клапана-отсекателя состоит в повышении эксплуатационной надежности.
Указанные результаты достигаются тем, что известный клапан-отсекатель, содержащий корпус, установленный в корпусе гильзовый затвор, включающий сквозной и глухой патрубки, снабженные сквозными отверстиями на боковых стенках, дополнительно включает скрепленные с корпусом верхний и нижний переводники, нижняя часть верхнего переводника выполнена в виде втулки, внутренняя поверхность которой является продолжением внутренней поверхности скрепленной с ней верхней части сквозного патрубка, верхняя часть нижнего переводника выполнена в виде втулки со сквозными отверстиями в боковой стенке, нижняя часть сквозного патрубка свободно посажена на эту втулку, а глухой патрубок выполнен подвижным и установлен глухим дном книзу с возможностью скольжения внутри верхнего переводника и сквозного патрубка.
Благодаря включению в состав клапана-отсекателя переводников, ввернутых в верхний и нижний концы корпуса, выполнению их концов в виде втулок, служащих для фиксации и центрирования неподвижного сквозного патрубка, а также свободной (с гарантированным зазором) посадке нижней части сквозного патрубка на втулку нижнего переводника, повышается надежность клапана-отсекателя, поскольку деформации корпуса, вызванные закручиванием переводников и воздействием нагрузок от внутрискважинного оборудования, не передаются взаимно скользящим патрубкам.
Этот же результат достигается благодаря выполнению нижней части верхнего переводника в виде втулки и скреплению верхней части сквозного патрубка с ней так, что их внутренние поверхности совпадают, и установке глухого патрубка с возможностью скольжения внутри цилиндрического пространства, образованного внутренними поверхностями верхнего переводника и сквозного патрубка.
Благодаря тому, что пространство, в котором происходит скольжение подвижного глухого патрубка, образовано скреплением двух деталей, внутренние поверхности которых образуют продолжение одна другой, упрощается и удешевляется изготовление клапана, поскольку уменьшается длина его деталей, внутренняя поверхность которых подвергается точной обработке.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены варианты исполнения предложенного клапана-отсекателя.
На фиг. 1 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «открыто».
На фиг. 2 изображен предложенный клапан-отсекатель в положении «закрыто».
На чертежах клапан-отсекатель изображен в вертикальном положении верхним концом к устью скважины.
Предложенный клапан-отсекатель (фиг. 1) содержит корпус 1, в который с нижнего конца ввернут переводник 2, верхняя часть которого выполнена в виде цилиндрической втулки 3 со сквозными отверстиями 4 в боковой стенке. В настоящем описании под словами «сквозные отверстия» подразумеваются отверстия, проходящие через стенку патрубка или втулки, независимо от того, какой угол их оси составляют с осью клапана и пересекаются ли продолжения их осей с осью клапана. Иными словами, отверстия в боковых стенках патрубков и втулок, в том числе и отверстия 4 могут быть радиальными, наклонными или тангенциальными.
С верхнего конца корпуса в него ввернут переводник 5, ниппельная резьбовая коническая часть 6 которого в нижней его части переходит во втулку 7, имеющую внизу участок 8 с внутренней резьбой. В эту резьбу ввернут сквозной патрубок 9. Внутренние поверхности переводника 5 и сквозного патрубка 9 являются продолжением одна другой.
Выше участка 8 переводник 5 имеет, по меньшей мере, одну кольцевую канавку, в которой установлено уплотнение 10. Все уплотнения предложенного клапана-отсекателя - обычного типа, например, в виде упругих колец или манжет, помещенных в канавки на наружной стороне цилиндрических деталей. Работа клапана более надежна, когда каждое уплотнение содержит два или три кольца/манжеты, помещенные каждое в свою канавку.
Нижняя часть сквозного патрубка 9 свободно посажена на втулку 3, которая центрирует ее в корпусе 1. Величина гарантированного зазора между поверхностями патрубка 9 и втулки 3 устанавливается в зависимости от размеров клапана-отсекателя такой, чтобы усилия от возможных ожидаемых деформаций корпуса 1 не передавались патрубку 9. Этим предотвращаются заедание и прихваты гильзового затвора.
В верхней части сквозной патрубок 9 имеет сквозные отверстия 11, расположенные немного ниже конца резьбовой части.
Внутри переводника 5 и сквозного патрубка 9 соосно с ними установлен с возможностью скольжения подвижной глухой патрубок 12, верхний конец которого открыт, а нижний выполнен глухим, то есть имеет сплошное дно. В уровне техники подобные подвижные элементы с глухим дном иногда называют поршнем или плунжером. Возможность скольжения обеспечена совместной обработкой внутренних поверхностей переводника 5 и патрубка 9 так, чтобы эти поверхности точно продолжали одна другую. В боковой стенке глухого патрубка 12 имеются сквозные отверстия 13. Для того чтобы при совмещении уровней осей отверстий 11 и 13 проход жидкости через них был обеспечен при любом взаимном угловом положении обоих патрубков, на уровне отверстий 13 наружная поверхность патрубка 12 снабжена лысками 14, отверстия 11 выполнены прямоугольными, а на уровне отверстий 11 патрубок 9 имеет изнутри кольцевую проточку 15.
Патрубок 12 имеет, по меньшей мере, три уплотнения 16, 17 и 18, расположенные выше и ниже отверстий 13, а также в его верхней части.
Надежность клапана-отсекателя наиболее высока, если в нижнем положении патрубка 12 не менее 1/4 его длины остается внутри втулки 7 верхнего переводника.
Привод предложенного клапана может быть внешним, механическим или гидравлическим. Но предпочтительно иметь возможность управлять клапаном, изменяя давление над и под ним, не прибегая к использованию внешнего привода. Такой управляемый давлением клапан-отсекатель представлен в описании настоящей полезной модели в качестве примера конкретного выполнения. Помимо гильзового затвора он содержит элементы привода: обратный клапан и многоходовый кулачковый механизм.
Обратный клапан, открываемый давлением снизу, установлен в верхней части патрубка 12 над отверстиями 13. На чертежах в качестве примера показан шаровой клапан с запорным телом в виде шара 19, ложащегося на седло 20. Клетка клапана образована расширением внутреннего канала патрубка 12. Выпадение шара 19 предотвращается штифтом 21, устанавливаемым на резьбе или плотной посадке.
Боковая стенка глухого патрубка 12 ниже отверстий 13 и уплотнения 18 выполнена в виде кулачка, имеющего замкнутый фигурный кулачковый паз (канавку) 22, форма которой обеспечивает управление клапаном посредством попеременного изменения давления над и под ним, а также фиксацию клапана-отсекателя в положениях «открыто» и «закрыто». В зависимости от назначения клапана-отсекателя конфигурация кулачкового паза, определяющая алгоритм управления, может быть различной.
Для защиты кулачкового механизма от загрязнения под глухим патрубком 12 может быть установлен выполненный заодно с ним или скрепленный с ним поршень-скребок 23 (фиг. 2).
Вторым звеном кулачкового механизма является палец 24, установленный в отверстии сквозного патрубка 9, входящий в кулачковый паз 22 и взаимодействующий с ним. Для снижения вероятности перекоса предпочтительно чтобы таких пальцев было не менее двух и чтобы они были расположены симметрично по окружности патрубка 9. На чертежах в качестве примера показаны два пальца 24, установленные на диаметрально противоположных сторонах патрубка 9. Для снижения трения конструкция пальцев может быть усложнена, например, выполнением их в виде роликов.
Для снижения чувствительности клапана-отсекателя к перекосам кулачковая часть патрубка 12 и поршень-скребок 23 могут быть выполнены как отдельные детали и сопряжены между собой посредством подвижных вращательно-осевых соединений, то есть соединений, фиксирующих детали в осевом направлении и допускающих свободу вращения кулачка относительно патрубка 12. Небольшие зазоры в соединениях способствуют снижению чувствительности гильзового затвора к перекосам и деформациям корпуса.
Внутренний канал патрубка 12 может заходить внутрь участка, несущего пазы кулачкового механизма. Это облегчает патрубок, что особенно важно для клапанов-отсекателей больших диаметров. Для обеспечения приемлемой жесткости толщина стенки патрубка 12 должна, по меньшей мере, быть равной удвоенной глубине пазов.
Использование многоходового кулачкового механизма и обратного клапана расширяет функциональные возможности клапана-отсекателя, а поршень-скребок повышает его надежность. Возможны и другие решения, позволяющие управлять клапаном-отсекателем, изменяя давление среды над и под ним.
Предложенный клапан-отсекатель работает следующим образом.
В открытом положении (фиг. 1) отверстия 11 и 13 совмещены, шар 19 приподнят давлением пластовой жидкости над седлом 20, клапан открыт. Пластовая жидкость через отверстия 4 попадает в кольцевое пространство между корпусом 1 и сквозным патрубком 9, поднимается к совмещенным отверстиям 11 и 13 и через них и открытый обратный клапан - к выходу из клапана-отсекателя.
При необходимости закрыть клапан увеличивают давление над ним, шар 19 садится на седло 20, обратный клапан закрывается. Под давлением сверху глухой патрубок 12, направляемый внутренними стенками втулки 7 и сквозного патрубка 9, скользит вниз, отверстия 11 и 13 расходятся, клапан-отсекатель закрывается. Пальцы 24, взаимодействуя с кулачковым пазом 22, фиксируют глухой патрубок 12 в нижнем положении.
Клапан-отсекатель преимущественно предназначается для работы в комплексе защиты пласта КЗП КОУГ, включающем (перечисление элементов снизу вверх):
клапан-отсекатель для разобщения надпакерной и подпакерной зон скважины;
пакер, предназначенный для герметизации кольцевого межтрубного пространства;
расцеп и ловильную головку, предназначенные для доставки комплекса в интервал установки и для извлечения его на поверхность;
протектор для улавливания посторонних предметов, попадающих в скважину.
Нижний конец клапана-отсекателя свободно открыт в подпакерное (пластовое) пространство скважины.
Предложенный клапан-отсекатель в исполнении согласно фиг. 2 показал высокую надежность по таким показателям, как наработка на отказ и долговечность. Отказов по причине заедания и прихватов подвижных элементов не отмечалось ни разу.