Регулятор расхода воды
WATER FLOW REGULATOR

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для поддержания заданного расхода воды в нагнетательные скважины систем поддержания пластового давления нефтяных месторождений.
Известно, что в процессе разработки нефтяных месторождений происходит изменение приемистости нагнетательных скважин и изменение давления в трубопроводах высокого давления для подвода воды. Для поддержания требуемых объемов закачки воды в ту или иную нагнетательную скважину требуется автоматическое регулирование расходов.
Известен регулятор расхода, содержащий корпус с входным и выходным каналами, соединенными через регулирующий клапан, образованный окном-седлом и расположенной над ним упругой пластиной, один конец которой закреплен на корпусе, а другой, свободный, контактирует с опорной поверхностью элемента настройки упругой пластины (Патент РФ на изобретение №2032927, заявл. 21.10.1992, опубл. 10.04.1995). Опорная поверхность выполнена плоской и расположена под углом относительно окна-седла.
Другим вариантом исполнения регулятора расхода для более точного выполнения гиперболического закона регулирования предусматривается выполнение опорной поверхности элемента настройки упругой пластины в виде параболического профиля. Регулятор расходов может содержать фиксатор начального прогиба упругой пластины, выполненный в виде прижимного винта с регулируемым вылетом, установленного в средней части упругой пластины, свободный конец которой, в свою очередь, может быть поджат к опорной поверхности элемента настройки пружинами, расположенными с ее обеих боковых сторон.
При таком исполнении регулятора реализуется схема нагружения упругой пластины с двумя перемещающимися точками опоры, одновременно являющимися точками контакта пластины с дросселирующими кромками окна-седла и опорной поверхностью элемента настройки.
Недостатком аналога является сложность конструкции и низкая надежность работы регулятора.
Известно гидравлическое регулирующее устройство для регулирования расхода жидкости, у которого в корпусе со входным и выходным каналами имеется регулирующий орган, выполненный в виде сильфона с рабочей камерой и направляющей осью (Патент РФ на изобретение №2131140, заявл. 10.06.1997, опубл. 27.05.1999). Один из торцов сильфона закрыт крышкой и соединен с корпусом и направляющей осью, в которой выполнен обводной канал, перекрываемый управляющим клапаном, а другой - подвижный торец, который закрыт регулирующим клапаном с осевым отверстием для размещения в нем с кольцевым зазором направляющей оси с выполненными на ней наклонными пазами или лысками. Это делает переменной площадь кольцевого зазора по мере открытия регулирующего клапана и взаимоувязывает его с работой управляющего клапана путем дозированного пропуска рабочей жидкости в рабочую камеру. Привод управляющего клапана выполнен в виде маломощной манометрической термосистемы с термобаллоном, снабженным электроподогревательной системой. При закрытом управляющем клапане происходит перекрытие проходного отверстия устройства подвижным торцом сильфона, а при открытом - соответствующее его открытие с пропуском расхода рабочей жидкости. Однако в сточных водах, закачиваемых в пласты, содержится достаточно большое количество твердых взвешенных частиц (10…300 мг/л), которые вызывают износ тонкостенного сильфона и ускоренный выход из строя регулятора.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является регулятор расхода воды в нагнетательные скважины нефтяных месторождений, в центральной части корпуса которого неподвижно размещена гильза с входным верхним и выходным нижним окнами, внутри которой герметично размещен подвижный золотник с вертикальным и горизонтальным каналами, а также дросселирующим каналом малого диаметра, поджимаемый снизу пружиной (Патент РФ на полезную модель №129670, заявл. 18.02.2013 г., опубл. 27.06.2013 г., БИ №13). При подаче заданного расхода воды в скважину, создаваемый напор переместит золотник вниз, открыв доступ жидкости в напорный канал. При этом пружина частично сожмется, а выходное окно частично перекроется боковой поверхностью золотника. В итоге во входной полости клапана и внутри золотника будет создан определенный перепад давления, соответствующий данному расходу воды.
Однако конструкция гильзы 6 (см. описание патента РФ на полезную модель №129670) не позволяет производить регулирование расхода воды из-за отсутствия гидравлической связи между входным окном 7 и выходным окном 8. При этом в верхней части гильзы 6 образована замкнутая полость, не способствующая выполнению поставленной цели.
Технической результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности его работы.
Поставленный технический результат решается описываемым регулятором расхода воды, включающим корпус с входной и выходной полостями, крышку, гильзу со сквозными окнами, золотник со сквозным окном и отверстием, герметично расположенный в гильзе и подпираемый снизу пружиной, а сверху перекрываемый коническим клапаном с регулировочным штоком, выходящим наружу через сальник и грундбуксу с возможностью регулирования положения конического клапана.
Новым является то, что в нижней части гильзы выполнен шлицевый выступ, входящий в канавку золотника, в верхней же части гильзы по окружности выполнено внутреннее кольцевое углубление, а в верхней части золотника выполнено, напротив, наружное кольцевое углубление с неполным охватом наружной поверхности золотника по окружности, причем углубления в гильзе и в золотнике перекрывают друг друга при любом изменении положения золотника.
На фиг. 1 показана схема регулятора расхода воды, на фиг. 2 - обвязка регулятора расхода воды.
В корпусе 1 (фиг. 1) регулятора расхода воды выполнены входная 2 и выходная 3 полости для закачиваемой воды. В центральной части корпуса выполнена вертикальная разделительная полость, которая в верхней части перекрыта крышкой 4, а в нижней - частью гильзы 5, в которой выполнены сквозные окна 6 и 7, а в ее верхней части выполнено внутреннее кольцевое углубление 8. В нижней части гильзы 5 размещена пружина 9.
Внутри гильзы 5 герметично размещен золотник 10 со сквозным окном 11, отверстием 12 и наружным кольцевым углублением 13 на внешней стороне, выполненным неполным по окружности. Над верхним торцом золотника 10 размещен конический клапан 14 с регулировочным штоком 15, выходящим через сальник 16 и грундбуксу 17. В нижней части гильзы выполнен шлицевый выступ 18, входящий в канавку 19 золотника 10. Регулировочный шток 15 конического клапана 14 имеет наружный привод вертикального положения (на фиг. не показан).
Работа регулятора расхода воды состоит в следующем.
Вначале производится его тарировка на различные расходы воды изменениями положений регулировочного штока 15. Каждому положению регулировочного штока 15 будут соответствовать свой расход воды и перепад давления между входной полостью 2 и внутренней полостью золотника 10.
Конструкции золотника 10 и гильзы 5 выполнены таким образом, что внутреннее кольцевое углубление 8 и сквозное окно 6 перекрывают друг друга при любом положении золотника 10.
При установке регулировочного штока 15 в определенном положении в условиях отсутствия потока воды пружина 9 прижимает золотник 10 к коническому клапану 14. При этом сквозное окно 11 золотника 10 максимально сообщено со сквозным окном 7 гильзы 5.
При подаче заданного расхода воды в скважину, создаваемый напор во входной полости 2 клапана переместит золотник 10 вниз, открыв доступ жидкости через наружное 13 и внутреннее 8 кольцевые углубления, а также через сквозные окна 11 и 7 в выходную полость 3 корпуса 1 (показано стрелками). При этом пружина 9 частично сожмется, а сквозное окно 7 частично перекроется боковой поверхностью золотника 10. В итоге во входной полости 2 и внутренней полости золотника 10 будет создан определенный перепад давления, соответствующий данному расходу воды. Величина перепада давления будет определяться положением регулировочного штока 15 и упругостью пружины 9.
В процессе закачки воды в нагнетательную скважину по истечению продолжительного времени из-за ухудшения приемистости продуктивного пласта может уменьшиться ее расход, и давление в выходной полости 3 возрасти. В таких случаях давления во входной полости 2 и внутри золотника 10 будут стремиться выравниваться. Однако при этом на золотник 10 будет сохраняться сила действия пружины 9, которая переместит золотник 10 вверх и увеличит просвет между сквозными окнами 11 и 7, а следовательно, и расход жидкости из входной полости 2 в выходную полость 3. В итоге расход воды сохранится прежним. Присутствие отверстия 12 позволяет выравнивать давления по обе стороны днища золотника 10, а наличие шлицевого выступа 18 предупреждает повороты золотника 10 вокруг оси.
При снижении давления нагнетания воды в скважину схема сохранения расхода изменится на противоположную.
Технико-экономическим преимуществом регулятора расхода воды в нагнетательные скважины является возможность автоматического поддержания заданного расхода при внешних изменениях давлений во входной и выходной полостях устройства.
3
В АО "Геотех" на ДНС «Заречное» (Республика Татарстан) были проведены испытания опытного образца регулятора расхода воды 20 (фиг. 2) в нагнетательные скважины. Регулятор расхода воды 20 с электроприводом был смонтирован на байпасной линии 21 от насоса на ДНС до нагнетательных скважин 85 и 89 (на фигурах не показаны). Расходомер воды и манометр были установлены внутри насосной на ДНС (на фигурах не показаны). Максимально допустимое значение давления на выкиде насоса (на фигурах не показан) составляло 9,5 МПа. В период работы, расход воды, создаваемый плунжерным насосом (на фигурах не показан), составлял 9,6 м/ч. Среднее значение давления на выходе из регулятора расхода воды 21 составляло 7,15 МПа. Закрытие задвижки 22 на байпасной линии 21 сразу приводило к превышению допустимого давления на выкиде насоса. Поэтому дальнейшие работы были проведены на частично открытых задвижках 22 и 23. Эксперимент по определению работоспособности регулятора расхода воды состоял в следующем. При минимально открытой задвижке 22 на байпасной линии 21 производилось частичное прикрытие напорной задвижки 24, установленной на линии 25 после регулятора расхода воды 20. Давление между регулятором расхода воды и напорной задвижкой 24 составило 8,14 МПа. Давление на входе в регулятор расхода воды составило 8,5 МПа. Далее напорная задвижка 24 регулятора прикрывалась на небольшую величину, и давление поднималось до 8,4 МПа. При этом давление на входе в регулятор расхода жидкости сохранялось постоянным - 8,45…8,55 МПа. Иными словами, повышение давления за задвижкой (имитация снижения приемистости нагнетательной скважины) не привело к заметному изменению давления на входе. Полученные результаты свидетельствуют о реакции регулятора расхода воды на изменения давления в линии нагнетательной скважины. Сохранение давления на входе свидетельствовало о сохранении расхода воды в линии установки регулятора расхода воды.