Клапан-пароотсекатель

Полезная модель относится к нефтедобывающей отрасли, в частности к клапанным устройствам для эксплуатационных скважин и может быть использовано при подземном способе добычи нефти.
В технологии добычи нефти наблюдается тренд на увеличение давления и температуры пара. Вязкость нефти при повышении температуры понижается и даже небольшой зазор при неполном закрытии гидрозатвора может привести к его опорожнению, вследствие чего происходит утечка пара и попутных газов в горные выработки и существенно ухудшаются условия работы в нефтяных шахтах.
Известна конструкция отсекателя пара (патент № 2625061 [1]), содержащего корпус, гидравлически сообщающийся с устьем скважины, два выпускных клапана с поплавковым приводом, выполненным в виде консоли, шарнирно закрепленной в корпусе с возможностью перемещения консоли в вертикальной плоскости, на свободном конце которой закреплен горизонтальный поплавок.
Недостатками известной конструкции является склонность к накоплению во внутренней полости песка, что уменьшает рабочий ход поплавка, вследствие чего клапаны не закрываются полностью и происходит утечка пара и попутных газов.
Известен способ дренирования жидкости со скважин при подземном способе добычи нефти (патент № 2642759 [2]) и устройство для его осуществления (патент № 2632349 [3]) автоматизирующие процесс спуска жидкости из скважин. Конструкция состоит из двух камер, разделенных между собой дроссельной перегородкой. Поплавок, находящийся в верхней камере, соединен штоком сквозь дроссельную перегородку с клапанным узлом, расположенным в нижней камере. Нижний наконечник штока оснащен двойным клапаном, малый клапан находится внутри большого, выполнен в виде полого цилиндра со сквозными отверстиями в стенках с возможностью перемещения внутри большого клапана с одной степенью свободы по общей вертикальной оси. В нижней торцевой крышке установлена втулка сброса, выполняющая функцию нижнего отвода, в центральном отверстии которой жестко установлено седло; на торцевой поверхности втулки сброса по внешнему диаметру установлена гильза с отверстиями упирающаяся в дроссельную перегородку.
Наличие крепления только с одной стороны поплавка приводит к смещению поплавка относительно продольной оси корпуса, как из-за отклонения корпуса от вертикальной оси, так и из-за воздействия гидравлических потоков на поплавок. Отклонение поплавка приводит к смещению осей  малого и большого клапанов относительно друг друга и относительно оси седла, появляется зазор клапанов малого и большого относительно друг друга при закрытии седла. При смещении из-за конусной формы образуются серповидные зазоры, что приводит к несрабатыванию устройства из-за отсутствии герметичного запирания клапанами седла при сливе жидкости, опорожнению устройства дренажного и прорыву пара и газов в горную выработку.
Наличие малого клапана, выполненного в виде полого цилиндра со сквозными прорезями в стенках усложняет конструкцию, так как требует конструктивных решений уменьшающих трение, приводящее в том числе к смещению клапанов и их перекосу. Полное запирание клапанов осуществляется утолщением на штоке и не зависит от наличия или отсутствия малого клапана. Плавная регулировка расхода при открытии малого клапана может быть обеспечена конической формой штока внутри отверстия, приводящего к изменению площади кольцевого зазора.
Двухкамерная конструкция корпуса, вызванная необходимостью увеличить расстояние между опорами поплавка, чтобы компенсировать консольный способ крепления, приводит к падению скорости потока, а следовательно к образованию застойных зон и осаждению частиц. При больших расходах жидкости частицы вымываются вместе с потоком жидкости, при малых расходах накопление частиц ускоряется. При малых расходах частицы могут попадать в зазор между седлом и клапаном, и препятствовать полному закрытию. Недостатки известных устройств устраняет заявляемое техническое решение.
Технический результат - обеспечить надежность клапана-пароотсекателя, а также повысить безопасность его применения за счет устранения утечки паров и попутных газов при работе устройства.
Технический результат достигается за счет крепления и движения штока в направляющих с двух сторон поплавка, что снижает возможный угол отклонения от продольной оси и исключает возможные перекосы, приводящие к заклиниванию поплавка или появлению зазора между клапанами. Кроме того, для обеспечения гарантированного закрытия контактирующие поверхности выполнены с радиусной фаской, обеспечивающий контакт сферической поверхности и цилиндрической кромки, обеспечивая смыкание поверхностей по окружности.
Дополнительно однообъемная конструкция корпуса способствует вымыванию абразивных частиц вместе с потоком жидкости, что препятствует их накоплению: отсутствие дросселирующих перегородок и сложной формы траектории движения жидкости снижает гидравлическое сопротивление и способствует выносу частиц из внутренней полости устройства потоком даже небольшой скорости.
Данную полезную модель поясняют изображения на фиг.1-8.
На фиг.1 изображен продольный разрез клапана-пароотсекателя, на фиг.2 разрез нижней части корпуса в изометрии в разрезе. На фиг.3. изображена схема расположения клапана конической формы и седла при смещении осей, вид сопряжения снизу и возникающие при таком сопряжении зазоры изображены на фиг.4. Схема расположения клапана с радиусной фаской и седла при смещении изображена на фиг.5 и вид снизу на фиг.6, соответственно. На фиг.7 изображен вариант выполнения клапана в форме тороида, а на фиг.8 вариант выполнения клапана в виде плоской шайбы.
Клапан-пароотсекатель содержит корпус 1, выполненный разъемным, например при помощи фланцевого соединения 2. В верхней части корпуса 1 расположен верхний отвод 3, в боковой стенке расположены боковые отводы 4, в нижней части корпуса - нижний отвод 5. Внутри корпуса 1 напротив верхнего отвода 3 закреплен рассекатель 6.
Внутри корпуса 1 к нижнему отводу 5 крепится нижнее крепление 7. Нижнее крепление 7 содержит отверстие в верхней торцевой поверхности, и отверстия (как вариант, продольные сквозные пазы) в боковой поверхности, посредством которых внутренняя полость корпуса 1, через отверстие нижнего отвода 5, может быть соединена с атмосферой.  В отверстии нижнего отвода 5 соосно установлено съемное седло 8.
Внутри корпуса 1 установлен поплавок 9, шток 10 которого, закрепленный в нижней части поплавка 9, проходит сквозь отверстие в торцевой поверхности нижнего крепления 7.
Шток 10 проходит сквозь центральное отверстие клапана 11. Клапан 11 расположен внутри нижнего крепления 7, имеет возможность перемещения вдоль штока 10 и внутри нижнего крепления 7 с одной степенью свободы по общей вертикальной оси. Наконечник 12 штока 10 выполнен двухступенчатым, с уменьшающимся диаметром ступеней, первая ступень выполнена цилиндрической с радиусной фаской, вторая ступень выполнена конической и заканчивается расширением-юбкой.
Контактирующая со съемным седлом 8 посадочная поверхность клапана 11 имеет радиусную фаску; радиусная фаска цилиндрической ступени наконечника 12 штока 10 контактирует в нижнем положении поплавка 9 с кромкой осевого отверстия клапана 11.
Клапан 11 может быть изготовлен в виде тороида 15 (фиг.7), в этом случае цилиндрическая ступень наконечника 12 штока 10 изготавливается без снятия фаски. Также возможен вариант выполнения клапана 11 в виде плоской шайбы с острыми краями. В этом случае и цилиндрическая ступень наконечника 12 штока 10 и кромка съемного седла 8 выполнены с радиальной фаской. Во всех вариантах исполнения клапана 11 обеспечивается контакт сферической поверхности и цилиндрической кромки, обеспечивая смыкание поверхностей по окружности.
Поплавок 9 в верхней части имеет дополнительный шток 13, проходящий через отверстие верхнего крепления 14, закрепленного на рассекателе 6.
Контактирующая со съемным седлом 8 наружная посадочная поверхность клапана 11 имеет радиусную фаску. В свою очередь, при нахождении поплавка 9 в нижнем положении, радиусная фаска цилиндрической ступени наконечника 12 штока 10 контактирует с кромкой отверстия клапана 11. Конус наконечника штока 12 служит для центрирования клапана 11 относительно оси штока.
Клапан-пароотсекатель работает следующим образом. Через верхний отвод 3 и рассекатель 6 жидкость попадает внутрь корпуса 1, где находится поплавок 9. При высоком уровне жидкости поплавок 9 поднимается вверх вдоль продольной оси штока 10 и дополнительного штока 13, движущихся по отверстиям в торцевой поверхности нижнего крепления 7 и верхнего крепления 14. Крепления 7 и 14, расположенные с двух сторон поплавка 9, предотвращают отклонение его от продольной оси вследствие смещения вертикальной оси корпуса или воздействия на поплавок 9 гидравлического потока жидкости. Клапан 11 может быть изготовлен в виде тороида 15 (фиг.7), в этом случае цилиндрическая ступень наконечника 12 штока 10 изготавливается без снятия фаски.
Подъем поплавка 9 вызывает появление зазора между кромкой отверстия клапана 11 и радиусной фаской цилиндрической ступени наконечника 12 штока 10. Жидкость, проходящая через отверстия в боковой поверхности нижнего крепления 7, через нижний отвод 5 отводится из корпуса 1. Если пропускной способности не хватает, и уровень жидкости продолжает повышаться, то расширение-юбка наконечника 12 штока 10 поднимает клапан 11.
При понижении уровня жидкости в корпусе 1 поплавок 9 опускается, клапан 11 закрывается, затем закрывается зазор между отверстием в клапане 11 и наконечником 12 штока 10. Центрирование клапана 11 осуществляется за счет наружной поверхности клапана, контактирующей с нижним креплением 7 и за счет внутреннего отверстия, центрируемого конической ступенью наконечника 12 штока 10. Кроме того, дополнительная защита от утечек при закрытии достигается за счет выполнения одной из контактирующих поверхностей в виде сферической поверхности, что исключает образование даже минимальных зазоров за счет оптимальной геометрии контакта (фиг.5-8). Перекос при конической форме поверхности приводит к появлению серповидных зазоров так как форма контакта отличается от окружности, что проиллюстрировано на фиг.3-4.
Литература
1. Патент на изобретение № 2625061 Отсекатель пара для подземной скважины при термошахтной разработке нефтяных месторождений, Г.Ф.Чикишев, И.В.Герасимов, Д.В.Коровин, В.В.Кучумова, Ю.П.Коноплев, Е.В.Кольцов, С.Н.Талалай. МПК: EE21B43/2406
2. Патент на изобретение № 2642759 Способ дренирования жидкости со скважин при подземном способе добычи нефти, А.А.Самбурова, М.Ю.Сергеев. МПК: E21B 34/02, F16K 31/18
3. Патент на изобретение № 2632349 Устройство дренажное, А.А.Самбурова, М.Ю.Сергеев. МПК: E21B 34/02, F16K 31/18 - прототип.