Верхний изолирующий клапан
UPPER ISOLATING VALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТНИЕ
Предложенное изобретение относится к запорным клапанам и может использоваться в качестве верхнего изолирующего клапана в составе системы доступа в скважину, создающего главный рабочий барьер в эксплуатационном стволе райзера для обеспечения безопасного проведения операций по заканчиванию и капитальному ремонту скважин при подводной добыче углеводородов. Клапан, в частности, обеспечивает возможность глушения скважины в аварийной ситуации за счет открытия клапана продавливанием жидкостью для глушения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен шаровой клапан согласно патенту US 6708946, опубл. 23.03.2004 г. Общими признаками с заявляемым изобретением являются наличие в клапане корпуса, обоймы с шаром, в котором выполнен проходной канал, при этом обеспечивается вращение шара вокруг своей оси. В данном клапане шар имеет только вращательное соединение, обойма с шаром не перемещается. Недостатком клапана является невозможность открытия клапана продавливанием и низкая надежность.
Известен шаровой клапан согласно патенту US 7963339, опубл. 21.06.2011 г. Общими признаками с заявляемым изобретением являются наличие в клапане корпуса, обоймы с шаром, в котором выполнен проходной канал, подшипников качения, при этом обеспечивается вращение шара вокруг своей. В данном клапане также шар имеет только вращательное соединение, обойма с шаром не перемещается. Недостатком клапана является невозможность открытия клапана продавливанием и низкая надежность.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран клапан согласно патенту US 4522370, опубл. 11.06.1985 г. Общими признаками с заявляемым изобретением являются наличие в клапане корпуса, обоймы с шаром, в котором выполнен проходной канал, шар поступательно-вращательно соединен с корпусом, при этом обеспечивается возможность линейного перемещения шара вместе с обоймой в корпусе с одновременным вращением. Клапан обеспечивает возможность открытия продавливанием. В данном клапане подшипники на шаре отсутствуют. Недостатком изобретения является его низкая надежность из-за высокой вероятности заклинивания при повороте шара.
Задачей изобретения является обеспечение надежности работы клапана, в частности при глушении скважины раствором, который продавливается через клапан. Данная возможность крайне важна при аварийных ситуациях на скважине, когда глушение скважины позволяет избежать крупного экологического ущерба.
Известна тарелка упорного шарикоподшипинка для шарового клапана по Фиг. 4 патента US 7963339, опубл. 21.06.2011 г. Указанная тарелка имеет прямоугольную форму, устанавливается с одной стороны оси вращения шара и играет роль упорного кольца. Тарелка позволяет устанавливать на шар соединительный элемент, но при этом трение качения в ней обеспечивается только с одной стороны оси вращения шара, что снижает эффективность подшипника и его надежность.
В качестве ближайшего аналога выбрано цилиндрическое кольцо упорного шарикоподшипника для шарового клапана по Фиг. 4 патента US 3036590, опубл. 29.05.1986 г. Указанное кольцо не может быть использовано для сборки шара с подшипником и обоймой в корпус клапана, в котором уже установлен соединительный элемент, т.к. соединительный элемент, установленный в корпусе клапана, упрется в стенку кольца и не позволит осуществить сборку.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение запорных функций, возможности открытия клапана продавливанием и одновременным обеспечением высокой надежности клапана, а также простота изготовления.
Для достижения технического результата предлагается клапан с проходным каналом, содержащий корпус, обойму с шаром, в котором выполнен проходной канал, причем шар поступательно-вращательно соединен с корпусом посредством по крайней мере одного соединительного элемента так, что обеспечивается возможность линейного перемещения шара вместе с обоймой в корпусе с одновременным вращением шара, на оси вращения шара установлены подшипники качения, каждый подшипник качения образован выполненной в шаре дорожкой качения с шариками и кольцом, установленным в обойме, с выполненными в нем углублениями для установки шариков, при этом на внешней стороне колец каждого подшипника качения выполнен выступ с выемкой, а в обойме выполнены выточки, каждая выточка выполнена под выступ кольца подшипника качения для их закрепления в обойме, при этом в обойме имеется по крайней мере один вырез, достаточный для прохода указанного по крайней мере одного соединительного элемента и выполненный продольно к проходному каналу клапана; причем кольцо подшипника качения установлено так, что указанная выемка ориентирована в направлении к указанному вырезу.
В заявляемом клапане открытие и закрытие происходит путем перемещения обоймы с шаром с одновременным вращением шара в обойме. Наличие подшипника качения на шаре значительно увеличивает надежность работы всей кинематической схемы закрытия/открытия клапана, включающей соединительный элемент, шар, обойму. В отличие от использования в такой схеме шара без подшипника или с подшипником скольжения, подшипник качения более устойчив к загрязнению и допускает большие отклонения по допускам при изготовлении, что крайне важно для применения клапана, особенно в нефтегазовой отрасли. Предлагаемые в настоящем описании возможности по совершенствованию клапана позволяют усилить технический результат.
В корпусе клапана могут быть сформированы поршневые камеры, обеспечивающие линейное перемещение обоймы, причем по крайней мере одна поршневая камера охватывает обойму с шаром.
В клапане подшипники качения могут являться упорными и могут быть использованы два соединительных элемента, установленных симметрично относительно продольной плоскости проходного канала шара.
В клапане по крайней мере один соединительный элемент может представлять собой Г-образный бугель.
Клапан может включать адаптеры для соединения со звеньями райзера системы заканчивания скважины, причем адаптеры могут быть установлены на каждом конце проходного канала клапана и иметь резьбу с трапециевидным профилем.
В клапане в качестве соединительного элемента могут быть использованы Г-образные бугели, имеющие цилиндрическую часть, установленную в корпусе и плоскую часть, установленную в пазу шара на оси его вращения.
Клапан может включать три гидравлические линии: линию закрытия клапана, линию открытия клапана, линию впрыска химических реагентов.
В клапане управление может осуществляться с использованием рабочей текучей среды на водной основе.
В клапане при использовании поршневых камер на внутреннюю поверхность каждой поршневой камеры может быть нанесено антикоррозионное покрытие, каждая поршневая камера может быть герметизирована с использованием эластомерных уплотнений на основе гидрированного бутадиен-нитрильного каучука.
В клапане шар, обойма, соединительный элемент, кольцо шарикоподшипника могут быть выполнены из никелевого сплава. В клапане корпус может быть выполнен из низколегированной стали. Все вышеуказанные особенности клапана, при необходимости, могут быть скомбинированы.
Обойма может быть выполненной из двух элементов, соединенных между собой.
Техническим результатом заявляемого кольца упорного шарикоподшипника для вышеуказанного заявляемого клапана является одновременное обеспечение трения качения с двух сторон оси и возможность сборки в корпусе с соединительным элементом.
Кольцо упорного подшипника качения для вышеуказанного заявляемого клапана, с упорным подшипником, может быть выполнено следующим образом: на внешней стороне кольца упорного шарикоподшипника выполнен выступ с выемкой. При сборке кольцо может быть установлено так, что выступ с выемкой совпадает с выточкой на обойме. При этом соединительный элемент, установленный в корпусе клапана, не будет упираться в стенку кольца и позволит осуществить сборку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления предлагаемого технического решения далее описаны со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует понимать, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только некоторые варианты осуществления настоящего технического решения и не ограничивают объем охраны, заявленный в формуле изобретения.
На Фиг. 1 изображен верхний изолирующий клапан в перспективе согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 2 изображено сечение верхнего изолирующего клапана в открытом положении клапана согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 3 изображено сечение верхнего изолирующего клапана в закрытом положении клапана согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 4 изображена шарово-затворная группа согласно настоящему изобретению с пространственным разделением деталей;
на Фиг. 5 изображена обойма согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемый верхний изолирующий клапан может быть использован в нефтегазовой отрасли в системе доступа в скважину, в частности для подводной добычи. Более конкретно, предлагаемый клапан может быть использован для предотвращения падения внутрискважинных инструментов в скважину при проведении операций по заканчиванию и капитальному ремонту скважин, впрыска химических реагентов внутрь эксплуатационного ствола, удержания добываемой жидкости в колонне во время проведения операций монтажа инструментов для спуска на кабелях, канатах и, обеспечения прокачки жидкости для глушения скважины при потере гидравлического управляющего давления.
Во время монтажа инструментов на платформе предлагаемый клапан находится в закрытом положении, предотвращая падение инструментов в скважину. При проведении операций по заканчиванию и капитальному ремонту скважин предлагаемый верхний изолирующий клапан находится в открытом положении, обеспечивая прокачку жидкости и проход для внутрискважинных инструментов.
Клапан может быть реализован в виде верхнего изолирующего клапана, представленного на Фиг. 1 в разрезе с отображением расположения деталей клапана, когда он находится в открытом положении. Верхний изолирующий клапан 1 содержит корпус 2 с проходящим через него каналом. Согласно неограничивающему варианту осуществления изобретения к каждому концу корпуса 2 присоединены два адаптера 3 и 4, соответственно, для соединения со звеньями райзера системы заканчивания скважин. Адаптеры 3 и 4 имеют резьбу с трапециевидным профилем. Внутри корпуса 2 установлена обойма 5, в которой размещен запорный шар 6. В корпусе также установлены верхний и нижний поршни 7 и 8, соответственно, установленные на толкатель 29 для обеспечения линейного перемещения обоймы 5 с шаром 6. Поршень 7 представляет из себя конструктивные элементы с обоймой 5, размещенные в поршневой камере 22. В шаре 6 выполнен проходной канал, а сам шар 6 выполнен с возможностью поворота в обойме 5 между открытым и закрытым положениями на угол 90° посредством подшипников качения и соединительных элементов. Согласно неограничивающему варианту осуществления подшипники качения являются упорными шарикоподшипниками 9, а соединительные элементы представляют собой Г-образные бугели 10.
В открытом положении клапана шар 6 расположен так, что его проходной канал совпадает с проходным каналом клапана, как изображено на Фиг. 2. При повороте шара 6 одновременно осуществляется его поступательное перемещение в обойме 5. В закрытом положении клапана шар 6 расположен так, что его проходной канал проходит по существу перпендикулярно проходному каналу клапана, как изображено на Фиг. 3.
В настоящем описании шарово-затворная группа включает шар 6, два шарикоподшипника 9 и два бугеля 10. Более подробно шарово-затворная группа описана представлена на Фиг. 4 и 5, на которых видно, что на шаре 6 установлен Г-образный бугель 10 плоский конец 11 которого закреплен с возможностью поступательного перемещения в пазу 28 на шаре 6, а цилиндрический конец 12 вращательно закреплен в корпусе. В результате при поступательном перемещении обоймы 5 плоский конец 11 бугеля 10 скользит по шару 6, в пазу 28, а цилиндрический конец 12 вращается в корпусе 2. Таким образом обеспечивается поступательно-вращательное соединение шара 6 с корпусом 2.
На оси вращения шара 6 перпендикулярно его проходному каналу размещены два упорных шарикоподшипника 9, расположенных на диаметрально противоположных сторонах шара 6 относительно его проходного канала (см. Фиг. 4). Каждый шарикоподшипник 9 образован кольцом 13 и одной из плоских сторон 14 шара 6, между которыми размещены тела качения в виде шариков 15. В каждом кольце 13 выполнены углубления 16, каждое углубление 16 предназначено для размещения одного из шариков 15, а на каждой из диаметрально противоположных плоских сторон 14 шара 6 выполнена дорожка 17 качения для обеспечения перемещения в ней шариков 15. Согласно неограничивающему варианту осуществления в кольце 13 выполнено пять углублений 16. Дорожки 17 качения имеют в целом дугообразную форму, приближенную к форме полукруга.
Кроме того, для установки кольца 13 в обойму 5 на каждом кольце 13 выполнен дугообразный выступ 18 с выемкой 19. В обойме 5 на внутренней стороне выполнена выточка 20 (видна на фиг.5 через боковой проход обоймы 5) для закрепления кольца 13. В обойме 5 также имеется вырез 21, выполненный продольно к проходному каналу клапана, достаточный для заведения бугеля 10 при его установке, как показано на Фиг. 5. Выемка 19 на кольце 13 ориентирована в направлении к вырезу 21 в обойме 5.
Клапан имеет линию для управления открытием клапана, обеспечивающую подачу давления в поршневую камеру (-ы) для смещения обоймы 5 с шаром 6 (посредством поршней 7, 8 и толкателя 29) с одновременным поворотом шара 6 и перекрытием проходного канала, и линию для управления закрытием клапана, обеспечивающую подачу давления в поршневую камеру (-ы) для смещения обоймы с шаром в противоположную сторону с перекрытие проходного канала.
Таким образом, поршневые камеры обеспечивают линейное перемещение обоймы 5, причем в одной из камер поршнем может быть сама обойма 5.
В клапане также реализована возможность впрыска реагентов посредством линии впрыска химических реагентов, защищенной от попадания флюида из добычного ствола благодаря независимым обратным клапанам.
На корпусе верхнего изолирующего клапана может быть нанесена маркировка, указывающая на расположение гидравлических линий.
Управление клапаном осуществляется с использованием рабочей текучей среды на водной основе. Расчетное давление в линии открытия клапана составляет 34,5 МПа, расчетное давление в линии закрытия клапана составляет 34,5 МПа и расчетное давление в линии впрыска химических реагентов также составляет 34,5 МПа.
Установка шара 6 с обоймой 5 в клапан может осуществляться следующим образом. На шар 6 устанавливаются упорные шарикоподшипники 9 с шариками 15, кольцами 13, имеющими выступы 18 с выемками 19. Кольца 13 ориентируются выемкой 19 по направлению, в котором обойма 5 имеет выточку 20. Шар 6 устанавливается в обойму 5 так, что выемки 19 колец 13 соответствуют выточкам 20 обоймы 5. На Фиг. 5 обойма изображена так, что выточка 20 видна изнутри обоймы. В корпусе 2 клапана устанавливаются соединительные элементы - бугели 10. Шар 6 в обойме 5 заводится в корпус клапана, при этом бугели 10, ранее установленные в корпусе 2, свободно проходят через вырезы 21 в обойме 5 и выемки 19 в выступе колец 13 упорных шарикоподшипников 9 и входят в соединение с шаром 6.
Принцип работы предлагаемого клапана в кратком виде заключается следующем.
В заявляемом клапане открытие и закрытие происходит путем перемещения обоймы 5 с шаром 6 с одновременным вращением шара 6 в обойме 5. В нормальном режиме работы клапана обойма 5 с шаром 6 перемещаются под управляющим воздействием, например, гидравлическим, осуществляемым через первую и вторую поршневые камеры 22, 23, соответственно. При этом обойма 5 перемещается линейно, а шар 6, за счет вращательно-поступательного соединения с неподвижным корпусом 2, поворачивается в обойме 5 на упорных шарикоподшипниках 9 и открывает проходной канал. В режиме продавливания, когда управляющее воздействие (давление) снято с обоймы, клапан может быть открыт путем подачи жидкости в направлении, противоположном перемещению обоймы 5 при закрытии клапана. При подаче жидкости в этом направлении давление жидкости воздействует на стенку закрытого шара 6, шар 6, в свою очередь, воздействует на обойму 5. Обойма 5 линейно перемещается в камере 22 и, одновременно, установленный в ней шар 6, из-за вращательно-поступательного соединения с корпусом 2, поворачивается на упорных шарикоподшипниках 9 в обойме 5, открывая проходной канал.
Более подробно работа клапана может быть описана следующим образом.
Предлагаемый клапан имеет три режима работы: режим открытия клапана, режим закрытия клапана и аварийный режим.
В начале работы клапана в режиме открытия клапан закрыт, шар 6 расположен так, что его проходной канал смещен относительно проходного канала клапана (расположен перпендикулярно, см. Фиг. 3). Шарово-затворная группа осуществляет прямолинейное перемещение посредством давления, возникающего в поршневых камерах 22 и 23, соответственно. При воздействии управляющего давления в магистрали управления открытием/закрытием клапана происходит переток жидкости из поршневой камеры в линию управления закрытием/открытием клапана.
Для открытия шара 6 давление из первой полости 24 первой поршневой камеры 22 стравливается в линию управления открытием клапана и затем во вторую полость 25 первой поршневой камеры 22; и давление из первой полости 26 второй поршневой камеры 23 стравливается в линию управления открытием клапана и затем во вторую полость 27 второй поршневой камеры 23, что вызывает линейное перемещение обоймы 5 с шарово-затворной группой. При линейном перемещении обоймы 5 с шарово-затворной группой за счет того, что цилиндрическая часть 12 бугеля закреплена в корпусе, а плоская 11 часть бугеля скользит в пазу 28 шара (вращательно-поступательное соединение) осуществляется вращение шара на угол 90° до совмещения с проходным каналом клапана. При этом плоская часть 11 бугеля 10 обеспечивает равномерное распределение вращающего момента по шару 6.
Плоская часть 11 бугеля 10, прилегающая к шару 6 вращается также заодно с шаром 6, а цилиндрическая часть 12 бугеля 10, размещенная в отверстии корпуса вращается внутри этого отверстия в корпусе, но не имеет линейного перемещения относительно самого корпуса. При вращении и перемещении шара 6 кольцо 13 остается неподвижным относительно обоймы 5, шар 6 вращается на упорных шарикоподшипниках 9. Трение качения обеспечивается вокруг оси вращения шара за счет кольца шарикоподшипника и возможности установки в нем шариков 15.
В начале работы клапана в режиме закрытия клапан открыт (см. Фиг. 2). Для закрытия клапана давление из второй полости 25 поршневой камеры 22 стравливается в линию управления закрытием клапана и затем в первую полость 24 камеры 22; и давление из второй полости 27 второй поршневой камеры 23 стравливается в линию управления закрытием клапана и затем в первую полость 26 второй поршневой камеры 23. При этом происходит линейное перемещение обоймы 5 с шарово-затворной группой до смещения проходного канала шара 6 относительно проходного канала клапана 1. Аналогично открытию клапана при закрытии клапана в ходе линейного перемещения шарово-затворной группы за счет того, что цилиндрическая часть 12 бугеля закреплена в корпусе, осуществляется вращение шара на подшипниках 9 на угол 90° до совмещения с проходным каналом клапана. Аналогично открытию клапана при закрытии клапана плоская часть 11 бугеля 10 обеспечивает равномерное распределение вращающего момента по шару 6.
Клапан сохраняет открытое и закрытое положение после достижения этих положений.
В аварийном режиме, когда происходит потеря гидравлического давления в управляющей линии, в клапане обеспечена возможность прохода жидкости для заканчивания или глушения скважины, а также проведения испытаний скважины на приток. При потере гидравлического управляющего давления, то есть при условии, что управляющее давление ушло из линий управления, сверху на шар 6 нагнетают давление. Под подаваемым давлением начинается движение обоймы 5 с шаром и за счет взаимодействия шара с бугелем, закрепленном в корпусе, шар 6 поворачивается на подшипниках 9 и открывает проходной канал.
Использование подшипников обеспечивает высокую надежность работы кинематической схемы поворота шара и, следовательно, работы всего клапана, в том числе в аварийном режиме.