КЛАПАН ДЛЯ ВЫПУСКА ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ)
FLUID DISCHARGE VALVE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к клапанам для выпуска жидкости, более конкретно к клапанам, подходящим для автоматического выпуска жидкостей из газовых/жидких сред, таких как среды буровых скважин.
Уровень техники
Общепринятый способ добычи метана, заключенного в угольном пласте под водоносным горизонтом, заключается в пропускании его в трубах большого диаметра под давлением скважины или при помощи подходящих насосов и газодувок в сборные и накопительные резервуары. Однако поскольку газ проходит через жидкий слой земли, то газообразным веществом уносится некоторое количество воды с образованием смеси газа и жидкости, которая может вмешиваться в нормальный поток флюида газообразного материала, повреждая насосное оборудование и вспомогательные устройства (которые зачастую, но необязательно, работают на газе). Следовательно, задача состоит в том, чтобы удалить такие жидкости, и с этой целью предусматривались различные устройства и способы.
В соответствии с одним общепринятым способом предусматривается множество сепараторов, главным образом, жидкости в форме выпускных вертикальных колонн, скрепленных с магистральной газовой трубой, при помощи которых воду можно выпускать вручную. Указанные колонны распределяются вдоль трассы магистральной трубы в соответствии с топографическими и иными соображениями.
Одна из проблем, связанных с такими сепараторами жидкости, заключается в необходимости ручного труда, то есть в необходимости добираться до каждого такого сепаратора и открывать его вручную для того, чтобы выпустить захваченную жидкость, которая выбрасывается из вертикальной колонны под давлением протекающего газа. Очевидно, что эта операция требует значительного времени и рабочей силы (такое ручное удаление жидкости может происходить раз в неделю или даже ежедневно, в зависимости от различных соображений), что в удаленных районах представляется проблематичным, тем более при экстремальных погодных условиях.
Следует понимать, что в большинстве случаев не существует какого-либо используемого на практике указателя, относящегося к количеству жидкости в соответствующем сепараторе, и что каждое такое открытие неизбежно приводит к выпуску некоторого количества газа, бесполезно уходящего в атмосферу. Для оператора показателем того, что следует закрыть выпускное отверстие сепаратора жидкости, является присутствие газа, а именно раствор, содержащий пузырьки и воду.
Однако в холодную погоду возникает серьезная проблема, связанная с тем, что вода внутри колонн сепараторов жидкости замерзает, и несмотря на то, что колонны могут находиться приблизительно на глубине 2 метров под землей, происходит промерзание, что может привести к повреждению трубопроводов.
Следует также понимать, что раствор несет в себе частицы, такие как частицы угля, частицы песка и горной породы, частицы износа трубопроводов (частицы металла или пластика) и т.п.
Существуют различные патенты, относящиеся к способам и системам для подъема газа из скважин, другие патенты относятся к управляемым с поверхности способам и системам удаления жидкости для газодобывающих скважин. Рассматриваемой жидкостью обычно является вода.
Например, в патенте США №6,367,555 раскрыт способ разработки нефтяной, водяной и газовой скважины, использующий газоносную/газотранспортную систему для удаления добытых жидкостей и содержащихся там твердых частиц путем изменения режима потока добываемых флюидов на режим потока, при котором газ является непрерывным флюидом (т.е. скорость восходящего потока газа в скважине по сравнению с выработочным потоком жидкости является достаточно высокой для того, чтобы создавать пробковый поток, снарядный поток, пенистый поток, пенный поток, кольцевой поток, струйный поток и/или эмульсионный поток), или на близкий к нему режим. Это осуществляется посредством использования потока дополнительного газа (углеводородного или неуглеводородного) и/или интенсификации потока добываемого газа, содержащего песок, с уменьшенным перепадом давления по скважине при нахождении в режиме непрерывного газового потока или в режиме, близком к нему. Это изобретение может быть применено к любой газовой, нефтяной и/или водяной скважине с недостаточным давлением пластового газа для предотвращения накопления жидкости внутри скважины во время добычи. Данное изобретение использует вторую добывающую трубу (или кольцевое пространство между обсадной колонной и трубой) с размерами, позволяющими транспортировать сжатый газ из зоны устьев скважин вниз, в добываемую жидкость и добывающую трубу. Этот поток газа будет заставлять скважинные флюиды течь по трубе вверх путем приближения к режиму непрерывного газового потока или вхождения в этот режим. После того как в добывающей трубе будут достигнуты новые режимы потока, вспомогательный газ уже может быть не нужен благодаря увеличившемуся потоку пластового газа без большого перепада давления, который имел место из-за столба жидкости в добывающей трубе.
В патенте США №5,501,279 раскрыто устройство и способ непрерывного и периодического удаления воды из ствола скважины, который проходит через твердый углеродсодержащий подземный пласт, такой как угольный пласт, с одновременным удалением метана из пласта. Устройство использует средство линейного доступа, которое облегчает переключение устройства из режима работы с непрерывным удалением воды в режим работы с периодическим удалением воды при помощи извлекаемых на канате инструментов.
Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать клапан для выпуска жидкости для автоматического удаления жидкости из смеси газа и жидкости.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать клапан для выпуска жидкости, в частности, для использования в отрасли обработки природного газа, но не ограничиваясь только этим.
Изобретение относится к автономному, автоматическому клапану для выпуска жидкости, в частности, для удаления воды из смеси газа и воды, выходящей из-под земли под давлением, например, в местах производства метана.
Однако клапан, соответствующий настоящему изобретению, подходит для установки на других объектах с целью выпуска жидкостей из газожидкостных сред, например в паровых установках и т.п.
Клапан в соответствии с данным изобретением подходит для быстрого и легкого дооснащения существующих труб для выпуска жидкости, проходящих от магистральной газовой трубы («стояка»).
В соответствии с настоящим изобретением предусматривается клапан для выпуска жидкости, содержащий корпус для герметичной установки на верхнем конце по существу вертикальной трубы, выпускной патрубок, проходящий от указанного корпуса и входящий в указанную трубу, выпускной канал, имеющий герметизируемую границу и герметизируемый при помощи герметизирующего элемента, поворотно закрепленного внутри корпуса с возможностью поворотного перемещения между закрытым/герметизирующим и открытым положением, смещающий элемент, смещающий герметизирующий элемент в открытое положение, груз, подвижно соединенный с указанным герметизирующим элементом и проходящий вниз в трубу, причем указанный груз прикладывает силу в противоположном направлении относительно указанного смещающего элемента, при этом результирующая сила, действующая на герметизирующий элемент, определяет положение указанного элемента так, что при повышении уровня воды в трубе происходит перемещение герметизирующего элемента в открытое положение.
Герметизирующий элемент снабжается моментным рычагом, подвижный конец которого удален от точки указанного поворотного закрепления, с плечом, подвижно соединенным с грузом и смещающим элементом. Такая конструкция полезна для обеспечения функционирования герметизирующего элемента, именно перемещения указанного элемента в герметизирующее положение и из герметизирующего положения.
К клапану в соответствии с настоящим изобретением может относиться один или большее количество нижеследующих признаков или конструктивных характеристик:
- Груз не доходит приблизительно нескольких сантиметров до нижнего конца трубы на расстояние порядка нескольких сантиметров;
- Герметизирующий элемент снабжается упругим отслаиваемым уплотнением для постепенного отделения от герметизируемой границы выпускного канала;
- Отслаиваемое уплотнение представляет собой упругий элемент в виде полосы, прикрепленный одним своим концом к корпусу, а противоположным концом прикрепленный к герметизирующему элементу;
- Патрубок проходит в трубу, не доходя при этом до груза на расстояние порядка нескольких сантиметров;
- Груз подвижно соединен с герметизирующим элементом при помощи кабеля, проходящего через по меньшей мере участок патрубка;
- Выпускной канал содержит выпускное сопло, выполненное с возможностью рассеивания выпускаемой из него воды, чтобы тем самым не допустить сильного увлажнения поверхности земли рядом с устройством;
- Выпускной канал содержит выпускное сопло, снабженное устройством звуковой сигнализации, активируемым проходящим через него потоком флюида. В дополнение или в качестве альтернативы может быть установлен визуальный индикатор, например, в виде «флажка», выступающего из корпуса;
- Корпус снабжен фитингом с внутренней 2-дюймовой резьбой для монтажа на указанной трубе. Однако это основано на заключении, что большинство таких труб снабжено 2-дюймовой наружной резьбой. Следует понимать, что возможны также и другие типы и размеры соединений;
- Корпус дополнительно содержит средства ручного управления для перемещения герметизирующего элемента в открытое положение;
- Выпускной канал имеет по существу прямоугольное поперечное сечение, при этом отслаиваемое уплотнение смещается вдоль длинной оси выпускного канала;
- Длина кабеля является регулируемой, так что клапан может быть легко адаптирован к трубе любой длины. По той же причине предпочтительно, чтобы длина трубы являлась регулируемой;
- При закрытом, герметизирующем положении моментный рычаг прикладывает герметизирующую силу к герметизирующему элементу с тем, чтобы обеспечить герметичный контакт с герметизируемой границей. Рычаг выполнен с герметизирующей посадкой, соответствующей значительному участку упругого уплотнения, с тем, чтобы обеспечить плотное и эффективное герметизирующее прилегание по герметизируемой границе.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусматривается конструкция клапана для выпуска жидкости, содержащая корпус для герметичной установки на верхнем конце по существу вертикальной трубы, выпускной канал, имеющий герметизируемую границу и герметизируемый при помощи герметизирующего элемента, поворотно закрепленного внутри корпуса с возможностью поворотного перемещения между закрытым положением и открытым положением, смещающий элемент, осуществляющий смещение герметизирующего элемента в открытое положение, причем указанный герметизирующий элемент снабжен моментным рычагом, подвижный конец которого удален от точки указанного поворотного закрепления, с плечом, к которому с одной стороны подвижно присоединен указанный смещающий элемент, а к другой стороне которого обеспечена возможность прикрепления груза, с тем, чтобы создать силу в противоположном направлении относительно указанного смещающего элемента; при этом корпус выполнен с возможностью снабжения выпускным патрубком, выходящим из указанного корпуса и входящим в указанную трубу. Таким образом, предусматривается клапан, от которого отделены патрубок и груз и у которого длина кабеля, поддерживающего гирю, является регулируемой, причем патрубок также имеет регулируемую длину.
Краткое описание чертежей
Для того чтобы понять изобретение и увидеть, каким образом его можно осуществить на практике, ниже, исключительно в качестве неограничивающего примера, будет дано описание варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию участка земли в разрезе, изображающего место добычи метана.
Фиг.2А представляет собой продольное сечение трубы для выпуска жидкости, оборудованной клапаном для выпуска жидкости в соответствии с настоящим изобретением, причем клапан находится в закрытом положении.
Фиг.2В представляет собой увеличенное изображение клапана, проиллюстрированного на фиг.2А.
Фиг.3 иллюстрирует клапан в открытом положении.
Фиг.4 иллюстрирует клапан в открытом положении, реализованном путем ручного управления.
Осуществление изобретения
На фиг.1 проиллюстрирована площадка добывания метана для сбора метана из угольного пласта, по которой на глубине приблизительно 5 футов ниже поверхности 6 земли проходит магистральная труба 4 большого диаметра, имеющая диаметр, например, приблизительно от 12 до 16 дюймов, причем указанная труба 4 собирает метан из угольного пласта и транспортирует его. Газ находится под давлением и при помощи соответствующих насосных станций (не показаны) передается в подходящие резервуары (не показаны) для сбора и хранения.
Под магистральной трубой 4 проходит система удаления жидкости, выполненная в промежуточной трубе 10, проходящей до трубы 12 для сбора жидкости, причем последняя оборудуется множеством вертикальных патрубков 16 для выпуска жидкости, которые по существу вертикальны и выступают над поверхностью 6 земли, причем каждый из таких патрубков 16 для выпуска оборудуется на верхнем конце над поверхностью грунта клапаном для выпуска жидкости, который обозначается в целом позицией 20 и далее будет обсуждаться более подробно.
Патрубок 16 для выпуска поднимается с глубины приблизительно 8 футов и обычно представляет собой известную в данной области трубу диаметром 2 дюйма.
Для понимания конструкции, сборки и работы клапана 20 для выпуска жидкости в соответствии с настоящим изобретением далее следует обратить внимание на фиг.2А и 2В.
Клапан 20 для выпуска жидкости содержит корпус 24, который выполнен с выпускным патрубком 26, проходящим в трубу 16 для выпуска жидкости, подвижно соединенным с обеспечением герметичности посредством сочленения 18 в виде крепежного элемента с винтовой резьбой, типичным примером которого является крепежный элемент с двухдюймовой резьбой для винтового соединения с соответствующей имеющей резьбу шейкой трубы 16 для выпуска жидкости. Клапан 20 для выпуска жидкости дополнительно содержит выпускной канал 28, который в этом конкретном примере имеет по существу прямоугольное поперечное сечение и имеет герметизируемую границу 30. Герметизирующий элемент 32 поворотно соединен в точке 36 относительно выпускного канала, причем указанный герметизирующий элемент оборудуется отслаиваемым уплотнением 38, подвижно присоединенным в точке 40 к корпусу и в точке 42 к герметизирующему элементу. Герметизирующий элемент 38 снабжен плечом 46 рычага, причем удаленный конец 48 плеча подвижно соединяется с пружиной 50 растяжения, прикрепленной своим противоположным концом 52 к неподвижному элементу внутри корпуса 24 для того, чтобы прикладывать смещающую силу с целью перемещения герметизирующего элемента 32 в открытое положение, как будет рассмотрено далее.
Уплотнение 30 смещается до герметизирующего прилегания к выпускному каналу 28 с целью создания препятствия потоку жидкости между внутренним пространством 56 внутри корпуса и выпускным соплом 58. Обычный герметизирующий контакт уплотнения 30 обеспечивается с помощью давления, оказываемого на него посредством герметизирующего элемента 32, который обычно смещен в направлении по часовой стрелке под смещающим воздействием груза 60 в виде поплавка, оборудованного открытым основанием 62 и подвешенного с помощью кабеля 66, который проходит через выпускной патрубок 26 и в конечном счете подвижно присоединяется к удаленному концу 24 рычага 46 посредством звена 68.
Как видно на фиг.2А, груз/поплавок 60 доходит до глубины D, которая обычно отстоит на несколько сантиметров от самого нижнего участка патрубка 16 для выпуска. Задание длины кабеля 66 обеспечивается с помощью крепежных элементов 70 для регулирования подходящей длины кабеля в зависимости от требуемой длины патрубка 16 для выпуска.
Самый нижний конец 74 выпускного патрубка 26 находится на высоте d над грузом/поплавком 60, причем данное расстояние не превышает нескольких сантиметров. Расстояние d может регулироваться путем ослабления верхнего узла 78 от сочленения 18, обеспечивающего продольное перемещение выпускного патрубка 26 для регулирования расстояния d. Однако следует понимать, что сопряжение между выпускным патрубком 26 и сочленением 18 и регулировочной гайкой 78 представляет собой конструкцию, непроницаемую для флюида.
Кроме того, на чертежах можно видеть, что клапан 20 для выпуска жидкости оборудуется толкателем 82 ручного управления, который может нажиматься вручную в направлении стрелки 84 на фиг.4, чтобы тем самым обойти систему и переместить герметизирующий элемент 32 в его открытое положение (фиг.4), как будет рассмотрено далее.
Данная конструкция такова, что в нормальном состоянии клапан 20 для выпуска жидкости находится в закрытом положении, как на фиг.2А и 2В, при котором груз 60 преодолевает смещающее воздействие пружины 50. Однако после подъема жидкости в патрубке 16 для выпуска груз 60 действует как поплавок и перемещается вверх под действием выталкивающих сил, при этом вместе со смещающим воздействием пружины 50 герметизирующий элемент 32 перемещается в свое открытое положение в направлении стрелки 88 (фиг.3 и 4), при этом герметизирующее уплотнение 40 отходит от герметизируемой границы 30, открывая траекторию потока с тем, чтобы обеспечить поток жидкости через пространство 56 клапана и через выпускной канал 28 и далее наружу, в атмосферу через выпускное сопло 58.
Следует понимать, что флюид, протекающий через трубу 12, представляет собой смесь газа и жидкости, и, таким образом, на некоторой стадии после выпуска жидкости из патрубка 16 давление газа в патрубке 16 для выпуска повышается над грузом 60, заставляя воду перемещаться вниз, при этом вместе с грузом 60 герметизирующий элемент 32 перемещается в свое закрытое положение (фиг.2В и 2В), герметизируя таким образом выпускной канал. Потеря плавучести после выпускания жидкости из патрубка 16 для выпуска ведет к тому, что сила тяжести тянет груз 60 вниз, заставляя отслаиваемое уплотнение 40 закрываться, что совместно с давлением газа в пространстве 56 прижимает отслаиваемое уплотнение 38 к герметизируемой границе 30, герметизируя тем самым выпускной канал. Любая жидкость, остающаяся в верхней части патрубка 16, отстаивается и выпускается на следующем цикле.
Однако после подъема жидкости внутри патрубка 16 для выпуска клапан 20 спонтанно перемещается в свое открытое положение, зачастую пульсирующим образом, до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия.
Следует понимать, что все компоненты системы для выпуска жидкости должны быть непроницаемыми для жидкости, например соединение сочленения 18 с патрубком 16, сопряжение между выпускным патрубком 26, сочленением 18 и болтом 78 и т.п., с тем, чтобы обеспечить надлежащее повышение давления в пределах патрубка 16.
В варианте осуществления с фиг.3 клапан 20 для выпуска жидкости, проиллюстрированный в открытом положении после того, как груз 60 переместится вверх в направлении стрелки 90 вследствие подъема уровня воды 92 внутри патрубка 16 для выпуска. Герметизирующий элемент 32 перемещается с поворотом в направлении стрелки 88 при помощи сжимающей силы, прикладываемой витой пружиной 50, открывая тем самым траекторию потока жидкости между пространством 56 клапана и выпускным соплом 58.
Кроме того, на фиг.3 можно видеть, что выпускное сопло 58 оборудуется устройством акустической сигнализации, например свистком 58, которое под действием протекающего флюида подает акустический сигнал, после чего сигнал может быть легко принят проходящим мимо сотрудником с тем, чтобы установить, работает ли клапан должным образом, без необходимости тщательной проверки работы клапана.
Временами может потребоваться проверить надлежащее функционирование клапана 20 или выпустить газ/воду из патрубка 16 для выпуска. С этой целью предусматривается толкатель 82 ручного управления. При этом вследствие его перемещения в направлении стрелки 84 (фиг.4) путем простого нажатия его удаленный конец 96 упирается в плечо 46 рычага и перемещает его в направлении стрелки 88 в открытое, негерметичное положение, преодолевая силу тяжести, действующую на груз 60.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения удаленный конец 48 плеча 46 рычага оборудуется магнитным элементом 100 для перемещения индикатора 102 в пределах индикаторного окошка 104, которое смонтировано на наружной поверхности корпуса 24 с обеспечением непроницаемости для жидкости. Это окошко выполнено так, что поворотное перемещение плеча 46 рычага влечет за собой соответствующее перемещение индикатора 102 (который также является магнитным элементом), так чтобы вследствие этого обеспечить визуальную индикацию, соответствующую фактическому положению клапана 20 для выпуска жидкости, т.е. закрытому или открытому состоянию соответственно.
Следует понимать, что клапан 20 для выпуска жидкости в соответствии с настоящим изобретением подходит для установки в качестве дополнительного устройства, поскольку он является полностью модульным устройством, при этом длина выпускного патрубка 26 может легко регулироваться либо путем подрезания, либо путем осевого перемещения, как рассматривалось выше, и аналогично этому длина шнура/кабеля 66, проходящего через патрубок, может быть легко отрегулирована с тем, чтобы получить надлежащую высоту зависимого груза 60.
Следует также понимать, что пульсирующий выпуск, как отмечалось выше, имеет преимущество, заключающееся в промывке трубы 12 с тем, чтобы облегчить выпуск конечных отходов, существующих в системе.
Несмотря на то что был проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления изобретения, следует понимать, что в нем может быть произведено множество изменений без отклонения от сущности изобретения и выхода за рамки объема охраны.