КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ
CUTOFF VALVE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для регулирования расхода пластовой жидкости, преимущественно в горизонтальных скважинах нефтяных месторождений, разрабатываемых шахтным способом с применением тепловых методов воздействия.
Известно дроссельно-регулирующее устройство (см. пат. 2514328 Рос. Федерация. МПК F16K 3/02; F16K 47/14. №2012151736/06; заявл. 03.12.2012; опубл. 27.04.2014. Бюл. №12), состоящее из корпуса, в котором размещено седло, с пересекающимися между собой под различными углами каналами для протока среды, регулируемого органа, установленного с возможностью изменения площади проходного сечения каналов в седле.
Изобретение позволяет изменить гидравлическое сопротивление каналов в седле без изменения пропускной способности устройства, снижения скорости протекания потока жидкости, что позволяет устранить активизацию процесса коррозии, кавитации и вибрации, с расширением диапазона регулирования.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- сложно осуществить полное прекращение подачи рабочей жидкости;
- проблематично сохранить пропускную способность рабочей жидкости, когда прекращено ее перетекание по части каналов.
При снижении скорости перетекания рабочей жидкости по каналам неизменно произойдет снижение дебита.
В случае перехода на подачу рабочей среды с другими физико-механическими свойствами, например жидкость или паровая газовая фаза, работа устройства должна быть скорректирована, то есть необходимо провести переналадку, что сделать достаточно проблематично.
Известен регулятор потока жидкости (см. пат. 4858644 США. Fluid flow regulator. М кл. F16K 15/14; заявл. 31.05.1988 г., опубл. 22.08.1989 г.). Устройство состоит из полого корпуса со ступенчатым осевым каналом, в котором размещен подпружиненный поршень, снабженный штуцером, опирающимся на пружину, играющую роль регулируемого ограничителя потока. Другим концом пружина опирается на посадочное место в переходнике, в котором выполнены циркуляционные отверстия, соединяющие осевой канал корпуса, с каналом переходника.
Работа устройства
Через осевой канал штуцера рабочая жидкость подается в осевой канал поршня и далее внутрь полости, ограниченной витками пружины, откуда через зазоры перетекает в камеру, окружающую пружину, и далее через отверстия в теле переходника подается в его осевой канал. Таким образом происходит ограничение потока жидкости за счет уменьшения зазора между витками. Данное ограничение меняется при осевом перемещении поршня. При изменении зазора происходит изменение дифференциального давления. Регулятор позволяет компенсировать скорость потока жидкости в автоматическом режиме.
Недостатки конструкции
При работе устройства поток рабочей жидкости ограничивается с одной стороны штуцером, а далее щелевыми зазорами между витками пружины, зазоры между которыми изменяются в зависимости от наличия перепада давления на поршне. Поршень при этом совершает возвратно-поступательное перемещение, с наложением на поток импульсов расхода и давления. Это предопределяет нестабильный во времени расход жидкости.
Конструкция устройства не дает возможность полностью прекратить подачу жидкости.
Известна конструкция скважинного клапана-отсекателя (см. а.с. 874993 СССР. М кл. Е21В 43/12; №2808769/22-02; заявл. 15.06.1979; опубл. 23.10.1981. Бюл. №39), состоящая из цилиндра с поршнем внутри. К цилиндру присоединены переводник с муфтой. Переводник присоединен к корпусу клапана, который связан с корпусом седла. В корпусе установлен тарельчатый клапан, поджатый к седлу пружиной. Поршень удерживается в верхнем положении пружиной, ограниченной по ходу толкателем, в котором выполнены каналы для сообщения полости между толкателем и корпусом с пространством над тарельчатым клапаном.
Работа клапана-отсекателя
Под действием перепада давления, сообщаемого через отверстие в проводнике, поршень перемещается и сжимает пружину. Уплотнители, расположенные на торце толкателя, отходят от контакта с муфтой, что приводит к подаче жидкости через отверстие в муфте, через кольцевой канал между седлом и толкателем и, далее, через каналы на конце толкателя в зону над тарельчатым каналом. Это приводит к выравниванию давления над и под тарельчатым каналом. При дальнейшем движении поршня вниз толкатель доводится до упора в тарельчатый клапан с выравниванием давления.
При плавном открытии клапана толкатель упирается на корпус седла и, проходя через уплотнитель, изолируется рабочая поверхность клапана и седла от эрозионного воздействия потоком рабочей жидкости.
При снятии (снижении) давления жидкости, которое сообщается поршню через отверстие в переводнике, поршень под действием пружины и давления жидкости движется вверх. При этом толкатель освобождает тарельчатый клапан, который под воздействием пружины и потока жидкости, поступающей через отверстия в теле корпуса, закрывает проход клапана-отсекателя.
Недостатки конструкции:
- для работы (открытия и поддержки в открытом состоянии) клапана-отсекателя необходима подача давления, превышающего пластовое, соответственно необходим источник этого управляющего давления - устройство не срабатывает автоматически;
- конструкция клапана не предусматривает перенастройку на новый режим работы без извлечения его из скважины и демонтажа устройства;
- использование в качестве запорного органа откидывающегося вбок тарельчатого клапана с пружиной кручения потребует увеличения габаритных размеров устройства или существенного уменьшения проходного канала; кроме того, работа тарельчатого клапана данной конструкции в среде пластового флюида, содержащего мехпримеси, обуславливает низкую надежность полного перекрытия канала.
Известен клапан-отсекатель (см. пат. 2533394 Рос. Федерация. МПК F16K 3/04; 17/04. №2013136058/03; заявл. 01.08.2013; опубл. 20.11.2014. Бюл. №32), принятый за прототип.
Клапан-отсекатель устанавливается в составе лифтовой колонны труб и состоит из разъемного корпуса с седлом в осевом канале. Ниже, под седлом размещается полый плунжер с кольцевым выступом, опирающийся на пружину с гайкой. В осевом канале полого плунжера выполнен упор, на который опирается втулка, снабженная радиальными отверстиями, которые соединяют полость над плунжером с полостью под седлом. В осевом канале втулки размещена трубка с тарельчатым клапаном. Полый плунжер с кольцевым выступом совместно с разъемным корпусом образует кольцевую камеру, которая через радиальное отверстие в полом плунжере и отверстие в теле втулки сообщается с ее осевым каналом и каналом трубки.
Втулка снабжена донышком, в котором выполнено центральное отверстие и установлен перепускной клапан с возможностью перекрытия перепускных отверстий, которые соединяют осевой канал втулки с полостью осевого канала разъемного корпуса. Над полым плунжером ход перепускного клапана ограничен стопорным кольцом. В осевом канале разъемного корпуса установлена упорная втулка, образующая подвижное соединение с верхним концом полого плунжера. При этом полость над кольцевым выступом через отверстие в полом плунжере сообщается с осевым каналом над втулкой. Разъемный корпус снабжен присоединительной резьбой.
Принцип работы клапана-отсекателя.
Торцовый клапан усилием сжатой пружины поджимается к седлу, расположенному в осевом канале разъемного корпуса. Давление рабочей жидкости в колонне труб через осевой канал трубы, радиальные отверстия в теле втулки и радиальное отверстие в теле полого плунжера воздействует на кольцевой выступ снизу, что обеспечивает сохранность контакта тарельчатого клапана с поверхностью седла. То же самое давление воспринимается площадью сечения того же тарельчатого клапана.
Площадь сечения кольцевого выступа принимается меньше площади сечения тарельчатого клапана, что обеспечивает его поджим к седлу пружиной. При избыточном давлении над торцовым клапаном, превышающим давление от столба рабочей жидкости, тарельчатый клапан отрывается от седла, с образованием гидравлической связи осевого канала труб с осевым каналом разъемного корпуса над втулкой. Рабочая жидкость через осевые отверстия во втулке проходит на забой скважины. Полый плунжер при отрыве тарельчатого клапана от седла при воздействии избыточного давления перемещается до упора в уступ.
После прекращения подачи рабочей жидкости полый плунжер вместе с втулкой и тарельчатым клапаном поднимается вверх в осевом канале разъемного корпуса с посадкой тарельчатого клапана на седло. Это позволяет исключить попадание рабочей жидкости в продуктивный пласт, что важно для работы газовых скважин на подземных хранилищах газа.
Недостатки конструкции и работы устройства:
В случае оснащения устройством нефтяных скважин, добыча в которых ведется с применением тепловых методов воздействия:
- при этом давление пластового флюида может быть недостаточным, чтобы открыть тарельчатый клапан и сжать пружину, что предопределяет несрабатывание устройства;
- при установке устройства в составе труб в скважине невозможно провести перенастройку на новый режим без демонтажа с места применения;
- для перекрытия тарельчатого клапана при малом перепаде давления невозможно создать достаточное осевое усилие без применения дополнительного силового узла;
- ограничения по диаметральным размерам устройства, накладываемые конструкцией скважины, влияют на пропускную способность устройства из-за малой пропускной способности пластовой жидкости через осевые отверстия во втулке.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность настройки устройства на оптимальный режим эксплуатации в процессе работы по пропуску пластового флюида через устройство при малом перепаде давления;
- возможность увеличения пропускной способности устройства при наличии ограничений по диаметральным размерам конструкции путем снижения гидравлических сопротивлений;
- возможность изменения осевого усилия для дополнительного сжатия возвратной пружины полого штока за счет включения дополнительной площади восприятия перепада давления;
- возможность гашения скорости подачи пластового флюида через устройство за счет применения подпружиненного отражателя.
Технический результат достигается тем, что клапан-отсекатель содержит разъемный корпус с седлом в осевом канале, подпружиненный торцовый клапан, связанный с полой трубкой, регулировочную гайку. В осевом канале разъемного корпуса установлен стакан, снабженный выступами на внешней стороне, выходящими в сквозные продольные пазы, выполненные в теле разъемного корпуса. Выступы охватываются обоймой, соединенной с гайкой, связанной резьбой с разъемным корпусом. Торцовый клапан снабжен внутренней расточкой и связан с полой трубкой, пропущенной в осевой канал стакана, с образованием подвижного соединения. Седло снабжено рядом продольных отверстий и внутренней проточкой, обращенной к торцовому клапану, и толкателем с коронкой, размещенной во внутренней проточке седла, с выходом во внутреннюю проточку торцового клапана. В осевом канале стакана установлен подпружиненный отбойник с регулировочной шторкой, в которой выполнены радиальные отверстия, и кольцевым выступом с рядом продольных пазов, образующим подвижное соединение с телом стакана. Толкатель образует подвижное соединение с седлом и снабжен регулировочной гайкой с опорой на пружину.
Конструкция клапана-отсекателя поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 - клапан-отсекатель в разрезе, в исходном закрытом положении;
- на фигуре 2 - клапан-отсекатель в положении деталей в момент открытия;
- на фигуре 3 - клапан-отсекатель при максимальном открытии гидродинамической связи полости скважины со сборным коллектором;
- на фигуре 4 - технологическая схема обвязки ствола скважины клапаном-отсекателем.
Клапан-отсекатель состоит из разъемного корпуса 1, снабженного присоединительным патрубком 2, поджимающим седло 3, установленное в расточке разъемного корпуса 1. В теле седла 3 выполнено центральное отверстие 4 с внутренней расточкой, в которой размещается толкатель 5 с коронкой 6, опирающийся через регулировочную гайку 7 на пружину 8. По периферии седла 3 выполнен ряд продольных отверстий 9.
В осевом канале 10 разъемного корпуса 1 под седлом 3 установлен торцовый клапан 11 с полым штоком 12, который поджимается к седлу 3 пружиной 13, нижний конец которого образует подвижное соединение с телом стакана 14, находящимся в осевом канале 10 разъемного корпуса 1 и образующим с ним подвижное соединение. Торцовый клапан 11 имеет внутреннюю проточку 15, в которой размещается коронка 6 толкателя 5 с возможностью торцового контакта с его телом. Стакан 14 снабжен несколькими выступами 16 на внешней стороне, выходящими в соответствующие продольные пазы 17, выполненные в теле разъемного корпуса 1. Выступы 16 выходят за пределы разъемного корпуса 1 и располагаются свободно в расточке 18 обоймы 19 между внутренним кольцевым выступом 20 обоймы 19 и торцом гайки 21, которая связана с полым корпусом 1 соединительной резьбой 22, выполненной на наружной поверхности разъемного корпуса 1. В осевом канале 23 стакана 14 установлен свободно отбойник 24, опирающийся через пружину 25 на регулировочную гайку 26, с осевым 27 и радиальными 28 отверстиями, соединяющими осевой канал 23 стакана 14, с осевым каналом 10 разъемного корпуса 1 ниже стакана 14.
Отбойник 24 на внешней стороне имеет регулировочную шторку 29 с перфорационными отверстиями 30 и рядом продольных пазов 31 по периметру. При этом отбойник 24 образует подвижное соединение с телом стакана 14.
В теле седла 3, в центральном отверстии 4 выполнена кольцевая расточка 32, снабженная уплотнительным кольцом 33. Осевой канал 10 разъемного корпуса 1, над телом стакана 14 герметизирован уплотнительными кольцами 34 и 35, установленными в проточках в теле стакана 14, с обеспечением герметизации кольцевых зазоров с разъемным корпусом 1 и телом полого штока 12 соответственно.
В рабочем положении коронка 6 толкателя 5 отжата от торца торцового клапана 11 пружиной 13 и образует зазор.
Площадь сечения тела толкателя 5 принимается больше разности площадей сечения торцового клапана 11 и полого штока 12.
Работа устройства
Клапаном-отсекателем оборудуются скважины нефтяных месторождений с высоковязкой нефтью, разрабатываемые шахтным способом с применением тепловых методов воздействия на пласт. Клапан-отсекатель устанавливается вертикально на стволе горизонтальной скважины, выходящим в сборный коллектор, размещенный в тоннеле.
Клапан-отсекатель в сборе присоединительной резьбой на теле присоединительного патрубка 2 связывается со стволом горизонтальной скважины.
При подаче избыточного давления со стороны скважины внутрь устройства оно действует на площадь сечения толкателя 5 и кольцевую площадь торцового клапана 11. При превышении усилия предварительного сжатия пружины 8 толкатель 5 начинает перемещаться в сторону торцового клапана 11, с входом с ним в торцовый контакт (фиг. 2). При дальнейшем росте давления и создании расчетного осевого усилия (давление открытия), толкатель 5 отжимает торцовый клапан 11 от седла 3, с образованием между ними зазора, куда начинает поступать пластовая жидкость из осевого канала 10 разъемного корпуса 1, с воздействием сверху на внутреннюю торцовую поверхность торцового клапана 11 по внутренней проточке 15. Избыточное давление воспринимается также площадью сечения тела полого штока 12, что приводит к его перемещению вниз, с дополнительным сжатием пружины 13 и открытием большего зазора между седлом 3 и торцовым клапаном 11, для свободного пропуска пластовой жидкости в осевой канал полого штока 12. Одновременно толкатель 5 усилием пружины 8 возвращается в исходное положение (фиг. 3). Поток пластовой жидкости, истекающий из осевого канала полого штока 12, подается на отбойник 24, откуда через перфорационные отверстия 30 в регулировочной шторке 29 истекает в осевой канал 23 стакана 14. Далее через продольные пазы 31 отбойника 24 она пропускается к осевым отверстиям 27, откуда через радиальные отверстия 28 в теле регулировочной гайки 26 попадает в осевой канал разъемного корпуса 1 и далее в сборный коллектор. При максимальном динамическом напоре струи пластовой жидкости, истекающей из осевого канала полого штока 12, отбойник 24 перемещается в осевом канале 23 стакана 14, с сжатием пружины 13 и изменением зазора между отбойником 24 и торцом полого штока 12.
Установка отбойника 24 смягчает осевое усилие, передаваемое пружине 13 при резком отрыве торцового клапана 11 от седла 3, когда пластовая жидкость при максимальном перепаде давления воздействует на торцовый клапан 11 с полым штоком 12. При восприятии динамического напора со стороны струи пластовой жидкости отбойник 24 сжимает пружину 25 и совершает колебательные движения вдоль оси стакана 14, которые накладываются на поток пластовой жидкости, истекающей через осевой канал 10 разъемного корпуса 1 в сборный коллектор.
Истечение пластовой жидкости через устройство происходит со снижением давления в стволе скважины. При расчетном перепаде давления (давление закрытия), усилием сжатой пружины 13 торцовый клапан 11 вместе с полым штоком 12 возвращаются в исходное положение, с посадкой на седло 3 и прекращением подачи пластовой жидкости из ствола скважины через устройство в сборный коллектор.
Происходит накопление пластовой жидкости в стволе скважины с ростом давления до расчетного значения открытия, при котором происходит срабатывание устройства с повторением процесса.
Настройку режима работы устройства производят: изменением усилия предварительного сжатия пружины 8, воздействующей на толкатель 5 - вращением регулировочной гайки 7; меняют усилие прижатия торцового клапана 11 к седлу 3 изменением предварительного сжатия пружины 13 путем совместного вращения обоймы 19 с гайкой 21, с воздействием на выступы 16 стакана 14 и перемещением их в продольных пазах 17 разъемного корпуса 1, перемещением стакана 14 в осевом канале 10 разъемного корпуса 1; вращением регулировочной гайки 26 осуществляют ее осевое перемещение вместе с отбойником 24 в направлении полого штока 12 или обратно с воздействием на поток жидкости.
Такую настройку ведут с учетом известных параметров добычи - максимального расхода, перепада давления, дебита, глубины скважины, перед монтажом устройства на стволе скважины.
В процессе работы изменение режима работы устройства осуществляется совместным вращением обоймы 19 с гайкой 21 через взаимодействие с выступами 16 на теле стакана 14, осуществляют его перемещение в осевом канале 10 разъемного корпуса 1, с поджимом пружиной 13 торцового клапана 11 к седлу 3 - без демонтажа устройства с места установки и остановки работы.
Пример расчета клапана-отсекателя:
Проведем расчет клапана-отсекателя для оснащения горизонтальной скважины нефтяного месторождения, разрабатываемого шахтным способом с применением тепловых методов воздействия на пласт (см. схему на фиг. 4).
Исходные условия:
- длину горизонтального участка скважины принимаем равным: L=250 м;
- угол наклона в сторону галерей: α=5°;
гс
Определяем высоту H=L⋅tg(α) и гидростатическое давление (Р) столба пластового флюида (нефти):
3
где: ρ - плотность пластового флюида (нефти), кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с;
Н - высота столба жидкости в скважине, м;
L - длина ствола скважины по горизонтали, м;
α - угол наклона ствола скважины к горизонту в сторону галерей;
tg(α) - тангенс угла наклона ствола скважины.
3
Приняв среднюю плотность нефти равной ρ=850 кг/м, определим гидростатическое давление:
гс
-6
Р=ρ⋅g⋅L⋅tg(α)=850⋅9,81⋅250⋅tg(5°)⋅10=0,18 МПа,
п
2
Давление пара на конце ствола скважины над уровнем жидкости примем равным Р=0,15 МПа (1,5 кгс/см). Таким образом, при заполненном нефтью стволе скважины и принятым давлением пара над ней, суммарное давление на клапан-отсекатель составит:
откр.
гс
п
P=Р+Р=0,18+0,15=0,33 МПа.
откр.
Примем это давление в качестве расчетного давления, при котором произойдет открытие клапана-отсекателя с выпуском пластового флюида из ствола скважины в сборный коллектор: Р - давление открытия клапана, МПа.
закр.
2
Температура пара от парогенератора составляет 150-160°С, температура в стволе скважины порядка 75-80°С. При открытии клапана-отсекателя происходит адиабатическое расширение пара со снижением давления в системе. Давление закрытия клапана примем равным Р=0,1 МПа (1 кгс/см).
Для примера расчета примем следующие значения геометрических параметров клапана-отсекателя (номера позиций приведены по фиг. 1-3):
толк.
- диаметр тела толкателя 5: D=35 мм (0,035 м);
шт.
- наружный диаметр полого штока 12: D=60 мм (0,06 м);
шт.
- диаметр осевого канала полого штока 12: d=50 мм (0,05 м);
кл.
- наружный диаметр торцового клапана 11: D=65 мм (0,065 м).
Определим площади:
- площадь сечения толкателя 5:
- площадь сечения тела полого штока 12:
- площадь сечения кольцевого выступа торцового клапана 11:
Проведем расчет усилий предварительного сжатия пружин для обеспечения работы клапана в заданных технологических параметрах:
Сила (F), действующая на элементы конструкции от давления жидкой (или газообразной) среды, заполняющей устройство, равна произведению давления (Р) (или перепада давления) на площадь (S), через которую давление действует:
Для открытия клапана должно выполняться условие, выраженное уравнением:
p.т.
где F - осевая сила действия давления жидкости на толкатель (5) при заданном давлении открытия клапана-отсекателя, Н, равная произведению давления открытия на площадь сечения тела толкателя:
р.т.
откр.
толк.
F=P⋅S;
р.кл.
p.кл.
откр.
кл.
F - осевая сила действия давления жидкости на торцовый клапан 11 при заданном давлении открытия клапана-отсекателя, Н, действующая на торцовый клапан снизу-вверх в направлении его прижатия к седлу 3 и равная произведению давления открытия на площадь сечения кольцевого выступа торцового клапана: F=Р⋅S;
пр.т.
F - усилие предварительного сжатия пружины 8 толкателя 5, Н;
- усилие предварительного сжатия пружины 13 полого штока 12, Н.
пр.шт.
закр.
Усилием предварительного сжатия пружины 13 полого штока 12 F определяется давление, при котором произойдет закрытие клапана-отсекателя, то есть - Р
Условие закрытия клапана-отсекателя:
p.шт.
где F - осевая сила действия давления жидкости на тело полого штока 12 со стороны скважины при заданном давлении закрытия клапана-отсекателя, Н, и равная произведению давления закрытия на площадь сечения тела полого штока 12:
р.шт.
закр.
шт.
F=P⋅S;
пр.шт.
закр.
шт.
Из уравнения 3 выразим и определим усилие предварительного сжатия пружины 8 толкателя 5, приняв усилие предварительного сжатия пружины 13 полого штока 12 равным F=Р⋅S:
пр.т.
р.т.
пр.шт.
р.кл.
откр.
толк.
закр.
шт.
откр.
кл.
6
-4
6
-4
6
-4
F=F-F-F=Р⋅S-Р⋅S-Р⋅S=0,33×10⋅9,6×10-0,1×10⋅8,6×10-0,33×10⋅4,9×10=69 Н (7 кгс).
Усилие предварительного сжатия пружины 13 полого штока 12:
пр.шт.
закр.
шт.
6
-4
F=Р⋅S=0,1×10⋅8,6×10=86 Н (8,8 кгс).
Усилие предварительного сжатия пружины 8 толкателя 5 устанавливается вращением регулировочной гайки 7 перед монтажом устройства («грубая» настройка), а затем после монтажа или непосредственно в процессе работы производится настройка усилия предварительного сжатия пружины 13 полого штока 12 совместным вращением гайки 21 и обоймы 19 с перемещением стакана 14 (точная настройка). Таким образом, устройство позволяет производить точную регулировку и настройку технологического режима работы (давления открытия и закрытия) в процессе эксплуатации без остановки скважины и без демонтажа устройства.