Клапан обратный дроссельный

Изобретение относится к устройствам для автоматического управления потоком рабочих жидкостей на глубине при цементировании нефтяных, газовых, геологоразведочных и других буровых скважин. Обеспечивает повышение функциональной надежности клапана и улучшение качества цементирования. Сущность изобретения: клапан включает стальной корпус, дроссельный узел, запорный узел с шаром и седлом к нему. Согласно изобретению между запорным и дроссельным узлами неподвижно установлена разделяющая их прочная непроницаемая перегородка с возможностью сообщения посредством U-образного, опрокинутого коленом вверх трубчатого канала с внутренним диаметром более диаметра шара, имеющего две направленные вниз ветви разной длины. Удлиненная ветвь трубы сообщена через неподвижно закрепленный в перегородке открытый торец с полостью дроссельного узла корпуса. Торец короткой ветви расположен выше перегородки и находится в полости запорного узла. Труба короткой ветви имеет продолжение вверх выше колена на расстояние больше диаметра шара. Она выполнена в виде патрубка с заглушенным верхним торцом, образуя полость - депо со стопорным устройством для расположения и удержания там шара в исходном положении. Шар имеет возможность свободного падения под собственным весом вниз на седло при освобождении от стопора в результате действия внешнего усилия от цементировочной пробки в конце цементирования. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области цементирования при строительстве скважин и может быть использовано в нефтяной, газовой, геологоразведочной и других областях горной отрасли для непрерывного самонаполнения промывочной жидкостью спускаемой обсадной колонны, для упора (посадки) разделительной цементировочной пробки в заключение процесса и предотвращения обратного движения цементного раствора из затрубного пространства в колонну в период ожидания его затвердевания (ОЗЦ).

Известен клапан обратный дроссельный типа ЦКОД-М (1), показанный на фигуре 1. Этот клапан включает стальной корпус 1, в котором смонтированы два основных узла - запорный и дроссельный. Запорный узел включает шар 7 и седло, в конструкцию которого входят: нажимная гайка 2, резиновая диафрагма 3, набор резиновых шайб 4 и упорное кольцо 6. Дроссельный узел включает ограничитель 8, пяту 9, пружину 10, дроссель 11 и упор 12.

Особенностью применения клапана по прототипу является необходимость сбрасывания шара с устья скважины на глубину расположения клапана в колонне обсадных труб (практически до 10 тыс. м.). Это приводит к многочисленным повреждениям поверхности шара вследствие столкновений его с жесткой шероховатой внутренней поверхностью колонны, в том числе с острыми кромками на стыках труб. Повреждения могут привести к потере работоспособности шара.

Главным недостатком является то, что шар в рабочем положении оказывается ниже седла, в результате чего сила от массы шара направлена в сторону, противоположную от седла, и не способствует эффективному перекрытию его живого сечения шаром.

Конструктивная особенность клапана вызывает необходимость установки шара в рабочее положение путем продавливания его сверху вниз сквозь седло, что чревато их взаимными повреждениями.

Седло клапана имеет слишком сложную многозвенную конструкцию, что усложняет его изготовление, монтаж и снижает надежность в работе.

Для реализации основной функции запорного узла - предотвращения обратного движения жидкости на этом участке внутриколонного канала скважины шар, увлекаемый потоком жидкости, должен быть перемещен снизу вверх - от опоры на ограничительной решетке к седлу и прижат к нему с необходимым усилием. Надежность выполнения этой функции клапана недостаточна, так как интенсивность потока жидкости, ограничиваемого дроссельным устройством, невелика, а плотность материала шара более чем в четыре раза превышает плотность жидкости. При этом велика вероятность отставания шара от потока или плохого его прилегания к седлу. Не исключена возможность (что подтверждается промысловой практикой) проникновения (обратный переток) значительных объемов жидкости (цементного раствора) из-за колонны в колонну, недоподъем цементного раствора за колонной и образование недопустимо большого цементного “стакана” влечет за собой значительные дополнительные материальные затраты. Недоподъем цементного раствора за обсадной колонной приведет к снижению качества цементирования скважины.

Попытки решить эту проблему уменьшением массы шара, например изготовление его пустотелым (2), технологически сложны и часто приводили к недопустимому снижению его прочности.

Целью изобретения является повышение функциональной надежности в работе дроссельного обратного клапана, улучшение качества цементирования и исключение связанных с этим непроизводительных затрат.

Поставленная цель достигается обратным дроссельным клапаном, включающим стальной корпус, дроссельный узел, запорный узел с шаром и седлом к нему, согласно изобретению между запорным и дроссельным узлами неподвижно установлена разделяющая их прочная непроницаемая перегородка с возможностью сообщения посредством U-образного опрокинутого коленом вверх трубчатого канала с внутренним диаметром более диаметра шара, имеющего две направленные вниз ветви разной длины, удлиненная ветвь трубы сообщена через неподвижно закрепленный в перегородке открытый торец с полостью дроссельного узла корпуса, а торец короткой ветви расположен выше перегородки и находится в полости запорного узла, при этом труба короткой ветви имеет продолжение вверх выше колена на расстоянии больше диаметра шара в виде патрубка с заглушенным верхним торцом, образуя полость - депо со стопорным устройством для расположения и удержания там шара в исходном положении, с возможностью его свободного падения под собственным весом вниз на седло в рабочее положение при освобождении от стопора в результате действия внешнего усилия от цементировочной пробки в конце цементирования.

Стопорное устройство включает кинематически связанные между собой детали: фиксатор, оснащенный подпружиненным рычагом, корпус фиксатора, управляющую втулку с поперечиной и обойму втулки, взаиморасположенные с возможностью автоматического освобождения шара в депо под воздействием внешнего усилия.

Фиксатор стопорного устройства выполнен в форме сплошного цилиндра, расположенного перпендикулярно короткой ветви трубчатого канала и усеченного в средней части менее чем на диаметр внутренней поверхностью трубы короткой ветви, при этом длина фиксатора больше, чем вмещающий его корпус, по краям, в пределах длины корпуса, он имеет кольцевые проточки с упругими уплотнительными кольцами, а по торцам, за пределами корпуса, - узлы неподвижных соединений с рычагом.

Корпус фиксатора выполнен в форме полого цилиндра, усеченного в средней части менее, чем на диаметр внешней поверхности короткой ветви трубчатого канала, и прочно герметично соединен с ней по линии сопряжения, при этом посадка пары деталей фиксатор - корпус выполнена с минимальным гарантированным зазором в сочетании с уплотнительными кольцами.

Рычаг фиксатора выполнен в виде детали П-образной формы, оснащенной по середине перекладины дужкой, направленной вверх, с возможностью охвата ею перекладины управляющей втулки стопорного устройства в их сопряжении и удержания управляющей втулки в крайнем верхнем положении от самопроизвольного выхода ее из обоймы вверх под воздействием вибраций при движении колонны в скважине.

Управляющая втулка выполнена в виде полого цилиндра с косым срезом снизу, со стороны рычага, менее, чем на диаметр, и диаметральной цилиндрической перекладиной в нижнем торце, при этом общая высота втулки принята такой, что в исходном положении она выступает вверх над уровнем верхнего торца короткой ветви трубчатого канала на расстояние, обеспечивающее возможность при переходе ее в крайнее нижнее положение, в одном уровне с верхним торцом обоймы, освобождения шара от фиксатора в депо.

Обойма управляющей втулки имеет трубчатую форму и прочно неподвижно присоединена к короткой ветви трубы так, что их верхние торцы оказываются в одной горизонтальной плоскости.

На фигуре 2 приведена схема устройства клапана обратного дроссельного по предполагаемому изобретению.

На фигуре 3 приведен разрез по А-А фиг.2.

На фигуре 4 приведен разрез по Б-Б фиг.2.

На фигуре 5 приведен разрез по В-В фиг.2.

На фигуре 6 приведен разрез по Г-Г фиг.2.

Клапан содержит стальной корпус 1 с резьбами для присоединения к обсадной колонне (муфта - ниппель), включающий запорный 2 и дроссельный 3 узлы. При этом дроссельный узел содержит ограничитель 8, пяту 9, пружину 10, дроссель 11 и упор 12. Внутри корпуса между дроссельным и запорным узлами установлена прочная непроницаемая перегородка 13, разделяющая внутреннюю полость клапана на две камеры - верхнюю, содержащую запорный узел, и нижнюю, содержащую дроссельный узел. Запорный узел содержит U-образный опрокинутый коленом вверх трубчатый канал с внутренним диаметром более диаметра шара, имеющего две направленные вниз ветви разной длины. Удлиненная ветвь трубы 15 неподвижно закреплена в перегородке 13 корпуса так, что открытый ее торец сообщается с нижней камерой полости корпуса, содержащей дроссельный узел. Короткая ветвь 14 имеет круглую форму поперечного сечения с внутренним диаметром больше диаметра шара 5. Открытым торцом трубы она расположена выше перегородки 13 и сообщается с верхней камерой полости корпуса клапана. В нижнем торце труба короткой ветви оснащена неподвижным седлом 4 жесткой однозвенной конструкции с фиксированными размерами и диаметром живого сечения, меньшим диаметра шара. Короткая ветвь трубы имеет продолжение вверх, выше уровня колена 16, на высоту более диаметра шара, образуя тем полость в виде патрубка с заглушенным верхним торцом-депо 17, для расположения и удержания там с помощью стопорного приспособления шара в исходном положении. Стопорное устройство включает кинематически связанные между собой детали: фиксатор 19, оснащенный подпружиненным рычагом 20 с дужкой 25, пружину 18, корпус фиксатора 24, управляющую втулку 22 с цилиндрической поперечиной 21 и обойму втулки 23, взаиморасположенные с возможностью автоматического освобождения шара в депо под воздействием внешнего усилия.

Клапан заявляемой конструкции обладает высокой функциональной надежностью и оптимальностью конструкции, исключающими необходимость сложной операции сброса шара на большое расстояние с устья скважины и обеспечивающими возможность автоматического его ввода в действие из исходного положения в депо в рабочее положение над седлом в оптимальный момент в конце цементирования.

В составе обсадной колонны клапан спускают в скважину на заданную глубину, где в процессе цементирования он работает, как показано на фигурах 7 и 8, следующим образом.

При спуске обсадной колонны (смотри фиг.7) через дроссель 6 происходит ее долив в автоматическом режиме. Шар 5, находящийся в это время в депо 17, не препятствует перетеканию бурового раствора в колонну из заколонного пространства.

При промывке и цементировании скважины все рабочие жидкости беспрепятственно проходят через корпус 1 клапана. Поток последовательно переходит из верхней камеры 2 сквозь седло 4 внутрь короткой ветви 14 U-образного трубчатого канала, изменяя при этом направление движения на 180°. Далее, через колено 16 поток направляется внутрь удлиненной ветви 15, повторно изменяя направление на противоположное. Сквозь перегородку 13 через открытый торец удлиненной ветви из запорной камеры поток поступает в дроссельную камеру 3. Далее, как и по прототипу, отжимая подпружиненную пяту 9, через отверстия 7 в ограничителе 8 поток жидкости выходит за пределы корпуса клапана. В конце цементирования, когда цементировочная пробка 26 входит в корпус клапана, до момента прекращения своего движения она нижним своим основанием нажимает в торец управляющей втулки 22 и перемещает ее вниз. Втулка посредством поперечины 21 передает движение рычагу 20, поворачивая его на 30-40°. Стопорный элемент (усеченный цилиндр) 19 поворачивается в пространстве, освобождая шар 5, который под действием собственного веса перемещается вниз и садится на седло 4 (смотри фигуру 8). Дальнейшему движению жидкостей через клапан сверху вниз препятствует цементировочная пробка. Обратному движению жидкостей снизу вверх препятствует шар, прижимаемый к седлу перепадом давления, передаваемым из-за колонны через дроссель.

Список используемой литературы

1. О.И.Бездробный, А.И.Булатов, П.П.Макаренко. “Обслуживание наземного цементировочного оборудования”, Москва, Недра, 1996, с.422-425.

2. Клапан конструкции ООО “Нефтегазмаш-Технологии” типа ЦКОД-Т, ТУ 3666-002-53434081-2000.

1. Клапан обратный дроссельный, включающий стальной корпус, дроссельный узел, запорный узел с шаром и седлом к нему, отличающийся тем, что между запорным и дроссельным узлами неподвижно установлена разделяющая их прочная непроницаемая перегородка с возможностью сообщения посредством U-образного, опрокинутого коленом вверх, трубчатого канала, внутренним диаметром более диаметра шара, имеющего две направленные вниз ветви разной длины, удлиненная ветвь трубы сообщена через неподвижно закрепленный в перегородке открытый торец с полостью дроссельного узла корпуса, а торец короткой ветви расположен выше перегородки и находится в полости запорного узла, при этом труба короткой ветви имеет продолжение вверх выше колена на расстояние больше диаметра шара в виде патрубка с заглушенным верхним торцом, образуя полость - депо со стопорным устройством для расположения и удержания там шара в исходном положении с возможностью его свободного падения под собственным весом вниз на седло в рабочее положение при освобождении от стопора в результате действия внешнего усилия от цементировочной пробки в конце цементирования.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что стопорное устройство включает кинематически связанные между собой детали: фиксатор, оснащенный подпружиненным рычагом, корпус фиксатора, управляющую втулку с поперечиной и обойму втулки, взаиморасположенные с возможностью автоматического освобождения шара в депо под воздействием внешнего усилия.

3. Клапан по п.2, отличающийся тем, что фиксатор стопорного устройства выполнен в форме сплошного цилиндра, расположенного перпендикулярно короткой ветви трубчатого канала и усеченного в средней части менее чем на диаметр внутренней поверхностью трубы короткой ветви, при этом длина фиксатора больше, чем вмещающий его корпус, по краям в пределах длины корпуса он имеет кольцевые проточки с упругими уплотнительными кольцами, а по торцам за пределами корпуса - узлы неподвижных соединений с рычагом.

4. Клапан по п.2, отличающийся тем, что корпус фиксатора выполнен в форме полого цилиндра, усеченного в средней части менее чем на диаметр внешней поверхности короткой ветви трубчатого канала и прочно, герметично соединен с ней по линии сопряжения, при этом посадка пары деталей фиксатор - корпус выполнена с минимальным гарантированным зазором в сочетании с уплотнительными кольцами.

5. Клапан по п.2, отличающийся тем, что рычаг фиксатора выполнен в виде детали П-образной формы, оснащенной по середине перекладины дужкой, направленной вверх, с возможностью охвата ею перекладины управляющей втулки стопорного устройства в их сопряжении и удержания управляющей втулки в крайнем верхнем положении от самопроизвольного выхода ее из обоймы вверх под воздействием вибраций при движении колонны в скважине.

6. Клапан по п.2, отличающийся тем, что управляющая втулка выполнена в виде полого цилиндра с косым срезом снизу со стороны рычага менее чем на диаметр и диаметральной цилиндрической перекладиной в нижнем торце, при этом общая высота втулки принята такой, что в исходном положении она выступает вверх над уровнем верхнего торца короткой ветви трубчатого канала на расстояние, обеспечивающее возможность при переходе ее в крайнее нижнее положение в одном уровне с верхним торцом обоймы, освобождения шара от фиксатора в депо.

7. Клапан по п.2, отличающийся тем, что обойма управляющей втулки имеет трубчатую форму и прочно неподвижно присоединена к короткой ветви трубы так, что их верхние торцы оказываются в одной горизонтальной плоскости.