ЗОЛОТНИКОВЫЙ КРАН Российский патент 2002 года по МПК E21B43/12 E21B21/10 E21B34/02 

Изобретение относится к оборудованию обвязки цементировочных агрегатов, а именно к запорным устройствам в системе устье скважины-пласт, и может быть использовано при бурении, цементировании и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Известны пробковые краны, угловые дроссели и кран-дроссель [Кочелевский Ю. М. "Современные конструкции трубопроводной арматуры для нефти и газа". Справочное пособие. Второе издание, переработанное и дополнительное. Москва. Недра, 1976, с. 135-149].

Основными элементами пробковых кранов является литой или кованный корпус, в котором установлена коническая или цилиндрическая пробка с поперечным каналом и уплотнениями.

Недостатками этих кранов являются невозможность ручного управления или при давлении свыше 6-7 МПа, недостаточная герметичность и долговечность.

Известен угловой дроссель, включающий полый корпус, фланцы, установленные в корпусе подпружиненные диски с овальными каналами, поворотную втулку-вращатель [авт. св. СССР 1104239 А, кл. Е 21 В 33/03, 43/12, 1982].

Недостатками угловых дросселей (кранов) является их угловое исполнение, значительные усилия управления, требующие применения механизированных приводов и значительная масса, без привода.

Известны золотниковые устройства, применяемые в машиностроении [Н.М. Кучер "Металлорежущие станки". Машиностроение, М., 1964 г., с. 671].

Золотниковые устройства включают полый корпус (или гильзу, в корпусе), снабженный рядом кольцевых канавок, связанных с трубопроводами гидравлической системы и плунжер с выточками.

При осевом перемещении плунжера его выточки соединяют кольцевые канавки в корпусе, и соответственно трубопроводы, связанные с этими канавками.

Осевое перемещение плунжера осуществляется механически или иным способом.

Недостатки заключаются в том, что эти золотниковые устройства, для обеспечения их герметичности требуют высокой точности изготовления (зазор 0,004÷0,01 мм) и неработоспособны при попадании частиц абразива в зазор. В этом случае сила трения при перемещении плунжера резко возрастает.

Поэтому они не нашли применение в случае прокачки абразивных жидкостей (буровые и тампонажные растворы).

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы устройства, снижение сложности обработки контактных поверхностей корпуса и плунжера при работе в условиях прокачки абразивных жидкостей под большим давлением.

Это достигается тем, что в золотниковом кране, содержащем полый корпус с кольцевым каналом и плунжер с выточками, кольцевой канал в полом корпусе выполнен в виде кольцевой камеры с уплотнениями по ее краям в полом корпусе, соединяющий, в положении "ОТКРЫТО", выточки в неподвижном плунжере, который выполнен с двумя соосными, глухими каналами и поперечными отверстиями в выточках неподвижного плунжера, у днища глухих каналов, и соединяющими, в положении "ОТКРЫТО", глухие каналы, а подвижной полый корпус соединен при помощи шарового замка с гайкой с возможностью ее вращения и совместного перемещения вдоль плунжера, причем суммарная площадь проходного сечения каждого ряда поперечных отверстий в выточках неподвижного плунжера, равна площади проходного сечения его глухого канала, а выточки на неподвижном плунжере выполнены с заходными фасками и их глубина (h) составляет 0,7-0,85 мм.

Уплотнительные кольца в полом корпусе установлены с натягом по наружному диаметру плунжера, составляющему 0,8-0,9 от глубины выточки в неподвижном плунжере (h), а глубина кольцевой камеры в корпусе и ширина поперечных отверстий в выточках неподвижного плунжера выполнены достаточными для прохождения через них частиц шлама прокачиваемой жидкости, например, с размером сечения частиц 8•8 мм.

На фиг. 1 показан продольный разрез золотникового крана в положении "Закрыто", на фиг.2 - в положении "Открыто", а на фиг.3 - поперечное сечение по А-А, фиг.2.

Золотниковый кран состоит из подвижного полого корпуса 1, с кольцевой камерой 2, по краям которой, в полом корпусе 1 установлены уплотнительные кольца 3 с защитными шайбами 4, неподвижного плунжера 5, с глухими осевыми каналами 6 и 7, выточками 8, у днища 9 глухих каналов 6 и 7 и поперечными отверстиями 10 и 11 в выточках неподвижного плунжера 5, подвижной гайки 12 с рукоятками 13, соединенной с возможностью ее вращения и совместного перемещения с полым корпусом 1, шарового замка 14 и защитного кожуха 15, соединенного с полым корпусом 1.

Неподвижный плунжер 5 выполнен с присоединительными резьбами 16 и 17 на его концах, для присоединения его к трубопроводу или в ином месте и с резьбой 18 под гайку 12. Кольцевая камера 2 и сечение поперечных отверстий 10 и 11 в выточках 8 плунжера 5 выполнены так, что обеспечивается постоянство скорости потока жидкости в глухих каналах 6 и 7 и отверстиях 10 и 11, а также беспрепятственное прохождение частиц шлама жидкости.

Золотниковый кран работает следующим образом.

Плунжер 5 соединяется присоединительными резьбами 16 и 17 с соответствующими частями трубопровода манифольда, или цементировочной головки, или бурильной трубы.

При работе (закачке) пластовый флюид, буровой или цементный раствор проходит через канал 6, отверстия 10, кольцевой камеры 2, отверстия 11 и выходит в канал 7 (при открытом положении крана).

Для закрытия золотникового крана производится вращение гайки 12 при помощи рукояток 13. При этом корпус 1 перемещается в сторону канала 7, среднее уплотнение проходит отверстия 10 в выточке 8 плунжера 5 и заходит на уплотняемую поверхность плунжера (между отверстиями) и отверстия 10 и 11 разобщаются.

Вращение гайки 12 осуществляется до полного перекрытия отверстий 10 и 11 и соответственно каналов 6 и 7.

Открытие золотниковою крана осуществляется путем вращения гайки 12 в противоположную сторону, при этом корпус 1 перемещается в сторону резьбы 17.

Защитный кожух 15 предотвращает попадание грязи на поверхность 19 плунжера 5 и исключает повреждение уплотнений в полом корпусе 1.

Благодаря такому наполнению:
1) исключается повреждение уплотнительных колен 3 при перемещении корпуса 1 вдоль плунжера 5 под давлением при прохождении колец 3 через выточки 8 с отверстиями 10;
2) исключается передача вращения гайки 12 на полый корпус 1, который может совершать только возвратно-поступательное движение по неподвижному плунжеру, что также улучшает условия paбoты уплотнений 3;
3) обеспечивается минимальное сопротивление возвратно-поступательному перемещению подвижного корпуса 1 по плунжеру 5, которое определяется только трением в уплотнениях и в резьбе гайки, что позволяет при усилии от руки легко осуществлять операции по закрытию-открытию золотникового крана под давлением 70 МПа и более;
4) обеспечивается высокая долговечность золотникового крана за счет уменьшения износа поперечных отверстий 10 и 11 струей абразивной жидкости.

При меньших размерах поперечных отверстий 10 и 11 возрастает их износ (т. к. увеличивается скорость потока жидкости), а при больших - уменьшается прочность плунжера 5 в сечениях по отверстиям.

Как показали, проведенные испытания экспериментального образца золотникового крана, стойкость уплотнений превышает 500 час, при долговечности золотникового крана более 1200 часов, что на порядок превышает долговечность пробковых кранов.

Кроме того, применение винтовой пары (шток 5 и гайка 12) позволяет производить плавное закрытие-открытие золотникового крана под давлением, что особенно важно в промысловой практике, особенно при опрессовке обсадных колонн.

Изобретение относится к оборудованию манифольдов нефтяных и газовых скважин и может быть использовано при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Золотниковый кран содержит полый корпус с кольцевой камерой с уплотнениями по краям камеры и неподвижный плунжер с выточками, глухими осевыми входными и выходными каналами и поперечными отверстиями в выточках у днища глухих каналов. В положении "Открыто" входные и выходные каналы соединяются через кольцевую камеру в полом корпусе. Корпус соединен шаровым замком с гайкой, с возможностью ее вращения и их совместного перемещения вдоль неподвижного плунжера для перекрытия отверстий в выточках неподвижного плунжера. Суммарная площадь проходного сечения каждого ряда поперечных отверстий равна площади проходного сечения его глухого канала. Выточки на неподвижном плунжере выполнены с заходными фасками и их глубина составляет 0,7-0,85 мм. Уплотнительные кольца в уплотнениях выполнены так, что их натяг по посадочному диаметру неподвижного плунжера составляет 0,8-0,9 от глубины выточки в нем. Обеспечивается повышение надежности работы золотникового крана при снижении сложности обработки контактирующих поверхностей в местах нахождения уплотнений, при работе в условиях прокачки абразивных жидкостей под большим давлением. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Золотниковый кран, содержащий полый корпус с кольцевым каналом и плунжер с выточками, отличающийся тем, что кольцевой канал в полом корпусе выполнен в виде кольцевой камеры с уплотнениями по его краям в полом корпусе, соединяющей в положении "Открыто" выточки в неподвижном плунжере, который выполнен с двумя соосными глухими каналами и поперечными отверстиями в выточках неподвижного плунжера у днища глухих каналов, и соединяющими в положении "Открыто" глухие каналы неподвижного плунжера, а полый корпус соединен при помощи шарового замка с гайкой, с возможностью ее вращения и их совместного перемещения вдоль неподвижного плунжера и перекрытия отверстий в выточках этого плунжера, причем суммарная площадь проходного сечения каждого ряда поперечных отверстий в выточках неподвижного плунжера равна площади проходного сечения его глухого канала, а выточки на неподвижном плунжере выполнены с заходными фасками и их глубина составляет 0,7-0,85 мм. 2. Золотниковый кран по п.1, отличающийся тем, что уплотнительные кольца в полом корпусе установлены с натягом по наружному диаметру плунжера, составляющему 0,8-0,9 от глубины выточки в неподвижном плунжере, а глубина кольцевой камеры в полом корпусе и ширина поперечных отверстий в выточках неподвижного плунжера выполнены достаточными для прохождения через них частиц шлама прокачиваемой жидкости, например, с размером сечения 8-8 мм.