ЛЕТАЮЩИЙ КЛАПАН ДЛЯ ПЛУНЖЕРНОГО ЛИФТА Российский патент 2003 года по МПК F04B47/12 F04B53/10 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для добычи жидкости из нефтяных и газовых скважин.

Известен летающий клапан для плунжерного лифта (см., например, авт. св. СССР 334368, кл. Е 21 В 43/00, 1970), состоящий из шарика, разъемного корпуса, подвижных плашек с замковыми устройствами, выполненными в виде продольных и поперечных уплотнительных поверхностей, кольца, а также пружины, опирающейся на корпус, и имеющий коническую рабочую поверхность и продольные разрезы.

Недостатками такого и подобного ему клапанов являются потеря уплотнительной способности плашек при подъеме летающего клапана в трубах, внутренняя поверхность которых отличается от цилиндрической из-за неточности их изготовления, и, как следствие, имеет место повышенный расход рабочего агента; для обеспечения подвижности плашек в месте соединения их с кольцом и замковых устройствах имеются зазоры, приводящие к расхождению продольных поверхностей замковых устройств и утечки рабочего агента при неравномерной нагрузке на плашки со стороны стенок труб вследствие их нецилиндричности; низкая стойкость плашек и кольца к ударным нагрузкам из-за наличия больших рабочих зазоров в месте их соединения и кромочных контактов кольца с плашками и плашек одна с другой, что приводит к смятиям кромок с последующей потерей подвижности плашек; ненадежность пружины в условиях ударных нагрузок, имеющих место в скважине, которые вызывают поломку лепестков пружины и заклинивание летающего клапана из-за перекоса сломанного лепестка; из-за малости угла конуса пружины сход плашек с пружины затруднен, в результате чего происходит заклинивание плашек между пружиной и стенками труб.

Известен также летающий клапан для плунжерного лифта (см., например, авт.свид.СССР 1724936, А1, кл. F 04 В 47/12, 1992), содержащий шарик, разъемный корпус в виде свинченных между собой верхней части и стакана, образующих между собой полость, в которой размещена пружина, подпружинивающая плашки, скрепленные между собой замковым устройством, выполненным в виде продольных и поперечных уплотнительных поверхностей, из которых продольные выполнены плоскими, а поперечные - либо в виде цилиндрических поверхностей, либо плоскими, кольца и элементы, связывающие кольцо с плашками в виде установленных в гнездах плашек роликов, при этом внутренняя поверхность кольца и прилегающие к ней поверхности плашек выполнены сферическими, а оси роликов являются осями указанных сфер и перпендикулярны соответствующим плоскостям замковых соединений плашек. Другой особенностью плунжера является пружина, которая выполнена с конической рабочей поверхностью и продольными разрезами и расположена в стакане разъемного корпуса, а углы корпуса рабочих поверхностей пружины и разъемного корпуса выполнены больше угла самоторможения, причем продольные разрезы пружины выполнены двухсторонними.

Техническое устройство плунжера по а.с. СССР 1724936 является наиболее близким из известных решений к предлагаемому и принято в качестве прототипа.

Недостатки известного плунжера: потеря уплотнительной способности плашек при подъеме-спуске летающего клапана в трубах и, как следствие, повышенный расход рабочего агента; снижение подвижности плашек в месте соединения их с кольцом и замковых устройствах, имеющих зазоры, приводящие к расхождению продольных и поперечных поверхностей замковых устройств и утечке рабочего агента при неравномерной нагрузке на плашки со стороны стенок труб вследствие их нецилиндричности, которые образуются вследствие изготовления их протяженных участков или дефектов, полученных в результате транспортирования, погружения в скважину; наличие роликов требует выполнения колец с соответствующими сферическими контактными поверхностями, а поверхность на верхней части (корпусе) цилиндрической, что при неравномерных нагрузках на плашки вызывает разворот ролика и его качение переходит в скольжение и обусловливает заклинивание ролика, не позволяющее плашкам качаться в продольной оси (плоскости); наличие роликов требует выполнения соответствующих контактных поверхностей и сквозных гнезд в плашках, что приводит несмотря на зазоры между плашками к заклиниванию плашек в продольной оси (плоскости), а колец в радиальной плоскости, что приводит к их заклиниванию и потере уплотняющих свойств плашек. Весьма слабым звеном является также разрезная пружина, которая при "жесткой" закалке при изготовлении легко разрушается при ударных нагрузках из-за своей хрупкости. Разрушенная пружина будет являться причиной заклинивания плунжера в трубе и выхода из рабочего состояния всей системы летающего клапана плунжерного лифта.

Таким образом, низкая надежность работы клапана и снижение его уплотнительной способности в условиях эксплуатации приводят к возрастанию затрат на эксплуатацию установки плунжерного лифта и сужают область его применения.

Цель изобретения - повышение надежности работы клапана в условиях ударных нагрузок, а также снижение расхода рабочего агента при эксплуатации скважин, оснащенных трубами, внутренняя поверхность которых отличается от цилиндрической.

Указанная цель достигается тем, что летающий клапан для плунжерного лифта содержит разъемный корпус в виде собранных между собой неразъемных ступенчатой наковальни со стержнем и опорной частью, промежуточное кольцо и кольца верхней части стержня, между которыми установлены плашки, подвижно скрепленные замковыми устройствами с опорной частью наковальни и промежуточным кольцом, а с другой стороны кольцами ограничителями с опиранием на них плашек, промежуточное кольцо и кольцо верхней части, образующие продольные и поперечные уплотнительные поверхности, а между плашками и стержнем наковальни установлены плоские упругие элементы в виде рессор, обращенных выпуклой частью в сторону стержня, а двумя ветвями, опирающимися па плашки.

Целесообразно на поверхности стержня наковальни и обращенных к ней поверхностях плашек выполнить пазы, соответствующие форме рессоры на ее контактных участках.

Целесообразно закрепления промежуточного кольца и кольца верхней части стержня выполнить в виде внутренних кольцевых разрезных пружинных шайб круглого или иного сечения, размещенных в соответствующих по форме канавках в стержне и промежуточном кольце, в стержне и кольце верхней части наковальни.

На фиг. 1 показан частичный продольный разрез корпуса летающего клапана плунжерного лифта; на фиг.2 - поперечный разрез по опорной части рессоры на стержневую часть наковальни; на фиг.3 - поперечный разрез по канавке в промежуточном кольце с разрезной пружинной шайбой.

Летающий клапан для плунжерного лифта содержит разъемный корпус в виде собранных между собой неразъемных ступенчатой наковальни 1 со стержнем 2 с меньшим поперечным сечением в сравнении с опорной частью 3 наковальни, промежуточного кольца 4 и кольца 5 верхней части стержня. С обеих сторон промежуточного кольца 4 установлены навстречу друг другу с взаимным перекрытием плашки 6, 7 и 8, 9, подвижно скрепленные однотипными замковыми устройствами (на чертеже не обозначены и могут быть любыми известными), выполненными с обеих торцов кольца с соответствующими замковыми устройствами с одной стороны опорной части 3 наковальни 1 и промежуточного кольца, а с другой стороны - промежуточного кольца и кольца 5 верхней части стержня 2. Таким образом, плашки 6 и 7 опираются на опорную часть 3 и кольцо 4, а плашки 8 и 9 - на кольцо 4 и кольцо 5. Поверхности неразрезных колец 4, 5 и опорной поверхности 3 с их замковыми устройствами образуют поперечные уплотнения между плашками. Взаимные перекрытия плашек 6 и 7, 8 и 9 образуют продольное уплотнение клапана лифта в трубе. Между плашками 6, 7 и 8, 9 и стержнем 2 наковальни установлены плоские упругие элементы в виде рессор 10 и 11. Рессоры могут быть выполнены круглыми или эллиптическими в сечении и обращены выпуклой частью 12 и 13 в сторону стержня, а двумя ветвями 14, 15 и 16, 17 опирающимися на плашки 6, 7 и 8, 9 соответственно. Поверхности 18 и 19 стержня 2 наковальни и обращенные к ним поверхности 20 и 21 плашек 6,7 и 8, 9 выполнены с пазами, соответствующих им по форме рессорам 10 и 11. Промежуточное кольцо 4 и кольцо 5 верхней части закреплены на стержне 2 внутренними кольцевыми разрезными пружинными шайбами 22 и 23 круглого или иного сечения. Шайбы 22 и 23 размещены в соответствующих их форме канавках 24 и 25 в стержне 2, канавке 26 промежуточного кольца 4 и канавке 27 кольца 5 верхней части стержня. Кольцо 5 выполнено с ловительной головкой 28.

Сборка клапана осуществляется следующим образом.

Плашки 6 устанавливаются в замковое устройство опорной части наковальни, а плашки 7 под плашки 6. В зазор между плашками и стержнем устанавливаются рессоры 10, после чего устанавливается монтажное ограничительное кольцо (на чертеже не показано) с охватом окончаний плашек 7. Затем устанавливается шайба 22 в канавку 24 и обжимается промежуточным кольцом 4 с замковыми устройствами, которое надевается на стержень 2 и так, чтобы замковые устройства плашек 7 совпадали с аналогичным замковым устройством кольца 4. При установке кольца 4 шайба 22 попадает в канавку 26, распрямляется и замыкает кольцо на стержне, а плашку 7 на кольце. Аналогично плашки 8 собираются вокруг стержня 2 в запорном устройстве кольца 4, а плашки 9 - под плашками 8 и в зазор между ними устанавливаются рессоры 11, затем надевается монтажное ограничительное кольцо (на чертеже не показано) с охватом плашек 9. Устанавливается и обжимается разрезная пружинная шайба 23 в канавке 25 стержня, после чего надвигается кольцо 5 верхней части с замковым устройством и так, чтобы его замковое устройство располагалось на уровне замкового устройства плашек 9. При надвижке кольца 5 его канавка 27 совмещается с шайбой 23, которая разжимается и замыкает кольцо 5 на стержне 2, а плашки 9 на кольце. После сборки летающего клапана монтажные ограничительные кольца (на чертеже не показаны и могут быть любыми известными) удаляются. Летающий клапан плунжерного клапана считается собранным и пригодным к эксплуатации.

Летающий клапан работает следующим образом.

Собранный клапан помещают в трубу. После снятия головки 28 с ловителя клапан падает по трубе до нижнего ограничителя. При движении клапана вниз плашки 6, 7 и 8, 9 под действием сил трения о стенки трубы и сил давления набегающего потока среды занимают соответствующее положение и меняют его в зависимости от размера внутренней поверхности трубы. Плашки 6, 7 и 8, 9 при увеличении внутреннего размера трубы отжимаются рессорами 10 и 11 в направлении поверхности трубы или за счет уменьшения внутреннего размера - трубы сжимают рессоры и отжимаются к стержню 2, обеспечивая тем самым радиальное (поперечное) уплотнение клапана в трубе. Таким образом, при падении вниз клапан беспрепятственно опускается до нижнего ограничителя трубы до момента соударения с ним.

После соударения клапан может задерживаться на некоторое время, обусловленное состоянием среды, а затем поднимается под действием ее давления на опорную часть наковальни.

При подаче среды под клапан он начинает движение вверх, поднимая столб жидкости над собой. Утечкам жидкости вниз по трубе - потеря производительности клапана - препятствуют плашки, их замковые устройства и ограничительные кольца.

При подъеме клапана работа плашек 6, 7 и 8, 9 аналогична их работе при опускании клапана. Каждая из рессор 10 или 11 благодаря своей установке относительно стержня 2 и плашек 6 или 7, 8 или 9 может изменять зазор по отношению к внутреннему размеру трубы в продольном направлении, обеспечивая герметичность в трубе. Каждая из плашек 6 или 7, 8 или 9 благодаря установке рессор 10 или 11 в соответствии с изменением размера в радиальном направлении будет его отслеживать и уменьшать зазор между клапаном и внутренней поверхностью трубы.

Предложенная схема установки рессор 10 и 11 обеспечивает качание плашек 6 и 7, 8 и 9 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, обусловливая достаточно надежную герметизацию клапана в трубе, что, в свою очередь, позволяет более производительно эксплуатировать клапан лифта и скважинную трубу по добыче среды (жидкости) с нижних ее горизонтов.

Наличие пружинных разрезных шайб, размещенных внутри, предохраняет клапан от произвольной его "разборки" в связи с ударными нагрузками как при ударе о нижний ограничитель, так и от вибрационной нагрузки, возникающей при изменении положения плашек при движении по трубе.

При достижении клапаном верхнего положения он захватывается ловителем. Плашки сдвигаются за счет инерционных сил, вследствие чего происходит разгерметизация клапана и трубы, клапан снова движется вниз и рабочий процесс клапана повторяется.

Устройство предназначено для использования в нефтегазодобывающей промышленности для добычи жидкости из нефтяных и газовых скважин. Содержит разъемный корпус в виде собранных между собой наковальни со стержнем и опорной частью. Между промежуточным кольцом и кольцом верхней части стержня установлены плашки, подвижно скрепленные замковыми устройствами и с опорной частью наковальни, промежуточным кольцом и кольцом верхней части, с опиранием на них плашек. Промежуточное кольцо и кольцо верхней части образуют продольные и поперечные уплотнительные поверхности. Между плашками и стержнем наковальни установлены упругие плоские элементы в виде рессор, обращенных выпуклой частью в сторону стержня, а двумя ветвями, опирающимися на плашки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Летающий клапан для плунжерного лифта, содержащий разъемный корпус в виде собранных между собой неразъемных ступеней наковальни со стержнем и опорной частью, промежуточное кольцо и кольцо верхней части стержня, между которыми установлены плашки, подвижно скрепленные замковыми устройствами с опорной частью наковальни, промежуточным кольцом и кольцом верхней части с опиранием на них плашек, при этом промежуточное кольцо и кольцо верхней части образуют продольные и поперечные уплотнительные поверхности, отличающийся тем, что между плашками и стержнем наковальни установлены плоские упругие элементы в виде рессор, обращенных выпуклой частью в сторону стержня, а двумя ветвями опирающимися на плашки. 2. Летающий клапан для плунжерного лифта по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности стержня наковальни и обращенных к ней поверхностях плашек выполнены пазы, соответствующие форме рессоры на ее контактных участках. 3. Летающий клапан для плунжерного лифта по п. 1 или 2, отличающийся тем, что закрепления промежуточного кольца и кольца верхней части стержня выполнены в виде внутренних кольцевых разрезных пружинных шайб круглого или иного сечения, размещенных в соответствующих по форме канавках в стержне и промежуточном кольце, в стержне и кольце верхней части наковальни.