УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ Российский патент 2014 года по МПК E21B34/10 F16K15/14 

Настоящее изобретение относится к устройству, которое позволяет промывать текучей средой трубопроводы с недоступной конечной точкой, заменять в них текучую среду и испытывать на герметичность. Например, устройство может использоваться в эксплуатационных трубопроводах, транспортирующих углеводороды из-под земли на поверхность.

Известные устройства такого назначения основаны на использовании поршней, перемещаемых под действием давления, с соответствующими клапанами.

Цель изобретения состоит в создании клапана, не имеющего механических поверхностей скольжения и обычных поршневых камер, которые могут покрываться или заполняться отложениями и частицами, что может быть причиной ухудшения работы системы. Для известных систем загрязнение недопустимо и это иногда создает серьезные проблемы для пользователей. Известные устройства также не допускают промывки трубопровода для его очистки.

Эта цель достигается в устройстве согласно изобретению благодаря тому, что оно выполнено в виде двухкомпонентного циркуляционного клапана, содержащего:

первый клапанный узел, содержащий уплотнительный элемент, который закрывает и открывает клапан в зависимости от динамического давления текучей среды, текущей через клапан, и

второй клапанный узел для долговременного перекрытия течения текучей среды по окончании испытания на герметичность.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, уплотнение представляет собой упругое уплотнительное кольцо для закрывания клапана путем прилегания к седлу в клапанном узле при увеличении скорости текучей среды, текущей через клапан, в зависимости от динамического падения давления текучей среды в области между упругим уплотнительным кольцом и его седлом, когда текучая среда течет через полость и выходит наружу через один или несколько каналов в клапане.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах 2-11 формулы.

Устройство выполнено в виде отрезка трубы и установлено в недоступном конце трубопровода со стороны, находящейся под давлением, вблизи глухой заглушки для дистанционно управляемого клапана, который используется для испытания эксплуатационного трубопровода на герметичность. Внутри устройства, в канавке, проходящей по окружности внутренней стенки, установлено упругое кольцо. За канавкой/полостью, которая частично накрыта этим кольцом, расположены каналы или отверстия, ведущие из устройства наружу. Внутренняя канавка выполнена так, что кольцо предпочтительно прилегает к одной стороне канавки, оставляя свободной полость между ней и кольцом и на противоположной стороне. Поэтому текучая среда может течь через полость и выходить наружу через каналы для замены ее новой текучей средой, или текучую среду можно очистить, отфильтровав ее, перед тем, как трубопровод будет использоваться снова.

При увеличении расхода текучей среды, текущей из трубопровода наружу, в полости происходит динамическое падение давления, которое приводит к изменению поперечного сечения кольца и сужению полости. При дальнейшем увеличении расхода кольцо полностью закроет полость. С увеличением давления уплотняющая сила увеличивается, позволяя проводить повторные испытания на герметичность.

Для открывания полости давление в трубопроводе должно быть уменьшено до наружного давления. Дополнительно полости и каналы можно промыть посредством циркуляции жидкости в противоположном направлении.

Чтобы обеспечить уплотнение во время циркуляции в направлении от области снаружи трубопровода, может быть образован фланец путем отворота трубопровода наружу и сохранения этого профиля. Фланец будет выполнять такую же функцию, как при циркуляции при помощи насоса в направлении от наружной области в трубопровод. Если нужно дублировать функцию закрывания, можно использовать несколько последовательно установленных колец.

Как описано выше, упругое кольцо установлено внутри клапана и закрывает его для текучей среды, текущей изнутри наружу. Для того чтобы получить такую же функцию для текучей среды, текущей снаружи внутрь, все соответствующие элементы должны быть "инвертированы", т.е. установлены снаружи. В этом случае фланец будет прижиматься к соответствующему седлу текучей средой, поступающей из области снаружи клапана в трубопровод, и трубопровод можно испытывать на герметичность со стороны наружной области.

Для закрывания устройства на длительное время внутри установлен кожух с необходимыми уплотнительными средствами, подвешенный на срезном штифте, так что он не перекрывает течение текучей среды до тех пор, пока это не потребуется.

По окончании испытательного периода в эксплуатационном трубопроводе 13 в соответствующих местах может быть выполнена перфорация для поступления углеводородов из породы 100.

Далее изобретение описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает область возможного применения изобретения,

фиг.2А изображает с частичным вертикальным разрезом предпочтительный вариант выполнения двухкомпонентного циркуляционного клапана согласно изобретению, т.е. кольцевой упругий клапанный элемент и соосный внутренний золотниковый запорный клапанный элемент,

фиг.2В изображает в увеличенном масштабе полость, в которой закреплен упругий клапанный элемент 1,

фиг.3 изображает циркуляционный клапан, показанный на фиг.2, но без внутреннего запорного клапанного элемента;

фиг.4 изображает с частичным вертикальным разрезом клапан, показанный на фиг.2, с внутренним запорным золотниковым клапанным элементом в промежуточном положении в ходе его перемещения вниз в положение перекрытия течения текучей среды через клапан,

фиг.5 изображает конечное нижнее положение (положение перекрытия) внутреннего золотникового запорного клапанного элемента, и

фиг.6 изображает другой предпочтительный вариант выполнения двухкомпонентного циркуляционного клапана, где он охватывает или окружает основную клапанную структуру.

Как показано на фиг.1, через горную породу 100, содержащую углеводороды, проходит скважина 102 для доставки углеводородов на поверхность 140 для последующего использования. Для приема углеводородов на поверхности расположена установка 130. Углеводороды транспортируются по эксплуатационному трубопроводу 13, установленному в скважине 102. Конечная секция эксплуатационного трубопровода 13 закрыта глухой заглушкой 12 (образующей и представляющей собой недоступную конечную точку). По окончании испытания на герметичность и промывки и очистки внутренних секций трубопровода в нем может быть выполнена перфорация вблизи горной породы, содержащей углеводороды, для их поступления в эксплуатационный трубопровод.

Согласно изобретению, над глухой заглушкой 12 расположена секция 4 циркуляционного клапана, а за ней в скважине установлен наружный эксплуатационный пакер 14 для герметизации пространства между эксплуатационным трубопроводом и наружной стенкой скважины.

Длина или протяженность секции 4 циркуляционного клапана определяется нижним и верхним резьбовыми соединениями 200 и 210, предназначенными для вставки секции 4 между верхней и нижней секциями эксплуатационного трубопровода.

Согласно изобретению, циркуляционный клапан выполнен как двухкомпонентная конструкция. Первый элемент представляет собой указанный упругий клапанный элемент 1, положение которого изменяется в результате разности между давлением во внутренней трубе 209 для текучей среды (фиг.2А) и давлением в области 207 снаружи клапана. Второй клапанный элемент представляет собой золотниковый клапан, который перемещается из открытого положения в конечное закрытое положение.

На фиг.2А показан с частичным вертикальным разрезом циркуляционный клапан 4 в открытом положении.

Клапанный элемент 4 содержит внутреннюю полость 2 (кольцевое седло), в которой закреплен кольцевой упругий клапанный элемент 1. Из полости 2 (седла) через стенку клапанного элемента 4 проходят наружу несколько каналов или отверстий 3 для протекания текучей среды между внутренней секцией 209 трубопровода и областью 207 снаружи нее.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, внутри расположен элемент для долговременного закрывания, включающий установленный соосно внутренний клапанный кожух 6, который может перемещаться путем скольжения из положения открытия для пропускания текучей среды (верхнего положения), как показано на фиг.2A, в конечное положение долговременного закрытия (нижнее положение), как показано на фиг.5. В верхнем положении скользящий кожух удерживается с помощью одного или нескольких срезных штифтов 8.

Между наружной стороной кольцевого скользящего элемента 6 и внутренней стенкой клапанного элемента 4 образована кольцевая камера 7 уравновешенного давления, которая сообщается с областью 207 (фиг.2A) снаружи клапанного элемента посредством каналов 9, проходящих через его стенку.

Упругое кольцо 1, при достижении определенной скорости протекающей через него текучей средой, сгибается так, что оно прижимается к уплотнительному элементу, т.е. к кольцу 5, установленному в седле 10.

Уплотнительные элементы 212 и 214 (фиг.2A) предотвращают утечку текучей среды между скользящим элементом 6 и внутренней стенкой клапанного элемента 4 и далее через каналы 3.

На фиг.2B показана в увеличенном масштабе полость, в которой закреплен упругий клапанный элемент 1. В предпочтительном варианте осуществления изобретения клапанный элемент 1 имеет первое плечо 1A и второе плечо 1B, расположенные под прямым углом друг к другу. Первое плечо 1A закреплено в стенке клапанного элемента 4, а второе плечо 1B установлено с возможностью свободного поворота между положением открытия (показанным на фиг.2A), позволяющим текучей среде течь в проходе 111 между плечом 1B и стенкой клапана и далее через каналы 3, и положением закрытия (показанным на фиг.4), при котором течение текучей среды перекрывается.

Упругий клапанный элемент выполнен предпочтительно из резины, пластмассы или металла и имеет толщину, достаточную для придания ему гибкости. Для этого может использоваться, например, стальная пластина или листовой металл.

На фиг.3 показан в аксонометрии разрез циркуляционного клапана 4 с упругим уплотнительным откидным кольцом 1, согнутым в положение закрытия, причем внутренний скользящий элемент 6 не показан. Отверстия 11 проходят от дна/конца кольцевой полости 2 (образующей седло) за упругим уплотнительным кольцом 1 через каналы 3 к области, расположенной снаружи клапанного элемента 4.

На фиг.4 показан в аксонометрии с частичным разрезом циркуляционный клапан 4 с упругим кольцом 1, согнутым в положение закрытия, в котором он прижимается к уплотнительному элементу 5 (уплотнительному кольцу). Под действием пониженного давления в камере 7 скользящий кожух 6 перемещается внутрь клапана 4 вниз в положение долговременного закрытия.

Кожух 6 имеет нижний выступающий наружу кольцевой заплечик 20 в виде фланца, предназначенный для прижатия к отходящему наружу выступу/штифту 22 внутренней стенки, так что кожух стопорится под штифтом 22 для долговременного закрытия клапана. После этого скользящий кожух 6 перемещаться в прежнее положение не может.

На фиг.5 показан в аксонометрии в разрезе циркуляционный клапан 4 с упругим кольцом 1 в закрытом положении, когда скользящий кожух 6 переместился вниз в положение закрытия.

На фиг.6 показан в аксонометрии в разрезе "инвертированный" циркуляционный клапан, который закрывается под действием давления текучей среды жидкости, направленного снаружи внутрь эксплуатационного трубопровода. В этом варианте двухкомпонентный клапан охватывает циркуляционный клапанный элемент.

Замена жидкости осуществляется при малом потоке, когда текучая среда течет по трубопроводу вниз к глухой заглушке 12, где установлено устройство 4. Здесь текучая среда вытекает из трубопровода 13 через полость 2 и затем через отверстия 3 канала, где одна сторона седла содержит гибкое уплотнительное кольцо 1. При увеличении скорости потока текучей среды это откидное кольцо 1 будет изменять свою форму, сгибаясь и прижимаясь к уплотнительному элементу 5, и герметично закрывать полость 2 (область седла), так что протекание текучей среды через каналы 3 прекращается. После этого можно проводить испытание на герметичность.

По окончании испытания на герметичность (например, при давлении около 100 бар) откидной уплотнительный элемент 1 снова открывает клапан для пропускания текучей среды через каналы 3. Если нужно провести новое испытание на герметичность, то давление снова увеличивают таким же образом и откидное уплотнительное кольцо 1 закроет путь для протекания текучей среды наружу через каналы 3.

Когда все испытания закончены, нужно закрыть канал на длительное время. Это осуществляется с помощью скользящего кожуха 6 следующим образом. При повышенном давлении откидной уплотнительный элемент 1 закрывает клапан как обычно. При дальнейшем увеличении давления, например до 300 бар, кожух 6 перемещается вниз, чему также способствует более низкое (меньше 100 бар) наружное давление, поступающее в кольцевое пространство/канал 7 по каналам 9. В результате срезные штифты 8 ломаются, и кольцевой кожух 6 скользит по уплотнительному кольцевому элементу 1, отжимая его радиально наружу (к стенке) для закрывания каналов 3.

Нижний отходящий наружу кольцевой заплечик 20 в виде фланца прижимается к противолежащему кольцевому фланцеобразному выступу/ штифту 22 внутренней стенки и происходит стопорение кожуха на длительное время.

Теперь скользящий кожух не может двигаться назад и снова открывать каналы 3. Таким образом, достигается долговременная фиксация заплечика 20 под штифтом 22.

Устройство согласно изобретению работает с высокой надежностью даже при изменении температуры и значительном загрязнении текучей среды.

Помимо проведения испытаний трубопроводов, устройство сдвухкомпонентным клапаном согласно изобретению может применяться для промывки и очистки поршневых камер и поверхностей, покрытых и заполненных отложениями, чтобы уменьшить риск их выхода из строя. Отложения можно смыть из трубопровода через отверстие в его стенке. Известные системы не допускают попадания в них загрязнений, что создает для пользователя большие проблемы.

Устройство для замены жидкости и испытания на герметичность в трубопроводе с недоступной конечной точкой, установленное в недоступном конце трубопровода со стороны, находящейся под давлением, представляющее собой двухкомпонентный циркуляционный клапан, содержащий первый клапанный узел (4), содержащий уплотнительный элемент (1), который может закрывать и открывать клапан в зависимости от динамического давления протекающей через него текучей среды, и второй клапанный узел (6) для долговременного перекрытия текучей среды по окончании испытаний на герметичность. Первый клапанный узел (4) содержит упругое уплотнительное кольцо (1) для закрывания и открывания клапана путем прилегания к седлу при увеличении скорости текучей среды через клапан, а второй клапанный узел представляет собой расположенный внутри клапана кожух (6), который закрывает клапан при возрастании перепада давления между камерой (7) и внутренним пространством клапана (4). Технический результат заключается в повышении надежности устройства даже при изменении температуры и значительном загрязнении текучей среды. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для замены жидкости, в сочетании с испытанием на герметичность, в трубопроводах с недоступной конечной точкой, установленное в недоступном конце трубопровода со стороны, находящейся под давлением, отличающееся тем, что оно представляет собой двухкомпонентный циркуляционный клапан, содержащий: первый клапанный узел (4), содержащий уплотнительный элемент (1), который закрывает и открывает клапан в зависимости от динамического давления текущей через него текучей среды, и второй клапанный узел (6), выполненный с возможностью его стопорения после перемещения его из открытого положения в закрытое положение для окончательного долговременного перекрытия течения текучей среды по окончании испытания на герметичность, при этом первый клапанный узел (4) содержит упругое уплотнительное кольцо (1) для закрывания клапана путем прилегания к седлу (10) клапанного узла под действием динамического падения давления текучей среды в области между упругим уплотнительным кольцом (1) и седлом (10) при увеличении скорости текучей среды, протекающей через внутреннюю полость (2) клапана (4) и выходящей из нее через один или несколько каналов (3) для протекания текучей среды между внутренней секцией (209) трубопровода и областью (207) снаружи нее.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругое кольцо (1) расположено на одной из сторон отверстия полости и имеет такую форму, что падение давления вследствие изменения скорости текучей среды приводит к изменению поперечного сечения кольца, и оно герметично закрывает полость (2), прилегая к седлу (10) и его уплотнительному кольцу (5).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит упругое кольцо, расположенное в устройстве в канавке, проходящей по внутренней окружности, с отверстием (9), ведущим из устройства наружу и выполненным в дне канавки или за ней, причем канавка частично накрыта этим кольцом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй клапанный узел представляет собой расположенный внутри клапана кожух (6), который закрывает клапан при увеличении разности между давлением в камере (7) и давлением внутри клапана (4).

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отверстие между двумя уплотнительными кольцами позволяет давлению поступать через клапан (4) в камеру (7) из области, расположенной снаружи клапана (4), и выходить из камеры (7) через клапан (4) в указанную область.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит срезной штифт (8), который удерживает кожух (6) на месте при повторяющемся открывании и закрывании клапана упругим кольцом (1), но ломается, если внутреннее давление увеличивается выше заданной величины и разность между давлением в камере (7) и давлением внутри клапана (4) становится такой, что сила, действующая на кожух (6), увеличивается до величины, при которой срезной штифт ломается.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй клапанные узлы (4, 6) охватывают или окружают основную клапанную структуру, так что клапан перекрывает течение текучей среды в области снаружи узла (4).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит множество расположенных в клапане (4) друг за другом гибких колец (1) первых клапанных узлов для достижения требуемого расхода перед долговременным закрыванием клапана с помощью второго клапанного узла (6).

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя полость (2) выполнена так, что первое плечо (1A) упругого уплотнительного кольца (1) прикреплено к одной стороне полости (2), а второе плечо (1B) установлено с возможностью свободного поворота и определяет дополнительную полость (111) между ним и стенкой канавки, в результате чего текучая среда внутри трубопровода может течь через полость (111) и вытекать наружу через каналы (3), так что, например, в устройстве может циркулировать новая текучая среда или текучую среду можно отфильтровывать для очистки перед тем, как трубопровод будет снова использоваться.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий клапанный элемент (1) выполнен из резины, пластмассы или металла.