ОБРАТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2024 года по МПК F16K15/04 F04B53/10 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к обратным клапанам скважинных плунжерных насосов возвратно-поступательного действия.

В настоящее время одной из основных причин отказов плунжерных насосов при добыче нефти из скважин является износ шарика клапанной пары, на долю которого приходится около 25% от всех отказов штанговых насосов.

Известен самоустанавливающийся клапан глубинного насоса, работающего в горизонтальных скважинах, включающий корпус, седло, рабочий шарик, центратор с центральной осью, наклонным лотком, установленным на оси эксцентрично с возможностью свободного вращения и самоустановки в горизонтальной скважине, и второй вспомогательный шарик, размещенный над первым рабочим и используемый в качестве груза, заставляющего своим весом рабочий шарик принудительно перекрывать отверстие в седле (Патент РФ №2382904, от 27.02.2010).

Недостатком этой клапанной пары является неудовлетворительное обеспечение закрытия всасывающего клапана в горизонтальных скважинах при добыче высоковязкой нефти. Кроме того, всасывающий клапан такой конструкции, расположенный в цилиндрической части насоса, недостаточно надежно выполняет функцию нагнетательного клапана, находящегося в плунжере, из-за существенно меньших размеров его шарика. Шарики малого размера клапанной пары штангового насоса, находящиеся в среде высоковязкой нефти в горизонтальной скважине, в процессе всасывания и нагнетания высоковязкой нефти «зависают» в потоке перекачиваемой нефти и поэтому с задержкой по времени перекрывают проходное отверстие в седле клапанной пары, приводя к снижению объемного коэффициента полезного действия насоса (КПД) и соответственно к снижению объема добычи нефти из скважины.

Известен штанговый насос для добычи высоковязкой нефти, содержащей песок, работающий в горизонтальных скважинах, включающий цилиндр с размещенным в нем всасывающим клапаном и плунжером с золотниковым механизмом и компрессионной пружиной для принудительного устранения зависания и более надежного закрытия нагнетательного клапана (патент РФ №2530976, от 12.11.2012).

Недостатком этого штангового насоса является высокая сложность конструктивного исполнения золотникового механизма с компрессионной пружиной (пружиной сжатия). Кроме того, золотниковый механизм в вышеуказанном насосе необходимо применять дважды - не только для нагнетательного, но и для всасывающего клапана, вопреки тому, что в описании прототипа насоса указано, что золотниковый механизм должен быть использован только в конструкции нагнетательного клапана, а всасывающий клапан оставлен традиционным.

Известен штанговый глубинный насос, включающий цилиндр, плунжер, самоустанавливающиеся всасывающий и нагнетательный клапаны и шток. Шток выполнен полым и соединен одним концом с плунжером. Другим концом шток соединен с вынесенным из плунжера самоустанавливающимся нагнетательным клапаном и заключен в автономный корпус большего диаметра, размещенным в насосно-компрессорной трубе (патент РФ №2623345 от 15.08.2016).

Известен клапан штангового насоса для работы в горизонтальном стволе скважины, который содержит корпус, основной шарик, перемещающийся по направляющим поверхностям, параллельным оси корпуса, седло, дополнительный шарик, прижимающий к седлу основной с помощью сил гравитации. Дополнительный шарик размещен в корпусе за пределами направляющих поверхностей с возможностью ограничения перемещений шарика гравитационной системой (силами гравитации) в продольном и поперечном направлениях в полости нахождения основного шарика. Гравитационная система выполнена в виде внутренней конической поверхности, соосной оси направляющих и седла (патент РФ №2764943 от 18.06.2021).

Недостатком этого штангового насоса, принятого в качестве прототипа, является то, что второй дополнительный шарик выполняет только функцию механического толкателя основного шарика и не выполняет функцию клапанной пары «шарик-седло».

Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы обратного клапана скважинного глубинного насоса и повышение его надежности.

Технический результат - уменьшение износа клапанной пары «шарик-седло», снижение гидравлических потерь потока жидкости в полости клапана, повышение плотности посадки шарика на седло.

Указанная цель и технический результат в настоящем изобретении достигаются за счет того, что обратный клапан, содержащий два шарика и седло, находящиеся в клапанной камере, согласно изобретению, в клапанной камере имеется участок с изменяющейся геометрией, в котором внутренняя поверхность полости клапанной камеры, расположенная над седлом, выполнена в нижней части полости в виде радиальных расширяющихся сопрягающихся поверхностей, поперечные размеры которых обеспечивают свободное нахождение в поперечнике полости одновременно двух шариков с одинаковыми диаметрами, а верхняя часть внутренней поверхности полости клапанной камеры, выполнена в виде канала, поперечные размеры которого позволяют обеспечить возможность прохождения через него одного шарика, причем, на участке с изменяющейся геометрией обеспечивается смена шариков местами после каждого акта открытия клапана.

Указанная цель и технический результат в настоящем изобретении также достигаются за счет того, что в обратном клапане, содержащем два шарика и седло, находящиеся в клапанной камере, согласно изобретению, в клапанной камере имеется участок с изменяющейся геометрией, в котором внутренняя поверхность полости клапанной камеры, расположенная над седлом, выполнена в нижней части полости в виде радиальных расширяющихся сопрягающихся поверхностей, поперечные размеры которых обеспечивают свободное нахождение в поперечнике полости одновременно двух шариков с различными диаметрами, а седло клапана изготовлено двухступенчатым, под диаметр каждого шарика, при этом, посадочное место шарика меньшего диаметра находится ниже посадочного места шарика большего диаметра, а верхняя часть внутренней поверхности полости клапанной камеры выполнена в виде канала, поперечные размеры которого позволяют обеспечить возможность прохождения через него любого из двух шариков, причем, на участке с изменяющейся геометрией обеспечивается смена шариков местами после каждого акта открытия клапана.

Седло клапана изготовлено сборным, причем, каждая часть седла имеет посадочное место под диаметр одного из шариков.

Седло клапана установлено под углом относительно поперечного сечения обратного клапана.

Внутренняя поверхность полости клапанной камеры покрыта антиадгезионным покрытием от асфальто-смолисто-парафиновых отложений.

Клапанная камера может быть изготовлена из металла, полимерных материалов или эластомеров.

Клапанная камера может быть выполнена методом трехмерной печати.

Сущность заявленного технического решения поясняется на прилагаемых чертежах, где:

на фиг. 1 показана общая схема обратного клапана;

на фиг. 2 показан обратный клапан, когда плунжер находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). На седле клапана находится первый шарик (светлого тона), а второй шарик (темного тона) расположен в боковой полости подпирая первый шарик;

на фиг. 3 показан обратный клапан в начале движения плунжера вверх от своей НМТ с открытием клапана в начале процесса всасывания насоса;

на фиг. 4 показано расположение шариков, когда плунжер находится в своей верхней мертвой точке (ВМТ). Первый вариант возможного расположения второго шарика (темного тона) в боковой полости в течение всего процесса всасывания;

на фиг. 5 показан обратный клапан, когда плунжер начал свое движение вниз от своей ВМТ. В первом варианте второй шар шарик (темного тона) из боковой полости накатился на седло клапана и закрыл его. Первый шарик (светлого тона) перемещается вниз под действием силы тяжести;

на фиг. 6. показано расположение шариков, когда плунжер находится в своей верхней мертвой точке (ВМТ). Второй вариант возможного расположения второго шарика (темного тона) в клапанной клетке в течение всего процесса всасывания;

на фиг. 7 показан обратный клапан, когда плунжер начал свое движение вниз от своей ВМТ. Во втором варианте второй шарик (темного тона), расположенный ниже первого шарика (светлого тона), перемещается под действием силы тяжести вместе с первым шариком и потоком нефти в нижнюю часть полости клапанной камеры с последующей посадкой второго шарика в седло клапана и его закрытия;

на фиг. 8 показано расположение шариков, когда плунжер находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). Второй шарик (темного тона) расположен в седле клапана, а первый шарик расположен в боковой полости клапанной камеры, подпирая второй шарик своей силой тяжести;

на фиг. 9 показан обратный клапан, когда плунжер начал свое движение вверх от своей НМТ с открытием клапана в начале процесса всасывания насоса и началом следующего цикла нагнетания-всасывания;

на фиг. 10 показан обратный клапан, когда плунжер находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). Шарик большего размера находится в верхнем седле большего диаметра сдвоенного седла;

на фиг. 11 показано расположение шарика большего размера на верхнем седле большего диаметра сдвоенного седла;

на фиг. 12 показано расположение шарика меньшого размера на нижнем седле меньшего диаметра сдвоенного седла;

на фиг. 13 показан обратный клапан, когда плунжер находится в своей нижней мертвой точке (НМТ). Шарик меньшего размера находится в седле меньшего диаметра сдвоенного седла;

на фиг. 14 показан обратный клапан с отклонением его продольной оси от вертикальной оси скважины на угол а;

на фиг. 15 показан обратный клапан с отклонением его продольной оси от вертикальной оси скважины на угол β;

на фиг. 16 показан обратный клапан, осевая линия отверстия седла которого наклонена под углом γ к продольной оси обратного клапана;

на фиг. 17 показан обратный клапан, осевая линия отверстия седла которого наклонена под углом X к продольной оси обратного клапана.

Обратный клапан (фиг. 1), например, для использовании его как всасывающего клапана скважинного плунжерного насоса, содержит корпус 1 с клапанной камерой 2, в нижней части которой расположено седло 3 и два шарика - первый 4 и второй 5. В верхней части клапанной камеры 2 установлена клапанная клетка 6 для шарика 4 (окрашен в светлый тон) и шарика 5 (окрашен в темный тон), оснащенная перегородкой с окном 7 или проволочной корзиной (не показана) для ограничения перемещения шариков и обеспечения прохождения потока откачиваемой насосом жидкости 11. Нижняя часть клапанной камеры 2, расположенная непосредственно над седлом 3, имеет увеличенный размер поперечного сечения 8, геометрически представляющего собой боковую полость 9, образуемую взаимно сопрягаемыми поверхностями, радиус кривизны которых превышает сумму радиусов шариков 4 и 5, что позволяет обеспечить одновременное прохождение последних через это поперечное сечение клапанной полости. Поперечные размеры прохода 10 позволяют прохождение через него одного любого шара или последовательно обоих шаров 4 и 5 друг за другом. Внутреннее расширение 8 и суженный проход 10 составляют вместе участок 17 обратного клапана с изменяющейся геометрией. Участок обратного клапана с изменяющейся геометрией 17 может выполняться из металла, полимера или эластика (резины). Кроме того, участок обратного клапана с изменяющейся геометрией 17 может выполняться монолитным (литье, фрезеровка и т.д.) или, с целю удешевления, сборным, например, из двух половинок. На внутреннюю поверхность участка обратного клапана с изменяющейся геометрией 17 может наноситься антиадгезионное покрытие для предотвращения образования на ней асфальтосмолопарафиновых отложений).. Стандартный плунжерный насос (не показан) присоединяется к верхней части обратного клапана для перекачки скважинной жидкости 11 из полости скважины 12 на поверхность.

В обратном клапане (фиг. 10-13) могут применяться шарики, имеющие различные диаметры (больший шарик 13 и меньший шарик 14), а седло может быть выполнено двухступенчатым (ступень 15 большего диаметра и ступень 16 меньшего диаметра) единого или наборного седла) под каждый из шариков 13 и 14 соответственно. Седла и сами шарики могут изготавливаться из различных марок сталей и материалов.

Обратный клапан может размещаться в скважине вертикально, с наклоном на угол α в сторону боковой полости (фиг. 14), с наклоном на угол β в противоположную сторону от боковой полости (фиг. 15). Обратный клапан имеет максимальные расчетные рабочие значения углов наклона α и β. В случае размещения обратного клапана в скважине с наклоном в сторону боковой полости 9 (фиг. 16), плоскость седла 3 может быть повернута от оси клапана на угол γ в противоположную сторону от боковой полости 9. В случае размещения обратного клапана в скважине с наклоном в противоположную сторону от боковой полости 9 (фиг. 17), плоскость седла 3 может быть повернута от оси клапана на угол λ в сторону боковой полости 9.

Обратный клапан, установленный в нижней части погружного плунжерного насоса в качестве всасывающего клапана, работает следующим образом.

Перед началом движения полого плунжера насоса вверх из НМТ всасывающий клапан находится в закрытом положении, а один (первый) шарик 4 прижат к посадочному месту седла 3 под действием собственного веса и давления столба жидкости в клапанной камере 2 (фиг. 2). В это же время второй шарик 5, находящийся в боковой полости 9 клапанной камеры, под действием части своего собственного веса оказывается прижатым к первому шарику 4. При перемещении вверх плунжера насоса в цилиндре снижается значение давления в клапанной камере 2 и при достижении необходимого значения перепада давления между клапанной камерой 2 и полостью скважины 12, возникает усилие, отжимающее шарик 4 от седла 3 (фиг. 3). Далее возможны два варианта расположения шариков 4 и 5 при осуществлении процесса всасывания скважинного насоса.

В первом варианте, при движении вверх, за счет энергии движущегося потока скважинной жидкости 11, поступающей через клапанную камеру 2 в расширяющуюся насосную камеру плунжерного насоса, первый шарик 4 перемещает второй шарик 5 в боковую полость клапанной камеры 9 увеличенного размера 8. При достижении вторым шариком 5 такого положения на участке увеличенного размера 8, когда открывается возможность свободного прохода первого шарика 4 между вторым шариком 5 и противоположной стенкой от поверхности 9 увеличенного размера 8, первый шарик 4 увлекается потоком скважинной жидкости 11, направляясь через клапанную клетку 6 и проходное отверстие 10 в насосную камеру скважинного плунжерного насоса (фиг. 4). Первый шарик 4 удерживается в клапанной камере 2 и клапанной клетке 6 восходящим потоком скважинной жидкости 11. Второй шарик 5, находящийся в боковой полости максимального внутреннего размера 9, по мере увеличения скорости восходящего потока, проходящего через седло 3, не увлекается эти потоком, а остается в нем в течение всего процесса всасывания насоса до достижения плунжером насоса своей ВМТ. При начале движения плунжера скважинного насоса вниз, второй шарик 5 выкатывается из боковой полости максимального внутреннего размера 9, накатывается на седло 3 клапана и закрывает его (фиг. 5). Под действием силы тяжести первый шарик 4 перемещается вниз, проходит сужение 10 клапанной полости 2, попадает в область максимального размера клапанной полости 8, закатывается в боковую полость максимального размера 9 и входит в контакт со вторым шариком 5 (фиг. 8). Описанный выше процесс гарантированно произойдет при наклоне клапанного узла в сторону боковой полости 9 максимального размера на расчетный угол а (фиг. 14). Для обеспечения надежности работы обратного клапана продольная ось отверстия седла 3 устанавливается на угол у относительно продольной оси обратного клапана (фиг. 16).

Во втором варианте, при движении вверх, за счет энергии движущегося потока скважинной жидкости 11, поступающей через клапанную камеру 2 в расширяющуюся насосную камеру плунжерного насоса, первый шарик 4 перемещает второй шарик 5 в боковую полость 9 максимального размера 8 полости клапанной камеры 2. При достижении вторым шариком 5 такого положения в области максимального расширения 8 клапанной полости, когда открывается возможность свободного прохода первого шарика 4 между вторым шариком 5 и противоположной стенкой от боковой полости 9 максимального размера 8, первый шарик 4 увлекается потоком скважинной жидкости 11, проходящего через проход 10 и клапанную клетку 6 в насосную камеру плунжерного насоса (фиг. 6). Первый шарик 4 восходящим потоком скважинной жидкости 11 увлекается в клапанную клетку 6. Второй шарик 5, находящийся в боковой полости 9 максимального размера, по мере увеличения скорости восходящего потока через седло 3 также вслед за первым шариком 4 увлекается потоком в корзину 6, в которую ранее проследовал первый шарик 4, располагаясь ниже него, и остается в ней в течение всего процесса всасывания насоса до достижения плунжером насоса своей ВМТ. При начале движения плунжера вниз (фиг. 7), оба шарика начинают перемещаться вниз, причем, второй шарик 5 находящийся ниже первого шарика 4 первым доходит до седла 3 клапана и закрывает его (фиг. 8). Первый шарик 4, следуя за вторым шариком 5, закатывается в боковую полость 9 максимального размера до вступления в контакт с вторым шариком 5. Описанный выше процесс гарантированно произойдет при наклоне клапанного узла в скважине в противоположную сторону от боковой полости 9 размера на максимальный расчетный угол β (фиг. 15). Для обеспечения надежности работы обратного клапана продольная ось отверстия седла 3 устанавливается на угол λ относительно продольной оси обратного клапана (фиг. 17).

Применение первого варианта предпочтительнее, т.к. в этом случае, запаздывание закрытия обратного клапана сводится к минимуму и увеличивается коэффициент наполнения насоса, что особенно актуально при добыче высоковязкой нефти. При достижении плунжером насоса своей НМТ (фиг. 9) один цикл завершается и начинается следующий. С каждым повторением цикла работы плунжерного насоса происходит смена шариков 4 и 5 на седле 3, что увеличивает срок службы обратного клапана.

Работа обратного клапана (фиг. 10-13) отличается тем, что шарики 13 и 14 имеют разные диаметры. Поэтому по мере чередования циклов «всасывание-нагнетание» происходит смена их размещения (посадки) на двойном седле, причем, каждый шарик садится на свое посадочное место, соответствующее его диаметру, что увеличивает срок службы обратного клапана и увеличивает коэффициент наполнения насоса. Диаграммы работы скважинного плунжерного насоса следует снимать на двух смежных циклах, так как в них работают независимые друг от друга две клапанные пары «шар-седло».

Клапанный узел обратного клапана подбирается под конкретные условия эксплуатации для обеспечения оптимального режима отбора скважинной жидкости.

Обратный клапан может быть использован как в качестве всасывающего клапана, так и нагнетательного клапана в скважинных плунжерных насосах, а также в установках погружных электроцентробежных насосах (УЭЦН). В последнем случае шарики сменяют друг друга при каждой остановке УЭЦН.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к обратным клапанам скважинных глубинных насосов возвратно-поступательного действия. Обратный клапан состоит из двух шаров и одного общего седла. На каждом цикле шары меняются друг с другом, увеличивая срок службы обратного клапана. Участок обратного клапана с изменяющейся геометрией может выполняться монолитным или сборным и может изготавливаться из металла, полимера или эластика. На внутреннюю поверхность участка обратного клапана с изменяющейся геометрией наносится антиадгезионное покрытие от АСПО. При использовании шаров разных диаметров и двойного седла с разными диаметрами посадки и цикличной смены работающей пары «шар-седло» увеличивается срок службы обратного клапана. Возможна установка обратного клапана, а также седла клапана под различными углами относительно оси скважины для уменьшения запаздывания закрытия обратного клапана и увеличения коэффициента наполнения насоса. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Обратный клапан, содержащий два шарика и седло, находящиеся в клапанной камере, отличающийся тем, что в клапанной камере имеется участок с изменяющейся геометрией, в котором внутренняя поверхность полости клапанной камеры, расположенная над седлом, выполнена в нижней части полости в виде радиальных расширяющихся сопрягающихся поверхностей, поперечные размеры которых обеспечивают свободное нахождение в поперечнике полости одновременно двух шариков с одинаковыми диаметрами, а верхняя часть внутренней поверхности полости клапанной камеры выполнена в виде канала, поперечные размеры которого позволяют обеспечить возможность прохождения через него одного шарика, причем на участке с изменяющейся геометрией обеспечивается смена шариков местами после каждого акта открытия клапана.

2. Обратный клапан, содержащий два шарика и седло, находящиеся в клапанной камере, отличающийся тем, что в клапанной камере имеется участок с изменяющейся геометрией, в котором внутренняя поверхность полости клапанной камеры, расположенная над седлом, выполнена в нижней части полости в виде радиальных расширяющихся сопрягающихся поверхностей, поперечные размеры которых обеспечивают свободное нахождение в поперечнике полости одновременно двух шариков с различными диаметрами, а седло клапана изготовлено двухступенчатым, под диаметр каждого шарика, при этом посадочное место шарика меньшего диаметра находится ниже посадочного места шарика большего диаметра, а верхняя часть внутренней поверхности полости клапанной камеры выполнена в виде канала, поперечные размеры которого позволяют обеспечить возможность прохождения через него любого из двух шариков, причем на участке с изменяющейся геометрией обеспечивается смена шариков местами после каждого акта открытия клапана.

3. Обратный клапан по п. 2, отличающийся тем, что седло клапана изготовлено сборным, причем каждая часть седла имеет посадочное место под диаметр одного из шариков.

4. Обратный клапан по п. 1 или 2, отличающийся тем, что седло клапана установлено под углом относительно поперечного сечения обратного клапана.

5. Обратный клапан по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность полости клапанной камеры покрыта антиадгезионным покрытием от асфальто-смолисто-парафиновых отложений.

6. Обратный клапан по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что клапанная камера может быть изготовлена из металла, полимерных материалов или эластомеров.

7. Обратный клапан по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что клапанная камера может быть выполнена методом трехмерной печати.