Забойный запорный клапан Советский патент 1981 года по МПК E21B43/00 

(54) ЗАБОЙНЫЙ ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН

I

Изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию, а более конкретно- к сКважинным глубинным 3anoprfbiM устройствам и может быть использовано в нефтедобыче с целью отсечения пласта при подземном ремонте скважины.

Известно устройство для перекрытия колопин насосно-ксэмпрессорных труб, содержащее корпус, узел захвата, седла, между которыми размещен запорный элемент, рейку, установленную с возможностью взаимодейотвия с запорным элементом, причем рейка выполнена с зубьями, взаимодействующими с шестернями, которые установлены на запорном элементе 1.

Недостатком указанного устройства, является низкая надежность его работы из-за сложности управления устройством.

Наиболее близким, рещением из известных является забойный запорный клапан, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде щара с осевым каналом, зубчатые шестерни, установленные на цилиндрических выступах затвора с возможностью взаимодействия с зубчатой рейкой, установленной в корпусе, и механизм управления затвором, выполненный в виде подпружиненного цилиндра, образующего с корпусом гидрокамеру 2.

Недостатком указанного клапана является то, что он имеет низкую надежность работы из-за использования для привода затвора трубки управления, которая создает трудности, в эксплуатации оборудования.

Цель изобретения - повышение надежности работы клапана .за счет упрощения процессом управления его.

Указанная цель достигается тем, что гидрокамера выполнена с перегородкой, разделяющей ее на две сообщенные между собой в нижней части кольцевые камеры, одна из которых заполнена сжатым газом, а другая - вязко жидкостью, при этом зубчатые шестерни связаны с цилиндрическими выступами затвора при помощи пружинных щтопок.

Для трансформирования возвратно-поступательного движения подвижного цилиндра клапана во вращательное движение шарового затвора ka цилиндрические выступы последнего свободно посажены зубчатые шестерни, которые находятся в постоянном зацеплении с зубчатой рейкой корпуса и через посредство подпружиненных шпонок

передают вращение шаровому затвору только в одном направлении, совершая холостой поворот при обратном движении. За каждый цикл срабатывания клапана затвор поворачивается все время в одну и ту же сторону на 90°, чередуя последовательно открытое и закрытое свое положение.

Теперь для привода затвора достаточно искусственно поднять давление в скважине, воздействуя на неуравновешенную кольцевую плошадку, определяемую диаметрами 2 и 3 (фиг. 1). Это легко достигается закачкой жидкости в оставленную скважину наземным насосным агрегатом. Такой привод клапана прост, надежен и применим для всех известных способов эксплуатации скважины.

На фиг. 1 изображен клапан в исходном положении; на фиг. 2 и 3 - клапан в разрезе; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез Б-Б .на фиг. 1; на фиг. 6 - конструкция газового клапана.

Забойный запорный клапан имеет корпус 1 с внешней резьбой 2 и упорную гайку 3 с внутренней резьбой 4 (фиг. 1). При помоши резьб 2или4 клапан перед спуском в скважину присоединяется к пакеру для совместной их установки в скважине на расчетной глубине. Корпус 1 имеет канал 5 с пробой 6 для подачи вязкой жидкости и канал 7, клапан 8 с пробкой 9 для выхода и подачи газа под давлением (фиг. 6). В верхней части корпус 1 имеет зубчатые рейки 10 (фиг. 2, 3, 4 и 5), а внутри корпуса размещен запорный узел, состоящий иэ подвижного цилиндра 11, подпружиненного пружиной 12 и оснащенного уплотнительными кольцами 13, шара 14, поджатого упорным седлом 15 к уплотнительному седлу 16 усилием тарельчатой пружины 17. Для создания герметичного затвора уплотнительное седло 16 снабжено кольцами 18 и 19. Поворот щара 14 осуществляется двумя зубчатыми шестернями 20, диаметрально противоположно размещенными на двух цилиндрических выступах 21, выполненных заодно с щаром 14 и имеющих подпружиненные щпонки 22. Зубчатые шестерни 20 находятся в постоянном зацеплении с зубчатыми рейками 10, при обкатывании которых шестерни 20 передают вращение шару 14 только в одном направлении, совершая холостой поворот в обратном направлении, при этом шар поворачивается ровно на 90°, закрывая или открывая проход клапана. Полость 23, в которой находятся зубчатая шестерня 20 и цилиндрический выступ 21 с подпружиненными шпонками 22, изолирована от контакта с технологической жидкостью и заполнена консистентной смазкой. Все элементы запорного узла (14 - 22) собираются в подвижном цилиндре 11 и фиксируются шлицевой гайкой 24. Подпружиненный пружиной 12 запорный узел упирается в упорную гайку 3.

Корпус 1 совместно с подвижным цилиндром 11 и перегородкой 25 образуют две кольцевые камеры 26 и 27, сообщенные между собой внизу. Камера 26 заполняется вязкой жидкостью (любым маслом системы смазки автотракторной техники), а камера 27 - нейтральным газом (например, азотом) под давлением. Вязкая жидкость обеспечивает уплотнение подвижного цилиндра 11 по корпусу 1, а газонаполненная камера выполняет роль демпфера, позволяя замкнутым камерам 26 и 27 изменяться в объеме при перемещениях подвижного цилиндра 11 в момент срабатывания клапана.

Перед спуском клапана в скважину заполняют вязкой жидкостью камеру 26 и половину объема камеры 27, нагнетают центральный газ под давлением до величины равной статическому давлению в скважине на глубине предполагаемой установки клапан. Это необходимо для выравнивания давления в камерах 26 и 27 клапана со скважинным давлением.

Клапан работает следующим образом.

Поскольку давление в камерах 26 и 27 клапана равно скважинному давлению, подвижный .цилиндр 11 находится в совсем 5 верхнем крайнем положении (фиг. 1).

Для закрытия клапана необходимо остановить скважинный насос, закрыть напорную линию, нагнетанием в межтрубную полость скважины жидкости, поднять устьевое давление до требуемой величины. Это давление определяется кольцевой площадкой F 0,785 ( усилием пружины 12, сопротивлением уплотнительных колец 13 и замеряется на стенде для каждого клапана индивидуально; расчеты не показывают, что величина его должна быть в пределах

20- 30 кг/см 2.

При достижении давления срабатывания весь запорный узел (детали 11,14, 15, 16, 17, 20, 21, 22 и 24), преодолевая сопротивление пружины 12 и уплотнительных колец 13, перемещается вниз до упора его нижнего торца в бурт корпуса 1 (фиг. 2). В этот момент зубчатые щестерни 20, обкатывая неподвижную зубчатую рейку 10, поворачивают шар 14 на 90° и закрывают

центральный проход клапана. Сигналом, свидетельствующим о срабатывании клапана, будет быстрый рост давления нагнетания жидкости в скважину, а о герметичности затвора можно судить по падению давления

нагнетания после остановки агрегата в момент срабатывания клапана: если давление держится длительное время, значит затвор клапана герметичен. При снятии устьевого давления до нуля весь запорный узел под воздействием пружины 12 поднимается в

верхнее крайнее положение (фиг. 3), при этом шестерни 20, обкатывая зубчатую рейку 10 в обратном направлении, совершают холостой поворот, так как шпонки 22 передают вращение шестерен 20 шару 14 только в одном направлении (фиг. 4 и 5). При возвращении подвижного цилиндра в исходнбе (верхнее) положение щар 14 остается в закрытом положении, так как сопротивление вращению зажатого между седлами 15 и 16 шара 14 больще сопротивления холостого поворота зубчатых щестерен 20 вокруг цилиндрических выступов 21.

Для открытия также необходимо поднять устьевоедавление, запорный узел клапана переместится вниз до упора, повернет шар 14 на 90° в ту же сторону и клапан откроется. При сбрасывании устьевого давления до нуля запорный узел возвращается в исходное положение, а клапан остается открытым. Сигналом, свидетельствующим о срабатывании клапана будет падение устьевого, давления при остановленном агрегате.

Клапан данной конструкции обладает целым рядом достоинств: управление клапаном простое и надежное; отсутствие механической связи с погружным насосным оборудованием упрощает их эксплуатацию; автономность работы клапана обеспечивает его универсальность с точки зрения способов эксплуатации скважины; наличие сквозного центрального прохода в открытом положении клапана расширяют его технологические возможности (возможны исследование скважины глубинными приборами, промывка забоя); все рабочие поверхности затвора и механизм его привода изолированы от контакта со скважинной жидкостью, что повышает долговечность работы его в условиях, осложненных наличием в продукции скважины механических примесей или минеральных твердых отложений; рабочие органы затвора (шар и седла) разгружены от скважинных давлений в момент срабатывания, что также повышает долговечность работы клапана.

Последнее свойство требует пояснений. В исходном (в открытом положении (фиг. 1) шар 14 прижат к седлу 16 только усилием пружины 17. Давление скважины поднимаем до давления срабатывания клапана. Подвижный цилиндр 11 перемещается вниз, (фиг. 2), а шар 14 поворачивается, прижатый все время к седлу 16 только усилием пружины 17.

Как только подвижный цилиндр 11 переместится в свое нижнее крайнее положение, а шар 14 повернется в положение закрыто, усилие прижатия шара 14 к седлу 16 начнет возрастать по мере роста давления нагнетания в скважину жидкости наземным насосным агрегатом. К усилию пружины 17 теперь добавится еще и усилие прижатия шара 14 к седлу 16 избыточным устьевым давлением, воздействующим на площадь, определяемую диаметром D i, но теперь шар и седло неподвижны, поэтому механический износ отсутствует. После сбрасывания устьевого давления клапан закрыт (фиг. 3).

Теперь, если в скважине (под клапаном растет давление, то седло 16 прижимается к щару 14 с усилием, определяемым возросшим давлением и кольцевой площадкой с диаметрами D, и D . Это усилие необходимо лишь для обеспечения герметичности затвора. Усилие от избытка давления на площадку диаметром D j, воспринимает упорная гайка 3 через посредство шлицевой гайки 24 и седла 15, при этом тарельчатая

пружина 17 сжата, а седло 15 приходит в торцовый контакт со шлицевой гайкой 24. Если возросщее скважинное (под клапаном) давление больше давления срабатывания, то для начала вращения шара необходимо поднять устьевое давление скважины (над

клапаном) др величины возросшего скважинного (под клапаном) давления. Как только эти давления выравниваются, тарельчатая пружина 17 освобождается и шар 14 опять прижимается к седлу 16 только усилием пружины 17, т. е. поворот шара происходит в разгруженном положении. Если скважина не способна самостоятельно развивать избыточное давление, то открытие шара происходит под нагрузкой от давления срабатывания (20 - 30 кг/см 2) на

площадь с диаметром D . Если скважина создает избыточное давление меньше давления срабатывания, то открытие шара происходит под нагрузкой, определяемой разницей между давлением срабатывания и скважинного избыточного, воздействующей

на площадь с диаметром D Таким образом, затвор всегда нагружен давлением, не превышающим давления срабатывания клапана (20 - 30 кг/см2).

Формула изобретения

Забойный запорный клапан, содержащий корпус, седла, между которыми размещен затвор, выполненный в виде щара с осевым каналом, зубчатые шестерни, установленные на цилиндрических выступах затвора с возможностью взаимодействия с зубчатой рейкой, установленной в корпусе, и механизм управления затвором, выполненный в виде подпружиненного цилиндра, образующего с корпусом гидрокамеру, отличающийся тем,

что, с целью повыщения надежности работы клапана за счет упрощения процессом управления его, гидрокамера выполнена с -перегородкой, разделяющей ее на две сообщенные между собой в нижней части кольцевые камеры, одна из которых заполнена

сжатым газом, а другая - вязкой жидкостью, при этом зубчатые шестерни связаны с цилиндрическими выступами затвора при помоши подпружиненных шпонок. Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

А-А

IV

(риг. if

И

fpUi. S