Циркуляционный клапан

 

Изобретение относится к внутрискважинному эксплуатационному оборудованию и может использоваться при добыче нефти и газа, при глушении, промывке и освоении скважин. Циркуляционный клапан содержит полый ствол с окнами и присоединительными резьбами, уплотнительные кольца, подпружиненный золотник, поршневую ступенчатую пару. Подпружиненный золотник установлен на стволе с возможностью регулирования усилия поджатия пружины перемещением упора и перекрывает своей юбкой окна в нижнем крайнем положении. Поршневая пара образована золотником, стволом и размещенными в зазорах между ними уплотнительными элементами и гидравлически связана с полостью ствола через отверстие, выполненное в стволе. Уплотнительные элементы выполнены в виде деформируемых самоуплотняющихся манжет из эластомера. Ступени поршневой пары выполнены с переменным сечением для изменения величины кольцевой площади поршневой ступенчатой пары в зависимости от положений золотника на стволе. В положении золотника, соответствующем открытому состоянию клапана, кольцевая площадь максимальна. Снижаются гидравлические сопротивления клапана при прокачке через него жидкости. 1 ил.

Устройство относится к внутрискважинному эксплуатационному оборудованию и может использоваться при добыче нефти и газа.

Известен циркуляционный клапан, включающий ствол с окнами и с присоединительными резьбами на концах для установки в колонне насосно-компрессорных труб, золотник, подвижно установленный на стволе и образующий с последним двухступенчатую пару - "шток-сальник" и "поршень-цилиндр", которые вместе составляют дифференциальную поршневую пару. Золотник фиксирован относительно ствола срезными элементами-винтами и в таком положении перекрывает окна. При превышении перепада давления на клапан внутри или снаружи выше установленного значения срезаются фиксирующие элементы, и золотник перемещается по стволу, открыв циркуляционные окна [1].

Недостаток указанного клапана - однократность действия, т.к. для повторного перекрытия циркуляционного окна клапан необходимо извлечь из скважины и установить новые срезные винты.

Наиболее близок к предлагаемому устройству известный циркуляционный клапан многократного действия, включающий ствол с окнами и с присоединительными резьбами, подпружиненный золотник, установленный на стволе, уплотнительные элементы, которого вместе образуют ступенчатую поршневую пару. Открывание циркуляционных окон в данном устройстве происходит под действием силы перепада давления на ступенчатую поршневую пару [2].

Недостаток клапана данного типа - потеря части напора циркуляционной жидкости на поддержание золотника в открытом состоянии.

Цель изобретения - снижение гидравлических сопротивлений клапана при прокачке через него жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что ступени поршневой пары, образованные корпусом и золотником, выполнены с переменным сечением, а в зазорах между ними установлены деформируемые самоуплотняющие манжеты из эластомера.

Таким образом, в предложенном устройстве величина кольцевой площади дифференциальной поршневой пары изменяется в зависимости от положения золотника на стволе: при закрытых окнах эта площадь минимальна, а в положении золотника, соответствующего открытому состоянию клапана, она достигает максимума. Благодаря такой особенности для поддержания клапана в открытом положении требуется меньший перепад давления прокачиваемой жидкости, чем было нужно в момент начала его открывания, т.к. в последнем случае кольцевая площадь дифференциальной поршневой пары, воспринимающая перепад давления, минимальна, Итак, в предложенном устройстве зависимость между перепадом давления, действующим на клапан, и перемещением золотника имеет падающую характеристику, хотя, естественно, при этом возрастает сила сжатия пружины, действующая на золотник.

Указанная особенность устройства, на наш взгляд, придает заявляемому объекту изобретательский уровень, т.к. из известных нам источников неизвестно такое или эквивалентное техническое решение.

Клапан изображен на чертеже.

Он содержит ствол, состоящий из ствола нижнего 1 и ствола верхнего 2, золотник 3. На стволе 1 установлена самоуплотняющая манжета 4, которая уплотняет внутреннюю поверхность 5 золотника 3. Поверхность 5 выполнена переменным диаметром, который изменяется от D_min до D_max. На золотнике 3 установлена самоуплотняющаяся манжета 6, которая уплотняет поверхность 7 ствола 2. Поверхность 7 выполнена также с переменным диаметром, который изменяется от d_max до d_min. Золотник 3 поджат пружиной 8, усилие поджатия которого регулируется упором 9. На стволе 1 выполнены циркуляционные окна 10, которые перекрыты юбкой 11 золотника 3. Для устранения утечек при закрытом положении золотника установлены уплотнительные кольца 12. Устройство крепится к колонне НКТ посредством муфт 13. Внутренняя полость ствола 2 гидравлически связана с полостью между манжетами 4 и 6 посредством отверстия 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство спускается в скважину на колонне НКТ, к которой крепится посредством муфт 13. Под действием усилия поджатия пружины 8, которое регулируется перемещением упора 9, золотник 3 находится в нижнем крайнем положении, когда его юбка 11 перекрывает окна 10 ствола 1. При росте избыточного давления во внутренней полости в колонне НКТ, а следовательно, и в стволах 1 и 2 по сравнению с окружающей средой (кольцевым пространством за НКТ) избыточное давление через отверстие 14 начинает действовать на самоуплотняющиеся манжеты 6 и 4. После того как усилие от избыточного давления превысит усилие поджатия пружины 8, золотник 3 начнет перемещаться по стволу 2. Причем в самом начале момента перемещения золотника 3 (т.е. в момент, когда циркуляционный клапан закрыт) кольцевая площадь золотника 3, на которую действует избыточное давление, составит F_закр = π/4(D²_min-d²_max) (1) В конце же процесса открывания золотника 3 манжета 6 золотника уплотняет поверхность 7 ствола уже по диаметру d_min, а манжета 4 ствола 1 и 2 соответственно по диаметру D_max.

По этой причине во втором случае (т.е. когда циркуляционный клапан полностью открыт) кольцевая площадь золотника 3, на которую действует перепад давления, составит F_откр = π/4(D²_max-d²_min) (2) Поскольку D_max>D_min, a d_max>d_min, по определению значение F_закр будет всегда меньше F_откр.

Конструктивная проработка показывает, что для наиболее реальных скважинных условий конструктивно нетрудно обеспечить условие F_откр/F_закр≈2...2,5. (3) С другой стороны, конструктивная проработка показывает, что усилие пружины в результате полного перемещения золотника в сторону открывания возрастает приблизительно в ~1,2 раза, т.е.

Р_{пруж.откр}/Р_{пруж.закр}≈1,2 (4) Очевидно, как при открытом, так и в закрытом положении сила перепада давления на кольцевую площадь золотника уравновешивается силой пружины. Следовательно, имеем P_{пруж.закр} = F_закр•ΔP_закр (5) P_{пруж.откр} = F_откр•ΔP_откр
где ΔP_закр, ΔP_откр - избыточное давление, действующее на золотник (манжеты 6 и 4) в его закрытом и открытом положении соответственно.

Сравнивая выражения (4) и (5), имеем
F_закр•ΔP_закр•1,2 = F_откр•ΔP_откр
Найдем отношение давлений с учетом (3)

ΔP_откр = 1,2/(2...2,5)•ΔP_закр
Отсюда
ΔP_закр = (1,67...2,08)•ΔP_откр.

Таким образом, вышеприведенный расчет для наиболее реальных скважинных условий показывает, что избыточное давление на золотник, необходимое для начала его движения (т. е. когда циркуляционный клапан закрыт) превышает избыточное давление для поддержания циркуляционного клапана уже в открытом состоянии более чем 1,67...2,08 раза. Следовательно, клапан будет полностью (резко) открываться после достижения избыточного давления в трубах определенной критической величины, при этом циркуляционные окна 10 будут полностью открыты, создавая минимальные гидравлические сопротивления циркуляционной жидкости.

Область применения предложенного устройства - сообщение внутренней полости насосно-компрессорных труб с затрубным пространством при освоении и глушении скважин.

Литература
1. ТУ 26-16-16-76, клапаны типа 1 КЦГ.000СБ.

2. Каталог "Оборудование для раздельной эксплуатации нефтяных и газовых скважин". М.: ЦИНТИХИМ НЕФТЕМАШ, 1975, 200 с. Перепускной клапан типа 2 КП.

Формула изобретения

Циркуляционный клапан, содержащий полый ствол с окнами и присоединительными резьбами, уплотнительные кольца, подпружиненный золотник, установленный на стволе с возможностью регулирования усилия поджатия пружины перемещением упора и перекрывающий своей юбкой окна в нижнем крайнем положении, поршневую ступенчатую пару, образованную золотником, стволом и размещенными в зазорах между ними уплотнительными элементами и гидравлически связанную с полостью ствола через отверстие, выполненное в стволе, отличающийся тем, что уплотнительные элементы выполнены в виде деформируемых самоуплотняющихся манжет из эластомера, ступени поршневой пары выполнены с переменным сечением для изменения величины кольцевой площади поршневой ступенчатой пары в зависимости от положений золотника на стволе, причем в положении золотника, соответствующем открытому состоянию клапана, кольцевая площадь максимальна.

РИСУНКИ

Рисунок 1