Скважинный клапан

 

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для предотвращения зашламовывания забойных устройств, выбросов газа и жидкости через бурильную колонну. Скважинный клапан включает полый корпус, размещенное в нем коническое седло и установленный под ним с возможностью осевого перемещения между коническим седлом и ограничительной решеткой запорный узел, выполненный в виде сердечника, взаимодействующего с седлом и обеспечивающего возможность перекрытия проходного канала между сердечником и полым корпусом, эластичную манжету, дополнительное коническое седло, запорный узел и ограничительную решетку с направляющим отверстием. Полый корпус выполнен состоящим из верхнего и нижнего полукорпусов. Коническое седло, запорный узел и ограничительная решетка размещены в нижнем полукорпусе. Эластичная манжета выполнена конической, закреплена на сердечнике и обеспечивает перекрытие проходного канала своим раструбом. Дополнительный запорный узел включает сердечник и эластичную коническую манжету, выполненную с возможностью частичного перекрытия раструбом манжеты образованного сердечником в верхнем полукорпусе обходного канала и с возможностью осевого перемещения между дополнительным коническим седлом и дополнительной ограничительной решеткой с направляющим отверстием. В направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки установлен хвостовик сердечника. Полость нижнего полукорпуса над коническим седлом соединена с закорпусным пространством радиальными отверстиями, а в полости нижнего полукорпуса установлена эластичная диафрагма, выполненная с возможностью открытия радиальных отверстий для поступления потока скважинной жидкости из закорпусного пространства под напором потока скважинной жидкости. Расширяются функциональные возможности, повышается надежность и долговечность работы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для предотвращения зашламовывания забойных устройств, выбросов газа и жидкости через колонну бурильных труб.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является скважинный клапан, включающий полый корпус, размещенное в нем коническое седло и установленный под ним с возможностью осевого перемещения между коническим седлом и ограничительной решеткой запорный узел, выполненный в виде сердечника, взаимодействующего с коническим седлом и обеспечивающего возможность перекрытия проходного канала между сердечником и полым корпусом, и эластичную манжету [1].

К недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном скважинном клапане запорный узел содержит пружину, размещенную в полости, сообщающейся с полостью корпуса зазорами, через которые в процессе эксплуатации проникают твердые абразивные частицы, наносящие царапины на витках пружины, что приводит к образованию концентраторов напряжений, усталостному разрушению пружины и прекращению функционирования клапана. Вследствие сопротивления подпружиненного запорного узла потоку промывочной жидкости возникают значительные скорости потока, вызывающие интенсивный гидроабразивный износ запорного узла. Функциональные возможности известного клапана существенно ограничены тем, что его конструкция не позволяет осуществлять самозаполнение скважинной жидкостью под ее напором внутритрубного пространства спускаемой в скважину колонны труб.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности функционирования устройства.

Технический результат осуществления изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении надежности и долговечности работы клапана.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в данном клапане, включающем полый корпус, размещенное в нем коническое седло и установленный под ним с возможностью осевого перемещения между коническим седлом и ограничительной решеткой запорный узел, выполненный в виде сердечника, взаимодействующего с коническим седлом и обеспечивающего возможность перекрытия проходного канала между сердечником и полым корпусом, и эластичную манжету, особенностью изобретения является то, что он снабжен дополнительными коническим седлом, запорным узлом и ограничительной решеткой с направляющим отверстием, полый корпус выполнен состоящим из верхнего и нижнего полукорпусов, коническое седло, запорный узел и ограничительная решетка размещены в нижнем полукорпусе, дополнительные ограничительная решетка с направляющим отверстием, коническое седло и взаимодействующий с ним запорный узел размещены в верхнем полукорпусе, при этом эластичная манжета выполнена конической, закреплена на сердечнике и обеспечивает перекрытие проходного канала своим раструбом, дополнительный запорный узел включает дополнительные сердечник и эластичную коническую манжету, выполненную с возможностью частичного перекрытия раструбом манжеты образованного дополнительным сердечником в верхнем полукорпусе обходного канала и с возможностью осевого перемещения между дополнительным коническим седлом и дополнительной ограничительной решеткой, при этом в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки установлен хвостовик дополнительного сердечника, полость нижнего полукорпуса над коническим седлом соединена с закорпусным пространством радиальными отверстиями, а в полости нижнего полукорпуса установлена эластичная диафрагма, выполненная с возможностью открытия радиальных отверстий для поступления потока скважинной жидкости из закорпусного пространства под напором потока скважинной жидкости.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что он содержит упругое тороидальное кольцо, установленное в образованной в хвостовике дополнительного сердечника кольцевой конической канавке и взаимодействующее с образованной в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки фаской, направление конусов которых выполнено совпадающим с направлением конуса дополнительного конического седла, при этом конус фаски больше конуса кольцевой конической канавки, внутренний диаметр упругого тороидального кольца приблизительно равен наибольшему диаметру кольцевой конической канавки, наружный диаметр упругого тороидального кольца больше диаметра хвостовика.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что он снабжен предохранительными пластинами, установленными между эластичной диафрагмой и стенкой нижнего полукорпуса с возможностью перекрытия радиальных отверстий.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что предохранительные пластины установлены на наружной поверхности эластичной диафрагмы и закреплены в ее теле.

При анализе отличительных признаков описываемого клапана не выявлено аналогичных известных решений, касающихся установки в верхнем полукорпусе дополнительного запорного узла, эластичная коническая манжета которого выполнена с возможностью частичного перекрытия раструбом манжеты образованного дополнительным сердечником в верхнем полукорпусе обходного канала, что в совокупности с размещением между запорным узлом и дополнительным запорным узлом в полости нижнего полукорпуса эластичной диафрагмы, выполненной с возможностью открытия радиальных отверстий, позволяет расширить функциональные возможности, повысить надежность и долговечность работы клапана.

Технический результат достигается тем, что при интенсивном поступлении (выбросе) скважинной жидкости (газа) в колонну труб через соединяющие с закорпусным пространством полость нижнего полукорпуса радиальные отверстия дополнительный запорный узел под воздействием избыточного напора потока скважинной жидкости (газа) перемещается до упора в дополнительное седло, тем самым предотвращаются аварийные выбросы указанных сред через колонну труб на устье скважины.

Все признаки независимого пункта формулы являются существенными, то есть необходимыми для обеспечения технического результата. Остальные признаки являются частью существенными, необходимыми для реализации частных решений конструкции устройства.

Так, установка упругого тороидального кольца в образованной в хвостовике дополнительного сердечника кольцевой конической канавке, взаимодействующего с фаской, образованной в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки, направление конусов которых выполнено совпадающим с направлением конуса дополнительного конического седла, при этом конус фаски больше конуса кольцевой конической канавки, внутренний диаметр упругого тороидального кольца приблизительно равен наибольшему диаметру конической канавки, наружный диаметр упругого тороидального кольца больше диаметра хвостовика дополнительного сердечника, позволяет предотвратить преждевременное запирание клапана, в частности при заполнении колонны труб при ускоренном спуске в наклонных и горизонтальных участках ствола скважины, тем самым повысить надежность работы устройства.

Размещение между эластичной диафрагмой и стенкой нижнего полукорпуса предохранительных пластин, образованных, например, в разрезной пружинной втулке с возможностью перекрытия радиальных отверстий, позволяет избежать продавливания фрагментов эластичной диафрагмы через радиальные отверстия под воздействием избыточного давления промывочной жидкости в полости нижнего полукорпуса и повысить надежность и долговечность работы клапана.

Установка предохранительных пластин на наружной поверхности эластичной диафрагмы и их закрепление в ее теле позволяет уменьшить упругое сопротивление потоку скважинной жидкости (газа) из затрубного пространства в полость нижнего полукорпуса эластичной диафрагмы и предохранительных пластин, тем самым уменьшить их износ и повысить долговечность работы клапана.

В связи с тем, что из данной области техники не известна совокупность признаков, характеризующих предложенное изобретение, можно сделать вывод о том, что заявленное изобретение отвечает условию “новизна”.

Из приведенного выше следует, что изобретение отвечает и условию “изобретательский уровень”, так как не является очевидным для специалистов в данной отрасли промышленности.

На фиг.1 изображен скважинный клапан, общий вид; на фиг.2 - хвостовик дополнительного сердечника с упругим тороидальным кольцом; на фиг.3 - нижний полукорпус с предохранительными пластинами; на фиг.4 - эластичная диафрагма с закрепленными в ее теле предохранительными пластинами.

Скважинный клапан (фиг.1) включает полый корпус, состоящий из верхнего 1 и нижнего 2 полукорпусов, с размещенными в последнем коническим седлом 3, ограничительной решеткой 4, запорным узлом 5, состоящим из сердечника 6 и закрепленной на нем конической эластичной манжеты 7 с раструбом 8, перекрывающим проходной канал 9, образованный сердечником в нижнем полукорпусе, имеющим полость 10 и в боковой стенке которого выполнены радиальные отверстия 11, а в полости 10 установлена эластичная диафрагма 12 с возможностью открытия радиальных отверстий. В верхнем полукорпусе установлены дополнительные ограничительная решетка 13, коническое седло 14 и запорный узел 15, состоящий из дополнительных сердечника 16 и эластичной конической манжеты 17, раструб 18 которой частично перекрывает образованный дополнительным сердечником в верхнем полукорпусе обходной канал 19. В направляющем отверстии 20 дополнительной ограничительной решетки установлен хвостовик 21 дополнительного сердечника 16.

В дополнительном запорном узле может быть установлено упругое тороидальное кольцо 22 (фиг.2), размещенное в выполненной в хвостовике 21 дополнительного сердечника кольцевой конической канавке 23 и взаимодействующее с фаской 24, образованной в направляющем отверстии 20 дополнительной ограничительной решетки 13. Направление конусов кольцевой конической канавки и фаски 24 совпадает с направлением конуса дополнительного конического седла 14, при этом конус фаски больше конуса кольцевой конической канавки (α >β ), внутренний диаметр упругого тороидального кольца приблизительно равен наибольшему диаметру кольцевой конической канавки (d_в.к≈ d_кан), наружный диаметр упругого тороидального кольца больше диаметра хвостовика (d_н.к>d_х.в).

Клапан может быть снабжен разрезной втулкой 25 (фиг.3), в которой выполнены предохранительные пластины 26, установленной между эластичной диафрагмой 12 и стенкой 27 нижнего полукорпуса с возможностью перекрытия радиальных отверстий 11.

Предохранительные пластины 26 (фиг.4) могут быть установлены на наружной поверхности эластичной диафрагмы 12 и закреплены в ее теле.

Скважинный клапан работает следующим образом.

При спуске в скважину колонны труб под напором потока скважинной жидкости, поступающей из закорпусного пространства через радиальные отверстия 11 в полость нижнего полукорпуса 2, эластичная диафрагма 12 отжимается от стенки 27 нижнего полукорпуса, образуя каналы для прохода скважинной жидкости, которая затем через отверстия в дополнительной ограничительной решетке 13 и частично перекрытый дополнительной эластичной конической манжетой 17 обходной канал 19 заполняет надклапанную часть внутритрубного пространства колонны труб.

В случае выброса скважинной жидкости (газа) через радиальные отверстия 11 в полость клапана, сопровождающегося более высокой скоростью потока, чем при заполнении труб при спуске, под напором скважинной жидкости дополнительный запорный узел 15 перемещается в направляющем отверстии 20 дополнительной ограничительной решетки до упора в дополнительное коническое седло 14. Клапан запирается, выброс через колонну труб предотвращается.

При прямой циркуляции промывочная жидкость поступает из надклапанной части внутритрубного пространства колонны труб в подклапанную, расширив обходной 19 и открыв проходной 9 каналы за счет обжатия напором потока промывочной жидкости и складывания раструбов 18 и 8 эластичных конических манжет дополнительного запорного узла 15 и запорного узла 5. Избыточный напор промывочной жидкости прижимает эластичную диафрагму 12 к стенке полости нижнего полукорпуса, герметично перекрыв в нем радиальные отверстия 11.

Использование варианта конструкции скважинного клапана (фиг.2), содержащего упругое тороидальное кольцо 22, фиксирующее хвостовик 21 дополнительного сердечника в дополнительной ограничительной решетке 13, особенно необходимо при эксплуатации клапана в горизонтальных стволах скважин, здесь даже небольшой напор заполняющей колонну труб скважинной жидкости может вызвать преждевременное запирание клапана. Только при значительном напоре потока скважинной жидкости в дополнительном запорном узле 15 может возникнуть предельное усилие, вызывающее упругую деформацию упругого тороидального кольца 22 в кольцевой конической канавке 23 и образованной в хвостовике дополнительного сердечника фаске 24. Упругое тороидальное кольцо продавливается через фаску в направляющее отверстие 20 дополнительной ограничительной решетки 13. Дополнительный запорный узел освобождается и перемещается до упора в дополнительное седло 15, клапан запирается. При возобновлении циркуляции промывочной жидкости через клапан дополнительный запорный узел начинает перемещаться вниз, упругое тороидальное кольцо перемещается в верхнюю часть кольцевой конической канавки, где оно испытывает меньшие деформации и создает меньшее сопротивление перемещению хвостовика дополнительного сердечника в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки. В нижнем положении дополнительного сердечника упругое тороидальное кольцо попадает в фаску 24, расправляется и фиксирует хвостовик в дополнительной ограничительной решетке.

При создании избыточного давления промывочной жидкости в полости клапана, снабженного предохранительными пластинами 26, выполненными в разрезной втулке 25 (фиг.3) или установленными на наружной поверхности эластичной диафрагмы 12 и закрепленными в ее теле (фиг.4), предохранительные пластины и эластичная диафрагма прижимаются к стенке нижнего полукорпуса, герметично перекрыв в нем радиальные отверстия.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области бурения, а именно для предотвращения зашламовывания забойных устройств, выбросов скважинной жидкости (газа) через колонну труб. Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств. Устройство, воплощающее заявленное изобретение, способно обеспечить достижение указанного выше технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Источник информации

1. RU, патент, 2011788, 1990, 4 с.

Формула изобретения

1. Скважинный клапан, включающий полый корпус, размещенное в нем коническое седло и установленный под ним с возможностью осевого перемещения между коническим седлом и ограничительной решеткой запорный узел, выполненный в виде сердечника, взаимодействующего с коническим седлом и обеспечивающего возможность перекрытия проходного канала между сердечником и полым корпусом, и эластичную манжету, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными коническим седлом, запорным узлом и ограничительной решеткой с направляющим отверстием, полый корпус выполнен состоящим из верхнего и нижнего полукорпусов, коническое седло, запорный узел и ограничительная решетка размещены в нижнем полукорпусе, дополнительные ограничительная решетка с направляющим отверстием, коническое седло и взаимодействующий с ним запорный узел размещены в верхнем полукорпусе, при этом эластичная манжета выполнена конической, закреплена на сердечнике и обеспечивает перекрытие проходного канала своим раструбом, дополнительный запорный узел включает дополнительные сердечник и эластичную коническую манжету, выполненную с возможностью частичного перекрытия раструбом манжеты образованного дополнительным сердечником в верхнем полукорпусе обходного канала и с возможностью осевого перемещения между дополнительным коническим седлом и дополнительной ограничительной решеткой, при этом в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки установлен хвостовик дополнительного сердечника, полость нижнего полукорпуса над коническим седлом соединена с закорпусным пространством радиальными отверстиями, а в полости нижнего полукорпуса установлена эластичная диафрагма, выполненная с возможностью открытия радиальных отверстий для поступления потока скважинной жидкости из закорпусного пространства под напором потока скважинной жидкости.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что содержит упругое тороидальное кольцо, установленное в образованной в хвостовике дополнительного сердечника кольцевой конической канавке и взаимодействующее с образованной в направляющем отверстии дополнительной ограничительной решетки фаской, направление конусов которых выполнено совпадающим с направлением конуса дополнительного конического седла, при этом конус фаски больше конуса кольцевой конической канавки, внутренний диаметр упругого тороидального кольца приблизительно равен наибольшему диаметру кольцевой конической канавки, наружный диаметр упругого тороидального кольца больше диаметра хвостовика.

3. Клапан по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что снабжен предохранительными пластинами, установленными между эластичной диафрагмой и стенкой нижнего полукорпуса с возможностью перекрытия радиальных отверстий.

4. Клапан по п.3, отличающийся тем, что предохранительные пластины установлены на наружной поверхности эластичной диафрагмы и закреплены в ее теле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4