обратный клапан

Формула изобретения

1. Обратный клапан, включающий полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленным под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом, выполненным в виде сердечника с хвостовиком и конической упорной поверхностью, переходящей в цилиндрический поясок, отличающийся тем, что снабжен эластичной конической манжетой со ступицей, закрепленной на сердечнике, взаимодействующей с коническим седлом и обеспечивающей возможность перекрытия раструбом проходного канала, образованного сердечником в полости корпуса, разделенной манжетой на надманжетную и соединенную с закорпусным пространством подманжетную полуполости, при этом в местах переходов ступицы в раструб выполнены наружный кольцевой паз, образующий с раструбом уплотнительный валик, охватывающий цилиндрический поясок сердечника, и кольцевая выточка с расходящимися от нее вдоль образующей внутренней конической поверхности раструба внутренними канавками.

2. Клапан по п.1, отличающийся тем, что на наружной конической поверхности раструба вдоль ее образующей выполнены расходящиеся от уплотнительного валика дополнительные канавки, размещенные напротив внутренних канавок или/и в середине промежутка между ними.

3. Клапан по п.1 или 2, отличающийся тем, что форма внутренних канавок образована ребрами и гранями боковой поверхности усеченной многогранной пирамиды, например шестигранной.

4. Клапан по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что каждая вторая внутренняя канавка выполнена более глубокой, чем две соседние.

5. Клапан по п. 1, отличающийся тем, что раструб манжеты разделен до середины кольцевой выточки прорезями на неравные чередующиеся по ширине сегменты, имеющие трапециевидные поперечные сечения, большее основание которых у меньших сегментов расположено ближе к оси сердечника.

6. Клапан по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что манжета выполнена армированной волокнами эластичного материала, обладающего более высокими прочностными характеристиками, чем материал манжеты, например синтепона.

7. Клапан по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что содержит предохранительное кольцо, установленное в уплотнительном валике манжеты или/и на цилиндрическом пояске сердечника с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно пояска.

8. Клапан по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в нем выполнены каналы, соединяющие надманжетную и подманжетную полуполости корпуса при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку и образованные, например, на цилиндрической поверхности полости или/и в раструбе манжеты.

9. Клапан по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в корпусе выполнены дренажные каналы, соединяющие надманжетную полуполость с закорпусным пространством при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку с возможностью отсечения надманжетной полуполости от дренажных каналов раструбом манжеты при осевом перемещении запорного узла до упора в седло.

10. Клапан по п.9, отличающийся тем, что содержит дополнительную эластичную манжету, установленную в полости корпуса с возможностью открытия дренажных каналов при поступлении скважинной жидкости из закорпусного пространства через упомянутые дренажные каналы и их закрытия при циркуляции рабочей жидкости через клапан.

11. Клапан по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что на хвостовике сердечника размещен фиксирующий элемент с возможностью ограниченной по усилию задержки запорного узла в начальный момент его перемещения от ограничительной решетки к седлу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области бурения и ремонта скважин, в частности к устройствам для предотвращения зашламовывания забойных устройств, выбросов газа и жидкости через бурильную и обсадную колонны.

Известен обратный клапан, включающий полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленными под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом [1].

К недостаткам известного устройства относится то, что в известном клапане вследствие выполнения запорного узла в виде шара с ловителем между запорным узлом и седлом образуется значительный зазор, в котором защемляется эластичная манжета. При больших перепадах давления запирания на клапане манжета продавливается и разрушается. При нахождении клапана в горизонтальных стволах скважины из-за разности плотностей раствора и материала запорного узла шар отклоняется от оси клапана и не садится в седло. Клапан перестает функционировать.

Известен обратный клапан, включающий полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленным под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом, выполненным в виде сердечника с конической упорной поверхностью, переходящей в цилиндрический поясок [2].

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению является обратный клапан, включающий полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленным под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом, выполненным в виде сердечника с хвостовиком и конической упорной поверхностью, переходящей в цилиндрический поясок [3], который принят за прототип.

К недостаткам известных устройств относится то, что в известных клапанах запорный узел содержит пружину, размещенную в полости, сообщающейся с полостью корпуса зазорами, через которые в процессе эксплуатации клапанов 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 рабочей жидкости возникают значительные скорости потока, вызывающие интенсивный абразивный износ запорного узла.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности функционирования и расширения области применения устройства.

Технический результат осуществления изобретения заключается в повышении надежности и долговечности работы клапана.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном клапане, включающем полый корпус с размещенным в нем коническим седлом и установленным под седлом с возможностью осевого перемещения между седлом и ограничительной решеткой запорным узлом, выполненным в виде сердечника с хвостовиком и конической упорной поверхностью, переходящей в цилиндрический поясок, особенностью изобретения является то, что устройство снабжено эластичной конической манжетой со ступицей, закрепленной на сердечнике, взаимодействующей с коническим седлом и обеспечивающей возможность перекрытия раструбом проходного канала, образованного сердечником в полости корпуса, разделенной манжетой на надманжетную и соединенную с закорпусным пространством подманжетную полости, при этом в местах переходов ступицы в раструб выполнены наружный кольцевой паз, образующий с раструбом уплотнительный валик, охватывающий цилиндрический поясок сердечника, и кольцевая выточка с расходящимися от нее вдоль образующей внутренней конической поверхности раструба внутренними канавками.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что на наружной конической поверхности раструба вдоль ее образующей выполнены расходящиеся от уплотнительного валика дополнительные канавки, размещенные напротив внутренних канавок или/и в середине промежутков между ними.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что форма внутренних канавок образована ребрами и гранями боковой поверхности усеченной многогранной пирамиды, например шестигранной.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что каждая вторая внутренняя канавка выполнена более глубокой, чем две соседние.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что раструб манжеты разделен до средины кольцевой выточки прорезями на неравные чередующиеся по ширине сегменты, имеющие трапециевидные поперечные сечения, большее основание которых у меньших сегментов, расположенных ближе к оси сердечника.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что манжета выполнена армированной волокнами эластичного материала, обладающего более высокими прочностными характеристиками, чем материал манжеты, например синтепона.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что он содержит предохранительное кольцо, установленное в уплотнительном валике манжеты или/и на цилиндрическом пояске сердечника с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно пояска.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что в нем выполнены каналы, соединяющие надманжетную и подманжетную полуполости корпуса при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку и образованные, например, на цилиндрической поверхности полости и/или в раструбе манжеты.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что в корпусе выполнены дренажные каналы, соединяющие надманжетную полуполость с закорпусным пространством при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку с возможностью отсечения надманжетной полуполости от дренажных каналов раструбом манжеты при осевом перемещении запорного узла до упора в седло.

Кроме того, особенность клапана состоит в том, что он содержит дополнительную эластичную манжету, установленную в полости корпуса с возможностью открытия дренажных каналов при поступлении скважинной жидкости из закорпусного пространства через упомянутые дренажные каналы и их закрытия при циркуляции рабочей жидкости через клапан.

Кроме того, особенность клапана заключается в том, что на хвостовике сердечника размещен фиксирующий элемент с возможностью ограниченной по усилию задержки запорного узла в начальный момент его перемещения от ограничительной решетки к седлу.

При анализе отличительных признаков описываемого клапана не выявлено аналогичных известных решений, касающихся выполнения в местах переходов ступицы в раструб наружного паза, образующего с раструбом уплотнительный валик, охватывающий цилиндрический поясок сердечника, и кольцевой выточки с расходящимися от нее вдоль образующей внутренней конической поверхности раструба внутренними канавками, позволяющих повысить надежность и долговечность работы устройства путем снижения интенсивности абразивного износа запорного узла за счет уменьшения гидравлического сопротивления манжеты потоку рабочей жидкости, предотвращения продавливания манжеты через зазор между сердечником и седлом, снижения темпа усталостного разрушения манжеты.

Указанный технический результат достигается тем, что образующийся вследствие возможного застревания твердых частиц зазор в сопряжении между коническими поверхностями седла и сердечника перекрывается уплотнительным валиком, а кольцевая выточка и расходящиеся от нее канавки обеспечивают упорядоченное складывание манжеты в проходном канале, тем самым уменьшается сопротивление запорного узла потоку рабочей жидкости.

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, выполнение на наружной конической поверхности раструба расходящихся от уплотнительного валика дополнительных канавок, размещенных напротив внутренних канавок или/и в средине промежутка между ними, позволяет снизить сопротивление складывающейся манжеты потоку рабочей жидкости и уменьшить интенсивность износа запорного узла.

Выполнение каждой второй внутренней канавки более глубокой, чем две соседние, позволяет увеличить податливость манжеты к упругой деформации, осуществить упорядоченное образование ее складок в проходном канале, тем самым снизить сопротивление манжеты и запорного узла в целом потоку рабочей жидкости.

Разделение раструба манжеты до средины кольцевой выточки прорезями на неравные чередующиеся по ширине сегменты, имеющие трапециевидные поперечные сечения, большее основание которых у меньших сегментов расположено ближе к оси сердечника, позволяет обеспечить открытие проходного канала в клапане за счет опережающего консольного отгибания потоком рабочей жидкости наименьших сегментов в направлении к оси манжеты, вследствие чего существенно уменьшится сопротивление манжеты потоку и снизится интенсивность ее износа.

Выполнение манжеты армированной волокнами эластичного материала, обладающего более высокими прочностными характеристиками, чем материал манжеты, позволяет существенно снизить интенсивность ее износа.

Размещение предохранительного кольца в уплотнительном валике манжеты или/и на цилиндрическом пояске сердечника с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно пояска позволяет обеспечить перекрытие кольцом образовавшегося в случае попадания твердых частиц между седлом и сердечником зазора, предотвратить продавливание через него манжеты при большом перепаде давления запирания клапана.

Выполнение в клапане каналов, соединяющих надманжетную и подманжетные полуполости при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку и образованных, например, на внутренней цилиндрической поверхности полости или/и в раструбе манжеты, обеспечивает уменьшение сопротивления манжеты потоку рабочей жидкости, интенсивности ее износа и самозаполнение колонны труб при спуске в скважину скважинной жидкостью, что позволяет предотвратить образование в колонке воздушных полостей, являющихся в последующем источником неустойчивых, пульсирующих режимов течения рабочей жидкости через клапан, снижающих надежность и долговечность его работы.

Выполнение в корпусе клапанов дренажных каналов, соединяющих надманжетную полуполость с закорпусным пространством при нахождении запорного узла с упором в ограничительную решетку с возможностью отсечения надманжетной полости от дренажных каналов раструбом манжеты при осевом перемещении запорного узла до упора в седло, делает возможным заполнение при спуске колонны труб не через ее низ, где содержание твердой фазы в скважинной жидкости существенно возрастает с приближением к забою, а через клапан. Такая конструкция устройства позволяет снизить износ манжеты и риск зашламовывания его и забойных устройств.

Установка в клапане дополнительной эластичной манжеты с возможностью открытия дренажных каналов при поступлении скважинной жидкости из закорпусного пространства через каналы и их закрытия при циркуляции рабочей жидкости через клапан позволяет предотвратить зашламовывание забойных устройств (двигателей, долот) при их спуске в скважину, создать рабочий перепад давления при эксплуатации указанных устройств.

Размещение фиксирующего элемента на хвостовике сердечника с возможностью ограниченной по усилию задержки запорного узла в начальный момент его перемещения от ограничительной решетки к седлу позволяет предотвратить преждевременное запирание клапана, в частности при заполнении колонны труб при спуске в горизонтальных стволах скважин, тем самым повысить надежность работы устройства.

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 изложенного выше следует, что изобретение отвечает и условию "изобретательский уровень", так как не является очевидным для специалиста в данной отрасли промышленности.

На фиг. 1 изображен обратный клапан, общий вид; фиг.2 - манжета с канавками, вид снизу; фиг.3 - манжета с раструбом, разделенным на сегменты, вид снизу; фиг.4 - предохранительное кольцо в уплотнительном валике; фиг.5 - то же на цилиндрическом пояске сердечника; фиг.6 - клапан с каналами на поверхности полости и в раструбе манжеты; фиг.7 - клапан с дренажными каналами; фиг.8 - клапан с дополнительной манжетой и фиксирующим элементом.

Обратный клапан (фиг.1) включает полый корпус 1 с размещенными в нем коническим седлом 2, ограничительной решеткой 3, запорным узлом 4, состоящим из сердечника 5 с хвостовиком 6 и конической поверхностью 7, переходящей в цилиндрический поясок 8, и конической манжеты 9 со ступицей 10 и раструбом 11, перекрывающим проходной канал 12. Полость 13 корпуса разделена манжетой на надманжетную 14 и подманжетную 15 полуполости. В местах переходов ступицы в раструб выполнены наружный кольцевой паз 16, уплотнительный валик 17 и кольцевая выточка 18 с расходящимися от нее вдоль раструба внутренними канавками 19.

На наружной конической поверхности раструба манжеты (фиг.2) могут быть выполнены расходящиеся от уплотнительного валика дополнительные канавки 20, размещенные напротив или/и в середине промежутка между последними.

Форма внутренних канавок 19 может быть образована ребрами 21 и гранями 22 боковой поверхности усеченной многогранной пирамиды, а каждая вторая внутренняя канавка 23 выполнена более глубокой, чем две соседние.

Раструб манжеты может быть разделен (фиг.3) вплоть до средины кольцевой выточки 18 прорезями 24 на неравные чередующиеся по ширине сегменты, имеющие трапециевидные поперечные сечения, большее основание 25 которых у меньших сегментов 26 расположено ближе к оси 27 сердечника.

В уплотнительном валике 17 манжеты (фиг.4) или на цилиндрическом пояске 8 сердечника (фиг. 5) может быть установлено с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно пояска предохранительное кольцо 28.

В клапане (фиг. 6) могут быть выполнены соединяющие надманжетную 14 и подманжетную 15 полуполости каналы 29 и 30, образованные соответственно на внутренней цилиндрической поверхности полости корпуса и в раструбе манжеты.

В корпусе клапана (фиг. 7) могут быть выполнены дренажные каналы 31, соединяющие надманжетную полуполость 14 с закорпусным пространством при нахождении запорного узла 4 с упором в ограничительную решетку 3.

На цилиндрической поверхности полости корпуса (фиг.8) или конической поверхности седла может быть установлена дополнительная эластичная манжета 32 с возможностью открытия дренажных каналов 31 при поступлении скважинной жидкости из закорпусного пространства через каналы и их закрытия при циркуляции рабочей жидкости через клапан.

На хвостовике 6 сердечника может быть размещен фиксирующий элемент 33, выполненный, например, в виде резинового тороидального кольца, установленного в кольцевых конических канавках 34 хвостовика и 35 ограничительной решетки, направление конусов которых совпадает с направлением конуса седла.

Обратный клапан работает следующим образом.

В зависимости от технологической необходимости применения конструкция обратного клапана позволяет использовать его в четырех вариантах.

В первом варианте применяют клапан, изображенный на фиг.1. При спуске клапана с колонной труб в скважину обратный поток скважинной жидкости прижимает запорный узел 4 к седлу 2, что обеспечивает его герметичность.

При прямой циркуляции рабочей жидкости ее поток перемещает запорный узел до упора в ограничительную решетку 3. Под напором жидкости раструб 11 манжеты 9 сгибается по кольцевой выточке 18 и складывается по внутренним канавкам 19, вследствие чего открывается проходной канал 12. Жидкость поступает в подманжетную полуполость 15, затем через отверстия в ограничительной решетки в подклапанную часть колонны труб. При прекращении циркуляции манжета расправляется и перекрывает проходной канал 12. При возникновении обратной циркуляции запорный узел перемещается до упора в седло 2, обеспечивая прилегание к нему конической поверхности 7 сердечника 5 и прижимание уплотнительного валика 17 к седлу. Уплотнительный валик перекрывает и герметизирует зазор между седлом и сердечником даже в случае неплотного прилегания их друг к другу вследствие попадания в зазор твердых частиц.

При использовании манжеты, изображенной на фиг.2, в процессе прямой циркуляции жидкости раструб 11 прогибается в сторону оси сердечника по наиболее глубоким внутренним канавкам 23 и по кольцевой выточке 18, открывая проходной канал для рабочей жидкости.

При использовании манжеты, изображенной на фиг.3, в процессе прямой циркуляции рабочей жидкости меньшие сегменты 26 даже под небольшим напором ее потока сгибаются по кольцевой выточке 18, открывая проходной канал для жидкости. В случае значительного напора начинают сгибаться большие сегменты. При прекращении циркуляции сначала большие сегменты, затем вслед за ними и меньшие возвращаются в исходное положение, закрывая проход для скважинной жидкости при обратной циркуляции.

При применении запорного узла с предохранительным кольцом 28 (фиг.4 и 5), в случае неплотного прилегания сердечника к седлу и образования значительного зазора, под напором обратного потока жидкости предохранительное кольцо перемещается относительно цилиндрического пояска 8 до упора в седло, перекрывая зазор и предотвращая продавливание материала манжеты.

Второй вариант применения клапана, предусматривающий заполнение труб при спуске скважинной жидкостью, предполагает использование конструкции, изображенной на фиг.6.

Скважинная жидкость в надманжетную полуполость 14 поступает из закорпусного пространства через низ колонны труб, подманжетную полуполость 15 и каналы 29 и 30. В случае более значительных расходов заполняющей трубы жидкости через клапан, возникающих, например, при окончании цементирования обсадных колонн, завершении бурения, сопровождающегося существенной разностью плотности жидкости со шламом в закорпусном пространстве и жидкости без шлама в трубах, выбросах жидкости и газа через колонну труб, запорный узел 4 обратным потоком жидкости перемещается до упора в седло. Клапан запирается.

Третий вариант применения клапана, предусматривающий заполнение труб скважинной жидкостью через боковые дренажные каналы 31, изображенный на фиг. 7, может использоваться при спуске и цементировании обсадных колонн. При небольших расходах жидкости, возникающих во время спуска труб, запорный узел 4 остается в нижнем положении с упором в ограничительную решетку. В случае интенсивного обратного течения жидкости из закорпусного пространства, например, по завершении закачки цементного раствора, в каналах 31 возникает значительный перепад давления, под действием которого запорный узел перемещается до упора в седло 2. Происходит запирание клапана.

Четвертый вариант применения клапана (фиг.8) предусматривает заполнение труб скважинной жидкостью при спуске через дренажные каналы 31 в корпусе и создания в трубах избыточного рабочего давления за счет перекрытия каналов дополнительной эластичной манжетой 32. При спуске клапана скважинная жидкость поступает из закорпусного пространства через дренажные каналы, отжав дополнительную манжету, в надманжетную полость корпуса. В случае же интенсивного обратного течения жидкости через клапан возникает значительный перепад давления между закорпусным и внутритрубным над клапаном пространствами, под действием которого запорный узел перемещается до упора в седло. Клапан запирается. При циркуляции рабочей жидкости через клапан дополнительная манжета 32 перекрывает дренажные каналы, раструб 11 запорного узла под напором потока складывается, пропуская жидкость в подклапанную часть колонны труб.

При применении обратного клапана по второму, третьему и четвертому вариантам, особенно при работе в горизонтальных стволах скважин, возможно использование фиксирующего элемента 33, размещенного на хвостовике 6 сердечника и удерживающего последний до определенных значений гидравлической нагрузки, действующей снизу на запорный узел, в положении, приведенном на фиг. 8. Когда значения нагрузки превышены, фиксирующий элемент, выполненный, например, в виде тороидального резинового кольца 33, деформируется в конических канавках 34 и 35, уменьшается по диаметру и увеличивается по ширине, хвостовик освобождается, запорный узел перемещается до упора в седло. Клапан запирается.

При циркуляции рабочей жидкости через клапан запорный узел перемещается вниз, фиксирующий элемент перемещается в верхнюю часть конической канавки 34 в хвостовике, где он испытывает меньшие деформации и создает меньшее сопротивление движению запорного узла. В нижнем положении сердечника фиксирующий элемент освобождается, занимает своей периферийной частью канавку 35 в ограничительной решетке. Хвостовик фиксируется в решетке.

Таким образом, средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области бурения и ремонта скважин, а именно для предотвращения зашламовывания забойных устройств, выбросов газа и жидкости через бурильную и обсадную колонны. 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".

Источники информации

1. RU, патент, 2115798, кл. Е 21 В 34/10, 33/14, 1996.

2. RU, патент, 2107805, кл. Е 21 В 34/06, 1996.

3. RU, патент, 2011788, кл. Е 21 В 21/10, 34/06, 1990.