RU25202U1 - Клапан обратный для бурильной колонны - Google Patents

Abstract

1. Клапан обратный для бурильной колонны, содержащий корпус, подпружиненный клапан и седло, отличающийся тем, что он снабжен устройством для ручного открывания клапана, выполненным в виде валика с кулачком.2. Клапан обратный для бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что валик установлен в съемных опорах, закрепленных в корпусе, в торцах имеет шестигранные углубления под ключ, в донной части которых выполнены углубленные риски, при этом образующие двух вершин шестигранных углублений и большие оси симметрии рисок расположены в плоскости симметрии кулачка по его большим осям.3. Клапан обратный для бурильной колонны по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая поверхность кулачка выполнена круговой, симметричной, в виде двух цилиндрических и двух плоских поверхностей и расстояние между цилиндрическими поверхностями в плоскости симметрии кулачка по его меньшим осям равно радиусу R цилиндрических поверхностей, который определяется из уравнениягде h - минимально возможный размер между плоскостью симметрии кулачка по его большим осям и образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей, принимаемый исходя из реально достижимой точности позиционирования кулачка по углу при открытии клапана;h- размер между плоскостью симметрии кулачка по его меньшим осям и плоской поверхностью, определяемый по формулегде R- размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или его радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса;δ - принимаемый минимальный зазор между образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей кулачка и внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенк

Description

20021 ...,.,,.ипш«1|ш 1|

Клапан обратный дЛя бурильной колонны

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована при строительстве и ремонте скважин для предотвращения выброса промывочной жидкости и пластовых флюидов.

Известен обратный клапан для бурильной колонны, содержащий корпус,состоящий из соединённых по замковой резьбе ниппеля и переводника, подпружиненный тарельчатый запорный орган со штоком и составное седло (а.с. СССР №1 652 515,кл.Е 21 В 34/06,опубл.30.05.91). Под действием давления промывочной жидкости,поступающей во внутренний канал обратного клапана со стороны переводника, тарельчатый запорный орган со щтоком, сжимая пружину,открывается. Жидкость поступает в бурильную колонну(прямой поток). При прекращении потока жидкости тарельчатый запорный орган со щтоком под воздействием пружины садится на седло (закрывается). Обратный поток жидкости невозможен.,

Недостатком этого обратного клапана для бурильной колонны является то, что он, как таковой,непосредственно не обеспечивает осуществления обратного потока жидкости

в бурильной колонне.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому клапану обратному для бурильной колонны являются клапаны обратные для бурильных колонн,содержащие корпус,включающий муфтовую и ниппельную части,подпружиненный клапан и седло (ОСТ 39.096-88 Клапаны обратные для бурильных колонн. Технические условия). Под действием давления промывочной жидкости, поступающей во внутренний канал обратного клапана со стороны его муфтовой части, клапан,сжимая пружину,открывается. Жидкость поступает в бурильную колонну (прямой поток). При прекращении потока жидкости, клапан под воздействием пружины садится на седло(закрывается). Обратный поток жидкости невозможен.

Недостатком этих обратных клапанов для бурильных колонн является то,что они.,как таковые,непосредственно не обеспечивают осуществления обратного потока жидкости в бурильной колонне.

В процессе эксплуатации известных клапанов для бурильных колонн при необходимости всё же организовать обратный поток жидкости в бурильЙой колонне (например, в процессе ликвидации газонефтепроявлений для осуществления обратной промывки скважины) используют приспособление для открытия обратного клапана. Приспособление включает трубчатый корпус и радиальные отводы с кранами высокого давления. Один конец корпуса заканчивается ниппелем с замковой резьбой,посредством которой он соединяется с муфтовой частью клапана обратного для бурильной колонны . На другом конце.корпуса установлена пара винт-гайка. Вращая винт, создают осевое его перемещение. При достижении клапана винт размыкает его с седлом. Клапан обратный

7 МПК Е 21 в 34/01 . открыт. (Справочник - каталог по оборудованию и инструменту для предупреждения и ликвидации фонтанов. Под ред. В.М.Хоботько,М., Недра, 1981, с. 46,47). Недостаток открытия клапана обратного при помощи приспособления заключается в том, что : 1.требуется само приспособление для открытия обратного клапана; 2.необходимо подсоединение приспособления к обратному клапану и в последствии отсоединение от него; 3.для открытия клапана необходимо повернуть винт приспособления на 4-5 оборотов. Эти операции увеличивают трудоёмкость процесса открытия клапана обратного и занимают определённый промежуток времени в экстремальных ситуациях. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении технологических возможностей клапана обратного для бурильной колонны за счёт осуществимости обратного потока жидкости в бзфильной колонне. Для достижения указанного технического результата в предлагаемом клапане обратном для бзфильной колонны,содержащем корпус,подпрзокиненный клапан и седло, дополнительно введено устройство для ручного открывания клапана, выполненное в виде валика с кулачком. Валик установлен в съёмных опорах, которые закреп.11яются в корпусе. В обоих торцах валик имеет шестигранные углубления под ключ, в донной части которых выполнены углублённые риски. Образующие двух вершин шестигранных углублений и большие оси симметрии рисок расположены в плоскости симметрии кулачка по его большим осям. Рабочая поверхность кулачка выполнена круговой, симметричной, в виде двух цилиндрических и двух плоских поверхностей. Расстояние между цилиндрическими поверхностями в плоскости симметрии кулачка по его меньшим осям равно радиусу R цилиндрических поверхностей, который определяется из уравнения plb А р Jl л где h - минимально возможный размер между плоскостью симметрии кулачка по его гг -„„„ оольшим осям и образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей, принимаемый исходя из реально достижимой точности позиционирования кулачка по углу при открытии клапана; размер между плоскостью симметрии кулачка по его меньшим осям и плоской поверхностью, определяемый по формуле h,(RK-)Cos(), где RK - размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса; о - принимаемый минимальный зазор между образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей кулачка и внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса.

Наружная поверхность клапана, примыкающая к кулачку, выполнена в виде конуса вращения с углом В ,определяемым по формуле

S 2 а-гс CbS (0,37 ,

г где R,(- размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса; О - принимаемый минимальный зазор между кулачком и корпусом. Вершина конуса вращения клапана выполнена сферической радиусом г , который должен быть как можно меньшим. Он определяется исходя из максимально допустимого удельного контактного давления пары кулачок-клапан. Предложенный клапан обратный для бурильной колонны,наряду с обеспечением прямого потока жидкости в бурильной колонне и автоматической отсечкой неконтролируемогообратногопотокажидкости,позволяет,вслучае необходимости,простым поворотом на 90 валика с кулачком специальным ключом вывести клапан из соединения с седлом и зафиксировать его в открытом состоянии, обеспечив осуществление как прямого, так и обратного потока,исключив применение специального приспособления для открытия обратного клапана, его монтаж и демонтаж,что упрощает процедуру организации обратного потока в бурильной колонне и сокращает время на её осуществление. Предложенный клапан обратный для бурильной колонны иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4. На фиг. 1 показан общий вид клапана обратного в закрытом положении. На фиг. 2 - вид А на фиг. 1. На фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1 ( условно показан общий вид клапана обратного в открытом цоложении). На фиг. 4 - схема графического построения и расчета профиля рабочей поверхности кулачка клапана обратного. Клапан обратный для бурильной колонны содержит корпус 1, клапан 2 со сферической верхней частью 3 и рабочей поверхностью 4, седло 5 с уплотнительным элементом 6 и ответной посадочной поверхностью 7, опорное составное кольцо 8, пружинное кольцо 9, пружину 10, опору 11 с окнами 12. Седло 5 для лучшей герметизирующей способности может быть оснащено упругим уплотнительным элементом 13 ( например, кольцевая вставка из полиуретана). Клапан 2 разделяет полость корпуса 1 на надклапанн5 ю 14 и подклапанную 15 полости. Дополнительно в надклапанной полости 14 размещен валик 16 с кулачком 17. Последний в местах сопряжения двух рабочих криволинейных поверхностей 18 и 19 имеет рабочие плоские площадки 20 и 21, перпендикулярные плоскости симметрии кулачка в которой расположены его большие оси 22. Криволинейные поверхности 18 и 19, в частности, могут быть участками цилиндрических поверхностей. Валик 16 установлен в опорах 23, которые ввернуты в корпус 1 и герметизируются уплотнительными элементами 24 и 25. В обоих торцах валика 16 выполнены под ключ

шестигранные углубления 26. В донной части углублений 26 выполнены углубленные риски 27. При этом образующие двух вершин шестигранного углубления 26 и большие оси симметрии 28 рисок 27 расположены в плоскости симметрии кулачка по его большим осям 22.

В закрытом положении клапана обратного валик 16 с кулачком 17 установлен так, что риски 27 расположены горизонтально, т.е. их большие оси симмепфии 28 расположены в плоскости, перпендикулярной оси 29 клапана обратного (фиг. 2). Клапан 2 пружиной 10 поджат к седлу 5. Рабочая поверхность 4 клапана 2 «сидит на посадочной поверхности 7 седла 5. Герметичность обеспечивается сопряжением «металл по металлу. Упругий уплотнительный элемент 13 повышает герметичность сопряжения клапан-седло. Мезкду сферической верхней частью 3 клапана 2 и кулачком 17 имеется гарантированный минимально возможный зазор.

Клапан обратный для бурильной колонны работает следующим образом.

Клапан обратный устанавливается под ведущей трубой. Нормальное положение клапана обратного - закрытое. В процессе бурения промывочная жидкость из бурильной колонны поступает в надклапанную полость 14 клапана обратного, воздействует на клапан 2, отжимает его, сжимая пружину 10, поступает в подклапанную полость 15,

проходит через окна 12 опоры 11 и выходит в колонну труб (не показано) - прямой поток. После прекращения циркуляции жидкости,клапан 2 пружиной 10 поджимается к седлу 5,

герметично разъединяя надклапанную 14 и подклапанную 15 полости. Обратный поток жидкости при этом положении клапана невозможен. .

Для организации обратного потока жидкости в одно из шестигранных углублений 26 вставляется специальный ключ (не показан) и валик 16 поворачивается по или против часовой (;ггрелки на 90° При этом кулачок 17 одной из криволинейных поверхностей 18 или 19 «набегает на сферическую часть 3 клапана 2 и отжимает его от седла 5, сжимая 10. Клапан обратный открыт, прямой и обратный поток жидкости возможен. Вершина сферической части 3 клапана 2 поджимается пружиной 10 к одной из плоских площадок 20 или 21 кулачка 17. Риски 27 расположены вертикально - вдоль оси 29 клапана обратного (иначе, большие оси симметрии 28 рисок 27 расположены в плоскости симметрр и, проходящей через ось 29 клапана обратного). Если открытие клапана затруднено, то необходимо создать противодавление, снизив перепад давлений в подклапанной 15 и надклапанной 14 полостях.

Для закрытия клапана обратного необходимо в одно из шестигранных углублений 26 вставить специальный ключ и повернуть валик 16 по или против часовой стрелки на 90 ° При этом клапан 2, поджимаемый пружиной 10, «сбегает с одной из площадок 20 или 21 по криволинейным поверхностям 18 иди 19 кулачка 17. В конце хода рабочая поверхность 4 клапана 2 «садится на посадочную поверхность 7 седла 5, герметично разъединяя подклапарную 15 и надклапанную 14 полости корпуса 1. Кулачок 17 продолжает поворот (еще приблизительно на 3-4) до 90°, пока обе образующие 30 и 31 рабочих поверхностей 18 и 19, находящиеся в плоскости симметрии кулачка 17 по его меньшим осям 32, не расположатся в плоскости симметрии, проходящей через ось 29 клапана обратного. При этом одна из образующих 30 или 31 будет находиться над сферической вершиной 3

4-

./ клапана 2 и между ними будет минимально возможный гарантированный зазор. Клапан обратный закрыт. Обратный поток жидкости невозможен. На фиг. 4 приведен пример конкретного графического построения и расчёта профиля рабочей поверхности кулачка 17. Рабочая поверхность кулачка вьтолнена круговой, симметричной, в виде цилиндрических 18 и 19 и двух плоских 20 и 21 поверхностей. Расстояние о Og между цилиндрическими поверхностями 18 и 19 в плоскости симметрии кулачка (профиль показан рплошной линией) по его меньшим осям 32 равно радиусу R цилиндрических поверхностей. Ход hg клапана 2 максимальный. Схематично изображён корпус 1 в разрезе с размерами: D-наружный диaмeтp,d внутренний диаметр, 29- ось симметрии корпуса. Производим графическое построение профиля (показан штриховыми линиями) кулачка. Проводим прямую линию, перпендикулярную оси 29. Она пересечёт наружный диаметр D корпуса 1 в точках а и в ,а ось 29 в точке о. Из точки в откладываем отрезок вс - допустимое местное утонение стенки корпуса 1. Из центра о радиусом RK ос проводим дугу ef- выборка в корпусе 1- для прохода кулачка 17. Задавшись зазором о между кулачком и дугой ef, радиусом R Кк- делаем засечки по обе стороны прямой линии ав и оси 29 . На расстоянии h (минимально возможный размер от большей оси симметрии 33 профиля кулачка до точки сопряжения прямолинейного участка с дугой, принимаемый исходя из реально достижимой точности позиционирования кулачка 17 по углу открытии клапана) выше и ниже прямой ав проводим ей параллельные прямые, которые пересекут засечки радиусом R/ в точках О- и i справа от оси 29 и в точках j и к слева от оси 29. Отрезок JK пересекает большую ось симметрии 33 профиля кулачка (равнозначно и прямую ав) в точке t-. Через точку под углом сС 30 к оси 33 (прямой ав) проводим прямую линию mn . Из точки k перпендикулярно прямой mn проводим прямую, которая пересечёт прямую ав в точке р .Из этой точки р под углом 30 к прямой ав (параллельно прямой mn) проводим прямую, которая пересечёт ось 29 в точке q . Из центра о откладиваем отрезок oq вниз по оси 29. Получаем точку s. Раствором циркуля qs R (радиус цилиндрической поверхности кулачка) из точки q проводим дугу ksi, а из точки s этим же раствором циркуля проводим дугу 1 Построенные дуги и отрезки и ui, составляют профиль кулачка . Радиус R, полученный графическим построением, несколько меньше радиуса, рассчитанного по формулам. Однако разница настолько мала, что на практике ею можно пренебречь. Полученные графическим построением координаты точек и радиус R профиля кулачка можно вычислить математически. Математические зависимости определяем следующим образом. Oj и Од- центры дуг 18 и 19 радиусом R соответственно. Значит о/ 02 R и о о 0,5R /

где RK - расстояние от центра о профиля кулачка до радиальной поверхности углубления в стенке корпуса;

- принимаемый минимальный зазор между кулачком и корпусом.

Из AouvSuir - 4- )

где h - минимально возможный размер от большей оси симметрии 22 профиля кулачка до точки сопряжения прямолинейного участка с дугой, принимаемый исходя из реально достижимой точности позиционирования кулачка 17 по углу при открытии клапана 2.

Из равенства (2) находим)Гп Q2C Ьш (3)

Размерh ftCoSr()

Подставив значения, получим f| ( ( S D- (0,5R-h/),(6)

Преобразовав уравнение (6), получимРешив уравнение (7), найдём радиус R дуг профиля кулачка,обеспечивающий максимальный ход Ъ 0,5R клапана 2.

Для того, чтобы любой участок рабочей поверхности кулачка 17 при его повороте соприкасался только с вершиной сферической части 3 клапана 2, что обеспечивает минимальное усилие, воздействующее на клапан в горизонтальной плоскости (иначе, в плоскости, перпендикулярной оси 34 клапана) , радиус г сферической части 3 должен быть как можно меньшим и определяться исходя из максимально допустимого удельного контактного давления пары кулачок - клапан, а наружная поверхность клапана, примыкающая к кулачку, выполнена в виде конуса вращения с углом, определяемым по формуле

вс f80 Йа с Cos(o,575 -h0 )

где R - радиус цилиндрических поверхностей кулачка;

RK- размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса;

о - принимаемый минимальный зазор между кулачком и корпусом. Предложенный клапан обратный для бурильной колонны может быть изготовлен в заводских условиях с применением известных металлорежущих станков.

-6RI r(l

Claims (4)

1. Клапан обратный для бурильной колонны, содержащий корпус, подпружиненный клапан и седло, отличающийся тем, что он снабжен устройством для ручного открывания клапана, выполненным в виде валика с кулачком.

2. Клапан обратный для бурильной колонны по п.1, отличающийся тем, что валик установлен в съемных опорах, закрепленных в корпусе, в торцах имеет шестигранные углубления под ключ, в донной части которых выполнены углубленные риски, при этом образующие двух вершин шестигранных углублений и большие оси симметрии рисок расположены в плоскости симметрии кулачка по его большим осям.

3. Клапан обратный для бурильной колонны по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая поверхность кулачка выполнена круговой, симметричной, в виде двух цилиндрических и двух плоских поверхностей и расстояние между цилиндрическими поверхностями в плоскости симметрии кулачка по его меньшим осям равно радиусу R цилиндрических поверхностей, который определяется из уравнения

где h - минимально возможный размер между плоскостью симметрии кулачка по его большим осям и образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей, принимаемый исходя из реально достижимой точности позиционирования кулачка по углу при открытии клапана;
h₁ - размер между плоскостью симметрии кулачка по его меньшим осям и плоской поверхностью, определяемый по формуле

где R_к - размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или его радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса;
δ - принимаемый минимальный зазор между образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей кулачка и внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса.

4. Клапан обратный для бурильной колонны по пп.1-3, отличающийся тем, что наружная поверхность клапана, примыкающая к кулачку, выполнена в виде конуса вращения с углом ε, определяемым по формуле

где R - радиус цилиндрической поверхности кулачка;
R_к - размер между осью симметрии корпуса и его внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса;
δ - принимаемый минимальный зазор между образующей сопряжения цилиндрической и плоской поверхностей кулачка и внутренней стенкой или радиальной поверхностью углубления в стенке корпуса,
а вершина конуса вращения клапана выполнена сферической, при этом радиус сферической части клапана выполнен минимально возможным, исходя из максимально допустимого удельного контактного давления пары кулачок-клапан.