RU2652039C1

RU2652039C1 - Valve

Info

Publication number: RU2652039C1
Application number: RU2017127170A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Томин
Original assignee: Камышев Михаил Анатольевич
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2018-04-24

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to oil and gas production industry and can be used to separate the zones of the tubing string and the annular space, and also for dissociation of various equipment cavities during repair, isolation and research works. Valve comprises a hollow body with an inlet and an outlet, locking element of a tight elastic material, provided with a rigid element, the shape and size of which correspond to the overlapping passage opening of the saddle. At least two channels are formed in the peripheral part of the locking element, and the saddle at the entrance to the passage opening in the contact area with the contact surface of the locking element is provided with a section with a smooth curved surface.

EFFECT: technical result consists in increasing the reliability of the valve and simplifying its design by eliminating the cause of the jet streams due to obstructions in the flow path of a fluid.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения зон спускаемой в скважину колонны труб и затрубного пространства, а также для разобщения полостей различного оборудования при проведении ремонтных, изоляционных и исследовательских работ.The invention relates to the oil and gas industry and can be used to separate the zones of the pipe string and the annulus launched into the well, as well as to separate the cavities of various equipment during repair, insulation and research work.

Известен клапан, содержащий полый корпус с боковыми отверстиями, и запорный элемент, выполненный в виде гильзы из упругого эластичного материала, закрепленной внутри корпуса и перекрывающей с зазором зоны боковых отверстий (SU165758 C1).A known valve comprising a hollow body with side openings, and a locking element made in the form of a sleeve of elastic elastic material fixed inside the body and overlapping with a gap zone of the side openings (SU165758 C1).

При небольшом перепаде давления промывочная жидкость перетекает из затрубного пространства во внутреннюю полость бурильных труб через боковые отверстия в корпусе и зазор между запорным элементом и корпусом.With a small pressure drop, the flushing fluid flows from the annulus into the internal cavity of the drill pipe through the side openings in the housing and the gap between the locking element and the housing.

При подаче промывочной жидкости давление внутри бурильных труб повышается. Это приводит к расширению диаметра запорного элемента и перекрытию зазора между запорным элементом и корпусом, переливной клапан закрывается. Промывочная жидкость поступает в забойный механизм.When flushing fluid is supplied, the pressure inside the drill pipe rises. This leads to the expansion of the diameter of the locking element and the overlap of the gap between the locking element and the housing, the overflow valve closes. Flushing fluid enters the bottomhole mechanism.

Недостатком известного клапана является то, что наружная поверхность запорного элемента при работе бурильного устройства и закрытом клапане находится в зоне низкого давления, а внутренняя поверхность – в зоне высокого давления. Зона низкого давления включает затрубное пространство, боковые отверстия в корпусе и зазор между внутренней поверхностью корпуса клапана и наружной поверхностью запорного элемента, а зона высокого давления – внутреннее пространство клапана. Перепад давления при работе бурильного устройства между зоной низкого и зоной высокого давления составляет 5-10 МПа. При таком высоком перепаде давления происходит выдавливание упругого эластичного материала, из которого выполнен запорный элемент, в зазор между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью запорного элемента, а также в боковые отверстия полого корпуса. Это приводит к разрыву запорного элемента и является причиной поломки клапана.A disadvantage of the known valve is that the outer surface of the shut-off element during operation of the drilling device and the closed valve is in the low pressure zone, and the inner surface is in the high pressure zone. The low-pressure zone includes the annulus, the side openings in the body and the gap between the inner surface of the valve body and the outer surface of the shut-off element, and the high-pressure zone includes the inner space of the valve. The pressure drop during the operation of the drilling device between the low zone and the high pressure zone is 5-10 MPa. With such a high pressure drop, the elastic elastic material from which the closure element is extruded is squeezed into the gap between the inner surface of the housing and the outer surface of the closure element, and also into the side openings of the hollow body. This leads to a rupture of the shut-off element and causes a valve breakdown.

Известен клапан, включающий корпус, седло, содержащее не менее чем одно выходное боковое отверстие, запорный элемент, выполненный из упругого эластичного материала, отличающийся тем, что запорный элемент содержит не менее одной шайбы (жесткого элемента), размещенной в зоне выходного отверстия, с возможностью прилегания шайбы к седлу, а запорный элемент клапана выполнен в виде диска тарельчатой формы (RU 46327 U1). Данный клапан выбран в качестве прототипа. Known valve comprising a housing, a saddle containing at least one outlet lateral hole, a locking element made of elastic flexible material, characterized in that the locking element contains at least one washer (rigid element) located in the area of the outlet, with the possibility fit the washer to the seat, and the locking element of the valve is made in the form of a disk-shaped disc (RU 46327 U1). This valve is selected as a prototype.

Как известно, перепад давления на запорном элементе (мембране из упругого эластичного материала) происходит в силу разности скоростей потока жидкости на верхней и нижней поверхностях мембраны. На верхней поверхности мембраны давление должно быть больше (скорость ниже), нежели на нижней поверхности мембраны, где давление меньше, а скорость выше.As you know, the pressure drop across the shut-off element (a membrane of elastic elastic material) occurs due to the difference in the fluid flow rates on the upper and lower surfaces of the membrane. The pressure on the upper surface of the membrane should be higher (lower speed) than on the lower surface of the membrane, where the pressure is lower and the speed is higher.

В описанной конструкции прототипа при движении жидкости образуются реактивные струи, воздействующие на нижнюю часть мембраны (запорного элемента), что повышает давление на эту поверхность и препятствует закрытию клапана (см. фиг. 2). Зачастую воздействие реактивных струй заставляет мембрану изгибаться в противоположном направлении (вверх), что проверено расчётными методами. Такое вредное воздействие реактивных струй приводит к непредсказуемости работы клапана. Для уменьшения влияния данного эффекта необходимо значительно уменьшать площадь входного отверстия, что приводит к неприемлемому увеличению скорости потока жидкости через это отверстие.In the described design of the prototype, when the fluid moves, jet jets are formed that act on the lower part of the membrane (shut-off element), which increases the pressure on this surface and prevents the valve from closing (see Fig. 2). Often the action of jet jets causes the membrane to bend in the opposite direction (up), as verified by calculation methods. This harmful effect of jet jets leads to unpredictability of the valve. To reduce the effect of this effect, it is necessary to significantly reduce the area of the inlet, which leads to an unacceptable increase in the rate of fluid flow through this hole.

Использование в прототипе плоских шайб (жестких элементов), приклеенных к мембране в зоне выходного отверстия с возможностью прилегания шайбы к седлу, вызывает необходимость вводить в устройство дополнительные элементы для правильного ориентирования этих шайб относительно выходных отверстий, что усложняет конструкцию. При выполнении цельной шайбы кольцевой формы происходит увеличение жёсткости запорного элемента (мембраны), что вынуждает увеличивать радиальные размеры запорного элемента и всего клапана, что крайне нежелательно, а зачастую невозможно, для внутрискважинного оборудования.The use of flat washers (rigid elements) in the prototype that are glued to the membrane in the area of the outlet with the possibility of the washer adhering to the seat makes it necessary to introduce additional elements into the device to correctly orient these washers relative to the outlet, which complicates the design. When performing a single ring washer, the rigidity of the shut-off element (membrane) increases, which forces to increase the radial dimensions of the shut-off element and the entire valve, which is extremely undesirable, and often impossible, for downhole equipment.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы клапана и упрощение его конструкции за счет устранения причины возникновения реактивных струй из-за преград на пути потока жидкости. The objective of the present invention is to improve the reliability of the valve and simplify its design by eliminating the causes of jet jets due to barriers to the flow of fluid.

Указанная задача решается за счет того, что в клапане, содержащем полый корпус с входным и выходным отверстиями, запорный элемент выполнен из упругого эластичного материала и снабжен жестким элементом, форма и размер которого соответствуют перекрываемому проходному отверстию седла, согласно изобретению в периферической части запорного элемента выполнено по меньшей мере два канала, а седло на входе в проходное отверстие в зоне соприкосновения с контактной поверхностью запорного элемента снабжено участком с плавной криволинейной поверхностью.This problem is solved due to the fact that in the valve containing a hollow body with inlet and outlet openings, the locking element is made of elastic elastic material and is equipped with a rigid element, the shape and size of which correspond to the overlapped passage opening of the seat, according to the invention, in the peripheral part of the locking element at least two channels, and the seat at the entrance to the passage in the contact area with the contact surface of the locking element is equipped with a section with a smooth curved turn henna.

Снабжение эластичного упругого запорного элемента по крайней мере двумя периферийными каналами, сообщающимися с проходным отверстием седла через криволинейный участок, обеспечивает свободное прохождение потока в обычном режиме. При подаче промывочной жидкости давление внутри бурильных труб повышается. Это приводит к деформации упругого эластичного запорного элемента и перекрытию периферийных каналов. Жесткий элемент опускается к проходному отверстию седла, а эластичный запорный элемент, прижимаясь к криволинейной поверхности седла, полностью закрывает проходное отверстие. Это обеспечивает достижение технического результата: исключаются причины, которые могли бы привести к возникновению реактивных струй из-за преград на пути потока жидкости.The supply of the elastic elastic locking element with at least two peripheral channels communicating with the through hole of the saddle through the curved section, provides free flow in the normal mode. When flushing fluid is supplied, the pressure inside the drill pipe rises. This leads to deformation of the elastic elastic locking element and the overlap of the peripheral channels. The rigid element is lowered to the passage opening of the seat, and the elastic locking element, pressing against the curved surface of the seat, completely covers the passage hole. This ensures the achievement of a technical result: excludes reasons that could lead to the emergence of jet jets due to barriers to the flow of fluid.

Проведенные патентные исследования показали, что изобретение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень». Заявляемый клапан соответствует критерию «промышленная применимость».Patent studies have shown that the invention meets the criteria of "novelty" and "inventive step". The inventive valve meets the criterion of "industrial applicability".

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами и схемами, где на фиг. 1 представлен заявляемый клапан в разрезе, на фиг. 2 – схема потоков в клапане-прототипе, на фиг. 3 – схема потоков в заявляемом клапане.The essence of the claimed device is illustrated by drawings and diagrams, where in FIG. 1 shows the inventive valve in section, in FIG. 2 is a flow diagram in a prototype valve, FIG. 3 is a flow diagram of the inventive valve.

Заявляемый клапан содержит стальной корпус 1, внутри которого установлены упор 2, запорный элемент 3, седло 4 клапана и поджимная гайка 5. The inventive valve comprises a steel body 1, inside of which a stop 2, a locking element 3, a valve seat 4 and a compression nut 5 are installed.

Запорный элемент 3 выполнен из упругого эластичного материала в виде мембраны и имеет цилиндрическую форму. В середине нижней части закреплен жесткий элемент, выполненный в виде пластины. Форма и размер пластины 6 соответствуют перекрываемому проходному отверстию седла 4 клапана.The locking element 3 is made of an elastic elastic material in the form of a membrane and has a cylindrical shape. A rigid element made in the form of a plate is fixed in the middle of the lower part. The shape and size of the plate 6 correspond to the blocked passage hole of the valve seat 4.

По периферии упругого запорного элемента 3 параллельно его оси выполнены сквозные каналы 7. Минимальное число каналов 7 – два. Но их может быть больше. Обычно каналы 7 располагаются по окружности. Но могут располагаться и в другом порядке. Число каналов 7 и площадь поперечного сечения каждого канала 7 выбирается из условия обеспечения беспрепятственного прохода среды в спускаемую колонну.Through the periphery of the elastic locking element 3, through channels 7 are made parallel to its axis. The minimum number of channels 7 is two. But there may be more. Typically, the channels 7 are arranged in a circle. But they can be arranged in a different order. The number of channels 7 and the cross-sectional area of each channel 7 is selected from the condition of ensuring unhindered passage of the medium into the descent column.

Седло 4 клапана на входе в проходное отверстие в зоне возможного взаимодействия с поверхностью упорного запорного элемента 3 снабжено углублением с плавной криволинейной поверхностью А. Выходы каналов 7 расположены над указанной криволинейной поверхностью А седла 4 клапана.The valve seat 4 at the entrance to the passage opening in the area of possible interaction with the surface of the stop locking element 3 is provided with a recess with a smooth curved surface A. The outputs of the channels 7 are located above the curved surface A of the valve seat 4.

Устройство работает следующим образом. Клапан в составе различного оборудования, установленного в колонну труб, спускается в скважину, при этом пластовая жидкость может свободно проходить в спускаемую колонну снизу через каналы 7 упругого запорного элемента 3. Далее для закрытия клапана необходимо в колонну труб подать поток жидкости. При достижении определённого значения расхода потока подаваемой жидкости упругий запорный элемент 3 прогибается до упирания установленной в нем жёсткой пластины 6 в посадочную поверхность А седла 4 клапана, при этом под воздействием давления выше упругого запорного элемента 3 он деформируется, «растекаясь» по посадочной поверхности А седла 4 клапана и по внутренней цилиндрической поверхности Б корпуса 1 клапана, при этом надёжно перекрывая доступ жидкости из зоны выше упругого запорного элемента 3 клапана в зону ниже данного запорного элемента 3 клапана. Установленный в упругом запорном элементе 3 жесткий элемент – пластина 6 предотвращает выдавливание упругого запорного элемента 3 в проходное отверстие седла 4 клапана.The device operates as follows. The valve, as a part of various equipment installed in the pipe string, is lowered into the well, while the formation fluid can freely pass into the lower string through the channels 7 of the elastic locking element 3. Then, to close the valve, it is necessary to apply a fluid flow to the pipe string. Upon reaching a certain value of the flow rate of the supplied fluid, the elastic locking element 3 bends until the rigid plate 6 installed therein abuts against the seat surface A of the valve seat 4, while under the influence of pressure above the elastic locking element 3 it deforms, "spreading" along the seat surface A of the seat 4 valves and on the inner cylindrical surface B of the valve body 1, while reliably blocking the fluid from the zone above the elastic locking element 3 of the valve into the zone below this locking electric element 3 valves. A rigid element installed in the elastic locking element 3 — the plate 6 — prevents the elastic locking element 3 from being squeezed out into the passage opening of the valve seat 4.

Конструкция клапана позволяет проводить обратную промывку для очистки внутренних полостей клапана от попавших в неё в процессе работы (спуска, подъёма) грязи, песка и т. д. Для промывки клапана жидкость, подаваемая в затрубное пространство, входит в клапан снизу и проходит вверх, эффективно очищая его внутренние полости. При этом установленный выше упругого запорного элемента 3 упор 2 предотвращает выдавливание этого элемента 3.The valve design allows backwashing to clean the internal cavities of the valve from dirt, sand, etc. that have got into it during operation (lowering, raising). To flush the valve, the fluid supplied to the annulus enters the valve from below and passes upward, effectively cleaning its internal cavities. In this case, the stop 2 installed above the elastic locking element 3 prevents the extrusion of this element 3.

Значение расхода потока жидкости для закрытия клапана может регулироваться изменением геометрии деталей и жёсткостью упругого запорного элемента 3.The value of the fluid flow rate for closing the valve can be controlled by changing the geometry of the parts and the rigidity of the elastic locking element 3.

Изготовлен и испытан опытный образец устройства, подтвердивший правильность заявленных технических решений.A prototype device was manufactured and tested, which confirmed the correctness of the claimed technical solutions.

Claims

A valve comprising a hollow body with inlet and outlet openings, a locking element of elastic elastic material, provided with a rigid element, the shape and size of which correspond to a blocked passage opening of the seat, characterized in that at least two channels are made in the peripheral part of the locking element, and the seat at the entrance to the passage opening in the area of contact with the contact surface of the locking element is provided with a plot with a smooth curved surface.