система защиты скважины и магистральных трубопроводов

Формула изобретения

Система защиты скважины и магистральных трубопроводов, включающая клапан-отсекатель с основным клапаном и клапан обратного потока, отличающаяся тем, что клапан-отсекатель снабжен следящей системой и приводом основного клапана, при этом привод имеет шток, поршень, поршень демпфера, а следящая система - пружину регулирования, причем клапан обратного потока выполнен в виде корпуса, седла и клапана с крылом, взаимодействующего с седлом корпуса при прекращении движения потока рабочего тела за счет собственного веса, или воздействия обратного потока на крыло клапана и собственного веса, а перекрытие потока рабочего тела основным клапаном клапана-отсекателя осуществляется в аварийном режиме следящей системой и поршнем привода при перепаде давления в полостях корпуса привода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а также к противопожарной технике и может быть использовано на буровых скважинах при нефтедобыче и на трубопроводах при эксплуатации и в случаях возможного разрушения или повреждения оборудования для защиты скважин и магистральных трубопроводов любой протяженности.

Известен скважинный клапан-отсекатель (SU 724699, E 21 B 43/00 от 30.03.80), содержащий корпус, седло, затвор в виде подпружиненного тарельчатого клапана, шток с возможностью взаимодействия с затвором, причем в корпусе на уровне затвора и в нижней части штока выполнены отверстия, что повышает надежность работы устройства.

Однако данный клапан-отсекатель предусмотрен для перекрытия только ствола скважины.

Известно устройство для перекрытия скважин (SU 1208193, E 21 B 34/06 от 30.01.86), содержащее корпус с седлом и эксцентричной камерой, шаровой затвор с фиксатором, причем направляющая вилка выполнена в виде дуги, фиксатор шарового затвора выполнен из композиции двух биметаллических пластин в виде кольцевого захвата, связанного с эксцентричной камерой в его нейтральном сечении. Повышение надежности работы устройства осуществляется путем предотвращения распространения горения.

Однако данное устройство не позволяет обеспечить селективное срабатывание системы зашиты у места аварии, а также возможность работы при любых режимах, независимо от температуры.

Известен скважинный клапан-отсекатель (SU 898046, E 21 B 43/12 от 15.01.82), содержащий корпус с шарнирно связанным запорным органом и седло, причем клапан-отсекатель снабжен обтекателем и запорным органом, выполненным в виде цилиндра с крышкой и установленным в нем поршнем со сквозным осевым каналом. Повышение надежности работы устройства достигается предупреждением его внезапного закрытия при пульсации давления жидкости в трубах и автоматического выравнивания давления в нем.

Недостатком данного изобретения является расположение рабочего механизма клапана-отсекателя в потоке рабочего тела, что может привести к уменьшению работоспособности устройства и выходу его из строя. Кроме того, отсутствует возможность контроля за работой устройства в процессе эксплуатации, нельзя проконтролировать наличие газа в подпоршневой полости, невозможно заменить канал, перекрываемый иглой, на канал с требуемым диаметром канала и нет защиты от гидравлического удара.

Наиболее близким техническим решением является комплекс управляемых клапанов-отсекателей (SU 1222821, E 21 B 34/06 от 07.04.86), содержащий клапан-отсекатель с основным клапаном и клапан обратного потока.

Преимуществом заявленного технического решения является возможность защиты скважины и магистрального трубопровода любой протяженности по всей длине, повышенная надежность и простота обслуживания во время эксплуатации, а также компенсация колебаний давления в системе накапливанием кинетической энергии пружиной демпфера. Система защиты скважины и магистрального трубопровода находится в отдельном корпусе и не подвергается воздействию движущейся рабочей среды.

Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение надежности всей системы (скважины и магистрального трубопровода) за счет возможности перекрытия доступа жидкости (рабочего тела) к месту аварии и срабатывания только клапана-отсекателя у места разрыва трубопровода (селективное срабатывание системы).

Достижение технического результата происходит за счет того, что система защиты скважины и магистральных трубопроводов содержит клапан-отсекатель с основным клапаном и клапан обратного потока, клапан-отсекатель снабжен следящей системой и приводом основного клапана, при этом привод имеет шток, поршень, поршень демпфера, а следящая система - пружину регулирования, причем клапан обратного потока выполнен в виде корпуса, седла и клапана с крылом, взаимодействующего с седлом корпуса при прекращении движения потока рабочего тела за счет собственного веса, или воздействия обратного потока на крыло клапана и собственного веса, а перекрытие потока рабочего тела основным клапаном клапана-отсекателя осуществляется в аварийном режиме следящей системой и поршнем привода при перепаде давления в полостях корпуса привода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен аварийный клапан-отсекатель при нормальном и аварийном режимах работы; на фиг.2 изображен аварийный клапан обратного потока при нормальном и аварийном режимах работы.

Аварийный скважинный клапан-отсекатель содержит корпус 1, седло 2, основной клапан 3, проушину 4, корпус следящей системы и привода 5, шток 6, поршень демпфера 7, поршень привода 8, пружину регулирования следящей системы 9, пружину демпфера 10, стопор-предохранитель 11, перепускной клапан 12, перепускные трубопроводы 13 и 14, упорную втулку с фланцем 15, втулку стопора 16 и планку 18. Клапан обратного потока содержит корпус 19, клапан 20, крыло 21, ось 22 и седло 23.

Аварийный скважинный клапан-отсекатель устанавливают на устье скважины, из которой нефть или газ заполняет полость A с давлением P1 (фиг.1) через перепускной трубопровод 13. Перепускной клапан 12 в нормальном рабочем положении закрыт, а полости B и C заполняются нефтью или газом с давлением P2 из магистрального трубопровода через перепускной трубопровод 14, установленный на некотором удалении от устья скважины. В нормальном режиме работы (безаварийном): P1=P2. Полости B и C сообщаются через дросселирующие отверстия 17 в поршне демпфера 7.

При P1=P2 шток 6 не получает поступательного движения и основной клапан 3 находится в вертикальном положении, не препятствуя прохождению нефти или газа через корпус. В случае незначительного изменения давления в магистрали (а также в полости B) пружина 9, отрегулированная упорной втулкой с фланцем 15 на определенное давление, посредством втулки стопора 16, имеющей резьбу, удержит поршень 6 и остановит его движение. При P1=P2 поршень 8 неподвижен и держит основной клапан 3 в открытом состоянии (в вертикальном положении).

Система зашиты скважины и магистральных трубопроводов работает следующим образом.

1. В аварийном режиме.

Произошел выброс нефти или газа, разрыв трубопровода. В полости B резко падает давление, тогда как в полости A - давление P1, которое моментально давит на поршень 8 со стороны полости A и толкает шток 6, который выдвигает основной клапан 3 под поток массы настолько, что его мгновенно подхватывает этим потоком и с большой силой ударяет основной клапан 3 о седло 2. Поток массы надежно перекрыт. Когда поток массы подхватил основной клапан 3 и двинул его на закрытие, шток 6 при этом движении двигает демпферный поршень 7, сжимается пружина 10, накапливая кинетическую энергию, препятствуя резкому закрытию. Одновременно при движении поршня 7 масса из полости C дросселируется через отверстия 17, при этом начинает сжиматься пружина 9, также препятствуя резкому движению поршня вслед за закрывающимся основным клапаном 3. Кроме этого, при движении штока 6 на закрытие в целях избежания его поломки планка 18 изменяет направление движения штока 6 с линейного на движение по радиусу за клапаном 3.

Таким образом, поток массы со стороны скважины надежно перекрыт, но с другой стороны начинается обратный поток массы по всей длине трубопровода к месту разрыва, где при большом давлении, большом диаметре трубопровода и большой протяженности современных магистральных трубопроводов вмещается значительное количество транспортируемого тела. Для того чтобы не допустить вытекание массы из трубопровода, на небольшом расстоянии от установленного аварийного клапана-отсекателя системы защиты скважины и магистральных трубопроводов устанавливают аварийный клапан обратного потока (фиг.2). При нормальной работе поток, двигаясь с давлением P1 и воздействуя на крыло 21, укрепленное под некоторым углом, создает достаточную подъемную силу и прижимает клапан 20, который закреплен к корпусу 19 и удерживается в прижатом состоянии через ось 22, расположенную обязательно в вертикальном положении, с наклоном 10^o - 15^o, что обеспечивает легкость его закрытия при прекращении движения тела по трубопроводу и клапан 20 самостоятельно закрывается даже без воздействия обратного потока на крыло 21. После устранения аварии на скважине, когда там сработал клапан-отсекатель и захлопнулся клапан 3 (фиг.1 - аварийный режим), на крыло 21 перестает действовать поток тела (фиг.2), клапан 20 под своим весом и обратным потоком, воздействующим на крыло, которое выполняет при обратном движении тела роль антикрыла, мгновенно закрывает горловину седла 23. Таким образом, к месту аварии перекрыт доступ тела с обеих сторон.

2. Режим работы после устранения аварии.

Как только устранена авария, необходимо произвести следующие операции.

В случае необходимости снять с предохранителя 11 стопор-предохранитель, для проведения регламентных ремонтных работ - шток 6 на конце имеет квадратное сечение для предотвращения проворачивания при настройке следящей системы. Открыть клапан 12, после чего давление P1 через клапан 12 начнет заполнять полости B и C и одновременно всю магистраль до первой закрытой на ней задвижки.

Как только давление в магистрали сравняется с давлением скважин P1 и на основной клапан 3 будет давить одинаковое давление +P1=P2, также сравняется и давление в полостях A, B, C. Тогда пружины 9 и 10, освобождаясь от накопленной кинетической энергии, свободно начнут перемещать шток 6 влево, тем самым возвращая основной клапан 3 в исходное положение (открытое). Магистральный трубопровод заполняется полностью и будет находиться под рабочим давлением скважины P1.

Необходимо закрыть клапан 12.

Принимая меры предосторожности, медленно открывать магистральную задвижку, чтобы не вызвать гидравлический удар при запуске системы. Если разрыв трубопровода произойдет где-то на большом удалении от скважины, то сработают второй и третий клапаны-отсекатели, установленные по длине магистрального трубопровода, т.к. система работает селективно, т.е. срабатывает тот клапан, который окажется ближе к месту прорыва трубопровода со стороны скважины. С этой стороны всегда "дежурит" давление P1, равное рабочему давлению на выходе скважины P1. Последующие устройства, установленные по всей длине магистрального трубопровода не сработают, потому что после закрытия предыдущего основного клапана давление упадет одновременно в обеих полостях устройства, и клапан останется без движения. Аварийные клапаны обратного потока, установленные по длине всего магистрального трубопровода, не требуют обслуживания, так как открываются автоматически.