EA027470B1 - Вентиль - Google Patents

Abstract

Вентиль, как правило, используемый в нефтяной или газовой скважине и содержащий подвижный элемент, такой как шар, выполненный с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, содержащий режущий узел, предназначенный для выполнения резания совместно с опорным элементом, когда шар перемещается между открытым и закрытым положениями; и содержащий уплотнительный элемент, имеющий седло для прижимания к подвижному элементу, когда этот подвижный элемент находится в закрытом положении. Опорный элемент и уплотнительный элемент выполнены с возможностью перемещения один относительно другого, когда подвижный элемент перемещается из открытого положения в закрытые положение, так что во время открывания и закрывания вентиля уплотнительный элемент перемещается от режущего узла (как правило, внутренней поверхности отверстия), когда режущий узел взаимодействует с опорным элементом. Уплотнительный элемент отталкивается от подвижного элемента и опорного элемента на максимальное расстояние от подвижного элемента в той точке хода подвижного элемента, в которой режущая поверхность подвижного элемента проходит опорный элемент, так что уплотнительный элемент перемещается из зоны соприкосновения с шаром, когда режущая поверхность взаимодействует с опорным элементом, и опять вводится в соприкосновение с шаром, когда режущая поверхность выходит за пределы опорного элемента и уплотняемая поверхность шара выравнивается с уплотнительным элементом.

Description

Это изобретение имеет отношение к вентилю, который, как правило, представляет собой вентиль с шаровым запирающим органом, в частности к вентилю с шаровым запирающим органом, используемому в нефтяной или газовой скважине, обычно в колоннах, предназначенных для внутрискважинных работ или для управления скважиной.

В стволах нисходящих скважин управление потоками текучих сред через основные колонны скважины и другие трубопроводы для текучих сред, как правило, осуществляют при помощи вентилей. Такие вентили, как правило, закрываются и открываются на седлах, которые имеют уплотняющую поверхность, взаимодействующую с подвижным элементом в вентиле для перекрывания потока текучей среды. Как правило, седло покрыто упругим материалом, который приспосабливается к форме уплотняемой поверхности вентиля, создавая герметичное уплотнение.

Проблемы возникают тогда, когда седло вентиля повреждается вследствие перемещения подвижного элемента между его открытым и закрытым положениями. Как правило, в вентиле с шаровым запирающим органом перевод вентиля из закрытого состояния в открытое и наоборот осуществляется путем вращения шара, при этом отверстие, выполненное в шаре, поворачивается в положение совпадения с каналом трубопровода, в котором установлен вентиль с шаровым запирающим органом, и выводится из этого положения. Когда отверстие шара поворачивают так, что оно выводится из положения совпадения с каналом трубопровода, кромка этого отверстия может иногда царапать или иным способом повреждать седло, с которым шар образует уплотнение, и на поверхности этого седла возможно образование задиров упругого материала.

Подобную проблему особенно трудно решить тогда, когда возникает необходимость перерезания проволоки, троса или другого продолговатого предмета, перемещающегося по каналу и проходящего через вентиль с шаровым запирающим органом, при переводе вентиля из открытого в закрытое состояние и обратно, поскольку внутренняя кромка сквозного отверстия, выполненного в шаре, как правило, получает повреждения при перерезании упомянутых проволоки или троса, и эта поврежденная кромка впоследствии царапает менее прочную посадочную поверхность уплотнения, что обычно приводит к образованию задиров и других повреждений менее твердого материала, использованного в этом элементе. Когда вентиль с шаровым запирающим органом закрыт, и канал вентиля не совпадает с каналом трубопровода, уплотняемая поверхность шара часто не обеспечивает надлежащего уплотнения с поврежденной поверхностью седла, и после завершения хода возникают утечки.

Согласно настоящему изобретению предложен вентиль для использования в нефтяной или газовой скважине, содержащий подвижный элемент, выполненный с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, соответствующими открытому и закрытому состояниям вентиля, для пропускания и перекрывания потока текучей среды через вентиль в соответственно открытом и закрытом состояниях, при этом подвижный элемент имеет режущую поверхность, предназначенную для выполнения резания совместно с опорным элементом, когда подвижный элемент перемещается между открытым и закрытым положениями; вентиль содержит уплотнительный элемент, имеющий седло для прижимания к подвижному элементу, когда этот подвижный элемент находится в закрытом положении; при этом упомянутый вентиль имеет механизм перемещения уплотнительного элемента, предназначенный для изменения расстояния между уплотнительным элементом и подвижным элементом, когда подвижный элемент перемещается между открытым и закрытым положениями.

Согласно настоящему изобретению также предложен способ использования в нефтяной или газовой скважине вентиля, который содержит подвижный элемент, выполненный с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, соответствующими открытому и закрытому состояниям вентиля, для пропускания потока текучей среды через вентиль, когда он находится в открытом состоянии, и для перекрывания потока текучей среды через вентиль, когда он находится в закрытом состоянии, причем вентиль содержит уплотнительный элемент, имеющий седло для прижимания к подвижному элементу, когда подвижный элемент находится в закрытом положении; при этом подвижный элемент имеет режущую поверхность, предназначенную для выполнения резания совместно с опорным элементом, когда подвижный элемент перемещается между открытым и закрытым положениями; причем упомянутый способ включает изменение расстояния между уплотнительным элементом и подвижным элементом во время хода подвижного элемента между открытым положением и закрытым положением.

Как правило, уплотнительный элемент отодвигается от подвижного элемента во время хода подвижного элемента между открытым и закрытым положениями, как правило, перемещаясь так, что уплотнительный элемент перемещается от режущей поверхности (как правило, внутренней поверхности отверстия) подвижного элемента, когда режущая поверхность взаимодействует с опорным элементом. Как правило, уплотнительный элемент является подвижным, а опорный элемент расположен неподвижно. Однако в определенных вариантах осуществления этого изобретения опорный элемент может быть подвижным относительно неподвижного уплотнительного элемента. Как правило, уплотнительный элемент или опорный элемент является подвижным в осевом направлении, параллельном оси сквозного канала вентиля.

Как правило, вентиль представляет собой вентиль с шаровым запирающим органом, причем перевод вентиля из открытого в закрытое состояние и обратно представляет собой вращательное движение с

- 1 027470 поворачиванием сквозного отверстия, выполненного в шаре, между положениями совпадения и несовпадения с каналом трубопровода, в котором расположен вентиль.

Как правило, механизм перемещения уплотнительного элемента содержит кулачковый элемент, который имеет некруговой профиль и отталкивает уплотнение от подвижного элемента. Как правило, кулачковый элемент предназначен для отталкивания уплотнительного элемента на максимальное расстояние от подвижного элемента в той точке хода подвижного элемента, в которой режущая поверхность подвижного элемента проходит опорный элемент.

Как правило, кулачковый элемент расположен на вращающейся части вентиля, как правило, на шаре вентиля с шаровым запирающим органом. Как правило, шар имеет сферическую форму, и кулачковый элемент является некруговым. Как правило, кулачковый элемент расположен на одной из частей подвижного элемента, так что кулачковый элемент взаимодействует с уплотнительным элементом, но не взаимодействует с опорным элементом.

Как правило, опорный и уплотнительный элементы расположены соосно, причем опорный элемент расположен радиально внутри уплотнительного элемента, и уплотнительный элемент охватывает опорный элемент.

Как правило, может быть предусмотрен более чем один кулачковый элемент. Факультативно кулачковый элемент может быть выполнен отдельно и впоследствии прикреплен к подвижному элементу, или может быть выполнен как неотъемлемая часть подвижного элемента в виде некругового выступа на внешней поверхности подвижного элемента.

Факультативно, на шаре может быть предусмотрена пара кулачковых элементов. Как правило, кулачковые элементы в этой паре могут быть параллельны один другому и, как правило, могут иметь одинаковую некруговую форму, так что перемещение подвижного элемента одновременно перемещает каждый из кулачковых элементов относительно уплотнительного элемента. Как правило, кулачковые элементы выполнены в плоскости, отсекающей сегмент шара, на внешней поверхности этого шара и расположены на некотором радиальном расстоянии между центром шара и его внешней поверхностью. Как правило, кулачковые элементы, выполненные в плоскости, отсекающей сегмент шара, могут быть расположены в любом месте между центром шара и окружностью внешней поверхности, необязательно посередине между этими точками. Факультативно, кулачковые элементы могут быть выполнены по касательной к поверхности шара или могут приближаться к положению касательной.

Как правило, кулачковые элементы имеет внешнюю опорную поверхность, которая скользит по уплотнительному элементу, отталкивая уплотнительный элемент в осевом направлении от подвижного элемента во время хода подвижного элемента между открытым и закрытым положениями. Эта опорная поверхность как правило является гладкой и, как правило, имеет относительно низкий коэффициент трения и поэтому, как правило, скользит по седлу уплотнительного элемента, по существу, не деформируя седло.

Как правило, уплотнительный элемент смещен в направлении подвижного элемента упругим элементом, как правило, пружиной, такой как винтовая пружина, хотя для прижимания уплотнительного элемента в осевом направлении к подвижному элементу могут быть использованы газовые пружины и другие упругие элементы. Как правило, кулачковый элемент перемещает уплотнительный элемент таким образом, что приводит в действие упругие элементы, которые смещают уплотнительный элемент к подвижному элементу. Как правило, кулачковые элементы преодолевают усилие пружин и тому подобных элементов, чтобы отодвинуть уплотнительные элементы радиально в осевом направлении относительно канала трубопровода, в котором установлен вентиль, перемещая уплотняющие поверхности на седле уплотнительного элемента от упрочненной режущей поверхности, когда она проходит над опорным элементом.

Как правило, уплотнительный элемент перемещается из зоны соприкосновения с подвижным элементом под действием кулачка, когда режущая поверхность взаимодействует с опорным элементом, и опять вводится в соприкосновение с подвижным элементом, когда режущая поверхность выходит за пределы уплотнительного элемента и уплотняемая поверхность подвижного элемента (например, внешняя поверхность шара) выравнивается с уплотнительным элементом.

Тогда упругие элементы, прижимающие уплотнительный элемент к подвижному элементу, как правило, прижимают уплотнительный элемент к уплотняемой поверхности подвижного элемента, перекрывая проход текучей среды через вентиль, когда режущая поверхность прошла за пределы опорного элемента и уплотнительного элемента.

Как правило, опорный элемент образует плотную посадку с режущей поверхностью подвижного элемента и обеспечивает функцию перерезания любых проволок, тросов или других продолговатых предметов, перемещающихся по каналу вентиля. Как правило, расположенные одна напротив другой поверхности опорного элемента и режущая поверхность подвижного элемента могут быть покрыты твердыми материалами, такими как карбид вольфрама, алмаз и т.п.

Расположение кулачковых элементов на некотором радиальном расстоянии снаружи упомянутого опорного элемента, однако на радиальном расстоянии, которое меньше, чем внешний диаметр уплотнительного элемента, означает, что вращение шара с поворачиванием кулачковых элементов может приво- 2 027470 дить во взаимодействие кулачковые элементы с уплотнительным элементом, однако может позволить избежать воздействия кулачковых элементов на опорный элемент. Таким образом, уплотнительный элемент может быть отодвинут в осевом направлении от шара без воздействия на опорный элемент и с уменьшением усилия, возникающего на кулачковых элементах в результате вращения шара.

Как правило, кулачковые элементы взаимодействуют с уплотнительной втулкой в месте, расположенном радиально снаружи упругого уплотнения на уплотнительной втулке. Как правило, кулачковые элементы не взаимодействуют с упругим уплотнением во время хода подвижного элемента между открытым и закрытым положениями.

Как правило, уплотнительный элемент остается на некотором расстоянии в осевом направлении от подвижного элемента до тех пор, пока режущая поверхность подвижного элемента не выйдет за пределы упругого уплотнения уплотнительного элемента, после чего уплотнительный элемент может быть опять введен в соприкосновение с подвижным элементом, снова прижимая упругое уплотнение к подвижному элементу.

Различные аспекты настоящего изобретения на практике могут быть использованы отдельно или в сочетании с одним или несколькими другими аспектами, что понятно для специалиста в этой отрасли. Различные аспекты настоящего изобретения факультативно могут быть использованы в сочетании с одним или несколькими факультативными признаками других аспектов изобретения. Также факультативные признаки, описанные в отношении одного из вариантов осуществления, могут быть как правило объединены отдельно или вместе с другими признаками в различных вариантах осуществления настоящего изобретения.

Ниже более подробно описаны различные варианты осуществления и аспекты этого изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры. Другие аспекты, особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть легко поняты из его полного описания с фигурами, на которых показаны несколько вариантов осуществления, аспектов и реализации изобретения. Это изобретение также может иметь другие различные варианты осуществления и аспекты, а его некоторые элементы могут быть изменены в различных отношениях без выхода за пределы сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно фигуры и описания должны истолковываться по своей сущности как иллюстративные, а не ограничительные. Кроме того, терминология и фразеология, использованные в настоящем описании, приведены исключительно как описательные и не должны истолковываться как ограничение объема изобретения. Такие выражения, как включающий, содержащий, имеющий, заключающий или использующий, а также их варианты и производные, предназначены для понимания в широком смысле и толкования сущности, приведенной впоследствии, с охватом эквивалентов и дополнительных значений, прямо не указанных, и не исключают других дополнений, элементов, систем или операций. Более того, термин содержащий считается синонимичным терминам включающий или заключающий для соответствующего юридического толкования.

Любое рассмотрение документов, действий, материалов, устройств, изделий и т.п. включено в настоящее описание исключительно с целью предоставления информации в контексте настоящего изобретения. Не предполагается и не утверждается, что любой из этих объектов или все они образуют часть известного уровня техники или являются общедоступными сведениями в отрасли, к которой относится изобретение.

В этом описании всякий раз, когда сочетание, элемент или группа элементов предваряется термином содержащий, следует понимать, что также подразумевается то же сочетание, элемент или группа элементов с термином по существу, состоящий из, состоящий, выбранный из группы, состоящей из, включающий в себя или представляет собой, предваряющими изложение сочетания, элемента или группы элементов, и наоборот.

Все цифровые значения в этом описании следует понимать как сопровождаемые термином приблизительно. Все формы единственного числа элементов или любых других частей, указанных в этом описании, следует понимать как включающие их формы множественного числа и наоборот.

Ниже только лишь в качестве примера описан один из вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых фиг. 1, 2 и 3 представляют собой виды сверху, спереди и сбоку вентиля в открытом состоянии; фиг. 4 и 5 представляют собой местные виды фиг. 1 и 3 соответственно в увеличенном масштабе; фиг. 6 и 7 представляют собой виды сверху и сбоку вентиля, показанного на фиг. 1, в переходном состоянии во время перевода вентиля из открытого в закрытое состояние;

фиг. 8 и 9 представляют собой местные виды фиг. 6 и 7 соответственно в увеличенном масштабе; фиг. 10 и 11 представляют собой виды сверху и сбоку вентиля, показанного на фиг. 1, в закрытом состоянии;

фиг. 12 и 13 представляют собой местные виды фиг. 10 и 11 соответственно в увеличенном масштабе;

фиг. 14 и 15 представляют собой виды в перспективе шара вентиля, показанного на фиг. 1, в различных угловых положениях этого шара; и фиг. 16 представляет собой вид сверху второго вентиля.

- 3 027470

Как показано на фигурах, в частности на фиг. 1-5, в открытом состоянии вентиль V имеет сквозной канал Т, открываемый и закрываемый первым и вторым подвижными элементами, выполненными в виде шарообразных элементов В1 и В2, расположенных в вентиле V последовательно, чтобы обеспечить возможность взаимного резервирования в случае неисправности одного из шарообразных элементов. Каждый шарообразный элемент В содержит шар 5 в общем сферической формы, установленный на поперечной оси 2. Оси 2 в вентиле V расположены одна параллельно другой и простираются перпендикулярно оси сквозного канала Т, обеспечивая возможность вращения шаров 5 вокруг осей 2. Каждый шар 5 имеет сквозное отверстие 6, которое может быть переведено в положение совпадения со сквозным каналом Т и выведено из этого положения. Вращение шаров 5 вокруг осей 2 поворачивает сквозные отверстия 6, переводя их в положение совпадения со сквозным каналом вентиля Т и выводя из него, тем самым переводя вентиль V из открытого состояния, в котором сквозное отверстие 6 каждого из шаров 5 совпадает со сквозным каналом Т вентиля, в закрытое состояние, в котором сквозное отверстие 6 каждого из шаров 5 не совпадает со сквозным каналом Т вентиля (и расположено, как правило, перпендикулярно ему). Каждый из шаров 5 установлен впритык к уплотнительному элементу, выполненному в виде уплотнительной втулки 10. Уплотнительная втулка 10, как правило, имеет торцевую поверхность с седлом, выполненным в виде наклонной внутренней поверхности, очень плотно прилегающей к шару 5 в положении, когда седло соприкасается с шаром 5. Наклонная внутренняя поверхность упомянутого торца имеет форму, соответствующую уплотняемой поверхности 58 шара, создавая уплотнение, перекрывающее проход потоку текучей среды через шар 5. Как правило, на наклонном внутреннем торце расположено упругое уплотнение, такое как уплотнительное кольцо, удерживаемое в канавке для уплотнения. Это уплотнение зажато между наклонным торцом втулки 10 и уплотняемой поверхностью шара, когда вентиль закрыт. Уплотнительная втулка 10 выполнена с возможностью осевого перемещения в направлении, параллельном оси сквозного канала Т, и поджата к уплотняемой поверхности 58 шара 5 пружиной 11. В результате этого упомянутое упругое уплотнение прижимается к внутренней наклонной поверхности втулки 10, расположенной между втулкой 10 и шаром 5, для оказания сопротивления движению текучей среды. Торцевая поверхность втулки 10 снаружи относительно упомянутой наклонной внутренней поверхности обычно имеет плоскую поверхность, которая, как правило, перпендикулярна оси упомянутого сквозного канала. Как правило, упомянутая плоская торцевая поверхность служит опорной поверхностью и может быть снабжена покрытием, уменьшающим трение. Эта торцевая опорная поверхность, как правило, расположена снаружи упомянутого упругого уплотнения на некотором радиальном расстоянии от этого уплотнения.

Уплотнительная втулка 10 имеет центральное отверстие, соосное со сквозным каналом Т. Внутри упомянутого отверстия уплотнительной втулки 10 расположен опорный элемент, выполненный в виде опорной втулки 15, которая как правило также имеет сквозное отверстие, соосное с каналом Т упомянутого вентиля, и выполнена, как правило, так, чтобы обеспечить возможность пропускания текучих сред через вентиль V, когда шары 5 находятся в открытом положении. Внутренняя поверхность горловины опорной втулки 15 в непосредственной близости от шара 5 имеет режущую поверхность в виде кольца 151ι с упрочненным слоем, выполненным из более прочного материала, такого как керамический материал, алмаз, карбид вольфрама и т.п. Как правило, кольцо 15й выполнено на внутренней поверхности опорной втулки 15. Как правило, опорная втулка 15 зафиксирована внутри сквозного канала Т, так что она неподвижна в осевом направлении и может противодействовать осевым силам, стремящимся перемещать ее. Она может быть закреплена внутри канала Т винтовыми резьбами, цангами, упорами и т.п. Как правило, опорная втулка 15 остается неподвижной на месте, когда уплотнительная втулка 10 перемещается в осевом направлении относительно сквозного канала Т.

Внешняя поверхность шара 5, как правило, имеет по меньшей мере один кулачковый элемент 20. Этот кулачковый элемент, как правило, расположен по окружности относительно шара 5 на некотором радиальном расстоянии от центра упомянутого шара, т.е. выравнен с частью упомянутой плоской торцевой опорной поверхности уплотнительной втулки 10, однако на некотором радиальном расстоянии снаружи опорной втулки 15 и не выравнен с ней. Как правило, предусмотрены два кулачковых элемента 20, которые расположены в плоскости, отсекающей сегмент шара, или в касательной плоскости на внешней поверхности шара 5 на таком расстоянии, что она соприкасается с упомянутой плоской торцевой поверхностью уплотнительной втулки 10 с каждой из сторон уплотнительной втулки 10, однако так, что расстояние в поперечном направлении между всеми кулачковыми элементами 20 превышает внешний диаметр опорной втулки 15, которая проходит между кулачковыми элементами 20. Кулачковые элементы 20, как правило, расположены параллельно сквозному отверстию 6, выполненному в каждом шаре 5, так что когда шар 5 вращается вокруг оси 2, кулачковые элементы 20 вращаются одновременно с ним. Кулачковые элементы 20 с каждой стороны шара 5 имеют, как правило, симметричный профиль их кулачков, так что вращение упомянутого шара вызывает равномерное изменение бокового профиля кулачка при его вращении. Упомянутые кулачковые элементы, как правило, имеют некруговые боковые профили, что наилучшим образом показано на фиг. 3, 5, 7, 9, 11, 13, 14 и 15. Как правило, упомянутые кулачковые элементы вступают в контакт с опорной поверхностью на упомянутой плоской торцевой поверхности уплотнительной втулки 10 снаружи относительно упомянутой наклонной внутренней поверх- 4 027470 ности, снабженной упомянутым упругим уплотнением, и поэтому кулачковые поверхности, как правило, не соприкасаются с менее прочным седлом, снабженным упомянутым упругим уплотнением, внутри относительно плоской торцевой поверхности.

Вращение шаров 5 вокруг осей 2 поворачивает каждый кулачковый элемент 20, так что профиль кулачка части кулачкового элемента 20, которая соприкасается с упомянутой плоской торцевой опорной поверхностью уплотнительной втулки 10, изменяется в зависимости от углового положения шара 5. Когда вентиль V находится в открытом состоянии, показанном на фиг. 1-5 и 16, боковой профиль кулачковых элементов 20 очень близок к номинальной внешней окружности шара 5, и оказывает незначительное или (как правило) не оказывает никакого воздействия на осевое перемещение уплотнительной втулки 10, которая остается плотно прижатой к уплотняемой поверхности 58 шара 5, сжимая упомянутое упругое уплотнение и перекрывая сквозной канал. Однако тогда, когда шар 5 начинает поворачиваться от открытого к закрытому положению, и положение режущей поверхности 6й шара 5 начинает изменяться относительно уплотнительной втулки 10, профиль кулачка упомянутых кулачковых элементов 20, прижатых к плоской торцевой опорной поверхности уплотнительной втулки 10, также начинает изменяться, и профиль кулачка упомянутых кулачковых элементов 20 начинает повышаться за контур номинального внешнего диаметра шара, тем самым отталкивая уплотнительную втулку 10 вдоль оси от упомянутого шара по направлению стрелки А против силы пружины 11 по мере поворота и изменения относительного положения. Осевое смещение профиля кулачка достигает максимальной величины в точке, показанной на фиг. 9. На этой стадии кольцо 6й с упрочненным слоем, расположенное на внутренней поверхности упомянутого сквозного отверстия 6 в шаре 5, приближается к положению среза, образуемому вместе с упрочненным слоем 15й на опорной втулке 15 для перерезания любого провода, троса или другого продолговатого предмета, оставшегося внутри сквозного канала Т вентиля V. Вследствие воздействия кулачковых элементов 20 кольцо 6й с упрочненным слоем расположено в осевом направлении на некотором расстоянии от менее прочного упругого уплотнения на наклонной внутренней поверхности уплотнительной втулки 10, и поэтому оно не может царапать седло или повреждать упругое уплотнение при поворачивании относительно опорной втулки 15.

На этой стадии кулачковые элементы 20 приближаются или факультативно достигают своего максимального смещения от упомянутой номинальной внешней поверхности шара, и они отодвигают уплотнительную втулку 10 вдоль оси по направлению стрелки А против силы пружин 11, тем самым сжимая пружины и отталкивая седло с упомянутой менее прочной упругой уплотнительной поверхностью на упомянутой наклонной внутренней поверхности упомянутого торца уплотнительной втулки 10 в осевом направлении от движущейся режущей поверхности 6й. Увеличение осевого смещения кулачковых элементов продолжается по мере того как шар 5, проходя точку резания, показанную на фиг. 9, поворачивается до тех пор, пока упрочненные слои 6й и 15й не пройдут мимо друг друга, и упрочненный слой 6й на внутренней поверхности сквозного отверстия 6, выполненного в шаре 5, не пройдет при повороте внешний диаметр уплотнительной втулки 10 и больше не сможет царапать седло на наклонной торцевой уплотнительной поверхности уплотнительной втулки 10. Поэтому кулачки 20 удерживают уплотнительную втулку 10 на некотором расстоянии от шара 5 на время перемещения режущей поверхности 6й над упругим уплотнением на наклонной торцевой поверхности втулки 10. Тем самым, когда режущая поверхность 6й находится внутри относительно диаметра уплотнительной втулки 10, уплотнительная втулка 10 и режущая поверхность 6й находятся на некотором расстоянии, и поэтому режущая поверхность не может царапать упругое уплотнение. Как правило, кулачки 20 удерживают уплотнительную втулку 10 на некотором расстоянии в осевом направлении от упомянутого подвижного элемента, по меньшей мере, до тех пор, пока режущая поверхность на шаре 5 не пройдет при повороте уплотнительную втулку 10, однако это особенно полезно для сохранения разделения элементов до тех пор, пока вся режущая поверхность 6й не пройдет при повороте внешний диаметр втулки 10, так что торцевые поверхности втулки 10 удерживаются в осевом направлении на некотором расстоянии от вращающейся режущей поверхности 6й на шаре. После прохождения точки максимального смещения профиль кулачка на упомянутых кулачковых элементах 20 начинает понижаться, уменьшая осевое смещение упомянутого кулачка относительно номинального внешнего диаметра шара 5, что позволяет пружине 11 отталкивать уплотнительную втулку 10 в обратную сторону до соприкосновения с уплотняемой поверхностью 58 шара, когда кулачки 20 уменьшают свое смещение. В этой точке, поскольку шар проходит при повороте упомянутую точку, в которой режущая поверхность выравнивается с уплотнительной втулкой 10, менее прочная уплотнительная поверхность на втулке никоим образом не может соприкасаться с режущей поверхностью шара

5. При этом даже если движущаяся режущая поверхность 6й будет деформироваться или на ней образуются заусенцы вследствие больших усилий, необходимых для выполнения резания, эти заусенцы или деформации поверхности на упомянутой режущей поверхности не пересекаются с упомянутым менее прочным упругим уплотнением на втулке 10, когда упомянутый вентиль открывают и закрывают. Вентиль V при этом находится в состоянии, показанном на фиг. 11-16, в котором пружина 11 плотно прижимает уплотнительную втулку 10 к уплотняемой поверхности 58 шара 5 по направлению стрелки В, когда режущая кромка 6й с упрочненным слоем выходит за пределы совпадения с менее прочной уплотняющей поверхностью уплотнительной втулки 10.

- 5 027470

Перевод вентиля V снова в его открытое состояние автоматически перемещает кулачковые элементы 20 в обратном направлении, принуждая уплотнительную втулку 10 к перемещению вдоль оси от шара 5, так что менее прочная упругая уплотняющая поверхность уплотнительной втулки 10 не подвергается воздействию упрочненного слоя 61ι на шаре 5 во время поворачивания.

Кулачковые элементы 20 могут быть полностью замкнутыми, простираясь вокруг всей окружности или при необходимости могут простираться только вокруг части окружности. Одного кулачкового элемента может быть достаточно, однако более равномерное распределение приложения силы достигается путем использования более симметричной конструкции из двух кулачковых элементов. При этом достигается также большая равномерность перемещения уплотнительной втулки 10.

В некоторых вентилях подвижный элемент, например шар, может быть размещен асимметрично с противоположных сторон оси в вентиле. В определенных вариантах исполнения допуск шара с одной стороны отличается от допуска с другой стороной оси. Как правило, шар имеет различные уплотняемые сечения с разных сторон оси, что под давлением вызывает перемещение шара от одной стороны к другой под воздействием сил, порожденных перепадом давления. Как правило, шар также имеет упор, выполненный с одной стороны оси, обычно с той стороны оси, в сторону которой шар прижимается несимметричным перепадом давления. Как правило, упор входит в соприкосновение с шаром с очень точным зазором, точность которого превышает точность зазора между упомянутым шаром и другими частями вентиля, например между шаром и корпусом гнезда шара. Эта несимметричность конструкции двух сторон подвижного элемента, как правило, означает, что во время сборки шар может удерживаться в гнезде упором, входящим в соприкосновение с шаром в том положении в гнезде, которое определено более точным зазором между шаром и упором, а не менее точным зазором, например между шаром и гнездом. Также несимметричная конструкция, которая, как правило, принуждает шар перемещаться по направлению к упору и входить с ним в соприкосновение в месте, определенном с более высокой точностью в гнезде, обеспечивает возможность более высокой достоверности положения шара в гнезде во время хода подвижного элемента под нагрузкой, поскольку под нагрузкой шар перемещается прежде всего в соприкосновение с упором, с которым он имеет очень точный зазор в соединении. Поэтому под нагрузкой, когда шар входит в соприкосновение с упором, имеющим точный допуск, этот шар менее подвержен неконтролируемым колебаниям, или дребезжанию, шара в гнезде с очень малой амплитудой, что обусловлено допусками на механическую обработку деталей этой пары. В результате положение шара во время его ходов имеет более высокую повторяемость и предсказуемость, поскольку шар преимущественно перемещается в направлении, обусловленном несимметричностью двух сторон, и удерживается на месте с высокой точностью за счет точного зазора между упомянутыми упором и шаром. В целом, допуски на механическую обработку шара и гнезда очень жесткие, поскольку, как правило, важно, чтобы точки контакта между режущей поверхностью и опорным элементом оставались как можно ближе друг к другу для создания условий чистого среза без влияния изгиба и смятия. Это достижимо только путем обеспечения плотности посадки, точности концентричности и тому подобных параметров между режущей поверхностью на шаре и поверхностью среза на опорном элементе. Было установлено, что введение асимметрии в шаре повышает предсказуемость относительных положений упомянутых шара и опоры, особенно под давлением текучей среды в осевом направлении, что вызывает тенденцию к принудительному перемещению шара в определенном осевом направлении. Различие даже не обязательно заметно невооруженным глазом, и очень малая несимметричность в определенных вариантах исполнения может быть достаточной для введения необходимого смещения и повышения предсказуемости перемещения шара под давлением. На фиг. 16 показан один из таких примеров. На фиг. 16 модифицированный вентиль V', по существу, аналогичен вентилю V, и аналогичные элементы обозначены на фиг. 18 теми же номерами позиций, но увеличенными на 100. Вентиль V' имеет по меньшей мере один шар 105, выполненный с возможностью вращения в сквозном канале Τ' на осях 102, имеющих уплотнения в сечениях §1 и §2, для поворачивания сквозного отверстия 106 в шаре 105 и приведения его в положение совпадения со сквозным каналом Τ' и выведения из этого положения для открывания и закрывания вентиля V' тем же способом, который описан выше для предыдущего вентиля V. Вентиль V' имеет уплотнительную втулку 110, находящуюся под действием пружин 111, и опорную втулку 115. Все эти элементы функционируют, по существу, так же, как описано для предыдущего вентиля V. Различие между показанным на фиг. 18 вентилем V' и вентилем V, показанным на предшествующих фигурах, состоит в том, что у вентиля V' шар 105 несимметрично расположен внутри сквозного канала Τ'. В частности, внешние диаметры (ΟΌ) осей шара 105, как правило, различны с разных сторон относительно центральной оси вентиля V', что создает разность в размерах уплотняемых зон между уплотнительным кольцом или другими уплотнениями в сечениях §1 и §2. В этом примере внешний диаметр упомянутой оси с левой стороны вентиля в сечении §2 очень незначительно больше, чем соответствующий внешний диаметр на оси с правой стороны вентиля в сечении §1. Поэтому диаметр уплотняемой зоны в сечении §2 слева больше, чем диаметр уплотняемой зоны в сечении §1 справа. Также с левой стороны радиально снаружи относительно сечения §2 торцевая поверхность оси 102 взаимодействует с упорным элементом, выполненным в виде подшипника 101. Подшипник 101, как правило, представляет собой шариковый подшипник, однако также могут быть использованы подшипники других видов, например упорный подшипник и т.п. Соединение

- 6 027470 между подшипником 101 и торцевой поверхностью оси 102 имеет очень точный зазор, так что когда торцевая поверхность оси 102 взаимодействует с подшипником 101, смещение шара 105 относительно центральной оси сквозного канала Τ' известно очень точно вследствие высокой степени точности зазора между подшипником 101 и торцевой поверхностью оси 102. Поскольку ориентация шара 105 относительно оси сквозного канала Τ' зависит от степени точности допусков упорного элемента 101 и оси 102, степень точности допуска всей системы значительно повышается без необходимости повышения степени точности допусков других элементов шара 105 внутри гнезда, которые, как правило, могут быть заданы при проектировании с более низкой степенью точности допусков без ухудшения характеристик вентиля V'. Когда шар 105 вращается так, как описано выше, разность в размерах уплотняемых зон между сечениями §1 и §2 перемещает шар 105 преимущественно по направлению к левому уплотнению 82 в более плотное взаимодействие с упором 101. Поскольку упор 101 и торцевая поверхность оси 102 имеют более высокую точность допуска, как указано выше, определенность положения шара 105 под нагрузкой значительно выше. Высокая точность допуска упора 101 и торцевой поверхности оси 102 может быть обеспечена относительно легко, и остальная часть гнезда для размещения шара в корпусе вентиля V' может быть изготовлена с меньшей точностью допуска без ухудшения общих функциональных характеристик вентиля. В этом варианте осуществления настоящего изобретения упор выполнен с подшипником 101, который, как правило, представляет собой шариковый подшипник, однако в альтернативных примерах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы другие промежуточные элементы и могут быть приняты другие несимметричные характеристики (с промежуточными элементами или без них).

Без выхода за пределы объема изобретения могут быть выполнены изменения и усовершенствования. Например, уплотнительный элемент может перемещаться не кулачковыми элементами, а другими механизмами, например гидравлическим цилиндром.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Вентиль для использования в нефтяной или газовой скважине, который имеет сквозной канал Τ с осью и содержит подвижный элемент (5), который выполнен с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, соответствующими открытому и закрытому состояниям упомянутого вентиля, для пропускания и перекрывания потока текучей среды через упомянутый сквозной канал вентиля соответственно в открытом и закрытом состояниях, при этом упомянутый вентиль содержит уплотнительный элемент (10) в виде уплотнительной втулки (10), которая имеет седло для прижимания к упомянутому подвижному элементу (5), при нахождении упомянутого подвижного элемента (5) в закрытом положении; упомянутый вентиль имеет опорный элемент (15), который зафиксирован в осевом направлении внутри сквозного канала Т; и упомянутый подвижный элемент (5) имеет режущую поверхность (6П), которая предназначена для выполнения резания совместно с режущей поверхностью (15П) упомянутого опорного элемента (15), который зафиксирован в осевом направлении, при перемещении упомянутого подвижного элемента (5) между упомянутыми открытым и закрытым положениями; отличающийся тем, что упомянутая уплотнительная втулка (10) выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении внутри упомянутого канала Τ относительно упомянутого подвижного элемента;

   упомянутые опорный элемент (15), который зафиксирован в осевом направлении, и уплотнительная втулка (10), которая выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении, расположены соосно, причем упомянутый опорный элемент (15), который зафиксирован в осевом направлении, расположен радиально внутри упомянутой уплотнительной втулки (10), которая выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении, и упомянутая уплотнительная втулка (10), которая выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении, охватывает упомянутый опорный элемент (15), который зафиксирован в осевом направлении, и при этом упомянутый вентиль имеет механизм (20) перемещения уплотнительного элемента, который предназначен для расположения упомянутой уплотнительной втулки (10), которая выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении, на некотором расстоянии в осевом направлении от упомянутого подвижного элемента (5) при перемещении упомянутого подвижного элемента (5) между упомянутыми открытым и закрытым положениями.
2. 2. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что упомянутый механизм (20) перемещения уплотнительного элемента выполнен с возможностью выведения упомянутой уплотнительной втулки (10) из соприкосновения с упомянутым подвижным элементом (5) при нахождении режущей поверхности (6П) во взаимодействии с опорным элементом (15) и возможностью введения упомянутой уплотнительной втулки (10) снова в соприкосновение с упомянутым подвижным элементом (5) при выходе упомянутой режущей поверхности (6П) за пределы упомянутой уплотнительной втулки (10).
3. 3. Вентиль по п.1 или 2, отличающийся тем, что упомянутый уплотнительный элемент (10) остается на некотором расстоянии в осевом направлении от упомянутого подвижного элемента (5) до выхода упомянутой режущей поверхности (6П) упомянутого подвижного элемента (5) за пределы упомянутого седла уплотнительного элемента (10), тогда как при выходе упомянутой режущей поверхности (6П) упомянутого подвижного элемента (5) за пределы упомянутого седла уплотнительного элемента (10) упомя- 7 027470 нутый уплотнительный элемент (10) оказывается прижимаемым к упомянутому подвижному элементу (5) для соприкосновения с упомянутым подвижным элементом (5) по упомянутому седлу уплотнительного элемента (10).
4. 4. Вентиль по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутая уплотнительная втулка (10) имеет уплотнительную поверхность, которой придана форма, которая соответствует уплотняемой поверхности подвижного элемента, причем упомянутая уплотнительная поверхность имеет упругое уплотнение, которое выполнено с возможностью прижатия к уплотняемой поверхности упомянутого подвижного элемента (5) для создания уплотнения, которое перекрывает проход потоку текучей среды между упомянутой уплотнительной поверхностью уплотнительного элемента (10) и упомянутым подвижным элементом (5).
5. 5. Вентиль по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что упомянутый вентиль представляет собой вентиль с шаровым запирающим органом, который содержит шар (5) со сквозным отверстием.
6. 6. Вентиль по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что упомянутый механизм перемещения уплотнительного элемента содержит один или несколько кулачковых элементов (20), которые имеют поверхность кулачка некругового профиля.
7. 7. Вентиль по п.6, отличающийся тем, что упомянутый кулачковый элемент (20) предназначен для перемещения упомянутого уплотнительного элемента (10) на максимальное расстояние от упомянутого подвижного элемента (5) в той точке хода этого подвижного элемента (5), которая соответствует прохождению режущей поверхностью (6Н) упомянутого опорного элемента (15).
8. 8. Вентиль по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что одна или каждая из упомянутых поверхностей кулачка имеет некруговую выступающую часть, которая простирается от упомянутой внешней поверхности подвижного элемента (5).
9. 9. Вентиль по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что упомянутый вентиль представляет собой вентиль с шаровым запирающим органом, который содержит шар (5), причем упомянутый кулачковый элемент (20) выполнен в плоскости, которая отсекает сегмент упомянутого шара (5), на внешней поверхности этого шара (5) и расположен на некотором радиальном расстоянии между центром упомянутого шара (5) и его внешней поверхностью.
10. 10. Вентиль по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что один или каждый из упомянутых кулачковых элементов (20) расположен на упомянутом подвижном элементе (5) вне контура упомянутого опорного элемента (15).
11. 11. Вентиль по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что упомянутая некруговая поверхность кулачка одного или каждого из упомянутых кулачковых элементов (20) имеет внешнюю ведущую поверхность, которая выполнена с возможностью скольжения по упомянутому уплотнительному элементу (10) для отталкивания упомянутого уплотнительного элемента (10) в осевом направлении от упомянутого подвижного элемента (5) во время упомянутого хода упомянутого подвижного элемента (5) между упомянутыми открытым и закрытым положениями.
12. 12. Вентиль по п.11, отличающийся тем, что упомянутая внешняя опорная поверхность одного или каждого из упомянутых кулачковых элементов (20) расположена на упомянутом подвижном элементе вне контура упомянутого седла на упомянутом уплотнительном элементе (10).
13. 13. Вентиль по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что упомянутый опорный элемент (15) и упомянутый уплотнительный элемент (10) расположены соосно, причем упомянутый опорный элемент (15) расположен радиально внутри упомянутого уплотнительного элемента (10), а упомянутый опорный элемент (15) охвачен упомянутым уплотнительным элементом (10).
14. 14. Вентиль по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что упомянутый уплотнительный элемент (10) прижат вдоль оси к упомянутому подвижному элементу (5) упругим элементом (11), причем следствием упомянутого перемещения упомянутого подвижного элемента (5) из упомянутого открытого положения в упомянутое закрытое положение является приведение в действие упомянутого упругого элемента (11).
15. 15. Способ использования в нефтяной или газовой скважине вентиля по п.1, отличающийся тем, что механизм (20) перемещения уплотнительного элемента приводят в действие для перемещения уплотнительного элемента (10) в осевом направлении от подвижного элемента (5) во время хода подвижного элемента (5) между открытым положением и закрытым положением.