Устройство для герметизации устья скважины

 

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин. Устройство включает корпус, крышку, уплотнительный элемент, гильзу с полостью для уплотнительного элемента. Поршень имеет поверхность для уплотнительного элемента, рабочую камеру и возвратную камеру. Гидравлические каналы служат для связи рабочей камеры и возвратной камеры с источником гидравлического давления. Вторая гильза установлена в полости корпуса. Разгрузочная компенсационная камера образована между первой гильзой и крышкой. Разгрузочная компенсационная камера связана гидравлическим каналом с гидравлическим дросселем. Имеются шариковые замки-подшипники. При герметизации устья подается давление. Поршень движется вверх, сжимая уплотнительный элемент, который выдвигается в отверстие корпуса и охватывает инструмент или перекрывает свободное устье. Осевое усилие от поршня и устьевого давления передается через уплотнительный элемент и гильзу на подшипник частично. Основное усилие компенсируется давлением в разгрузочной компенсационной камере на верхнюю часть гильзы, разгружая подшипник. Часть жидкости продавливается через гидравлический дроссель, смазывая, промывая и охлаждая подшипник. При разгерметизации поршень опускается, уплотнительный элемент освобождает инструмент. Упрощается компоновка обвязки устья, снижаются габариты, упрощается обслуживание и работа. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к бурению и эксплуатации скважин, преимущественно нефтегазовых, и предназначено для герметизации устья скважины с находящимся в нем инструментом, имеющим вращение и поступательное движение.

Известно устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, гильзу, установленную в крышке-патроне с возможностью вращения, и радиально-упорный двойной подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, уплотнительный элемент из эластичного материала [Композит - каталог нефтегазового оборудования и услуг Gulf Publishing Company, Houston, Texas, USA. Перевод "Топливо и энергетика". 1993 - 94 г. Том 3, часть II, стр. 2361 - 2366. Williams - устьевое оборудование скважины вращающегося типа.].

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности принудительного обжима уплотнительного элемента, что вызывает необходимость иметь различные уплотнительные элементы при различных диаметрах труб и инструмента, применяемого при бурении и ремонте скважин, отсутствие возможности герметизации свободного устья скважины, необходимость установки известного устройства в комплексе с плашечными и универсальным превентором, что обуславливает большую высоту и сложность компоновки устьевого оборудования, находящегося под ротором, а также сложность обслуживания, в том числе снятия или замены уплотнительного элемента. Для обеспечения такой замены каждый раз рассоединяется хомут крепления крышки-патрона и вся она с блоком подшипников и уплотнительным элементом протаскивается через отверстие ротора, которое должно иметь соответствующий размер (не менее 444,5 мм). Малые габариты крышки-патрона обуславливают малые размеры и плечо расстояния радиально - упорных подшипников, а следовательно, малую осевую и радиальную нагрузки и рабочее давление на устье.

Известно устройство для герметизации устья скважин, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с отверстием, уплотнительный элемент из эластичного материала, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно гильзы и корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей камеры и возвратной камеры с источником гидравлического давления [2. Rotating Blowout Preventer. Рекламный проспект Shaffer A Varco Company для 4-ой Московской международной выставки "Нефть и газ - 97". Copiring Varco Shaffer, Inc., Houston, Texas, USA].

Недостатком известного устройства является передача всей осевой нагрузки от устьевого давления и усилия сжатия поршнем уплотнительного элемента на единственный радиально-упорный подшипник, который имеет питание маслом от гидравлического канала возвратной камеры, что обеспечивает проток масла через подшипник в основном при открывании превентора. Недостатком является также то, что боковая сила, возникающая при вращении несоосных труб, изогнутых труб, неточном центрировании устья, фонаря, ротора и превентора, при проседании ног вышки и т.п. компенсируется маленькими шариковыми радиальными подшипниками и вызывает повышенное трение гильзы о корпус, нагрев, износ уплотнительных колец и неравномерное распределение осевой нагрузки на радиально-упорный подшипник из-за одностороннего прижима нижней части гильзы, это вызывает его нагрев и ограничения по устьевому давлению во вращающемся состоянии для устройства в целом до 20,4 МПа, хотя уплотнительный элемент имеет рабочее давление 35,0 МПа.

Задача, стоящая при создании устройства для герметизации устья скважины, состоит в разработке конструкции, сочетающей в себе одновременно достоинства универсального и вращающегося превенторов и заменяющей их. Это позволит упростить компоновку обвязки устья, снизить ее габариты, упростить обслуживание и работу при бурении и ремонтах скважин.

Достигаемый технический результат, получаемый в результате создания изобретения, состоит в том, что появляется возможность герметизировать устье с высоким рабочим давлением, характерным для универсальных превенторов, и при этом обеспечивать не только поступательное движение инструмента, но и длительное вращение, что необходимо, например, при бурении горизонтальных скважин с высоким давлением, с обратной циркуляцией, с пониженным давлением, с аэрированными жидкостями и т.п. При работах, когда необходимо вращение и осевая фиксация колонны, например гидроразрыв, применяются клиновые захваты.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что устройство для герметизации устья скважин, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с отверстием, уплотнительный элемент из эластичного материала, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно гильзы и корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей камеры и возвратной камеры с источником гидравлического давления, снабжено второй гильзой, установленной в полости корпуса, уплотненной относительно него и связанной с поршнем с возможностью относительного вращения, дополнительным подшипником, размещенным между поршнем и второй гильзой, разгрузочной компенсационной камерой, образованной между первой гильзой и крышкой для разгрузки подшипника, гидравлическим каналом для связи разгрузочной компенсационной камеры с источником гидравлического давления параллельно с рабочей камерой.

А также тем, что оно снабжено гидравлическим дросселем и гидравлическим каналом, связывающим разгрузочную компенсационную камеру с гидравлическим дросселем, а верхний подшипник размещен в разгрузочной компенсационной камере.

А также тем, что оно снабжено шариковым замком-подшипником, фиксирующим от относительного продольного перемещения гильзу и крышку, а также шариковым замком-подшипником, фиксирующим от относительного продольного перемещения вторую гильзу и поршень.

А также тем, что верхний и нижний подшипники выполнены радиально-упорными коническими, торцевой упор в которых выполнен в узкий торец конических тел качения, а сепараторы имеют увеличенный радиальный люфт.

А также тем, что оно снабжено клиновыми захватами, подпружиненными друг относительно друга, первая гильза состоит из двух частей, одна из которых подвижна относительно другой, обе части гильзы образуют между собой коническую полость, в которой размещены клиновые захваты, при этом полость для размещения уплотнительного элемента выполнена в подвижной части гильзы.

А также тем, что оно снабжено дублирующим механическим приводом, включающим редуктор, имеющий привод вращения от мускульной силы человека или двигателя, винтовую резьбу, выполненную на части цилиндрической поверхности полости корпуса, связанную с корпусом по резьбе втулку, имеющую на одной стороне ответную резьбу, а на другой продольные шлицы, связанную со шлицами втулки с возможностью продольного перемещения шестерню с валом, установленную в корпусе с возможностью вращения и кинематически связанные с редуктором.

А также тем, что оно снабжено редуктором, кинематически связанным с гильзой и имеющим привод вращения от гидравлического или другого двигателя.

А также тем, что полость первой гильзы выполнена сферической или конической с широкой частью, обращенной к поршню, а размещенный в полости уплотнительный элемент имеет соответствующую форму.

А также тем, что полость первой гильзы выполнена цилиндрической с плоским торцем, а поршень выполнен с коническим или сферическим углублением, при этом размещенный между поршнем и гильзой уплотнительный элемент имеет соответствующую форму.

Заявителем не обнаружено технических решений, имеющих ту же совокупность существенных признаков, как в заявляемом изобретении, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Наличие второй гильзы, установленной в полости корпуса, уплотненной относительно него и поршня и связанной с поршнем с возможностью относительного вращения, с дополнительным подшипником, размещенным между поршнем и второй гильзой, позволяет исключить перекосы и неравномерность нагружения тел качения каждого из подшипников, передавать боковое усилие через подшипники на корпус через невращающиеся вторую гильзу и крышку, а также воспринимать циклический изгибающий момент от вращения несоосного инструмента на относительно большом плече, равном расстоянию между подшипниками, сопоставимому с их диаметром, что приводит к снижению нагрузок на элементы конструкции, сил трения, износа, а следовательно, к повышению долговечности и межремонтного периода.

Наличие разгрузочной компенсационной камеры, образованной первой гильзой и крышкой, и гидравлического канала, связывающего разгрузочную компенсационную камеру с источником гидравлического давления параллельно с рабочей камерой, позволяет компенсировать осевое усилие от давления на устье, а также усилие, передаваемое поршнем на уплотнительный элемент, и разгрузить верхний подшипник в момент максимальной осевой нагрузки, что позволяет повысить долговечность подшипника и увеличить максимальную нагрузку на устройство от скважинного давления, т. е. ограничить технические возможности устройства лишь прочностью уплотнительного элемента, который используется без изменений от серийных универсальных превенторов, имеющих рабочие давления до 35,0 МПа и более, а также обеспечивающих возможность перекрытия устья скважин от нуля до максимального диаметра без замены элемента, что позволяет создать компактное, надежное, долговечное устройство с техническими характеристиками, превосходящими характеристики известных устройств (или их комбинаций) сходного назначения.

Признаки, перечисленные в остальных пунктах формулы, обеспечивают расширение технологических возможностей устройства и выполнение им функций, не выполнявшихся ранее подобными устройствами, а также удобство применения на скважинах и упрощение обслуживания.

Заявителем не обнаружено технических решений, имеющих совокупность существенных признаков, совпадающих или сходных с существенными признаками заявляемого изобретения и позволяющих получить тот же технический результат, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показано устройство для герметизации устья скважины с совокупностью существенных признаков, соответствующих п. 1,2,3,4,8 формулы изобретения. На фиг. 2 показано то же устройство с признаками по пп 1 - 8. На фиг. 3 показан вариант устройства с признаками по пп 1 - 9.

Устройство для герметизации устья скважин включает корпус 1 с полостью и центральным отверстием, крышку 2 с отверстием, уплотнительный элемент 3 из эластичного материала, гильзу 4 с полостью 5 для размещения уплотнительного элемента 3, установленную с возможностью вращения, подшипник 6 для передачи усилия от гильзы 4 к крышке 2, поршень 7 с поверхностью 8 для размещения уплотнительного элемента 3, уплотненный относительно гильзы 4 и корпуса 1 и имеющий рабочую камеру 9 и возвратную камеру 10, гидравлические каналы 11 и 12 для связи рабочей камеры 9 и возвратной камеры 10 с источником гидравлического давления (на чертеже не показан), вторую гильзу 13, установленную в полости корпуса 1, уплотненной относительно него и связанной с поршнем 7 с возможностью относительного вращения, подшипник 14, размещенный между поршнем 7 и гильзой 13, разгрузочную компенсационную камеру 15, образованную между гильзой 4 и крышкой 2 для разгрузки подшипника 6, гидравлический канал 16 для связи разгрузочной компенсационной камеры 15 с источником гидравлического давления параллельно с рабочей камерой 9, гидравлический дроссель 17 и гидравлический канал 18, связывающий разгрузочную компенсационную камеру 15 с гидравлическим дросселем 17, а верхний подшипник 6 размещен в разгрузочной компенсационной камере 15, шариковый замок-подшипник 19 фиксирует от относительного продольного перемещения гильзу 4 и крышку 2, шариковый замок-подшипник 20 фиксирует от относительного продольного перемещения гильзу 13 и поршень 7, подшипники 6 и 14 выполнены радиально-упорными коническими, торцевой упор в которых выполнен в узкий торец 21 конических тел качения, сепараторы 22, имеющие увеличенный радиальный люфт.

При необходимости фиксации инструмента от осевого перемещения устройство включает также клиновые захваты 23 (см. фиг. 2), подпружиненные друг относительно друга, гильза 4 состоит из двух частей, одна из которых подвижна относительно другой, обе части гильзы образуют между собой коническую полость, в которой размещены клиновые захваты 23, при этом полость 5 для размещения уплотнительного элемента 3 выполнена в подвижной части гильзы 4.

При необходимости фиксации устройства в закрытом состоянии при вероятности повреждения гидропривода оно включает также дублирующий механический привод 24, содержащий винтовую резьбу 25, выполненную на части цилиндрической поверхности полости корпуса 1, связанную с корпусом по резьбе втулку 26, имеющую на одной стороне ответную резьбу, а на другой продольные шлицы 27, связанную со шлицами 27 втулки 26 с возможностью продольного перемещения шестерню 28 с валом 29, установленную в корпусе 1 с возможностью вращения и кинематически связанные с редуктором 30, имеющим привод вращения от гидравлического или другого двигателя (на чертеже не показаны).

При необходимости автономного вращения инструмента без ротора устройство имеет также редуктор 32, кинематически связанный с гильзой 5 и имеющий привод вращения 33 от гидравлического или другого двигателя.

Полость 5 гильзы 4 может быть выполнена сферической или конической с широкой частью, обращенной к поршню 7, а размещенный в полости 5 уплотнительный элемент 3 имеет соответствующую форму.

Полость гильзы 4 может быть выполнена также цилиндрической с плоским торцом 34 (см. фиг. 3), а поршень 7 может быть выполнен с коническим или сферическим углублением 35, при этом размещенный между поршнем и гильзой уплотнительный элемент 3 имеет соответствующую форму.

Устройство работает следующим образом.

При необходимости герметизации устья скважины с возможностью вращения и подачи инструмента гидравлическое давление от источника давления (насос с гидроаккумулятором) подается одновременно в гидравлические каналы 11 и 14. При этом поршень 7 под действием давления в рабочей камере 9 движется вверх, сжимая уплотнительный элемент 3, который вследствие сужающейся формы полости 5 выдвигается в центральное отверстие корпуса 1, плотно охватывая и уплотняя инструмент, находящийся там (на чертеже не показан), или полностью перекрывая сечение устья в случае отсутствия инструмента. Осевое усилие от воздействия поршня 7 и устьевого давления в скважине на уплотнительный элемент 3 и инструмент передается через гильзу 4 на подшипник 6 лишь частично, поскольку основная часть усилия компенсируется давлением жидкости, поступившей через гидроканал 16 в разгрузочную компенсационную полость 15 и воздействующей на верхнюю часть гильзы 4, компенсируя нижнее осевое усилие и разгружающее подшипник 6. Часть жидкости продавливается через дроссель 17, смазывая, промывая и охлаждая подшипник 6, а затем поступает на смазку контакта скользящего вертикально инструмента с уплотнительным элементом 3.

Радиальное усилие, возникающее от несоосности инструмента, воспринимается уплотнительным элементом 3 и передается на расположенные на равном расстоянии от него подшипники 6 и 14 и поэтому не вызывает их перекоса или неравномерного нагружения. Затем подшипники передают радиальное усилие на невращающиеся гильзу 13 и крышку 2, а последние на корпус 1, укрепленный на устье.

В варианте с фиксацией инструмента клиновые захваты 23 под действием осевого усилия со стороны подвижной части гильзы 4 выдвигаются внутрь отверстия корпуса 1 до захвата инструмента и его жесткой фиксации от продольного перемещения, но с возможностью вращения.

В варианте с дублирующим механическим приводом 24, вращая, например, вручную привод вращения редуктора 30 и через него вал 29 и шестерню 28, мы через шлицы 27 приводим во вращение резьбовую втулку 26, которая, поднимаясь по резьбе корпуса 1, скользит по шлицам 27 и поджимает гильзу 13, что обеспечивает герметизацию даже в случае повреждения трубопроводов связи гидравлического канала 11 с источником давления. При необходимости устройство может быть приведено в закрытое состояние только с помощью механического привода 24.

В варианте с автономным приводом вращения инструмента в закрытом состоянии устройства редуктор 32 при включении двигателя вращает гильзу 4 и зажатый в ней поршнем 7 уплотнительный элемент 3, который, в свою очередь, передает вращение на инструмент, находящийся в скважине.

При открывании устройства (разгерметизации устья скважины) убирается гидравлическое давление из гидравлических каналов 11 и 15 и подается гидравлическое давление в канал 12, а оттуда в возвратную камеру 10. Поршень 7 под действием возникающего усилия опускается, освобождая уплотнительный элемент 3, который под действием сил упругости эластичного материала возвращается в исходное положение, освобождая инструмент.

В варианте с фиксацией инструмента клиновые захваты, подпружиненные друг относительно друга, спускаются вместе с подвижной частью гильзы 4 в широкую часть конической полости, раздвигаются под действием усилия пружин и освобождают инструмент.

В варианте с дублирующим механическим приводом 24, вращая привод редуктора 30 в обратную сторону, через вал 29, шестерню 28 и шлицы 27, приводим во вращение втулку 26, которая, опускаясь по резьбе 25 корпуса 1, прекращает поджимать гильзу 13, позволяя ей опуститься вниз и освободить уплотнительный элемент 3.

Устройство реализовано в конструкциях универсальных вращающихся превенторов ВУГП 190/350 и ВУГП 350/350, рассчитанных на рабочее давление в режиме вращения до 35,0 МПа (350 кг/см²) и имеющих сферические уплотнительные элементы со стальными вкладышами.

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с отверстием, уплотнительный элемент из эластичного материала, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно гильзы и корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей камеры и возвратной камеры с источником гидравлического давления, отличающееся тем, что оно снабжено второй гильзой, установленной в полости корпуса, уплотненной относительно него и поршня и связанной с поршнем с возможностью относительного вращения, дополнительным подшипником, размещенным между поршнем и второй гильзой, разгрузочной компенсационной камерой, образованной между первой гильзой и крышкой для разгрузки подшипника, гидравлическим каналом, связывающим разгрузочную компенсационную камеру с источником гидравлического давления параллельно с рабочей камерой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено гидравлическим дросселем и гидравлическим каналом, связывающим разгрузочную компенсационную камеру с гидравлическим дросселем, а верхний подшипник размещен в разгрузочной компенсационной камере.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено шариковым эамком-подшипником, фиксирующим от относительного продольного перемещения гильзу и крышку, а также шариковым эамком-подшипником, фиксирующим от относительного продольного перемещения вторую гильзу и поршень.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний и нижний подшипники выполнены радиально-упорными коническими, торцевой упор в которых выполнен в узкий торец конических тел качения, а сепараторы имеют увеличенный радиальный люфт.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено клиновыми захватами, подпружиненными относительно друг друга, первая гильза состоит иэ двух частей, одна иэ которых подвижна относительно другой, обе части гильзы образуют между собой коническую полость, в которой размещены клиновые захваты, при этом полость для размещения уплотнительного элемента выполнена в подвижной части гильзы.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено дублирующим механическим приводом, включающим редуктор, имеющий привод вращения от мускульной силы человека или двигателя, винтовую резьбу, выполненную на части цилиндрической поверхности полости корпуса, связанную с корпусом по резьбе втулку, имеющую на одной стороне ответную резьбу, а на другой продольные шлицы, связанную с шлицами втулки с возможностью продольного перемещения шестерню с валом, установленную в корпусе с возможностью вращения и кинематически связанную с редуктором.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено редуктором, кинематически связанным с гильзой и имеющим привод вращения от гидравлического или другого двигателя.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость первой гильзы выполнена сферической или конической с широкой частью, обращенной к поршню, а размещенный в полости уплотнительный элемент имеет соответствующую форму.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость первой гильзы выполнена цилиндрической с плоским торцом, а поршень выполнен с коническим или сферическим углублением, при этом размещенный между поршнем и гильзой уплотнительный элемент имеет соответствующую форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3