Устройство для герметизации устья скважины

 

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин. Устройство для герметизации устья скважины включает корпус, крышку, уплотнительный элемент. Поршень имеет плунжерный выступ и поверхность для уплотнительного элемента. Имеются рабочая камера и возвратная камера. Гидравлические каналы связывают рабочую камеру и возвратную камеру с источником гидравлического давления. Поршень имеет цилиндрический удлинитель, внешний и внутренний. Уплотнительные манжеты разделителя разнесены на поверхности разных диаметров и выполнены М-образными. Поршень движется вверх при подаче давления, 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 на крышку. При движении поршня ограничители перемещений перемещают гильзу. При разгерметизации давление подается в возвратную камеру, поршень опускается. Уплотнительный элемент освобождает инструмент. Появляется возможность герметизации устья с высоким рабочим давлением, характерным для универсальных превенторов, с обеспечением поступательного движения инструмента устройством существенно меньших габаритов и массы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

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

Известно устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с полостью и центральным отверстием, поршень и конический уплотнительный элемент из эластичного материала, армированного жесткими вставками [Композит-каталог нефтегазового оборудования и услуг Gulf Publishing Company, Houston, Texas, USA. Перевод "Топливо и энергетика". 1993 - 94, т. 2, с. 1092. HYDRILL - универсальные противовыбросовые превенторы].

Недостатком известного устройства является относительно большие масса и габариты, относительно низкий срок службы конического уплотнительного элемента, особенно при срабатывании на полное закрытие.

Известно устройство для герметизации устья скважин, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с полусферической полостью и отверстием, сферический уплотнительный элемент из эластичного материала, армированного жесткими вставками, поршень с плунжерным выступом и поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, разделитель, размещенный между крышкой, корпусом и поршнем, гидравлические каналы для связи рабочей камеры и возвратной камеры с источником гидравлического давления [Композит-каталог нефтегазового оборудования и услуг Gulf Publishing Company, Houston, Texas, USA. Перевод "Топливо и энергетика". 1993 -1994, т. 3, ч. II, с. 1946. Shaffer Spherical BOPs].

Недостатком известного устройства является относительно высокие масса и вертикальный габарит, что особенно существенно при капительном ремонте скважин с подвижных установок.

Задача, стоящая при создании устройства для герметизации устья скважины, состоит в разработке конструкции, позволяющей уменьшить вертикальный габарит и массу до величин, позволяющих производить работы по капитальному ремонту без дополнительной подставки или мостков.

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 поступательное движение инструмента устройством существенно меньших габаритов и массы и при этом использовать долговечные М-образные уплотнения.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, уплотнительный элемент из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, крышку, уплотненную относительно корпуса с центральным отверстием и полусферической полостью для размещения уплотнительного элемента, поршень с плунжерным выступом и поверхностью для размещения уплотнительного элемента, разделитель, уплотненный относительно корпуса и крышки, размещенный между крышкой, корпусом и поршнем, уплотнительными манжетами, уплотняющими поршень и разделитель относительно корпуса и друг друга и образующими таким образом рабочую и возвратную камеры, гидравлические каналы для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления, снабжено внешним цилиндрическим удлинителем поршня, высота которого не менее величины хода поршня, уплотнительные манжеты разделителя разнесены друг относительно друга на поверхности разных диаметров так, что внутренняя контактирует с плунжерным выступом поршня, а внешняя контактирует с цилиндрическим удлинителем поршня, при этом в нижней части разделителя между манжетами выполнена кольцевая полость.

А также тем, что оно снабжено внутренним цилиндрическим удлинителем поршня, уплотнительные манжеты выполнены М-образными и для уплотнения внутреннего цилиндрического удлинителя поршня установлены так, что лепестки нижней манжеты направлены вниз, а верхней вверх, при этом лепестки манжет в нижней части разделителя направлены вверх.

А также тем, что оно снабжено гидравлическим каналом, связывающим кольцевую полость разделителя с возвратной камерой обратным клапаном, размещенным в гидравлическом канале для одностороннего пропуска жидкости или газа из кольцевой полости разделителя в возвратную камеру.

А также тем, что оно снабжено, как минимум, одной гильзой, расположенной между корпусом и внутренним удлинителем поршня, установленной с возможностью продольного перемещения и уплотненной относительно корпуса и поршня, ограничителем продольного перемещения гильзы относительно поршня и ограничителем продольного перемещения гильзы относительно корпуса, выполненных, например, в виде шарикового замка, одна из канавок которого имеет ширину большую, чем диаметр шарика, или в виде пружинного разрезного кольца или штифта, при этом сумма ходов перемещений удлинителя поршня и всех гильз до их ограничителей не менее чем ход поршня.

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

Наличие внешнего цилиндрического удлинителя поршня позволяет разнести уплотнительные манжеты разделителя на разные поверхности и таким образом уменьшить габаритную высоту на высоту одного пакета манжет и разделительной перегородки, что для малогабаритных превенторов для ремонта скважин составляет 10-15% габаритной высоты.

Наличие внутреннего цилиндрического удлинителя поршня дает возможность уплотнениям работать в условиях лучшего удаления твердых частиц и применять в качестве нижнего уплотнения манжетное уплотнение с лепестками манжет, направленными вниз, что снижает вероятность накопления на манжетах твердых частиц из скважинной среды.

Наличие М-образных манжет позволяет, как показали эксперименты, снизить трение в 3-4 раза, повысить долговечность уплотнения в 30 раз, а их расположение разделителя лепестками вверх позволяет при работе превентора удалять из полости излишки жидкости, попавшие в нее при износе уплотнений.

Наличие гидравлического канала с обратным клапаном позволяет обеспечить работоспособность превентора при сильном износе уплотнений и больших утечках рабочей жидкости.

Наличие гильзы между корпусом и поршнем в пространстве под уплотнительным элементом позволяет уменьшить габаритную высоту на 10-20%.

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, формулы изобретения. На фиг.2 показано то же устройство в закрытом положении.

Устройство для герметизации устья скважин включает корпус 1 с полостью и центральным отверстием, уплотнительный элемент 2 из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, крышку 3, уплотненную относительно корпуса 1 с центральным отверстием и полусферической полостью для размещения уплотнительного элемента, поршень 4 с плунжерным выступом 5 и поверхностью для размещения уплотнительного элемента 2, разделитель 6, уплотненный относительно корпуса 1 и крышки 3, размещенный между крышкой 3, корпусом 1 и поршнем 4, уплотнительными манжетами 7, 8, 9, 10, 11, уплотняющими поршень 4 и разделитель 6 относительно корпуса 1 и друг друга и образующими таким образом рабочую 12 и возвратную 13 камеры, гидравлические каналы 14 и 15 для связи рабочей 12 и возвратной 13 камер с источником гидравлического давления, внешний цилиндрический удлинитель 16 поршня 4, высота которого не менее величины хода поршня 4, уплотнительные манжеты 8 и 9 разделителя 6, разнесенные друг относительно друга на поверхности разных диаметров так, что внутренняя 9 контактирует с плунжерным выступом 5 поршня 4, а внешняя 8 контактирует с цилиндрическим удлинителем 16 поршня 4, при этом в нижней части разделителя 6 между манжетами 8 и 9 выполнена кольцевая полость 17.

Устройство включает внутренний цилиндрический удлинитель 18 поршня 4, уплотнительные манжеты 7, 8, 9, 10, 11, выполненные М-образными и для уплотнения внутреннего цилиндрического удлинителя 18 поршня 4 установленные так, что лепестки нижней манжеты направлены вниз, а верхней вверх, при этом лепестки манжет 8 и 9 в нижней части разделителя 6 направлены вверх.

Устройство имеет гидравлический канал 19, связывающий кольцевую полость 17 разделителя 6 с возвратной камерой 13, обратный клапан 20, размещенный в гидравлическом канале 19 для одностороннего пропуска жидкости или газа из кольцевой полости 17 разделителя 6 в возвратную камеру 13.

Устройство включает, как минимум, одну гильзу 21, расположенную между корпусом 1 и внутренним удлинителем 18 поршня 4, установленную с возможностью продольного перемещения и уплотненную относительно корпуса 1 и поршня 4, ограничитель 22 продольного перемещения гильзы 21 относительно поршня 4, и ограничитель 23 продольного перемещения гильзы 21 относительно корпуса 1, выполненные, например, в виде шарикового замка, одна из канавок которого имеет ширину большую, чем диаметр шарика, или в виде пружинного разрезного кольца или штифта, при этом сумма ходов перемещений внутреннего удлинителя 18 поршня 4 и всех гильз 21 до их ограничителей 22 и 23 не менее чем ход поршня 4.

Устройство работает следующим образом.

При необходимости герметизации устья скважины с возможностью подачи инструмента гидравлическое давление от источника давления (насос с гидроаккумулятором) подается в гидравлический канал 14. При этом поршень 4 под действием давления в рабочей камере 12 движется вверх, сжимая уплотнительный элемент 2, который вследствие сужающейся формы полости крышки 3 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 4 и устьевого давления в скважине на уплотнительный элемент 2 и инструмент передается на крышку. При движении поршня 4 вверх его ограничитель 22 заставляет перемещаться вверх гильзу 21. При наличии излишков жидкости в полости 17 они выдавливаются через направленные вверх лепестки уплотнения 8 и 9 или через гидравлический канал 19 при открытии обратного клапана 20. Регулируя давление в рабочей камере 12, изменяют величину усилия сопротивления протаскиванию труб с муфтами различных размеров.

При открывании устройства (разгерметизации устья скважины) убирается гидравлическое давление из гидравлического канала 14 и подается гидравлическое давление в гидравлический канал 15, а оттуда в возвратную камеру 13. Поршень 4 под действием возникающего усилия опускается, освобождая уплотнительный элемент 2, который под действием сил упругости эластичного материала возвращается в исходное положение, освобождая инструмент.

Устройство реализовано в конструкциях универсальных превенторов ПГУM 350•70; ПГУМ 425•21 и ПГУМ 540•21, рассчитанных на рабочее давление до 21,0 МПа и 70,0 МПа и имеющих сферические уплотнительные элементы со стальными вкладышами.

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, уплотнительный элемент из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, крышку, уплотненную относительно корпуса с центральным отверстием и полусферической полостью для размещения уплотнительного элемента, поршень с плунжерным выступом и поверхностью для размещения уплотнительного элемента, разделитель, уплотненный относительно корпуса и крышки, размещенный между крышкой, корпусом и поршнем, уплотнительными манжетами, уплотняющими поршень и разделитель относительно корпуса и друг друга и образующими таким образом рабочую и возвратную камеры, гидравлические каналы для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления, отличающееся тем, что оно снабжено внешним цилиндрическим удлинителем поршня, высота которого не менее величины хода поршня, уплотнительные манжеты разделителя разнесены друг относительно друга на поверхности разных диаметров так, что внутренняя контактирует с плунжерным выступом поршня, а внешняя контактирует с цилиндрическим удлинителем поршня, при этом в нижней части разделителя между манжетами выполнена кольцевая полость.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено внутренним цилиндрическим удлинителем поршня, уплотнительные манжеты выполнены М-образными и для уплотнения внутреннего цилиндрического удлинителя поршня установлены так, что лепестки нижней манжеты направлены вниз, а верхней - вверх, при этом лепестки манжет в нижней части разделителя направлены вверх.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет гидравлический канал, связывающий кольцевую полость разделителя с возвратной камерой, и обратный клапан, размещенный в гидравлическом канале для одностороннего пропуска жидкости или газа из кольцевой полости разделителя в возвратную камеру.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено, как минимум, одной гильзой, расположенной между корпусом и внутренним удлинителем поршня, установленной с возможностью продольного перемещения и уплотненной относительно корпуса и поршня, ограничителем продольного перемещения гильзы относительно поршня и ограничителем продольного перемещения гильзы относительно корпуса, выполненных, например, в виде шарикового замка, одна из канавок которого имеет ширину большую, чем диаметр шарика, или в виде пружинного разрезного кольца или штифта, при этом сумма ходов перемещений удлинителя поршня и всех гильз до их ограничителей не менее, чем ход поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2