Устьевое оборудование скважины, эксплуатируемой с помощью погружного штангового насоса

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в качестве устьевого оборудования для скважин, преимущественно метаноугольных, которые эксплуатируются с помощью погружного штангового насоса. Устьевое оборудование состоит из корпуса с верхним и нижним фланцами, в котором выполнены центральный осевой канал и боковые отводы: нижние для сообщения с затрубным пространством скважины, а также верхние для сообщения с трубным каналом скважины. В осевом канале размещен трубодержатель для подвески лифтовой колонны. В двух верхних боковых отводах, расположенных напротив друг друга, установлены плашки с приводными узлами для их перемещения. Каждая плашка состоит из основания и вкладыша, подвижно связанных между собой с помощью накладок. Приводной узел включает в себя фигурную втулку с установленным в ее осевом канале винтом. Основание присоединено к одному концу винта, а на другом конце выполнены фаски под штурвал. Внутри осевого канала фигурной втулки и верхнего бокового отвода размещена направляющая вставка. Верхние торцы направляющей вставки и трубодержателя располагаются в одной плоскости. В случае необходимости демонтажа приводного механизма осуществляют вращение винтов. Плашки начинают перемещаться в радиальном направлении относительно оси центрального канала. Основания взаимодействуют сначала с верхними торцами направляющих вставок, а затем с верхним торцом трубодержателя. Вкладыши плотно охватывают полированный шток, слегка приподнимают его, а затем надежно фиксируют в этом положении. Повышается надежность работы устьевого оборудования, расширяются его технологические возможности, упрощается обслуживание и уменьшаются габариты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в качестве устьевого оборудования скважин, преимущественно метаноугольных, эксплуатируемых с помощью погружных штанговых насосов.

В отличие от нефтегазовых скважин в процессе эксплуатации метаноугольной скважины добыча газа (метана) осуществляется по затрубному пространству, а по лифтовой колонне с помощью погружного насоса откачивается пластовая вода. В комплект устьевого оборудования метаноугольной скважины, кроме специальной трубной головки, также входят специальный превентор и устьевое сальниковое устройство, предназначенные для герметизации устья и полированного штока.

Из-за значительного содержания в откачиваемой пластовой воде твердых частиц (угля, проппанта, цементного камня, шлама и др.) на практике наиболее часто используют винтовой штанговой насос с наземным приводным механизмом. Последний устанавливают непосредственно на корпусе устьевого сальникового устройства.

Известна конструкция устьевого оборудования для нефтяных насосных скважин на рабочее давление 14 МПа, серийно выпускаемое ООО “Юго-Камским машиностроительным заводом нефтепромыслового оборудования” [1]. Оно состоит из трубной головки с верхним и нижним присоединительными фланцами и двумя боковыми отводами, планшайбы для подвески лифтовой колонны, патрубка, тройника, устьевого сальника и запорных узлов.

В конструкции известного устьевого оборудования не учтены специфические особенности эксплуатации и ремонта метаноугольных скважин. По этой причине указанное оборудование малопригодно для использования на метаноугольных скважинах, к тому же оно недостаточно надежно в работе и неудобно в обслуживании.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, т.е. его прототипом, является арматура устьевая штангонасосная (малогабаритная) типа АШ [2], состоящая из корпуса трубной головки, выполненного с верхним и нижним фланцами, со ступенчатым центральным осевым каналом и с двумя боковыми отводами соответственно для сообщения с трубным каналом и затрубным пространством скважины. Боковые отводы выполнены с присоединительными местами и на них размещены запорные узлы. В центральном осевом канале корпуса трубной головки установлен трубодержатель для подвески лифтовой колонны и погружного насоса. Трубодержатель выполнен с осевым каналом, а на его наружной поверхности установлен уплотнительный узел в виде кольцевого эластичного элемента. Сверху на корпусе трубной головки последовательно размещены превентор и устьевое сальниковое устройство, которые обеспечивают герметизацию полированного штока, соединенного с колонной насосных штанг.

Превентор предназначен для герметизации полированного штока, а также устья скважины при замене устьевого сальника. В корпусе превентора выполнены осевой и два радиальных канала. Последние расположены напротив друг друга и в каждом из них установлена плашка с приводным узлом для ее перемещения. Плашки имеют возможность радиального перемещения относительно центрального осевого канала корпуса превентора и взаимодействия с размещенным в нем полированным штоком. Каждая плашка состоит из двух частей: основания и вкладыша. С помощью основания плашка соединяется с приводным узлом, а вкладыш обеспечивает надежное взаимодействие плашки с полированным штоком.

Приводной узел выполнен в виде винта, который размещен в осевом канале фигурной втулки, имеющем ответную винту внутреннюю резьбу. Винт и фигурная втулка образуют между собой винтовую пару. Винт уплотнен в осевом канале фигурной втулки и имеет возможность осевого возвратно-поступательного перемещения относительно нее, а сама втулка присоединена к корпусу превентора. Один конец винта связан с основанием плашки, а на другом конце винта выполнены плоские фаски под съемный штурвал или накидной ключ.

Прототип имеет ряд конструктивных недостатков, ограничивающих его применение в условиях метаноугольной скважины, снижающих надежность работы, а также затрудняющих обслуживание приводного механизма погружного насоса.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы устьевого оборудования скважины, эксплуатируемой с помощью погружного штангового насоса, расширение его технологических возможностей, упрощение обслуживания и уменьшение габаритов.

Поставленная задача достигается в предлагаемом техническом решении тем, что устьевое оборудование, которое включает в себя корпус трубной головки с верхним и нижним фланцами, со ступенчатым центральным осевым каналом, с боковыми отводами соответственно для сообщения с трубным каналом и с затрубным пространством скважины, которые имеют присоединительные места для установки запорных узлов, размещенный в осевом канале корпуса трубодержатель для подвески лифтовой колонны, который имеет на наружной поверхности уплотнительный узел, запорные узлы, которые размещены на боковых отводах корпуса, две плашки, выполненные в виде связанных между собой основания и вкладыша, которые имеют возможность радиального перемещения относительно центральной оси корпуса и взаимодействия с полированным штоком, приводные узлы для перемещения плашек, выполненные в виде образующих между собой винтовое соединение винта, связанного одним концом с основанием, и фигурной втулки со ступенчатым осевым каналом для размещения в нем винта, а также устьевое сальниковое устройство для герметизации полированного штока, снабжено стопорными пальцами для фиксации трубодержателя в корпусе, осями, направляющими вставками и накладками со сквозными каналами на обоих концах, а в корпусе выполнены дополнительные боковые отводы и радиальные каналы. Боковые отводы для сообщения соответственно с трубным каналом и с затрубным пространством скважины выполнены в корпусе на разных уровнях по его высоте, а дополнительные боковые отводы для сообщения с трубным каналом скважины - на одном уровне с основными боковыми отводами и напротив друг друга. Стопорные пальцы размещены в радиальных каналах корпуса с возможностью взаимодействия с трубодержателем. В дополнительных боковых отводах установлены приводные узлы для перемещения плашек. Вкладыши выполнены со скошенными нижними торцами. С обеих боковых сторон основания и вкладыша параллельно друг другу установлены накладки. Сами основания и вкладыши выполнены со сквозными каналами и подвижно связаны между собой с помощью накладок и осей. Одна из осей размещена в сквозных каналах основания и накладок, другая - в сквозных каналах вкладыша и накладок. Оси расположены параллельно друг другу и перпендикулярно к оси винта. Величина линейного угла “ϕ” между плоскостями, одна из которых проходит через обе оси, а другая - через ось винта и ось, соединяющую основание и накладки, может изменяться в пределах 0°<ϕ≤30°. Фигурные втулки выполнены с присоединительными фланцами, ответными присоединительным местам дополнительных боковых отводов в корпусе. Направляющая вставка размещена в осевом ступенчатом канале фигурной втулки и в соответствующем ей дополнительном боковом отводе таким образом, что верхние торцы трубодержателя и направляющей вставки располагаются в одной плоскости. Направляющая вставка закреплена в осевом ступенчатом канале фигурной втулки.

Конструкция предлагаемого устьевого оборудования поясняется чертежами, где: на фиг.1 показаны фронтальная и профильная проекции общего вида устьевого оборудования с плашками, находящимися в открытом положении, на фиг.2 - то же самое с плашками, которые зафиксировали полированный шток.

Предлагаемое устьевое оборудование состоит из цилиндрического корпуса 1, выполненного с гранями на наружной боковой поверхности, а также со ступенчатым центральным осевым и радиальными каналами. Корпус 1 имеет верхний 2 и нижний 3 фланцы.

На верхнем фланце 2 корпуса 1 размещается устьевое сальниковое устройство (на чертежах не показано). Нижний фланец 3 обеспечивает возможность монтажа корпуса 1 на верхнем фланце корпуса колонной головки (на чертежах не показана). В нижней части осевого канала корпуса 1 выполнена внутренняя кольцевая расточка для размещения в ней пакера (уплотнительного элемента) 4 для герметизации верхней части эксплуатационной колонны 5, выступающей из корпуса колонной головки.

Корпус 1 выполнен с боковыми отводами: нижними 6 и верхними 7, которые размещены на двух уровнях по его высоте и имеют присоединительные фланцы для установки запорной арматуры. Нижние боковые отводы 6 в корпусе 1 предназначены для сообщения с затрубным пространством скважины, а верхние боковые отводы 7 - с ее трубным каналом. Присоединительные места боковых отводов 6 и 7 выполнены на боковых гранях корпуса 1.

В осевом канале корпуса 1, между нижними 6 и верхними 7 боковыми отводами, выполнено посадочное место для размещения трубодержателя 8.

Трубодержатель 8 имеет центральный осевой канал. В нижней части этого канала выполнена внутренняя резьба для присоединения лифтовой колонны 9, на нижнем конце которой размещен погружной насос, в средней части - внутренняя резьба (на чертежах не показана) для установки глухой пробки или пробки-клапана, а в верхней части - внутренняя резьба для присоединения монтажного патрубка с муфтой. На наружной поверхности трубодержателя 8 размещен уплотнительный узел в виде кольцевых эластичных элементов 10, который обеспечивает герметизацию трубодержателя 8 в корпусе 1. Для фиксации трубодержателя 8 служат установленные в радиальных каналах корпуса 1 стопорные пальцы 11.

Сверху на корпусе 1 размещено устьевое сальниковое устройство 12 для герметизации полированного штока 13, соединенного с колонной насосных штанг. На устьевом сальниковом устройстве 12 устанавливается приводной механизм погружного насоса (на чертежах не показан).

К нижним боковым отводам 6, а также к двум верхним боковым отводам 7 присоединены запорные узлы 14.

В каждом из двух других верхних боковых отводов 7, которые расположены в корпусе 1 напротив друг друга, размещена плашка с приводным узлом для ее радиального перемещения относительно центральной оси корпуса 1.

Плашка состоит из основания 15 и вкладыша 16, которые подвижно (т.е. с зазором “а”) связаны между собой с помощью накладок 17, параллельно установленных с их противоположных боковых сторон. Вкладыш 16 выполнен со скошенным нижним торцом и с полукруглым пазом на боковой поверхности, соответствующим наружной поверхности полированного штока 13. Накладки 17 с помощью осей 18 и 19 присоединены соответственно к основанию 15 и вкладышу 16. Приводной узел плашки выполнен в виде винта 20 и фигурной втулки 21 с осевым каналом. Осевой канал фигурной втулки 21 имеет внутреннюю резьбу, ответную наружной резьбе винта 20. Винт 20 размещен в этом осевом канале с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения относительно фигурной втулки 21. Таким образом, винт 20 и фигурная втулка 21 образуют между собой винтовую пару.

Фигурная втулка 21 выполнена с присоединительным фланцем 22, посредством которого она соединяется с соответствующим боковым отводом 7 в корпусе 1. Наличие у фигурной втулки 21 присоединительного фланца 22 позволяет, в случае необходимости, достаточно быстро присоединить приводные узлы к боковым отводам 7 в корпусе 1 или, наоборот, отсоединить их, т.е. позволяет сделать приводные узлы съемными.

Внутри бокового отвода 7 и в осевом канале фигурной втулки 21 установлена направляющая вставка 23, препятствующая повороту плашки при вращении винта 20. Высота направляющей вставки 23 подбирается таким образом, чтобы ее верхний торец находился в одной плоскости с верхним торцом трубодержателя 8. Направляющая вставка 23 закреплена в осевом канале фигурной втулки 21. Со стороны центрального осевого канала корпуса 1 верхний торец направляющей вставки 23 выполнен со скосом, обратным по отношению к скосу нижнего торца вкладыша 16.

Основание 15 подвижно присоединено к одному концу винта 20, а на его другом конце выполнены плоские фаски 24 для установки съемного штурвала или накидного ключа (на чертежах не показаны).

Оси 18 и 19 расположены параллельно друг другу и перпендикулярно по отношению к оси винта 20. Ось 18 пересекается с осью винта 20. Ось 19 расположена выше, чем ось 18, поэтому она не пересекается с осью винта 20.

Плоскость, проходящая через ось винта 20 и ось 18, перпендикулярна центральному осевому каналу корпуса 1. Величина линейного угла “ϕ” между плоскостью, проходящей через ось винта 20 и ось 18, и плоскостью, проходящей через оси 18 и 19, может изменяться в пределах от 0° до 30° (т.е. 0°<ϕ≤30°).

Устьевое оборудование работает следующим образом.

В процессе эксплуатации указанное оборудование установлено на устье метаноугольной скважины. По одному или нескольким нижним боковым отводам 6 добываемый из газоносных угольных пластов метан поступает из затрубного пространства в линию отвода газа. Откачиваемая с помощью погружного винтового насоса пластовая вода направляется по одному или двум верхним боковым отводам 7 в линию отвода воды. К двум верхним боковым отводам 7, расположенным в корпусе 1 напротив друг друга, присоединены приводные узлы с плашками (или эти отводы заглушены). В последнем случае приводные узлы с плашками присоединяются к указанным боковым отводам 7 только в случае необходимости.

При работе погружного винтового насоса плашки находятся внутри боковых отводов 7 в корпусе 1, т.е. они отведены от вращающегося полированного штока 13, верхняя часть которого связана с приводным механизмом погружного насоса.

Если появилась необходимость в проведении каких-нибудь операций, связанных с демонтажем приводного механизма погружного насоса, то следует произвести его остановку, а затем с помощью плашек обеспечить надежный захват полированного штока 13 и удержание на весу подвешенной к нему колонны насосных штанг. Для этого на свободные концы винтов 20 устанавливают штурвалы (или накидные ключи). Путем равномерного вращения винтов 20 осуществляют одновременное радиальное перемещение плашек относительно центральной оси корпуса 1 с целью захвата ими полированного штока 13.

В процессе этого движения нижний торец каждого вкладыша 16 сначала перемещается по верхней плоскости направляющей вставки 23, а затем - по верхнему торцу трубодержателя 8 до момента упора вкладыша 16 в полированный шток 13. Скошенный нижний торец вкладыша 16 облегчает процесс этого перемещения, а полукруглым паз на его боковой поверхности увеличивает площадь взаимодействия с полированным штоком 13, что способствует уменьшению величины контактного давления.

При дальнейшем вращении винтов 20 вкладыш 16 за счет конструктивных особенностей плашки (наличия зазора “а” и линейного угла “ϕ”) начинает не только плотнее прижиматься к полированному штоку 13, но и смещаться вверх до момента взаимодействия смежных сторон основания 15 и вкладыша 16. При этом полированный шток 13 оказывается слегка приподнятым (для облегчения отсоединения приводного механизма погружного насоса) и надежно зафиксированным обеими плашками, которые опираются на верхний торец трубодержателя 8. Таким образом, вес колонны насосных штанг оказывается разгруженным на трубодержатель 8, а через него на корпус 1.

После этого можно начинать работы, связанные с демонтажем приводного механизма погружного насоса.

Процесс освобождения полированного штока 13 осуществляется путем равномерного вращения винтов 20 в обратную сторону с целью отвода плашек в исходное положение. После этого приводные узлы вместе с плашками, в случае необходимости, могут быть отсоединены от боковых отводов 7 в корпусе 1.

Источники информации

1. Каталог ООО “Юго-Камский машиностроительный завод нефтепромыслового оборудования”, 2002 г., с.10.

2. Каталог ОАО “Акционерная компания “Корвет”, 2003 г., с.11, 18 и 19.

1. Устьевое оборудование скважины, эксплуатируемой с помощью погружного штангового насоса, включающее корпус трубной головки с верхним и нижним фланцами, со ступенчатым центральным осевым каналом, с боковыми отводами для сообщения с трубным каналом и затрубным пространством скважины, которые выполнены с присоединительными местами для установки запорных узлов, размещенный в центральном канале корпуса трубодержатель для подвески лифтовой колонны и погружного насоса, имеющий на наружной поверхности уплотнительный узел, установленные на боковых отводах корпуса запорные узлы, две плашки, каждая из которых состоит из связанных между собой основания и вкладыша, имеющие возможность радиального перемещения относительно центральной оси корпуса и взаимодействия с полированным штоком, приводные узлы для перемещения плашек, каждый из которых выполнен в виде винта, связанного одним концом с основанием, и фигурной втулки со ступенчатым осевым каналом для размещения в нем винта, которые образуют между собой винтовую пару, а также устьевое сальниковое устройство для герметизации полированного штока, отличающееся тем, что оно снабжено стопорными пальцами для фиксации трубодержателя в корпусе, направляющими вставками, накладками со сквозными каналами на обоих концах и осями, причем в корпусе выполнены радиальные каналы и дополнительные боковые отводы для сообщения с трубным каналом скважины, при этом стопорные пальцы размещены в радиальных каналах корпуса с возможностью взаимодействия с трубодержателем, а основания и вкладыши выполнены со сквозными каналами и подвижно связаны между собой с помощью накладок и осей, причем накладки размещены параллельно друг другу на обеих боковых сторонах основания и вкладыша, одна из которых установлена в сквозных каналах основания и накладок, а другая - в сквозных каналах вкладыша и накладок, при этом обе оси расположены параллельно друг другу и перпендикулярно к оси винта, причем величина линейного угла ϕ между плоскостями, одна из которых проходит через обе оси, а другая - через ось винта и ось, связывающую основание и накладки, может изменяться в пределах 0°<ϕ≤30°, при этом боковые отводы соответственно для сообщения с трубным каналом и затрубным пространством скважины выполнены в корпусе на разных уровнях по его высоте, причем дополнительные боковые отводы для сообщения с трубным каналом выполнены в корпусе на одном уровне с основными и напротив друг друга, а в них установлены приводные узлы для перемещения плашек, при этом каждая направляющая вставка размещена в осевом ступенчатом канале фигурной втулки и в соответствующем ей дополнительном боковом отводе таким образом, что верхние торцы направляющей вставки и трубодержателя располагаются в одной плоскости, а вкладыш выполнен со скошенным нижним торцом.

2. Устьевое оборудование скважины, эксплуатируемой с помощью погружного штангового насоса, по п.1, отличающееся тем, что фигурная втулка выполнена с присоединительным фланцем, ответным присоединительному месту дополнительного бокового отвода в корпусе, причем направляющая вставка закреплена в осевом ступенчатом канале фигурной втулки.