Устройство герметизации устья скважины

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины. Обеспечивает повышение надежности работы, расширение эксплуатационных возможностей и упрощение конструкции устройства. Сущность изобретения: устройство включает корпус со сквозным центральным отверстием конической формы, содержащий верхний и нижний фланцы с кольцевыми канавками для уплотнительных прокладок, вставной герметизатор с уплотнителем ведущей бурильной трубы, выполненный в виде статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в сквозной расточке статора с возможностью вращения. Узел фиксации статора в корпусе выполнен в виде выдвижных упоров с винтовым приводом, взаимодействующих с наружной поверхностью статора. Выдвижные упоры с винтовым приводом размещены в радиальных отверстиях, выполненных в верхнем фланце, и снабжены уплотнительными элементами. Ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей бурильной трубы через уплотнитель, закрепленный на роторе, а статор снабжен эластичным уплотнительным элементом, герметизирующим полость между статором и конической расточкой корпуса. Статор выполнен цельным и снабжен герметизирующим ротор дополнительным уплотнительным элементом из эластичного материала в виде кольца круглого сечения, расположенного в канавке, выполненной в конической расточке статора. 3 ил.

 

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой.

Известно оборудование для герметизации устья скважины (а.с. 1810485, МКИ Е 21 В 33/03), содержащее полый цилиндрический корпус с осевым каналом для пропуска труб, с уплотнительным элементом и фланцем для присоединения к устьевому фланцу, а также герметизирующую вставку с уплотнительным элементом.

Недостатком известного оборудования является низкая производительность работы при выполнении спускоподъемных операций с бурильной колонной, связанная с необходимостью временных затрат на монтаж и демонтаж съемного хомута на каждой наращиваемой или поднимаемой из скважины трубе. Кроме того, известное оборудование обладает высокой трудоемкостью в эксплуатации и в техническом обслуживании, обусловленные сложностью конструкции, а также, вследствие этого, низкой надежностью работы.

Известно устройство герметизации устья скважины (RU 2142552, МКИ Е 21 В 33/03), содержащее:

- корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб бурильной колонны, содержащий верхний фланец и нижний фланец с кольцевой канавкой для уплотнительной прокладки;

- герметизирующую вставку с уплотнителем ведущей бурильной трубы, выполненную в виде разъемного в диаметральной плоскости и состоящего из двух половин статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в статоре с возможностью вращения;

- и узел крепления статора в корпусе, выполненный в виде взаимодействующих с пазами выдвижных упоров с винтовым приводом, размещенных в радиальных отверстиях корпуса, расположенных под верхним фланцем;

- при этом в центральном сквозном канале корпуса выполнена коническая расточка;

- ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей трубы через уплотнитель, жестко закрепленный на роторе,

- а статор снабжен уплотнительным элементом, жестко присоединенным к статору, взаимодействующим с ротором и герметизирующим полость между статором и конической расточкой корпуса.

Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, обусловленная недолговечностью работы уплотнителя и возможностью потери герметичности в его контакте с ведущей трубой. Это объясняется тем, что жесткое крепление уплотнителя к ротору в известном устройстве реализовано поджатием эластичного уплотнителя к прилегающей поверхности центрального сквозного канала ротора и наружной поверхности ведущей трубы посредством крышки, закрепленной на верхнем торце ротора болтами. Тем самым, в результате возникновения нерегулируемого усилия прижатия, рассчитанного на максимальное давление флюида на устье скважины, и большой поверхности контакта при перемещениях ведущей трубы может происходить равномерный повышенный износ уплотнителя. При этом форма уплотнителя и его размещение в зазоре между ведущей трубой и ротором не обеспечивают эффекта самогерметизации при повышении давления скважинного флюида на устье так, как это происходит при использовании манжетных или круглых кольцевых уплотнений, размещаемых в канавках. Поэтому для сохранения герметичности по мере износа уплотнителя в зоне его контакта с ведущей трубой необходимо периодически увеличивать усилие его поджатия болтами, для чего необходимы остановки процесса бурения, дополнительные затраты времени и повышенные эксплуатационные затраты на смену уплотнителя при его чрезмерном износе.

Кроме того, повышенный односторонний износ уплотнителя будет происходить и вследствие того, что продольные оси ведущей трубы и устья скважины, как правило, имеют радиальное и угловое смещение. И поэтому эксцентричность ведущей трубы при ее вращении и продольном перемещении относительно уплотнителя будет приводить к повышенному одностороннему износу последнего, жестко закрепленного на роторе известного устройства. А такой неравномерный износ уплотнителя, во-первых, значительно уменьшает срок его службы, а во-вторых, не может быть полностью компенсирован поджатием, что может привести в процессе работы к потере герметичности и неконтролируемому прорыву скважинного флюида, переходящему в открытый фонтан.

К недостаткам известного устройства следует также отнести ограниченные эксплуатационные возможности, связанные с невозможностью герметичного монтажа на верхний фланец дополнительного противовыбросового оборудования, например, при ликвидации нефтегазопроявления в случае потери герметичности уплотнительного элемента статора или в ситуации, когда вставной герметизатор извлечен из корпуса. Это обусловлено тем, что корпус известного устройства из-за радиальных отверстий, выполненных под верхним фланцем для установки выдвижных упоров, негерметичен. Поэтому на верхнем фланце известного устройства не предусмотрена канавка под линзовое кольцо, обеспечивающая возможность герметичного монтажа дополнительного противовыбросового оборудования.

Выполнение статора известного устройства, разъемного в диаметральной плоскости и состоящего из двух половин, усложняет конструкцию и повышает стоимость устройства.

И, наконец, то, что «статор снабжен дополнительным уплотнителем, жестко присоединенным к статору и находящимся в контакте с корпусом ротора и герметизирующим полость между статором и корпусом», теоретически исключает работоспособность известного устройства, так как не обеспечивается герметичность между вращающимся ротором и неподвижным статором. Дополнительный уплотнитель не герметизирует полость статора, в которой расположен ротор, а лишь находится «...в контакте с корпусом ротора...». Таким образом, через зазоры в подвижном вращающемся соединении ротора и статора возможны пропуски флюидов, находящихся под давлением на устье скважины, вследствие чего можно сделать вывод о несоответствии известного устройства своему наименованию и функциональному назначению - герметизации устья скважины.

Таким образом, известное устройство обладает низкой надежностью, ограниченными эксплуатационными возможностями, сложной конструкцией и несоответствием своему наименованию и функциональному назначению.

Задачей изобретения является создание устройства для герметизации устья скважины, лишенного перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности работы, расширение эксплуатационных возможностей и упрощение конструкции устройства для герметизации устья скважины и, как следствие, повышение надежности герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой.

Для обеспечения этих результатов известное устройство для герметизации устья скважины, включающее:

- корпус со сквозным центральным отверстием конической формы, содержащий верхний фланец и нижний фланец с кольцевой канавкой для уплотнительной прокладки;

- вставной герметизатор с уплотнителем ведущей бурильной трубы, выполненный в виде статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в сквозной расточке статора с возможностью вращения,

- и узел фиксации статора в корпусе, выполненный в виде выдвижных упоров с винтовым приводом, взаимодействующих с наружной поверхностью статора;

- при этом в центральном сквозном канале корпуса выполнена коническая расточка,

- ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей трубы через уплотнитель, закрепленный на роторе,

- а статор снабжен эластичным уплотнительным элементом, герметизирующим полость между статором и конической расточкой корпуса,

согласно изобретению

- уплотнитель ведущей бурильной трубы выполнен в виде манжеты из эластичного материала с внутренним и наружным герметизирующими выступами и установлен в верхней расточке ротора с возможностью радиального перемещения;

- выдвижные упоры с винтовым приводом размещены в радиальных отверстиях, выполненных в верхнем фланце, и снабжены уплотнительными элементами;

- на верхнем фланце выполнена кольцевая канавка для уплотнительной прокладки,

- а статор выполнен цельным и снабжен герметизирующим ротор дополнительным уплотнительным элементом из эластичного материала в виде кольца круглого сечения диаметром d, расположенного в канавке диаметром D, выполненной в конической расточке статора под углом β к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора,

- причем величина угла β удовлетворяет соотношению

На фиг.1 показан общий вид заявляемого устройства в рабочем положении, при котором осуществляется герметизация вращающейся ведущей трубы, на фиг.2 - вид А на фиг.1, в разрезе увеличенный вид фрагмента ротора с уплотнителем, на фиг.3 - взаимодействие дополнительного уплотнительного элемента, установленного в статоре, и ротора.

Устройство содержит корпус 1 и вставной герметизатор 2. Корпус имеет нижний фланец 3 с кольцевой канавкой 4 под уплотнительную прокладку (не показана) для герметичного монтажа на верхнем фланце устьевого оборудования скважины (не показано) и верхний фланец 5 с кольцевой канавкой 6 под уплотнительную прокладку (не показана) для герметичного монтажа на устройстве дополнительного противовыбросового оборудования (не показано).

Вставной герметизатор 2 содержит статор 7, неподвижно закрепленный в корпусе 1, и ротор 8, установленный в сквозной расточке статора 7 с возможностью вращения. Выполнение статора 7 в виде цельной, а не состоящей из двух половин как в прототипе, детали упрощает конструкцию заявляемого устройства и уменьшает его стоимость. Герметизация ведущей бурильной трубы 9 в роторе 8 осуществляется уплотнителем 10, выполненным в виде манжеты с внутренним герметизирующим выступом 11, образующим квадратное отверстие, охватывающее ведущую бурильную трубу 9, и наружным герметизирующим выступом 12 круглого сечения, находящимся в контакте с цилиндрической поверхностью верхней расточке 13 ротора 8. Уплотнитель 10 установлен в верхней расточки 13 ротора 8 с кольцевым зазором 14, обеспечивающим возможность радиальных перемещений уплотнителя 10 на величину кольцевого зазора 14 благодаря упругой деформации наружного герметизирующего выступа 12. Фиксация уплотнителя 10 в верхней расточке 13 осуществляется манжетодержателем 15, выполненным в виде кольца, установленным под телом уплотнителя 10, и крышкой 16 с квадратным отверстием под ведущую бурильную трубу 9, неподвижно закрепленной на роторе 8 над уплотнителем 10.

Герметизация статора 7 в сквозном центральном отверстии 17 конической формы, выполненном в корпусе 1, осуществляется уплотнительным элементом 18 в виде манжеты, установленным в кольцевой канавке 19, выполненной на наружной поверхности статора 7.

Герметизация ротора 8 в статоре 7 осуществляется дополнительным уплотнительным элементом из эластичного материала в виде кольца 20 круглого сечения диаметром d, расположенного в канавке диаметром D, выполненной в конической расточке статора под углом β к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, при этом величина угла β удовлетворяет соотношению

Узел фиксации статора 7 в корпусе 1 выполнен в виде выдвижных упоров 22 с винтовым приводом 23, расположенных в радиальных отверстиях 24, выполненных в верхнем фланце 5 и взаимодействующих с фигурной проточкой, выполненной на наружной поверхности статора 7. Герметизация выдвижных упоров 22 в радиальных отверстиях 24 осуществляется уплотнениями 25.

Заявляемое устройство для герметизации устья скважины работает следующим образом.

Корпус 1 устройства устанавливается и крепится нижним фланцем 3 на верхнем фланце устьевого оборудования скважины (не показано). При этом для герметичности монтажа в кольцевую канавку 4 устанавливается уплотнительная прокладка (не показана), взаимодействующая с аналогичной кольцевой канавкой верхнего фланца устьевого оборудования скважины.

В скважину через сквозное центральное отверстие 17 корпуса 1 спускают бурильную компоновку (не показана), включающую колонну труб и породоразрушающий инструмент, и закрепляют ее в элеваторе (не показан), расположенном на верхнем фланце 5.

Полностью собранный вставной герметизатор 2 устанавливается снизу на ведущую бурильную трубу 9. При этом внутренний выступ 11 эластичного уплотнителя 10, образующий квадратное отверстие, упруго растягиваясь, охватывает наружную поверхность ведущей бурильной трубы 9, герметично разделяя ее на участки, расположенные над и под зоной контакта внутреннего выступа 11 с ведущей бурильной трубой 9. Одновременно наружный выступ 12 уплотнителя 10, упруго деформируясь, примыкает к внутренней поверхности верхней расточки 13, герметично отделяя участок ее полости, расположенный под зоной контакта с наружным выступом 12, от выше расположенного участка полости верхней расточки 13.

Ведущую бурильную трубу 9 свинчивают с колонной бурильных труб, спущенной в скважину, после чего винтовыми приводами 23 выдвижные упоры 22 перемещают от центра корпуса 1 наружу и опускают ведущую бурильную трубу 9 с бурильной компоновкой и со вставным герметизатором 2, который входит внутрь сквозного центрального отверстия 17 корпуса 1. При этом эластичный уплотнительный элемент 18, выполненный в форме манжеты и установленный в кольцевой канавке 19, выполненной на наружной поверхности статора 7, упруго деформируясь, герметично разделяет полость сквозного центрального отверстия 17 над и под зоной контакта уплотнительного элемента 18 с конической поверхностью сквозного центрального отверстия 17.

Винтовыми приводами 23 выдвижные упоры 22 перемещают к центру корпуса 1 до взаимодействия с фигурной проточкой, выполненной на наружной поверхности статора 7, неподвижно фиксируя последний в корпусе 1, после чего заявляемое устройство готово к работе.

При этом первоначальная герметичность на устье обеспечивается:

- между ведущей бурильной трубой 9 и уплотнителем 10 - за счет упругого обжатия наружной поверхности ведущей бурильной трубы 9 внутренним выступом 11, образующим квадратное отверстие;

- между уплотнителем 10 и верхней расточкой 13 - за счет упругого поджатия наружного выступа 12 к цилиндрической поверхности верхней расточки 13;

- между статором 7 и ротором 8 - за счет дополнительного уплотнительного элемента из эластичного материала в виде кольца 20 круглого сечения, расположенного в канавке 21, выполненной в сквозной расточке статора 7 под углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора 8;

- между статором 7 и сквозным центральным отверстием 17 корпуса 1 - за счет уплотнительного элемента 18 в виде манжеты, установленного в кольцевой канавке 19, выполненной на наружной поверхности статора 7.

После включения вращения ведущей бурильной трубы 9 и насоса (не показан) для подачи бурового раствора производят бурение скважины с вращением и вертикальным перемещением ведущей бурильной трубы 9 относительно заявляемого устройства.

Включают привод вращения ведущей бурильной трубы 9, от которой через крышку 16, жестко соединенную с ротором 8, вращение передается на ротор, который вращается в статоре 7, неподвижно закрепленный в корпусе 1 выдвижными упорами 22 с винтовыми приводами 23.

После включения вращения ведущей бурильной трубы 9 и насоса (не показан) для подачи бурового раствора производят бурение скважины с вращением и вертикальным перемещением ведущей бурильной трубы 9 относительно заявляемого устройства. При этом возможны как несоосность, так и перекос продольных осей ведущей бурильной трубы 9 и верхнего фланца устьевого оборудования, на котором жестко установлено заявляемое устройство.

Герметичность на устье в процессе работы между ведущей бурильной трубой 9 и уплотнителем 10 обеспечивается за счет упругого обжатия наружной поверхности ведущей бурильной трубы 9 внутренним выступом 11, образующим квадратное отверстие. При этом радиальное биение ведущей бурильной трубы 9 за счет ее несоосности и перекоса будет компенсироваться перемещениями уплотнителя 10 в верхней расточке 13 на величину кольцевого зазора 14, а также упругими деформациями внутреннего 11 и наружного 12 герметизирующих выступов уплотнителя. Тем самым, по сравнению с прототипом исключается односторонний повышенный износ уплотнителя 10, повышается срок службы и надежность его работы и заявляемого устройства в целом.

Нежесткое («плавающее») закрепление уплотнителя 10 в верхней расточке 13 и его выполнение в виде манжеты с внутренним 11 и наружным 12 герметизирующими выступами обеспечивают по мере увеличения давления скважинного флюида на устье пропорциональное увеличение усилия поджатия выступов 11 и 12 к поверхностям ведущей бурильной трубы 9 и верхней расточки 13. Этим обеспечивается пропорциональное увеличение запаса герметичности на поверхностях контакта уплотнителя 10 с ведущей бурильной трубой 9 и верхней расточкой 13. Тем самым, по сравнению с прототипом, где необходимо периодическое, с перерывами процесса бурения, поджатие уплотнителя крышкой с нерегулируемым по величине усилием, уменьшается износ уплотнителя 10, увеличивается срок его службы и повышается надежность работы.

Выполнение уплотнений между статором 7 и ротором 8, между статором 8 и корпусом 1 раздельными, по сравнению с прототипом, увеличивает долговечность их работы. Этому же способствует и то, что герметизация ротора 8 в статоре 7 осуществляется дополнительным уплотнительным элементом из эластичного материала в виде кольца 20 круглого сечения диаметром d, расположенного в канавке диаметром D, выполненной в конической расточке статора под углом β к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, при этом величина угла β удовлетворяет соотношению

Благодаря такой величине угла наклона β кольца 20 относительно ротора 8 достигается повышение срок службы работы кольца 20, что обусловлено следующим:

- при вращении ротора 8 в контакте с уплотнительным кольцом 20 находится не линейный, находящийся в диаметральной плоскости участок цилиндрической поверхности ротора 8, а широкий участок цилиндрической поверхности высотой не менее диаметра d кольца 20. Тем самым, при каждом обороте ротора в контакт с кольцом 20 постоянно вступает поверхность ротора 8, ранее не находившаяся в контакте с кольцом 20 и, следовательно, до этого находившаяся в контакте с жидкостью, находящейся под давлением на устье. Благодаря постоянному смачиванию этого участка цилиндрической поверхности ротора 8 высотой не менее диаметра d трение в контакте ротора 8 и кольца 20 уменьшается, что способствует уменьшению износа кольца 20, повышению его долговечности и надежности работы устройства;

- это же обстоятельство, увеличивающее площадь контакта ротора 8 с кольцом 20, обеспечивает более интенсивный отвод тепла, образующегося при трении в процессе вращения ротора 8 в статоре 7, что также способствует уменьшению износа кольца 20, повышению его долговечности и надежности работы устройства.

Размещение выдвижных упоров 22 с винтовым приводом 23 в радиальных отверстиях 24, выполненных в верхнем фланце 5, и снабжение их уплотнительным и элементами 25 обеспечивает герметичность корпуса 1 в случае нарушения герметичности уплотнительного элемента 18 или в ситуации, когда вставной герметизатор 2 находится вне корпуса 1. В сочетании с выполнением на верхнем фланце 5 кольцевой канавки 6 для уплотнительной прокладки эти технические решения при возникновении нефтегазопроявления на устье обеспечивают возможность оперативной установки на верхний фланец 5 дополнительного противовыбросового оборудования, что расширяет эксплуатационные возможности заявляемого устройства и позволяет предотвратить открытый нефтегазовый фонтан.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом:

- исключение одностороннего повышенного износа уплотнителя ведущей бурильной трубы, связанного с ее несоосностью и перекосом относительно продольной оси заявляемого устройства, что обеспечивает повышение долговечности работы уплотнителя, надежности его работы и заявляемого устройства в целом,

- уменьшение износа уплотнительного элемента ротора обеспечивает повышение долговечности и надежности его работы и заявляемого устройства в целом,

- обеспечение герметичности корпуса и возможность установки на верхний фланец дополнительного противовыбросового оборудования расширяет эксплуатационные возможности,

- выполнение статора цельным упрощает конструкцию и уменьшает стоимость.

Устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус со сквозным центральным отверстием конической формы, содержащий верхний фланец и нижний фланец с кольцевой канавкой для уплотнительной прокладки; вставной герметизатор с уплотнителем ведущей бурильной трубы, выполненный в виде статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в сквозной расточке статора с возможностью вращения, и узел фиксации статора в корпусе, выполненный в виде выдвижных упоров с винтовым приводом, взаимодействующих с наружной поверхностью статора; при этом в центральном сквозном канале корпуса выполнена коническая расточка, ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей трубы через уплотнитель, закрепленный на роторе, а статор снабжен эластичным уплотнительным элементом, герметизирующим полость между статором и конической расточкой корпуса, отличающееся тем, что уплотнитель ведущей бурильной трубы выполнен в виде манжеты из эластичного материала с внутренним и наружным герметизирующими выступами и установлен в верхней расточке ротора с возможностью радиального перемещения; выдвижные упоры с винтовым приводом размещены в радиальных отверстиях, выполненных в верхнем фланце, и снабжены уплотнительными элементами; на верхнем фланце выполнена кольцевая канавка для уплотнительной прокладки, а статор выполнен цельным и снабжен герметизирующим ротор дополнительным уплотнительным элементом из эластичного материала в виде кольца круглого сечения диаметром d, расположенного в канавке диаметром D, выполненной в конической расточке статора под углом β к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, причем величина угла β удовлетворяет соотношению