Устройство герметизации устья скважины

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спуско-подъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой. Обеспечивает снижение трудоемкости эксплуатации, повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат и упрощение конструкции. Сущность изобретения: устройство включает полый цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, в которых выполнены расточки, и центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием. Содержится ротор, установленный в корпусе на опорах вращения и содержащий герметизирующий элемент и элементы его соединения с ротором в виде верхней и нижней втулок, взаимодействующих с опорами вращения и расточками корпуса. Содержится рабочая гидравлическая камера в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненная рабочим агентом. С рабочей гидравлической камерой гидравлически связан узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе. В устройстве содержатся гидравлические каналы. Согласно изобретению устройство дополнительно содержит узел выравнивания давлений между рабочей гидравлической камерой и стволом скважины, установленный на корпусе между фланцами и выполненный в виде гидроцилиндра с подпружиненным поршнем, разделяющим гидроцилиндр на две полости. Одна полость гидравлически связана с рабочей гидравлической камерой, а другая полость связана гидравлическим каналом с запорным краном и сквозным отверстием. Последнее выполнено в нижнем фланце от наружной поверхности до расточки, со стволом скважины. Узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе выполнен в виде гидроцилиндра с поршнем. Поршень оснащен механизмом перемещения в виде винтового привода. Герметизирующий элемент выполнен из двух коаксиально расположенных элементов - наружной кольцевой диафрагмы и внутреннего сменного уплотнителя. Расточки корпуса снабжены уплотнительными элементами, взаимодействующими с верхней и нижней втулками ротора. 1 ил.

 

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

Известно устройство герметизации устья скважины (RU 2142552 С1, МПК⁶ Е 21 В 33/03, опубл.10.12.1999), содержащее корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб бурильной колонны и присоединительными фланцами, герметизирующую вставку с уплотнителем ведущей бурильной трубы квадратного сечения, состоящую из статора и ротора с возможностью взаимного вращения [1].

Недостатком известного устройства является ограниченность его эксплуатационных возможностей, обусловленная тем, что:

- уплотнитель ведущей бурильной трубы квадратного сечения может герметизировать только один ее типоразмер. Поэтому для герметизации ведущих бурильных труб с другими размерами квадратного сечения необходимо иметь в комплекте сменных частей либо дополнительные герметизирующие вставки с уплотнителями, имеющими различные размеры квадратного отверстии, либо несколько уплотнителей с различными размерами квадратного отверстия;

- уплотнителем ведущей бурильной трубы квадратного сечения невозможно герметизировать трубы бурильной колонны круглого сечения, что по аналогии с вышесказанным требует наличия в комплекте сменных частей дополнительных герметизирующих вставок с уплотнителями круглого сечения различного диаметра или несколько уплотнителей круглого сечения различного диаметра.

Тем самым за счет расширения комплекта сменных частей увеличивается стоимость известного устройства, а необходимость переналадки известного устройства, связанная с переустановкой либо самой герметизирующей вставки, либо уплотнителей в ней, увеличивает затраты по эксплуатации.

Кроме этого, установка герметизирующей вставки при эксплуатации известного устройства перед проведением технологических операций характеризуется повышенной трудоемкостью.

К тому же, устройство ненадежно в эксплуатации, поскольку постоянный контакт уплотнителя, поджатого разрезной шайбой к наружной поверхности ведущей трубы бурильной колонны, вызывает ее повышенный износ при спусках и подъемах ведущей трубы. Это чревато потерей герметичности в контакте ведущей трубы с уплотнителем и при повышении давления на устье скважины может привести к переливам раствора или нефтегазопроявлению. Вместе с тем ненадежность работы известного устройства обусловлена также и тем, что нижний замок ведущей бурильной трубы, наружный диаметр которого не менее размера диагонали ее квадратного сечения, не сможет пройти через разрезную шайбу с отверстием под квадрат. Поэтому возможна ситуация, когда в процессе подъема колонны бурильных труб на ведущей трубе из-за ошибки бурильщика, производящего подъем на повышенной скорости и вовремя не затормозившего лебедку, нижний замок ведущей трубы при подъеме упрется в разрезную шайбу. Поскольку от вертикальных перемещений статор герметизирующей вставки закреплен в корпусе выдвижными упорами, ротор закреплен в статоре, а разрезная шайба жестко соединена с ротором, то удар снизу торцом нижнего замка ведущей трубы в разрезную шайбу может вызвать поломку деталей и узлов известного устройства.

Известна устьевая герметизирующая головка (RU 2068488 С1, МПК⁶ Е 21 В 33/06, включающая:

- полый цилиндрический корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием;

- герметизирующий элемент, установленный в корпусе на опоре вращения в виде упорного шарикового подшипника в нижнем съемном фланце;

- рабочую гидравлическую камеру, образованную нижней кольцевой полостью между корпусом и герметизирующим элементом;

- камеру регулировки поджатия герметизирующего элемента к трубе, образованную верхней полостью корпуса и поршнем, связанным с герметизирующим элементом;

- гидравлические каналы с рабочим агентом, связывающие рабочую гидравлическую камеру и камеру регулировки поджатия с нагнетательным насосом.

К недостаткам известного устройства следует отнести повышенную трудоемкость эксплуатации, связанную:

- с тем, что для замены изношенного герметизирующего элемента необходим полный демонтаж устройства с устья, демонтаж съемного нижнего фланца и слив рабочего агента из обеих камер;

- с необходимостью использования при работе дополнительных устройств (насосной установки или пневмогидроаккумулятора, а также соединительных трубопроводов) для подачи и распределения рабочей жидкости в рабочую камеру и камеру возврата, причем для безотказной работы этих устройств необходим рабочий агент высокой степени очистки;

- с необходимостью присоединения и отсоединения трубопроводов и насосной установки или пневмогидроаккумулятора при монтаже и демонтаже устройства;

- со сложностью управления при эксплуатации, вызванной необходимостью установления баланса подбором давлений в камере возврата и рабочей гидравлической камере относительно давления на устье скважины с помощью пневмогидроаккумуляторов или контрольно-распределительной гидроаппаратуры, не обладающих достаточной гибкостью подачи давления;

- сложностью разборки и сборки устройства.

Кроме того, известное устройство обладает низкой надежностью работы вследствие того, что его конструкция не обеспечивает автоматической регулировки усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе в зависимости от давления на устье скважины, которое необходимо устанавливать путем подбора определенного баланса давлений рабочего агента в камерах относительно давления на устье скважины. Поэтому при изменении давления на устье скважины, которое может изменяться и скачкообразно, возможна ситуация, когда давление в рабочей гидравлической камере будет меньше давления на устье скважины, в результате чего герметичность в контакте герметизирующего элемента и трубы будет нарушена и произойдет прорыв скважинных флюидов. В ситуации, когда давление в рабочей гидравлической камере будет значительно превосходить давление на устье скважины, возможен интенсивный износ рабочей поверхности герметизирующего элемента в процессе работы, что приведет к его разрушению, потере герметичности и прорыву скважинных флюидов с возможным переходом в нефтегазопроявление и открытый фонтан.

Аналогичный интенсивный износ рабочей поверхности герметизирующего элемента будет происходить также и при спуске или подъеме колонны труб под давлением, когда при проходе через герметизирующий элемент замкового соединения с диаметром, превышающим диаметр трубы, давление в рабочей гидравлической камере, а следовательно, и усилие обжима наружной поверхности замкового соединения будут значительно возрастать, что обусловлено отсутствием возможности перетока рабочего агента из рабочей гидравлической камеры и очень малой сжимаемостью жидкостей.

Низкая надежность работы известного устройства обусловлена также и тем, что нижний упорный подшипник находится вне корпуса и ввиду этого не защищен от воздействия скважинного флюида, содержащего твердую фазу, в результате чего возможен интенсивный абразивный износ тел и дорожек качения подшипника с последующей заклинкой герметизирующего элемента при вращении, что приведет к его разрушению, потере герметичности и прорыву скважинных флюидов с возможным переходом в нефтегазопроявление и открытый фонтан.

Известное устройство обладает повышенным габаритом по высоте ввиду наличия в конструкции камеры возврата с кольцевым поршнем и съемного фланца, что увеличивает эксплуатационные затраты, так как повышает затраты на монтаж буровой установки, во взаимодействии с которой будет использоваться известное устройство. Это обусловлено тем, что для удобства эксплуатации известного устройства при спуско-подъемных операциях необходим монтаж дополнительных оснований под буровую установку или монтаж дополнительных подмостков для обслуживающего персонала на вышечном блоке вокруг устья.

И, наконец, известное устройство обладает сложной конструкцией ввиду наличия камеры возврата с кольцевым поршнем, введение которой в конструкцию функционально не оправдано, так как:

- уменьшение контактного давления между герметизирующим элементом и трубой и, следовательно, усилия обжатия трубы можно обеспечить уменьшением давления в рабочей гидравлической камере;

- возврат герметизирующего элемента в исходное состояние после уменьшения давления в рабочей гидравлической камере может быть обеспечен за счет упругих свойств эластичного материала герметизирующего элемента.

Таким образом, известное устройство обладает повышенной трудоемкостью эксплуатации, низкой надежностью, повышенными эксплуатационными затратами и сложной конструкцией.

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

Техническим результатом решения этой задачи является снижение трудоемкости эксплуатации, повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат и упрощение конструкции и, как следствие, повышение надежности герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спуско-подъемных операций с колонной бурильных труб и ее вращением ведущей трубой.

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

- полый цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, в которых выполнены расточки, и центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием;

- ротор, установленный в корпусе на опорах вращения и содержащий герметизирующий элемент и элементы его соединения с ротором в виде верхней и нижней втулок, взаимодействующих с опорами вращения и расточками корпуса;

- рабочую гидравлическую камеру в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненную рабочим агентом;

- узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе, гидравлически связанный с рабочей гидравлической камерой;

- гидравлические каналы;

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

- дополнительно содержит узел выравнивания давлений между рабочей гидравлической камерой и стволом скважины, установленный на корпусе между фланцами и выполненный в виде гидроцилиндра с подпружиненным поршнем, разделяющим гидроцилиндр на две полости, одна из которых гидравлически связана с рабочей гидравлической камерой, а другая полость связана гидравлическим каналом с запорным краном и сквозным отверстием, выполненным в нижнем фланце от наружной поверхности до расточки, со стволом скважины;

- узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе выполнен в виде гидроцилиндра с поршнем, оснащенным механизмом перемещения, например в виде винтового привода;

- герметизирующий элемент выполнен из двух коаксиально расположенных элементов - наружной кольцевой диафрагмы и внутреннего сменного уплотнителя;

- расточки корпуса снабжены уплотнительными элементами, взаимодействующими с верхней и нижней втулками ротора.

На чертеже показан общий вид заявляемого устройства (запорный кран в положении "Открыто").

Заявляемое устройство герметизации устья скважины содержит полый цилиндрический корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 с расточкой 4 фланцами и центральным сквозным каналом 5 для пропуска труб 6 с технологическим оборудованием. В корпусе 1 на опорах вращения 7 установлен ротор 8, содержащий герметизирующий элемент 9 и элементы его соединения с ротором 8 в виде верхней 10 и нижней 11 втулок, взаимодействующих с опорами вращения 7 и расточками корпуса 4.

Герметизирующий элемент 9 выполнен из двух коаксиально расположенных элементов - наружной кольцевой диафрагмы 12 и внутреннего сменного уплотнителя 13 и в сочетании с полостью 14 корпуса 1 образует рабочую гидравлическую камеру 15 в виде кольцевой полости, заполненной рабочим агентом и гидравлически связанной с полостью 14 каналом 16, выполненным в роторе 8.

Узел регулирования 17 величины усилия поджатия герметизирующего элемента 9 к трубе 6 выполнен в виде гидроцилиндра 18 с поршнем 19, оснащенным механизмом перемещения, например в виде винтового привода 20. Поршневая полость 21 гидроцилиндра 18 гидравлически связана с полостью 14 корпуса 1 и, соответственно, с рабочей гидравлической камерой 15 каналом 22, выполненным в стенке корпуса 1, и каналом 16.

Узел выравнивания давлений 23 между рабочей гидравлической камерой 15 и стволом скважины 24, установленный на корпусе 1 между фланцами 2 и 3, выполнен в виде гидроцилиндра 25 с поршнем 26, разделяющим гидроцилиндр 25 на две полости 27 и 28, в которых установлены пружины 29 и 30, удерживающие поршень 26 в исходном положении, например в середине гидроцилиндра 25. Полость 27 гидравлически связана с полостью 14 корпуса 1 и, соответственно, с рабочей гидравлической камерой 15 каналом 31, выполненным в стенке корпуса 1, и каналом 16. А полость 28 гидравлически связана с полостью скважины 24 гидравлическим каналом 32 с запорным краном 33 и сквозным отверстием 34, выполненным в нижнем фланце 3 от наружной поверхности до расточки 4.

Крепление ротора 8 с опорами вращения 7, кольцевой диафрагмой 12, втулками 10 и 11 в корпусе 1 осуществляется резьбовой втулкой 35, в которой выполнена расточка 36, аналогичная расточке 4. В расточках 4 и 36 установлены уплотнительные элементы 37, взаимодействующие с верхней 10 и нижней 11 втулками ротора 8. Герметизация резьбового соединения гайки 35 с корпусом 1 осуществляется уплотнительным элементом 38, а крепление сменного уплотнителя 13 между втулками 10 и 11 осуществляется резьбовой втулкой 39.

Контроль давления в рабочей гидравлической камере 15 осуществляется манометром 40, установленным на гидроцилиндре 18, а контроль давления в полости скважины 24 осуществляется манометром 41, установленным на гидравлическом канале 32 после сквозного отверстия 34 и перед запорным краном 33. В кольцевых канавках, выполненных на нижнем фланце 3 корпуса 1 и верхнем фланце 42 устьевого оборудования, установлены уплотнительные кольца 43.

Заявляемое устройство герметизации устья скважины работает следующим образом.

В положении, показанном на чертеже, устройство устанавливается нижним фланцем 3 на верхний фланец 42 устьевого оборудования и закрепляется шпильками. При этом герметичность монтажа достигается уплотнительным кольцом 43. Через центральный сквозной канал 5 корпуса 1 осуществляют спуск или подъем труб 6 с технологическим оборудованием. После присоединения ведущей трубы (не показана) к колонне бурильных труб 6 осуществляют различные технологические операции, в том числе вращение, спуск или подъем колонны бурильных труб 6 на ведущей трубе, а также промывку ствола скважины 24.

Герметизацию устья скважины 24 в случае повышения давления и перелива раствора осуществляют узлом регулирования 17 величины усилия поджатия герметизирующего элемента 9 к трубе 6, для чего винтовым приводом 20 перемещают поршень 19. При этом рабочий агент из полости 21 гидроцилиндра 18 поступает через канал 22 в полость 14 корпуса 1, а оттуда через канал 16 в роторе 8 в рабочую гидравлическую камеру 15. В результате расширения гидравлической камеры 15 герметизирующий элемент 9, упруго деформируясь, охватывает трубу 6 или ведущую трубу, перекрывая возможность перелива раствора через заявляемое устройство ввиду отсутствия зазора между трубой 6 и герметизирующим элементом 9. Таким образом, достигается первоначальная герметизация устья скважины 24, после чего давление в рабочей гидравлической камере 15 начнет возрастать благодаря узлу выравнивания давлений 23 между рабочей гидравлической камерой 15 и стволом скважины 24. Это осуществляется поступлением раствора из скважины 24 через сквозное отверстие 34 и гидравлический канал 32 в полость 28 гидроцилиндра 25 и воздействием давления от раствора на поршень 26. Поршень 26, перемещаясь к корпусу 1, будет вытеснять рабочий агент из полости 27 гидроцилиндра 25 через канал 31, полость 14 и канал 16 в рабочую гидравлическую камеру 15, автоматически выравнивая давление в последней с давлением в скважине 24, что контролируется равенством показаний манометров 40 и 41. Таким образом, усилие обжима в контакте сменного уплотнителя 13 с трубой 6 будет автоматически, без участия обслуживающего персонала и ручного регулирования баланса давлений, одновременно изменяться пропорционально величине изменения давления в скважине 24, чем достигается по сравнению с прототипом как повышение надежности работы заявляемого устройства, так и снижение трудоемкости его эксплуатации.

При спуско-подъемных операциях с колонной труб 6 при давлении на устье замковое соединение 44, будучи по диаметру больше диаметра труб 6, при проходе через заявляемое устройство воздействует на герметизирующий элемент 9, увеличивая его внутренний диаметр и уменьшая объем рабочей гидравлической камеры 15. При этом рабочий агент вытесняется из последней через канал 16 в полость 14 корпуса 1, откуда через канал 31 поступает в полость 27 узла выравнивания давлений 23, перемещая поршень 26. Он вытесняет скважинный флюид из полости 28 через гидравлический канал 32 и сквозное отверстие 34 в ствол скважины 24, автоматически уменьшая и выравнивая давление в рабочей гидравлической камере 15 с давлением в скважине 24. Тем самым обеспечивается уменьшение износа сменного уплотнителя 13, что повышает его долговечность и увеличивает надежность работы заявляемого устройства. После прохода замкового соединения 44 процесс восстановления давления в рабочей гидравлической камере 15 автоматически повторяется в обратном порядке.

После герметизации устья скважины 24 осуществляют технологические работы в ее стволе с перемещением колонны труб на ведущей трубе, промывку скважины 24 и при необходимости вращение ведущей трубы, которая, будучи обжата герметизирующим элементом 9, увлекает его за собой во вращение. А поскольку герметизирующий элемент 9 связан втулками 9 и 10 с ротором 8, последний, установленный в корпусе 1 на опорах вращения 7, также начинает вращаться. Благодаря тому что опоры вращения 7 отделены от воздействия внешней среды, а именно атмосферы сверху и скважинных флюидов снизу, уплотнительными элементами 37 и 38 и находятся в полости 14 корпуса 1, заполненной рабочим агентом, в качестве которого, как правило, используются машинные масла, они будут постоянно смазываться и охлаждаться, не подвергаясь по сравнению с прототипом воздействию скважинных флюидов и абразивному износу. Тем самым исключается повышенный износ опор вращения 7 и возможность их заклинки при работе, чем предотвращается преждевременный износ и разрушение герметизирующего элемента 9 при работе и повышается надежность работы заявляемого устройства. При этом рабочий агент не будет смешиваться со скважинным флюидом, так как поршень 26 является разделителем этих жидкостей, чем предотвращается загрязнение рабочего агента твердой фазой скважинных флюидов.

При чрезмерно малом давлении на устье скважины 24 возможна ситуация, когда этого давления будет недостаточно для надежного обжима трубы 6 герметизирующим элементом 9 и в контакте между ними могут появиться зазоры, через которые возможен переток скважинного флюида. В этом случае кран 33 закрывают, исключая воздействие давления из скважины 24 на рабочий агент в рабочей гидравлической камере 15, и вращением винтового привода 20 перемещают поршень 19, увеличивая давление в рабочей гидравлической камере 15 и усилие обжима трубы 6 герметизирующим элементом 9, что исключает возможность перетока скважинного флюида.

После проведения работ в скважине давление в рабочей гидравлической камере 15 сбрасывается путем вращения винтового привода 20 в обратную сторону и контролируется по манометру. При этом герметизирующий элемент 9 благодаря упругим свойствам материалов диафрагмы 12 и уплотнителя 13 возвращается в исходное положение, открывая центральный сквозной канал 5 корпуса 1 для пропуска труб 6 с технологическим оборудованием корпуса. При этом поршень 26 благодаря наличию пружин 29 и 30 возвращается в исходное среднее положение.

В случае необходимости замены изношенного сменного уплотнителя 13 вывинчивают резьбовую втулку 39 и демонтируют его. При этом диафрагма 12, будучи герметично установленной между втулками 10 и 11, не позволяет вытекать рабочему агенту из рабочей гидравлической камеры 15, что по сравнению с прототипом значительно уменьшает эксплуатационные затраты. Этому же способствует и упрощение конструкции заявляемого устройства благодаря отсутствию камеры возврата с кольцевым поршнем и съемного фланца, демонтаж которых необходим в прототипе при замене изношенного герметизирующего элемента. Одновременно отсутствие этих узлов в заявляемом устройстве при прочих равных условиях уменьшает его габарит по высоте, что сокращает эксплуатационные затраты.

Устройство для герметизации устья скважины, включающее полый цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, в которых выполнены расточки, и центральным сквозным каналом для пропуска труб с технологическим оборудованием; ротор, установленный в корпусе на опорах вращения и содержащий герметизирующий элемент, и элементы его соединения с ротором в виде верхней и нижней втулок, взаимодействующих с опорами вращения и расточками корпуса; рабочую гидравлическую камеру в виде кольцевой полости между корпусом и герметизирующим элементом, заполненную рабочим агентом; узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе, гидравлически связанный с рабочей гидравлической камерой; гидравлические каналы, отличающееся тем, что дополнительно содержит узел выравнивания давлений между рабочей гидравлической камерой и стволом скважины, установленный на корпусе между фланцами и выполненный в виде гидроцилиндра с подпружиненным поршнем, разделяющим гидроцилиндр на две полости, одна из которых гидравлически связана с рабочей гидравлической камерой, а другая полость связана гидравлическим каналом, с запорным краном и сквозным отверстием, выполненным в нижнем фланце от наружной поверхности до расточки, со стволом скважины; узел регулирования величины усилия поджатия герметизирующего элемента к трубе выполнен в виде гидроцилиндра с поршнем, оснащенным механизмом перемещения, например в виде винтового привода; герметизирующий элемент выполнен из двух коаксиально расположенных элементов - наружной кольцевой диафрагмы и внутреннего сменного уплотнителя; расточки корпуса снабжены уплотнительными элементами, взаимодействующими с верхней и нижней втулками ротора.