устройство для герметизации устья скважины, узел уплотнителей и узел стопорных плашек

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, содержащее объединенные соединительными элементами в превенторную сборку узел трубных плашек, узел срезных плашек, узел стопорных плашек и основание, выполненное с возможностью стыковки с устьевой арматурой скважины, отличающееся тем, что оно снабжено узлом уплотнителей, линией отвода утечек и средством прокола трубы, установленным в зоне расположения линии отвода утечек, а основание выполнено съемным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительные элементы выполнены быстроразборными, а съемное основание присоединено к превенторной сборке упомянутыми быстроразборными соединительными элементами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом плашек, встроенным в превенторную сборку при помощи соединительных элементов.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что узлы превенторной сборки выполнены в виде блоков-модулей для исключения, замены или перестановки любого узла из упомянутой превенторной сборки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что съемное основание присоединено к узлу стопорных плашек.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что съемное основание выполнено с возможностью присоединения к любому из узлов превенторной сборки.

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что соединительные элементы выполнены в виде связанных между собой стяжными болтами полуколец с внутренней конусной расточкой, корпуса узлов превенторной сборки по торцам имеют фланцы с конусной наружной поверхностью, ответной поверхности внутренней конусной расточки полуколец.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет оборудованную обратными клапаном линию для работы узла уплотнителей в режиме самоуплотнения в зависимости от величины давления в затрубном пространстве.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом пережима трубы.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел пережима трубы выполнен в виде обжимных плашек для сжатия трубы под действием привода по радиальному контуру с вдавливанием половины образующей поверхности трубы в другую ее половину.

11. Узел уплотнителей, включающий корпус, верхний уплотнитель, выполненный в виде концентрично расположенных эластичных сменного вкладыша и манжеты, охваченных снаружи втулкой с радиальными отверстиями, установленной с зазором относительно внутренней поверхности корпуса для образования между эластичной манжетой и корпусом герметичной кольцевой полости, сообщенной с каналом подвода давления, и привод верхнего уплотнителя, отличающийся тем, что он снабжен выполненными по типу верхних нижним уплотнителем и его приводом, при этом в каждом из уплотнителей эластичный сменный вкладыш в верхней части верхнего уплотнителя и в нижней части нижнего уплотнителя имеет сегменты и фиксирующие полукольца, эластичная манжета выполнена с уплотнительными кольцами и имеет сегменты в нижней части верхнего уплотнителя и в верхней части нижнего уплотнителя, втулка с радиальными отверстиями выполнена в виде полуколец, а канал подвода давления выполнен в виде камеры, заполненной масляной средой, для передачи давления от поршня гидроцилиндра привода на эластичную манжету.

12. Узел по п.11, отличающийся тем, что он имеет оборудованную обратным клапаном линию, сообщающую внутреннюю полость корпуса ниже нижнего уплотнителя с линией подвода давления на поршень его гидроцилиндра привода.

13. Узел по п.11, отличающийся тем, что он имеет линию отвода утечек в виде канала, выполненного в корпусе между верхними и нижним уплотнителями для сообщения его внутренней полости с внешним пространством.

14. Узел по п. 11, отличающийся тем, что он снабжен средством прокола трубы, размещенным между верхним и нижним уплотнителями.

15. Узел по п.14, отличающийся тем, что средство прокола трубы выполнено в виде резьбового стержня с режущими кромками на конце, установленного в резьбовом отверстии корпуса.

16. Узел стопорных плашек, включающий корпус с внутренней конической поверхностью, клиновые плашки, установленные с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью корпуса, кольцевой поршень и гидравлический механизм фиксации клиновых плашек в исходном положении, выполненный в виде поршня со штоком, отличающийся тем, что он снабжен приводом принудительного перемещения клиновых плашек в положение захвата трубы, поршень со штоком заключен в цилиндр, закрепленный на корпусе, клиновые плашки подвешены на кольцевом поршне, последний выполнен с возможностью взаимодействия со штоком поршня гидравлического механизма фиксации клиновых плашек и имеет стойки, а привод принудительного перемещения клиновых плашек в положение захвата трубы выполнен в виде пружин сжатия, установленных между корпусом и кольцевым поршнем с охватом его стоек.

17. Узел по п.16, отличающийся тем, что в гидравлическом механизме фиксации клиновых плашек в исходном положении цилиндр выполнен с крышкой, поршень с хвостовиком, герметично установленным в крышке, и подпружинен пружиной сжатия, установленной между поршнем и крышкой с охватом хвостовика, а в штоке, поршне и хвостовике выполнено сквозное осевое отверстие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для капитального и подземного ремонта нефтяных и газовых скважин при спуске и подъеме непрерывной колонны труб, наматываемой на барабан, а также насосно-компрессорных труб.

Изобретение предназначено для герметизации затрубного пространства во время спуско-подъемных операций и предохранения скважины в аварийных ситуациях.

Известно устройство для герметизации устья скважины, содержащее объединенные соединительными элементами в превенторную сборку узел трубных плашек, узел глухих плашек и основание, выполненное с возможностью стыковки с устьевой арматурой скважины [1]

Недостатком известного устройства является слабая герметизация затрубного пространства на устья скважины и невозможность снятия давления, в случае его возникновения в непрерывной колонне труб.

Целью изобретения является получение технического результата, выражающегося в повышении надежности герметизации затрубного пространства на устье скважины, обеспечении возможности снятия давления в случае его возникновения в непрерывной колонне труб, расширении области использования и повышении надежности в эксплуатации.

Получение технического результата достигается тем, что устройство для герметизации устья скважины, содержащее объединенные соединительными элементами в превенторную сборку узел трубных плашек, узел срезных плашек, узел стопорных плашек и основание, выполненное с возможностью стыковки с устьевой арматурой скважины, снабжено узлом уплотнителей, линией отвода утечек и средством прокола трубы, установленным в зоне расположения линии отвода утечек, а основание выполнено съемным.

В конкретных случаях выполнения устройства соединительные элементы могут быть быстроразборными, например, в виде связанных между собой стяжными болтами полуколец с внутренней корпусной расточкой, ответной конусным наружным поверхностям торцев фланцев, выполненных на корпусах узлов превенторной сборки и съемной основании.

При необходимости устройство моет быть снабжено узлом глухих плашек, встроенным в превенторную сборку при помощи соединительных элементов, в частности, быстроразборных.

В зависимости от условий использования устройства, узлы превенторной сборки могут быть исключены, заменены или переставлены местами, поскольку выполнены в виде блоков-модулей. Этому способствует также то, что съемное основание выполнено с возможностью присоединения к любому из узлов превенторной сборки и в одном из вариантов может быть закреплено на узле стопорных плашек.

Способствует поставленной цели так же то, что устройство может иметь оборудованную обратным клапаном линию для работы узла уплотнителей в режиме самоуплотнения в зависимости от величины давления в затрубном пространстве.

Устройство может иметь узел пережима трубы, выполненный, например, в виде обжимных плашек для сжатия трубы под действием привода по радиальному контуру с вдавливанием половины образующей поверхности трубы в другую ее половину, что позволяет при образовании, например, трещины в непрерывной колонне труб над скважиной в процессе ее спуска или подъема не прерывать этот процесс.

Узел уплотнителей может иметь различную конструкцию.

Известен наиболее близкий к предлагаемому узел уплотнителей, включающий корпус, уплотнитель, выполненный в виде концентрично расположенных эластичных сменного вкладыша и манжеты, охваченных снаружи втулкой с радиальными отверстиями, установленной с зазором относительно внутренней поверхности корпуса для образования между манжетой и корпусом герметичной кольцевой полости, сообщенной с каналом подвода давления и привод уплотнителя [2]

Недостатком этого узла уплотнителей является низкая надежность работы его привода, а также повышенный износ материала уплотнителя, поскольку не предусмотрена возможность снятия механических частиц с наружной поверхности уплотняемой трубы.

Предлагаемый узел уплотнителей позволяет получить технический результат, выражающийся в повышении надежности.

С этой целью узел уплотнителей, включающий корпус, верхний уплотнитель, выполненный в виде концентрично расположенных эластичных сменного вкладыша и манжеты, охваченных снаружи втулкой с радиальными отверстиями, установленной с зазором относительно внутренней поверхности корпуса для образования между манжетой и корпусом герметичной кольцевой полости, сообщенной с каналом подвода давления, и привод верхнего уплотнителя, снабжен выполненными по типу верхних нижним уплотнителем и его приводом, при этом в каждом из уплотнителей эластичный сменный вкладыш в верхней части верхнего уплотнителя и в нижней части нижнего уплотнителя имеет сегменты и фиксирующие полукольца, эластичная манжета выполнена с уплотнительными кольцами и имеет сегмент в нижней части верхнего уплотнителя и в верхней части нижнего уплотнителя, втулка с радиальными отверстиями выполнена в виде полуколец, а канал подвода давления выполнен в виде камеры заполненной масляной средой для передачи давления от поршня гидроцилиндра привода на эластичную манжету.

Для обеспечения работы узла уплотнителей в режиме самоуплотнения нижнего уплотнителя он может иметь оборудованную обратным клапаном линию, сообщающую внутреннюю полость корпуса ниже нижнего уплотнителя с линией подвода давления на поршень его гидроцилиндра привода.

Между верхним и нижним уплотнителями может быть расположена линия отвода утечек в виде канала, выполненного в корпусе для сообщения его внутренней полости с внешним пространством и средство прокола трубы, которое например, может быть выполнено в виде загерметизированного резьбового стержня с режущими кромками на конце, установленного в резьбовом отверстии корпуса.

Известны различные конструкции выполнения узла стопорных плашек. Например [1] описан узел стопорных плашек, в котором плашки выполнены скользящими, имеют однонаправленные зубья, удерживающие при необходимости непрерывную колонну труб. Скользящие плашки оборудованы муфтовыми направляющими, центрирующими колонну по мере сближения плашек.

Известен узел стопорных плашек [3] который является наиболее близким к предлагаемому и включает корпус с внутренней конической поверхностью клиновые плашки, установленные с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью корпуса, кольцевой поршень и гидравлический механизм фиксации клиновых плашек в исходном положении, выполненный в виде поршня со штоком.

Недостатком известного устройства является низкая его надежность поскольку плашки заклинивают трубу в результате перемещения под действием своего веса.

Предлагаемый узел стопорных плашек позволяет получить технический результат, выражающийся в повышении надежности его работы и быстродействия, т.к. в нем плашки заклинивают трубу не только под действием своего веса, но и в результате принудительного перемещения под действием пружин сжатия.

С этой целью узел стопорных плашек, включающий корпус с внутренней конической поверхностью клиновые плашки, установленные с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью корпуса, кольцевой поршень и гидравлический механизма фиксации клиновых плашек в исходном положении, выполненный в виде поршня со штоком, снабжен приводом принудительного перемещения клиновых плашек в положение захвата трубы, поршень со штоком заключен в цилиндр, закрепленный на корпусе, у клиновые плашки подвешены на кольцевом поршне, последний выполнен с возможностью взаимодействия со штоком поршня гидравлического механизма фиксации клиновых плашек и имеет стойки, а привод принудительного перемещения клиновых плашек в положение захвата трубы выполнен в виде пружин сжатия, установленных между корпусом и кольцевым поршнем с охватом его стоек.

В одном из частных случаев выполнения, в гидравлическом механизме фиксации клиновых плашек в исходном положении цилиндр выполнен с крышкой, поршень с хвостовиком, герметично установленным в крышке, и подпружиненным пружиной сжатия, установленной между поршнем и крышкой с охватом хвостовика, а в штоке, поршне и хвостовике может быть выполнено осевое отверстие.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2, 3 блочномодульные варианты компоновки превенторной сборки; на фиг. 4 конструкция уплотнителя, линия отвода утечек и средство прокола трубы; на фиг. 5 узел пережима трубы в сечении А-А на фиг. 1 в исходном положении; на фиг. 6 то же, после пережима трубы; на фиг. 7 узел стопорных плашек, сечение по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 8 то же, сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 9 гидравлический механизм фиксации клиновых плашек в исходном положении; на фиг. 10 сегменты вид в плане; на фиг. 11 вариант выполнения быстроразборных соединительных элементов, сечение Г-Г на фиг. 2.

Устройство для герметизации устья скважины в общем случае содержит узел 1 трубных плашек, узел 2 срезных плашек, узел 3 стопорных плашек и узел 4 уплотнителей. Упомянутые узлы объединены при помощи соединительных элементов (шпилек, болтов и др) в превенторную сборку.

Устройство имеет линию 5 отвода утечек и средство 6 прокола трубы, которое установлено в зоне расположения линии 5 отвода утечек. К превенторной сборке присоединено съемное основание 7, выполненное с возможностью стыковки с устьевой арматурой скважины. Съемное основание 7 может быть присоединено соединительными элементами-болтами и, в частности, к узлу 3 стопорных плашек, как показано на фиг. 1.

В случае выполнения соединительных элементов быстроразборными, съемное основание 7 присоединяется к превенторной сборке упомянутыми быстроразборными соединительными элементами (фиг. 2, 3).

В одном из вариантов быстроразборные соединительные элементы могут быть выполнены в виде связанных между собой стяжными болтами 8 полуколец 9 с внутренней конусной расточкой, при этом корпуса узлов превенторной сборки по торцам должны иметь фланцы 10 с конусной наружной поверхностью, ответной поверхности внутренней конусной расточки полуколец 9. В превенторную сборку может быть встроен узел 11 глухих плашек. В частном случае устройство может иметь оборудованную обратным клапаном 12 линию 13 для работы узла 4 уплотнителей в режиме самоуплотнения в зависимости от величины давления в затрубном пространстве (фиг. 2).

В устройстве также может иметь место узел 14 пережима трубы, который в частном случае может быть выполнен в виде обжимных плашек 15, 16 для сжатия трубы под действием привода, например, гидравлического, по радиальному контуру с вдавливанием половины образующей поверхности трубы в другую ее половину (фиг. 5, 6). Выполнение узлов превенторной сборки в виде блоков-модулей, как показано на фиг. 2, 3 обеспечивает при необходимости исключение замену или перестановку любого узла из упомянутой превенторной сборки. При этом съемное основание 7 выполнено с возможностью присоединения к любому из узлов превенторной сборки.

Узел 4 уплотнителей содержит размещенные в корпусе верхний и нижний уплотнители 17, 18. Каждый из уплотнителей 17, 18 выполнен в виде концентрично расположенных эластичных сменного вкладыша 19 и манжеты 20, охваченных снаружи втулкой 21 в виде полуколец с радиальными отверстиями 22. Втулка 21 установлена с зазором относительно внутренней поверхности корпуса для образования между эластичной манжетой 20 и корпусом герметичной кольцевой полости 23, сообщенной с каналом подвода давления. Последний выполнен в виде камеры 24, заполненной масляной средой (например, консистентной смазкой) для передачи давления от поршня 25 гидроцилиндра привода 26 на эластичную манжету 20. В каждом из уплотнителей 17, 18 эластичный вкладыш 19 в верхней части верхнего уплотнителя 17 и в нижней части нижнего уплотнителя 18 имеет сегменты 26 и фиксирующие полукольца 27. Эластичная манжета 20 выполнена с уплотнительными кольцами 28 и имеет сегменты 29 в нижней части верхнего уплотнителя 17 и в верхней части нижнего уплотнителя 18. В корпусе узла 4 уплотнителей под нижним уплотнителем 18 установлена шайба 30, а над верхним уплотнителем 18 резьбовая крышка 31. Сегменты 26 и 29 могут быть выполнены металлическими и привулканизированы к эластичным сменному вкладышу и 19 и манжете 20 соответственно. Уплотнители 17, 18 управляются гидроцилиндрами-приводами 26. Такой гидроцилиндр включает корпус 32, в котором размещен поршень 25.

В корпусе 32 установлена крышка 33, через которую пропущен резьбовой толкатель 34 с рукояткой 35. В корпусе 32 выполнены отверстия, через которые по стрелкам 36, 37 подается давление от пульта управления (не показан) для регулирования работы верхнего уплотнителя 17. При помощи резьбового толкателя 34 с рукояткой 35 осуществляется ручная регулировка усилия на поршень 25. Аналогично по стрелкам 38, 39 подачей давления от пульта управления (не показан) регулируется работа нижнего уплотнителя 18. Для обеспечения возможности работы нижнего уплотнителя 18 в режиме самоуплотнения может иметь место описанная выше оборудованная обратным клапаном 12 линия 13, сообщающая внутреннюю полость корпуса узла 4 уплотнителей ниже нижнего уплотнителя 18 с линией подвода давления на поршень его гидроцилиндра привода через соответствующее отверстие в корпусе по стрелке 38. Узел 4 уплотнителей может иметь линию 5 отвода утечек в виде канала, выполненного в корпусе между верхним и нижним уплотнителями 17, 18 для сообщения его внутренней полости с внешним пространством. В узле 4 уплотнителей может быть также размещено между верхним и нижним уплотнителями 17, 18 средство 6 прокола трубы, которое в частном случае может представлять собой резьбовой стержень 40 с режущими кромками на конце, установленный в резьбовом загерметизированном отверстии корпуса. Противоположный конец резьбового стержня 40 оснащается, как правило, съемной рукояткой 41. Приводы узлов 1, 2, 11, 14 трубных плашек, срезных плашек, глухих плашек и пережима трубы выполнены одинаковыми, по типу привода 26 узла 4 и каждый из них имеет гидроцилиндр, в корпусе 42 которого установлен поршень 43, связанный с плашкой и другие элементы, аналогичные элементам привода 26.

Узел 3 стопорных плашек содержит корпус 44 с внутренней конической поверхностью 45, клиновые плашки 46, установленные с возможностью взаимодействия с внутренней конической поверхностью 45 корпуса 44. В корпусе 44 установлен кольцевой поршень 47, который не имеет возможности смещения вокруг своей продольной оси. Клиновые плашки 46 подвешены в пазах верхней части кольцевого поршня 47 с возможностью радиального смещения (фиг. 7). Кольцевой поршень 46 в положение захвата трубы выполнен в виде пружин 49 сжатия, установленных между корпусом 44 и кольцевым поршнем 47 с охватом его стоек 48. Имеется гидравлический механизм 50 фиксации клиновых плашек 46 в исходном положении, выполненный в виде поршня 51 со штоком 52, заключенных в цилиндр, закрепленный на корпусе 44 узла 3 стопорных плашек. В кольцевом поршне 47 выполнено отверстие, в котором размещен шток 52, что позволяет удерживать клиновые плашки 46 в исходном положении. Цилиндр гидравлического механизма 50 фиксации клиновых плашек 46 в исходном положении выполнен с крышкой 53, поршень 51 с хвостовиком 54, герметично установленным в крышке 53, и подпружинен пружиной 54 сжатия, установленной между поршнем 51 и крышкой 53 с охватом хвостовика 54. В штоке 52, поршне 51 и в хвостовике 54 выполнено сквозное осевое отверстие 55.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от вида работ и предполагаемых условий проведения работа в скважине выбирается та или иная компоновка превенторной сборки. Подбирается типо-размер съемного основания 7, обеспечивающего присоединение устройства к устьевой арматуре скважины. Во время спуска трубы в скважину все узлы превенторной сборки находятся в положении, обеспечивающем свободный пропуск трубы. Уплотнители 17, 18 должны обеспечивать необходимую герметичность путем создания соответствующего давления на поршень 25. Регулировка давления осуществляется с пульта. Однако при необходимости регулировка может быть осуществлена вручную путем вращения рукоятки 35. Так же возможна работа нижнего уплотнителя 18 в режиме самоуплотнения, если узел 4 уплотнителей оборудован линией 13 с обратным клапаном 12.

При необходимости снятия давления в превенторной сборке может быть задействован узел 1 трубных плашек. Упомянутый узел 1 трубных плашек может быть включен в работу параллельно с узлом 4 уплотнителей или в случае выхода их из строя. В аварийной ситуации при необходимости удержания трубы навесу подается давление с пульта управления на гидравлический механизм 50 фиксации клиновых плашек 46, сжимается пружина 54, отодвигается шток 52 и освобождается кольцевой поршень 47. Под действием пружин 49 и собственного веса клиновые плашки 46, увлекаемые кольцевым поршнем 47 моментально перемещаются в положение захвата трубы и надежно ее удерживают. Возврат кольцевого поршня 47 в исходное положение осуществляется подачей давления с пульта управления. Узел 14 пережима трубы может быть задействован в случае, например, образования трещины в трубе над скважиной, что позволит продолжить подъем трубы. Линия 5 отвода утечек позволяет предотвратить выход скважинной среды в процессе спуска или подъема трубы в зазоры между трубой и, например, верхним уплотнителем 17. Средство 6 прокола трубы вводится в действие в случае, например, необходимости снятия давления в трубе ниже пережима или когда в верхней и нижней частях непрерывной колонны труб установлены обратные клапана, рассчитанные на определенное давление. Узлы 2, 11 срезных плашек и глухих плашек используются по своему прямому назначению, когда необходимо в аварийной ситуации перерезать трубу и герметично перекрывать превенторную сборку.

Использование изобретения позволяет повысить надежность герметизации затрубного пространства на устье скважины, обеспечить возможность снятия давления в случае его возникновения в непрерывной колонне труб, расширить область использования и повысить надежность в эксплуатации.