устройство для герметизации устья скважины и система смазки и охлаждения подшипников (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с центральным отверстием и полостью, уплотненную относительно корпуса, уплотнительный элемент из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, уплотненную относительно крышки, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления, дополнительную гильзу, установленную в полости корпуса и уплотненную относительно поршня и гильзы, фиксатор, установленный в гильзе, дополнительный подшипник, размещенный между корпусом и дополнительной гильзой, при этом гильзы и поршень образуют сочлененный полый вал, размещенный с возможностью вращения на двух опорах, и систему смазки и охлаждения подшипников, отличающееся тем, что уплотнение между гильзами выполнено в виде двух уплотнительных манжет, между гильзой и крышкой образована компенсационная камера для компенсации части осевой нагрузки на подшипник, снабженная гидравлической связью с рабочей камерой поршня или непосредственно с источником гидравлического давления, между гильзой и крышкой установлено дополнительное уплотнение, в гильзе выполнен, как минимум, один канал, начало которого размещено между уплотнениями, а конец между двумя уплотнительными манжетами, в дополнительной гильзе выполнен, как минимум, один канал, начало которого размещено между двумя упомянутыми уплотнительными манжетами, а конец в возвратной камере, при этом гидравлический канал для связи возвратной камеры с источником гидравлического давления выполнен в крышке и его окончание размещено между уплотнениями гильзы относительно крышки.

2. Устройство по п. 1 с системой смазки и охлаждения подшипников по п. 3 или 4, отличающееся тем, что подшипник выполнен радиально-упорным или сфероконическим упорным, начало отводящих каналов расположено вблизи нижних концов роликов подшипника, а подводящие каналы соединены в одну сплошную кольцевую щель.

3. Система смазки и охлаждения подшипников, включающая подводящие каналы, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями этих элементов, и отводящие каналы, отличающаяся тем, что содержит насос, причем насос и отводящие каналы выполнены в виде радиальных или направленных под острым углом к радиусу центрального отверстия корпуса отверстий или каналов и размещены на элементе устройства, имеющем возможность вращения, а подводящие каналы выполнены в виде осевых или направленных под острым углом к оси вращения отверстий или каналов, при этом подводящие и отводящие каналы имеют, как минимум, два общих проточных коллектора, один из которых проходит через зазор между обоймами подшипника.

4. Система смазки и охлаждения подшипников, включающая подводящие каналы, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями элементов, и отводящие каналы, отличающаяся тем, что содержит насос, связанный через каналы с дополнительным подшипником, размещенным между корпусом и дополнительной гильзой, выполненный в виде наклонных лопаток или отверстий, размещенных на элементе устройства, имеющем возможность вращения, при этом лопатки или отверстия занимают лишь часть кругового периметра этого элемента устройства, а остальная часть периметра свободна или имеет лопатки или отверстия с противоположным углом наклона или направленные вдоль оси вращения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для предотвращения выбросов из скважин, преимущественно нефтегазовых и предназначено для герметизации устья скважины с находящимся в нем инструментом, имеющим вращение и поступательное движение.

Известно устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, гильзу, установленную в крышке-патроне с возможностью вращения, и радиально-упорный двойной подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, уплотнительный элемент из эластичного материала. [Композит-каталог нефтегазового оборудования и услуг Gulf Publishing Company, Houston, Texas, USA, пер. "Топливо и энергетика". 1993-1994 гг. Том 3, часть II, стр. 2361 2366. Williams - устьевое оборудование скважины вращающегося типа].

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности принудительного обжима уплотнительного элемента, что вызывает необходимость иметь различные уплотнительные элементы при различных диаметрах труб и инструмента, применяемого при бурении и ремонте скважин, отсутствие возможности герметизации свободного устья скважины, необходимость установки известного устройства в комплексе с плашечными и универсальным превентором, что обуславливает большую высоту и сложность компоновки устьевого оборудования, находящегося под ротором, а также сложность обслуживания, в том числе снятия или замены уплотнительного элемента. Для обеспечения такой замены каждый раз рассоединяется хомут крепления крышки-патрона и вся она с блоком подшипников и уплотнительным элементом протаскивается через отверстие ротора, которое должно иметь соответствующий размер (не менее 444,5 мм). Малые габариты крышки-патрона обуславливают малые размеры радиально-упорных подшипников, а следовательно, малую осевую и радиальную нагрузки и малое допустимое рабочее давление на устье.

Известно устройство для герметизации устья скважин, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с центральным отверстием и полостью, уплотненную относительно корпуса, уплотнительный элемент из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, уплотненную относительно крышки, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления, дополнительную гильзу, установленную в полости корпуса и уплотненную относительно поршня и гильзы, фиксатор, установленный в гильзе, дополнительный подшипник, размещенный между корпусом и дополнительной гильзой, при этом обе гильзы и поршень образуют сочлененный полый вал, размещенный с возможностью вращения на двух опорах [US Patent №5588491, 31.12.1996 г. МКИ⁶ Е 21 В 33/06].

Недостатком известного устройства является передача всей осевой нагрузки от устьевого давления и усилия сжатия поршнем уплотнительного элемента на единственный упорный подшипник, что несмотря на уменьшение диаметра поршня ограничивает рабочее давление в динамическом режиме вращения до 140 кг/см² при 176 кг/см² управляющего давления. Недостатком является также то, что боковая сила, возникающая при вращении несоосных труб, изогнутых труб, неточном центрировании устья, фонаря, ротора и превентора, при проседании ног вышки и т.п. компенсируется маленькими шариковыми радиальными подшипниками и вызывает повышенное трение гильзы о корпус, нагрев, износ уплотнительных колец и неравномерное распределение осевой нагрузки на упорный подшипник из-за одностороннего прижима нижней части гильзы, это вызывает его нагрев, необходимость дополнительного охлаждения и средств компенсации эксцентриситета.

Известна система смазки и охлаждения подшипников, например, в устройстве для герметизации устья скважины, включающая насос, привод насоса, подводящие и отводящие каналы, подшипники, коллекторы, работающие при давлениях, близких к атмосферному [US Patent №5 588491].

Недостатком известной системы применительно к вращающимся превенторам является непомерная сложность их объединения с гидросистемой превентора, работающей при высоких давлениях - до 387 кг/см² у ближайшего аналога и нагрузках на подшипники в тысячи тонн.

Задача, стоящая при создании устройства для герметизации устья скважины, состоит в разработке конструкции, сочетающей в себе одновременно достоинства универсального и вращающегося превенторов и заменяющей их. Это позволит упростить компоновку обвязки устья, снизить ее габариты, упростить обслуживание и работу при бурении и ремонтах скважин.

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 не только поступательное движение инструмента, но и длительное вращение, что необходимо при бурении с герметичным устьем, например при бурении горизонтальных скважин, с обратной циркуляцией, при бурении на равновесии и депрессии.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что устройство для герметизации устья скважины, включающее корпус с полостью и центральным отверстием, крышку с центральным отверстием и полостью, уплотненную относительно корпуса, уплотнительный элемент из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, гильзу с полостью для размещения уплотнительного элемента, установленную с возможностью вращения, уплотненную относительно крышки, подшипник для передачи усилия от гильзы к крышке, поршень с поверхностью для размещения уплотнительного элемента, уплотненный относительно корпуса и имеющий рабочую камеру и возвратную камеру, гидравлические каналы для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления, дополнительную гильзу, установленную в полости корпуса и уплотненную относительно поршня и гильзы, фиксатор, установленный в гильзе, дополнительный подшипник, размещенный между корпусом и дополнительной гильзой, при этом обе гильзы и поршень образуют сочлененный полый вал, размещенный с возможностью вращения на двух опорах, снабжено компенсационной камерой, образованной между гильзой и крышкой для компенсации части осевой нагрузки на подшипник, связанный гидравлической связью с рабочей камерой (закрывания) поршня или непосредственно с источником гидравлического давления, установленного между гильзой и крышкой, дополнительное уплотнение, уплотнение между гильзой и дополнительной гильзой выполнено в виде двух уплотнительных манжет (колец), в гильзе выполнен как минимум один канал, начало которого размещено между двумя уплотнениями, а конец - между уплотнительными манжетами, в дополнительной гильзе выполнен как минимум один канал, начало которого размещено между двумя уплотнительными манжетами, а конец - в возвратной камере, образованной дополнительной гильзой и поршнем, при этом гидравлический канал для связи возвратной камеры с источником гидравлического давления выполнен в крышке и его окончание размещено между двумя уплотнениями гильзы относительно крышки.

А также тем, что система смазки и охлаждения подшипников в устройстве для герметизации устья скважины, включающая подводящие каналы, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями элементов и отводящие каналы, содержит насос, причем насос и отводящие каналы выполнены в виде радиальных или направленных под острым углом к радиусу центрального отверстия корпуса отверстий или каналов и размещены на элементе устройства, имеющем возможность вращения, а подводящие каналы выполнены в виде осевых или направленных под острым углом к оси вращения отверстий или каналов, при этом подводящие и отводящие каналы имеют как минимум два общих проточных коллектора, один из которых проходит через зазор между обоймами подшипника.

А также тем, что система смазки и охлаждения подшипников в устройстве для герметизации устья скважины, включающая подводящие, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями элементов и отводящие каналы, содержит насос, связанный через каналы с дополнительным подшипником, размещенным между корпусом и дополнительной гильзой, выполненный в виде наклонных лопаток или отверстий, размещенных на элементе устройства, имеющем возможность вращения, при этом лопатки или отверстия занимают лишь часть кругового периметра этого элемента устройства, а остальная часть периметра свободна или имеет лопатки или отверстия с противоположным углом наклона или направленные вдоль оси вращения.

А также тем, что подшипник выполнен радиально-упорным или сфероконическим упорным, начало отводящих каналов расположено вблизи нижних концов роликов, а подводящие каналы соединены в одну сплошную кольцевую щель.

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

Наличие компенсационной камеры, образованной гильзой и крышкой, и гидравлического канала, связывающего разгрузочную компенсационную камеру с рабочей камерой или источником гидравлического давления, позволяет компенсировать осевое усилие от давления на устье скважины, а также усилие, передаваемое поршнем на уплотнительный элемент, и разгрузить верхний подшипник в момент максимальной осевой нагрузки, что позволяет повысить долговечность подшипника и увеличить максимальную нагрузку (несущую способность) устройства от скважинного давления, т.е. ограничить технические возможности устройства лишь прочностью уплотнительного элемента, что позволяет создать компактное, надежное, долговечное устройство с техническими характеристиками, превосходящими характеристики известных устройств (или их комбинаций) сходного назначения.

Признаки, перечисленные в остальных пунктах формулы, обеспечивают расширение возможностей устройства и выполнение им функций, не выполнявшихся ранее подобными устройствами, а также удобство применения на скважинах и упрощение обслуживания.

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 в разрезе. На фиг.2 показано устройство в закрытом положении. На фиг.3 показана схема работы системы смазки и охлаждения подшипников. На фиг. 4 показана схема работы системы смазки и охлаждения подшипников, второй вариант.

Устройство для герметизации устья скважины (см. фиг.1) включает корпус 1 с полостью и центральным отверстием, крышку 2 с центральным отверстием и полостью, уплотненную относительно корпуса 1, уплотнительный элемент 3 из эластичного материала, армированный жесткими сегментными вставками, гильзу 4 с полостью для размещения уплотнительного элемента 3, установленную с возможностью вращения, уплотненную относительно крышки 2, подшипник 5 для передачи усилия от гильзы 4 к крышке 2, поршень 6 с поверхностью для размещения уплотнительного элемента 3, уплотненный относительно корпуса 1 и имеющий рабочую камеру 7 и возвратную камеру 8, гидравлические каналы 9 и 10 для связи рабочей и возвратной камер с источником гидравлического давления (не показан), дополнительную гильзу 11, установленную в полости корпуса 1 и уплотненную относительно поршня 6 и гильзы 4, фиксатор 12, установленный в гильзе 4, дополнительный подшипник 13, размещенный между корпусом 1 и дополнительной гильзой 11, при этом обе гильзы 4 и 11 и поршень 6 образуют сочлененный полый вал, размещенный с возможностью вращения на двух опорах подшипнике 5 и дополнительном подшипнике 13, между гильзой 4 и крышкой 2 образована компенсационная камера 14 для компенсации части осевой нагрузки на подшипник 5, снабженная гидравлической связью с рабочей камерой (закрывания) поршня 6 или непосредственно с источником гидравлического давления, установленное между гильзой 4 и крышкой 2 дополнительное уплотнение 15, уплотнение между гильзой и дополнительной гильзой выполнено в виде двух уплотнительных манжет (колец) 16, в гильзе 4 выполнен как минимум один канал 17, начало которого размещено между двумя уплотнениями 15, а конец между двумя уплотнительными манжетами 16, в дополнительной гильзе 11 выполнен как минимум один канал 18, начало которого размещено между двумя уплотнительными манжетами 16, а конец - в возвратной камере 8, образованной дополнительной гильзой 11 и поршнем 6, при этом гидравлический канал 10 для связи возвратной камеры 8 с источником гидравлического давления (не показан) выполнен в крышке 2 и его окончание размещено между двумя уплотнениями 15 гильзы 4 относительно крышки 2.

Система смазки и охлаждения подшипников (см. фиг.3) в устройстве для герметизации устья скважины (см. фиг.2) включает подводящие каналы 19, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями этих элементов, и отводящие каналы 20, содержит насос 21. Причем насос 21 и отводящие каналы 20 выполнены в виде радиальных или направленных под острым углом к радиусу центрального отверстия корпуса отверстий или каналов и размещены на элементе устройства, имеющем возможность вращения, а подводящие каналы 19 выполнены в виде осевых или направленных под острым углом к оси вращения отверстий или каналов, при этом подводящие и отводящие каналы имеют как минимум два общих проточных коллектора 22 и 23, один из которых проходит через зазор между обоймами подшипника 5.

Система смазки и охлаждения подшипников (см. фиг.4) в устройстве для герметизации устья скважины (см. фиг.1) включает подводящие каналы 24, выполненные преимущественно в невращающихся элементах устройства или образованные поверхностями невращающихся элементов, и отводящие каналы 25, содержит насос 26, связанный через каналы 24 и 25 с дополнительным подшипником 13, размещенным между корпусом 1 и дополнительной гильзой 11, выполненным в виде наклонных лопаток или отверстий 27, размещенных на элементе устройства (дополнительной гильзе 11), имеющем возможность вращения, при этом лопатки или отверстия 27 занимают лишь часть кругового периметра этого элемента устройства, а остальная часть периметра свободна или имеет лопатки или отверстия 28 с противоположным углом наклона или направленные вдоль оси вращения.

При этом подшипник 5 выполнен радиально-упорным или сфероконическим упорным, начало отводящих каналов 20 расположено вблизи нижних концов роликов подшипника 5, а подводящие каналы 19 соединены в одну сплошную кольцевую щель.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.2).

При необходимости герметизации устья скважины с возможностью вращения и подачи инструмента гидравлическое давление от источника давления (насос с гидроаккумулятором) подается в канал 9 и поступает одновременно в рабочую камеру 7 и разгрузочную компенсационную камеру 14. При этом поршень 6 под действием давления в рабочей камере 7 движется вверх, сжимая уплотнительный элемент 3, который вследствие сужающейся формы полости гильзы 4 выдвигается в центральное отверстие корпуса 1, плотно охватывая и уплотняя инструмент, находящийся там (не показан), или полностью перекрывая сечение устья в случае отсутствия инструмента. Осевое усилие от воздействия поршня 6 и устьевого давления в скважине на уплотнительный элемент 3 и инструмент передается через гильзу 4 на подшипник 5 лишь частично, поскольку основная часть усилия компенсируется давлением жидкости, поступившей через гидроканал 9 в разгрузочную компенсационную камеру 14 и воздействующей на верхнюю часть гильзы 4, компенсируя нижнее осевое усилие и разгружающее подшипник 5. Часть жидкости при вращении гильзы 4 центробежной силой выбрасывается из насоса, выполненного в виде каналов 20 и 21, образуя циркуляцию в замкнутом контуре: каналы 20 и 21 (насос), коллектор 23, щель-канал 19, коллектор 22, насос 21, смазывая, промывая и охлаждая подшипник 5. Часть жидкости при вращении дополнительной гильзы 11 лопатками (отверстиями) 28, имеющими отрицательный угол атаки, подается в подшипник 13, а лопатками (отверстиями) 27 с положительным углом откачивается из подшипника 13.

Радиальное усилие, возникающее от несоосности инструмента, воспринимается уплотнительным элементом 3 и подшипником 13 и поэтому не вызывает перекоса или неравномерного нагружения подшипника 5.

Для разгерметизации устья скважины давление жидкости от источника гидравлического давления снимается с канала 9 и подается в канал 10 и далее через каналы 17 и 18 в возвратную камеру 8. Поршень 6 опускается, освобождая уплотнительный элемент 3 и зажатый им инструмент.

Устройство реализовано в конструкциях универсальных вращающихся превенторов ВУГП 156х21, где гильзы 4 и 11 объединены в единый вал, внутренняя втулка гильзы 11 выполнена отделяемой на разъемном соединении, а диаметры меньших уплотнений поршня 6 и гильзы 4 равны, и ВУГП 156х35 (180х35), где гильзы 4 и 11 выполнены раздельными, а внутренняя втулка гильзы 11 выполнена как одно целое с гильзой, рассчитаны превенторы на рабочее давление в режиме вращения до 21,0-35,0 МПа (210-350 кг/см²) и имеют сферические уплотнительные элементы со стальными армирующими вкладышами.