устройство для герметизации устья скважины

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, содержащее направляющую штангу, на которой расположены опорные элементы, стопорные узлы и запорные узлы, отличающееся тем, что опорные элементы выполнены в виде кольцевых хомутиков, охватывающих направляющую штангу с возможностью фиксации положения, стопорные узлы содержат расположенные на направляющей штанге подпружиненные втулки с кинематически связанными с ними рычагами, на концах которых закреплены экцентрики, выполненные в виде роликов, а запорный узел выполнен в виде подвижных створок, кинематически связанных с соответствующими втулками с обеспечением в рабочем положении перекрытия внутреннего сечения скважины, при этом нижняя часть направляющей штанги выполнена в виде штыря, на одной оси с которым жестко закреплен трубопровод, на верхнем конце которого установлен вентиль, а в боковой поверхности нижней части трубопровода выполнено отверстие, причем запорный узел закреплен над указанным отверстием.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внешней поверхности роликов эксцентриков выполнена насечка с обеспечением в рабочем состоянии механического контакта с внутренней поверхностью трубы скважины.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рычаги стопорных узлов расположены симметрично в поперечном сечении упомянутых узлов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый стопорный узел содержит три рычага и три ролика.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит два запорных узла, установленные на трубопроводе, под указанными запорными узлами на направляющей штанге расположены два стопорных узла, а над запорными узлами на трубопроводе направляющей штанги установлен третий стопорный узел.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что запорный узел содержит три симметрично расположенные по окружности подвижные створки.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вес устройства Р_устр. удовлетворяет условию Р_устр.>F_{выталк.}, где F_{выталк.} - величина суммарной выталкивающей силы, воздействующей на устройство при введении направляющей штанги в устье скважины.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что по наружному контуру подвижных створок и в зонах их взаимного перекрытия расположены уплотнительные элементы.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит электромеханический блок управления и вертикальные тяги, кинематически связанные с рычагами стопорных узлов и с подвижными створками запорных узлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано в процессе строительства и ремонта нефтяных и газовых скважин, а также в аварийных ситуациях для герметизации устья сважин при ликвидации газовых, нефтяных и других выбросов под воздействием давления жидкогазовой среды при добыче полезных ископаемых.

Известен обратный клапан для бурильной колонны [1], включающий корпус, состоящий из ниппеля и переводника, связанных резьбовым соединением, установленное между ними составное седло в виде втулки, образующей с переводником кольцевую полость, и упругого эластомерного элемента, размещенного в полости с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом цилиндрической втулки и ниппеля, а также расположенный со стороны последнего и контактирующий с седлом тарельчатый запорный орган, содержащий проходящий по оси переводника шток, в хвостовой части которого установлена пружина, поджимающая запорный орган к седлу, причем в проходном канале переводника выполнены ребра, причем шток выполнен в виде центрального стержня и обечайки, а ребра связывают их между собой, причем пружина размещена в цилиндрической кольцевой полости между обечайкой и переводником.

Известное устройство [1] используется для перекрытия бурильных труб, выполненных в виде обратного клапана, при бурении, смене инструмента и ремонте скважин для предотвращения фонтанирования скважин.

Известно также устройство для герметизации устья скважины [2], содержащее цилиндрический корпус с центральным осевым ступенчатым и радиальным каналами, а также с присоединительными резьбами на концах, установленные в корпусе подпружиненное нижнее и верхнее седла, размещенный между ними с возможностью поворота шаровой запорный орган с осевым каналом и пазом на наружной поверхности, ось симметрии которого проходит через центр шарового запорного органа и перпендикулярна оси канала в нем, узел поворота шарового запорного органа в виде фигурной муфты, размещенной в радиальном канале корпуса, и узел фиксации в виде центрирующей втулки, опорных сухарей и стопорного кольца, устройство также снабжено узлом замера и сброса давления в виде управляемого клапана, выполненного с возможностью взаимодействия с ключом управления, размещенным над основным шаровым запорным органом дополнительным шаровым запорным органом с подпружиненным нижним и верхним седлами, узлами его поворота и фиксации, извлекаемой заглушкой и распорной втулкой с радиальными каналами на боковой поверхности, причем в корпусе дополнительно выполнены три радиальных канала, один из которых выполнен под нижним седлом основного шарового запорного органа, имеет ступенчатую форму с наименьшим внутренним диаметром со стороны центрального осевого канала корпуса и предназначен для размещения в нем управляемого клапана, второй выполнен над узлом фиксации основного шарового запорного органа и служит для размещения в нем узла поворота дополнительного шарового запорного органа, а третий служит для размещения в нем извлекаемой заглушки и выполнен между верхним седлом и узлом фиксации основного шарового запорного органа, при этом между последними установлена распорная втулка, а ступенчатый радиальный канал выполнен с внутренними резьбами, кроме ступени с наименьшим внутренним диаметром, причем управляемый клапан выполнен в виде цилиндрической пробки с наружной резьбой на боковой поверхности, ответной внутренней резьбе на средней ступени радиального канала, которая установлена в нем с возможностью осевого перемещения, при этом пробка выполнена со сквозными осевыми каналами и шлицевым соединением для управления клапаном на наружном торце.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является известное устройство для наведения противовыбросового оборудования на устье фонтанирующей скважины [3], содержащее корпус, элементы фиксации корпуса относительно обсадной трубы на устье фонтанирующей скважины, гидравлический привод перемещения упомянутых элементов фиксации и элементы герметизации корпуса относительно упомянутой обсадной трубы, отличающееся тем, что на внутренней поверхности корпуса выполнена кольцевая расточка, гидравлический привод перемещения элементов фиксации выполнен в виде кольцевого поршня с двусторонним штоком, установленного в кольцевой расточке корпуса с возможностью образования ограниченной поверхностями штока, поршня и корпуса, полости обратного хода поршня для расфиксации корпуса относительно обсадной трубы, элементы герметизации корпуса относительно обсадной трубы выполнены в виде плашек превентора и размещены над гидравлическим приводом перемещения элементов фиксации корпуса относительно обсадной трубы, при этом надпоршневая часть штока размещена в верхней части корпуса с возможностью обеспечения защиты элементов герметизации от теплового и механического воздействия на них до окончания наведения противовыбросового оборудования на устье фонтанирующей скважины. Известное устройство [3] используется для ликвидации газовых и нефтяных фонтанов.

Недостатками известных устройств [1, 2, 3] являются низкая надежность крепления внутри скважины, а также ограниченные возможности при эксплуатации.

Технический результат, заключающийся в устранении недостатков прототипа [3], а именно в повышении надежности крепления устройства внутри скважины и расширении возможностей за счет обеспечения регулируемого отбора жидкой и/или газовой среды после запирания скважины, достигается в предлагаемом устройстве для герметизации устья скважины, содержащем направляющую штангу, на которой расположены опорные элементы, стопорные узлы и запорные узлы, тем, что опорные элементы выполнены в виде кольцевых хомутиков, охватывающих направляющую штангу с возможностью фиксации положения, стопорные узлы содержат расположенную на направляющей штанге подпружиненные втулки с кинематически связанными с ними рычагами, на концах которых закреплены эксцентрики, выполненные в виде роликов, а запорный узел выполнен в виде подвижных створок, кинематически связанных с соответствующими втулками с обеспечением в рабочем положении перекрытия внутреннего сечения скважины, при этом нижняя часть направляющей штанги выполнена в виде штыря, на одной оси с которым жестко закреплен трубопровод, на верхнем конце которого установлен вентиль, а в боковой поверхности нижней части трубопровода выполнено отверстие, причем запорный узел закреплен над указанным отверстием.

При этом на внешней поверхности роликов экцентриков выполнена насечка с обеспечением в рабочем состоянии механического контакта с внутренней поверхностью трубы скважины, рычаги стопорных узлов расположены симметрично в поперечном сечении упомянутых узлов, а каждый стопорный узел содержит три рычага и три ролика.

Технический результат достигается также тем, что устройство содержит два запорных узла, установленных на трубопроводе, под указанными запорными узлами на штыре направляющей штанги расположены два стопорных узла, а над запорными узлами на трубопроводе направляющей штанги установлен третий стопорный узел.

Повышение надежности перекрытия сечения скважины достигается также тем, что запорный узел содержит три симметрично расположенные по окружности подвижные створки.

Обеспечение удобства вставки направляющей штанги в скважину достигается тем, что вес устройства Р_устр. удовлетворяет условию Р_устр.>F_{выталк.} , где F_{выталк.} - величина суммарной выталкивающей силы, воздействующей на устройство при введении направляющей штанги в устье скважины.

Дополнительное повышение надежности перекрытия сечения скважины достигается тем, что по наружному контуру подвижных створок и в зонах их взаимного перекрытия расположены уплотнительные элементы.

Улучшение эксплуатационных возможностей достигается тем, что оно содержит электромеханический блок управления и вертикальные тяги, кинематически связанные с рычагами стопорных узлов и с подвижными створками запорных узлов.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг.1 изображено устройство при вставке его в скважину до перекрытия ее проходного сечения;

на фиг.2 показано устройство в рабочем состоянии с перекрытием проходного сечения скважины;

на фиг.3 приведено изображение запорного узла (вид в плане);

на фиг.4 приведена фотография стопорного узла (вид сверху);

на фиг.5 приведена фотография стопорного узла (вид сбоку);

на фиг.6 приведена фотография опорного элемента (вид сверху);

на фиг.7 приведена фотография пружины стопорного узла.

Устройство (фиг.1, 2) содержит направляющую штангу 1, на которой расположены опорные элементы 2, стопорные узлы 3 и запорные узлы 4.

Опорные элементы 2 выполнены в виде кольцевых хомутиков (фиг.6), охватывающих направляющую штангу 1 с возможностью фиксации положения.

Стопорные узлы (фиг.1, 2, 4, 5) содержат расположенную на направляющей штанге 1 подпружиненные с помощью пружин 5 (фиг.7) втулки 6 с кинематически связанными с ними рычагами 15, на концах которых закреплены эксцентрики, выполненные в виде роликов 8.

Запорный узел 4 (фиг.1, 2, 3) выполнен в виде подвижных створок 7, кинематически связанных с соответствующими втулками 9 с обеспечением в рабочем положении перекрытия внутреннего сечения скважины 10.

Нижняя часть 11 направляющей штанги 1 (фиг.1, 2) выполнена в виде штыря, на одной оси с которым жестко закреплен трубопровод 12, на верхнем конце которого установлен вентиль 13, а в боковой поверхности нижней части трубопровода выполнено отверстие 14, при этом запорный узел 4 закреплен над отверстием 14.

На внешней поверхности роликов 8 экцентриков выполнена насечка (на чертежах не показано) с обеспечением в рабочем состоянии механического контакта с внутренней поверхностью трубы скважины 10.

Рычаги 15 стопорных узлов 3 расположены симметрично в поперечном сечении упомянутых узлов.

Каждый стопорный узел 3 содержит три рычага 15 и три ролика 8.

На фиг.1, 2 изображен вариант устройства, которое содержит два запорных узла 4, установленные на трубопроводе 12.

Под указанными запорными узлами 4 на направляющей штанге 1 расположены два стопорных узла 3, а над запорными узлами 4 на трубопроводе 12 направляющей штанги 1 установлен третий стопорный узел 3.

Запорный узел 4 содержит три симметрично расположенные по окружности подвижные створки 7.

Вес устройства Р_устр. удовлетворяет условию Р_устр.>F_{выталк.}, где F_{выталк.} - величина суммарной выталкивающей силы, воздействующей на устройство при введении направляющей штанги 1 в устье скважины 10.

По наружному контуру подвижных створок 7 и в зонах их взаимного перекрытия расположены уплотнительные элементы 16 и 17.

Устройство содержит также электромеханический блок 18 управления и вертикальные тяги 19, кинематически связанные посредством шарниров (не показаны) с рычагами 15 стопорных узлов 3 и с подвижными створками 7 запорных узлов 3. Тяги 19 проходят через отверстия 20 в створках 7, с которыми они также связаны через шарниры (на чертежах не показаны) без нарушения герметичности при закрывании створок 7. Наличие дополнительных шарниров 21 позволяет створкам отклоняться вверх.

Выход блока 18 управления подключен к управляющему входу вентиля 13, предназначенному для регулируемого отбора жидкой и/или газовой среды.

Устройство работает следующим образом.

Направляющая штанга 1 устройства наводится на устье скважины 10 при помощи грузоподъемного механизма (на чертежах не показан). При попадании нижней части 11 направляющей штанги 1 в обсадную трубу скважины, поскольку вес устройства Р_устр. удовлетворяет условию Р _устр.>F_{выталк.}, где F_{выталк.} - величина суммарной выталкивающей силы, воздействующей на устройство, устройство опускается вниз. При этом рычаги 15 стопорных узлов 3 и подвижные створки 7 запорных узлов 4 находятся в крайнем нижнем положении и не препятствуют движению жидкой и/или газовой среды из скважины 10.

После полного погружения устройства в скважину электромеханический блок 18 управления посредством подвижных тяг 19 перемещает рычаги 15 стопорных узлов 3 и подвижные створки 7 запорных узлов 4 в верхнее положение. Вместе с тем, на рычаги 15 и створки 7 снизу воздействует давление потока жидкой и/или газовой среды из скважины и они полностью отклоняются в крайнее верхнее положение.

Ролики 8, поверхность которых выполнена с насечкой, входят в соприкосновение с внутренней поверхностью трубы 10.

Ролики 8 являются, по существу, эксцентриками (ось вращения роликов смещена относительно их геометрического центра на величину 5).

При отклонении рычагов 15 вверх ролики вращаются вокруг своей смещенной оси и надежно «заклинивают» рычагами 15 устройство внутри скважины 10. Пружины 5 выполняют компенсирующую роль для трех рычагов 15.

При этом створки 7 запорных узлов 4, поворачиваясь на шарнирах 21, перемещаются вверх и закрывают канал скважины 10 путем взаимного перекрытия и за счет наличия уплотнительных элементов 16 и 17, а следовательно, перекрывают путь потоку жидкой и/или газовой среды.

Наличие двух последовательно установленных по вертикали запорных узлов 4 повышает надежность перекрытия канала скважины 10.

Наличие отверстия 14 позволяет потоку потоку жидкой и/или газовой среды устремиться в трубу 12 и подняться до вентиля 13. Если вентиль 13 закрыт, то поток жидкой и/или газовой среды будет полностью остановлен, т.е. скважина 10 будет полностью «заглушена».

Вентиль 13 позволяет осуществлять контролируемый и регулируемый отбор жидкой и/или газовой среды из скважины 10. При этом управление отбором осуществляется от блока 18 управления.

Детали и узлы устройства изготавливаются из высокопрочной стали.

Устройство прошло испытания и показало высокую надежность и удобство в эксплуатации.

Источники информации

1. Патент РФ № 2107805, МПК Е21В 34/06 от 26.08,1996.

2. Патент РФ № 2124114, МПК Е21В 33/03 от 15.04,1998.

3. Патент РФ № 2098598, МПК Е21В 33/06 от 05.09,1995.