УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРИВОД ПЛАШЕЧНОГО ПРЕВЕНТОРА-2 Российский патент 1997 года по МПК E21B33/06 

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин всех назначений. Преимущественная область использования в плашечных превенторах, применяемых на скважинах с вероятным выбросом флюидов, возможных вызвать аварийные и катастрофические ситуации на буровой площадке, когда требуется экстренная герметизация устья скважины, автоматическое стопорение плашек против его произвольной разгерметизации с дальнейшим автоматическим поджимом плашек к колонне труб по мере их механического износа и изменения физических свойств резины под воздействием окружающей среды.

Известен стандартный превентор по ОСТу 2616 1622 82, описанный в справочнике "Открытые фонтаны и борьба с ними", М. "Недра", 1991 г. автор Ю.Д. Долганов и другие. Этот превентор предназначен для герметизации устья скважины при наличии или отсутствии в нем колонны труб, в умеренном и холодном микроклимате. Он обеспечивает расхаживание колонны труб (что сопровождается механическим износом резиновых вкладышей плашек). Привод плашек - дистанционный гидравлический. Плашки перемещаются асинхронно, что чревато неизбежным изгибом колонны труб. Перемещение плашек осуществляется при помощи поршня гидравлического цилиндра, ток которого связан с корпусом. Для фиксации плашек в закрытом положении принят ручной, индивидуальный для каждой плашки привод, чем исключена крайне необходимая синхронность их работы, сопровождающаяся изгибом колонны труб. Открывать плашки, закрытые ручным приводом, можно только при помощи гидроуправления.

Известно устройство для фиксации плашек превентора, в котором раскрыт привод плашечного превентора, совокупность признаков которого сходна с совокупностью существенных признаков изобретения, в т.ч.

установленные в цилиндре шток с поршнем двухстороннего действия;
грузовые винт и гайка с углом подъема винтовой линии этой пары больше угла торможения несамотормозящиеся;
коническое тормозное гнездо внутреннего стопора и ответный стопорный конус;
фиксатор обгонной муфты (см. SU, AI, авт. св. N 1.229.312, E 21 B 33/03, 1986).

В известном устройстве шток с грузовым винтом расположены на одной оси, в результате чего их суммарная длина равна двум или более величинам хода поршня с плашкой, (общепринятая величина которого, при муфтовом соединении колонны труб, равна 0,75 диаметра колонны). На такую величину выдвигается из цилиндра каждый грузовой винт, увеличивая габарит длины привода на 1,5 ⊘ колонны. Коническое тормозное гнездо и ответный стопорный конус являются нецентрируемыми.

Так называемый "фиксатор" обгонной муфты представляет собой кольцевой поршень двухстороннего действия и может исполнять свои функции только при наличии давления в гидравлике, которое обеспечивается только в процессе герметизации скважины, после чего отключается, а т.к. "фиксатор" без постоянного поджима к наружной обойме может утрачивать работоспособность, то это указывает на потребность в дополнительном фиксаторе. При наличии несамотормозящейся грузовой резьбы у штока и внутренней обоймы "фиксатор" может показывать низкую работоспособность.

В предложенном изобретении коническая тормозная пара, при закрытом превенторе всегда замкнута действием осевой силы поджимной пружины, чем полностью исключается произвольная разгерметизация устья скважины.

На фиг. 1 показан горизонтальный разрез устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема наружного эксцентрикового синхронного фрикционного стопорного механизма на базе роликовой обгонный муфты; на фиг. 3 - принципиальная схема наружного храпового стопорного механизма на базе храповой муфты.

Устройство содержит цилиндр 1 с клапанами 2, 3 и фланцами 4, 5. Крышка 6 снабжена монолитной с ней и обращенной в полость цилиндра грундбуксой 7 с выточкой 8 для уплотнения 9, выточкой 10 для тарированной тарельчатой отжимной пружины 11 и коническим фрикционным стопорным гнездом 12 внутреннего стопора с углом α₁, меньше угла трения, (т.е. такого угла наклона образующей конуса к его оси, при котором принудительно посаженный в его ответный конус заклинивается). На внешней стороне крышки имеется цилиндрическая выточка 13 для вращательной посадки наружного кольца стандартной муфты свободного хода наружного стопора, содержащей звездочку внутреннее шлицевое кольцо 14, ролики 15, наружное кольцо 16, подшипниковые приливы: 17 для вала 18 синхронизатора привода с ведущей вал-шестерней 19 и цапфой 20 ручного или механического привода; и прилив 21 для вала 22 синхронизатора стопоров с эксцентриками 23 и цапфами 24 на его концах. В центральное отверстие крышки 6 и одновременно на внутреннее шлицевое кольцо 14 муфты свободного зонда посажен грузовой винт 25 (с грузовой резьбой, угол α₂ подъема расчетной винтовой линии которой больше угла трения). Под углом трения понимается угол наклона плоскости к горизонтали, при котором предмет, лежащий на плоскости, находится в покое. Винт 25 вращается и почти полностью лишен возможности осевых перемещений. Они находятся в пределах, например, 0,1 0,5 мм. Он снабжен фрикционным стопорным конусом 26, ответным гнезду 12 крышки 6, декомпрессионным Г-образным каналом 27, шлицами 28, резьбой 29 и цапфой 30 ручного или механического привода. На свободный шлицевой конец грузового винта посажена ведомая шестерня 31 и застопорена гайкой 32. В полость цилиндра и на грузовой винт 25 посажен поршень 33 с полым штоком 34, продольным пазом 35, грузовой резьбой 36, ответной грузовой резьбе винта 25, шлицами 37, уплотнением 38, поджимной тарированной тарельчатой пружиной 39, подпирающей переходник 40 в сторону корпуса превентора силой расчетной величины, необходимой для прижатия плашки к колонне, обеспечивающей номинальную герметизацию устья скважины. Причем ее силовая характеристика меньше силовой характеристики тарированной пружины 11. Поршень 33 вместе с поджимной тарированной пружиной 39 и переходником 40 имеет возможность передвигаться в осевом направлении на величину l₂. Кроме этого, переходник 40 подвижен по штоку 34 поршня 33 на величину l₁, (например, на l₁ 10 15 мм). Переходник 40 снабжен центрирующим диском 41 со шлицами 42, взаимодействующими со шлицами 37 поршня, декомпрессионным каналом 43, штоком 44, с резьбой 45, заглушкой 46, шипом 47 и т. п. масляным кольцом 48. Произвольное вращение поршня и переходника вокруг оси цилиндра исключено его жестким соединением с плашкой превентора, находящейся в направляющих его корпуса. После ввода диафрагмы 49 с уплотнениями 50, 51 в цилиндр и крепления его к корпусу превентора, в цилиндре 1 образуются две полости: 52 рабочего и 53 холостого ходов. Один корпус превентора снабжается двумя почти одинаковыми "приводами-2" плашек. Разница между ними заключается лишь в том, что на одном из них грузовые резьбы винта 25 и 36 поршня правые. На втором - левые. "Приводы 2" расположены на корпусе превентора симметрично и соосно. Их ось перпендикулярна вертикальной оси корпуса превентора и расположена в одной плоскости с ней. В прилив 17 и прилив привода, расположенный симметрично и соосно ему на противоположной стороне корпуса превентора, посажен единый вал 18 синхронизатора привода с ведущей шестерней 19, образуя вал-шестерню с цапфой 20 на обоих его концах. Ведущие вал-шестерни 19 взаимодействуют с ведомыми шестернями 31. В прилив 21 и противоположный и соосный ему прилив стопорного устройства, расположенного симметрично ему, посажен единый для приводов плашек синхронный вал 22 с эксцентриками 23 и цапфами 24 на его концах. Вал 22 подпружинен (например, спиральный пружиной, посаженной на него и работающей на закручивание), прижимая эксцентрик 23 к наружному кольцу 16 обгонный муфты на заклинивание. (Пружина на чертеже не показана), как показано стрелкой на фиг. 2. В другом случае муфта свободного хода 14 16 может быть полноценно заменена храповым механизмом (фиг. 3), содержащим уже названный вал 22 с собачкой 54, взаимодействующей с храповой звездочкой 55 и подпружиненной к ней, как показано стрелкой. Между штоком 34 и переходником 40 может быть образована кольцевая полость 56. Габарит длины обозначен l₃, и он равен 2,5 диаметрам проходного отверстия превентора. Применение двух (внутреннего и наружного) стопорных механизмов в двух вариантах обусловлено применением устройства в экстремальных условиях, где требуется высочайшая надежность. Их наличие заметного влияния на сложность и стоимость привода не оказывает, так как внутренний стопорный механизм представлен только одной отдельной простейшей стандартной деталью отжимной тарированной тарельчатой пружиной 11.

Устройство работоспособно при подаче гидравлического энергоносителя, а также от приложения к его приводным цапфам крутящего момента и в экстремальных условиях того и другого одновременно.

В полость 52 цилиндра 1 через канал 2 подается энергоноситель, он оказывает давление на торец поршня 33, перемещает его вместе с посаженным на него переходником 40 и поджимной тарированной пружиной 39 в сторону корпуса превентора (фиг. 1, ниже оси) одновременно сжимает тарированную поджимную пружину 39, заряжая ее потенциальной энергией и герметизирует устье скважины. При этом переходник 40, находясь в жесткой стыковке с площадкой превентора, заключенной в прямолинейных направляющих его корпуса, и взаимодействуя своим шлицами 42 со шлицами 37 поршня, лишен возможности вращения вокруг своей оси. В этих условиях поршень 33 вместе с переходником 40, передвигаясь по грузовому винту 25, взаимодействуя с его ответной резьбой 35, создают винту вращательное движение, например, применительно к фиг. 1, по часовой стрелке. Одновременно с этим, отжимная тарированная пружина 11 с заранее заневоленным предварительным усилием автоматически прекращает контакт конуса 26 с ответным коническим гнездом 12 в крышке 6, исключая их взаимный износ. Кроме этого и одновременно с этим шлицевое кольцо 14 с роликами 15 муфты свободного хода проворачивается вместе с грузовым винтом 25 на холостом ходу по часовой стрелке в наружном кольце 16, или вместе с ним в выточке 13. Причем, эксцентрик 23 подпружинен на заклинание с наружным кольцом 16, исключая его вращение против часовой стрелки. После окончания хода поршня 33 (вместе с переходником 40, тарированной поджимной пружиной 39 и шипом 47), предназначенного для герметизации устья скважины, сопровождавшегося повышенным на 5 10% сжатием и зарядкой потенциальной энергией поджимной тарированной пружины 39 и футеровки плашек, весь перечисленный блок деталей под действием повышенно сжатой футеровки плашек (стремящейся восстановить исходное положение) и флюида (при наличии такового) будет стремиться к обратному движению от колонны, с одновременным стремлением к смещению грузового винта 25 в сторону крышки, сближению конической пары 12, 26 взаимодействием с резьбой 36 поршня и придания ему вращательного движения в обратном направлении, т.е. против часовой стрелки (фиг. 1). Описанный процесс сопровождается включением в работу внутренней конической стопорной пары, позиции 12 и 26 и внешней стопорной пары, позиции 16, 23 (или позиции 54, 55) заклиниванием их, исключающим возможность произвольной разгерметизации устья скважины. Вероятная затрата времени на герметизацию скважины, стопорение плашек против произвольной разгерметизации и включение механизма автоматического поджима плашек к колонне в пределах 1 с.

Разгерметизация скважины осуществляется поворотом эксцентрика 23 на 1 - 2^o против часовой стрелки (фиг. 2), для растормаживания кольца 16 обгонной муфты внешнего стопорного устройства. Или, аналогично, храпового механизма (фиг. 3). После чего, действием поджимной тарированной пружины 39, поршень 33 перемещается в сторону крышки 6 и частично проворачивает грузовой вент 25 в обратном направлении, в данном случае против часовой стрелки. Одновременно с этим, тарированная отжимная пружина 11, более сильная, чем пружина 39 разъединяет внутреннюю коническую стопорную пару позиции 12, 26. С подачей энергоносителя через канал 3 в полость 53 цилиндра и далее через канал 43 переходника, поршень 33 продолжит движение в сторону крышки 6, взаимодействуя своим пазом 35 с шипом 47 переходника 40, отводя его и плашку превентора от колонны. При описанном движении поршня с деталями обгонная муфта 14 16 свободно вращается в выточке 13 крышки 6. Вероятная затрата времени на разгерметизацию скважины в пределах 1 с.

При практическом или ручном приводе герметизация скважины осуществляется следующим образом.

Между полостями 52 и 53 цилиндра открывается перепускной клапан (относящийся к схеме трубопроводов и на чертеже не показан). Наружное кольцо 16 обгонной муфты наружного стопора автоматически застопорено эксцентриком 23 или собачкой 54 от вращения против часовой стрелки. Вращением вала 18 с ведущей шестерней 19 против часовой стрелки (применительно к фиг. 1) сообщается вращение ведомой шестерне 31, грузовому винту 25 и звездочке 14, т.е. внутреннему шлицевому кольцу обгонной муфты по часовой стрелке. Поршень 33 с переходником 40, поджимной тарированной пружиной 39, заглушкой 46, шипом 47 передвигаются к колонне, и далее работают так же, как от гидропривода. Вероятная затрата времени на герметизацию 3 5 с. Это достигается применением грузовой винтогаечной пары 25, 36 с большим углом подъема винтовой линии и ее шагом.

Разгерметизацию скважины осуществляют вращением вал-шестерни 18 19 по часовой стрелке; грузовому винту 25 с левой резьбой, почти полностью лишенному осевых движений, сообщается вращение против часовой стрелки. В результате взаимодействия винта 25 с ответной резьбой в штоке 34 поршня, последний, вместе с переходником 40, тарированной пружиной 39, шипом 47, взаимодействующим с пазом 35 штока поршня, заглушкой 46 и плашкой превентора передвинется к крышке 6, разгерметизировав устье скважины. При этом поршень 33 и сблокированные с ним детали работают так же, как и от гидропривода.

Работа от гидравлического энергоносителя и механического привода одновременно применима в тех случаях, когда в экстремальных условиях обнаруживается нарушение герметичности скважины, например в результате прорыва флюида через недоброкачественное тело футеровки плашек. Этот способ обеспечивает возможность создания удвоенного удельного давления на футеровку, придавая ей повышенную текучесть, способствующую заполнению образовавшихся неплотностей, не исключая при этом структурное нарушение материала футеровки.

Использование: изобретение относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности, для герметизации при возможности выброса. Сущность: относительно корпуса превентора расположены симметрично два цилиндра. В каждом цилиндре расположен поршень с полым штоком, имеющим грузовую несамотормозящуюся резьбу. Грузовой винт образует с полым штоком винто-гаечную пару и имеет шлицы. Имеется переходник с центрирующим диском. Переходник шипом взаимодействует с внешними шлицами поршня. Внутреннее кольцо муфты свободного хода и ступица ведомой шестерни синхронизатора перемещения плашек имеют центральное шлицевое отверстие и посажены на шлицы грузового винта. Последний имеет конусный стопор, взаимодействующий с крышкой цилиндра. Переходник соединен с хвостиком плашки. Сведение-разведение плашек может осуществляться путем подачи энергоносителя в соответствующие полости в цилиндрах или путем приложения крутящего момента к приводным цапфам, или путем того и другого. Стопорение плашек исключает произвольную разгерметизацию устья скважины. 3 ил.

Универсальный привод плашечного превентора-2, включающий симметрично расположенные относительно корпуса превентора цилиндры, в полости каждого из которых размещен поршень с полым штоком, имеющим несамотормозящуюся грузовую резьбу, взаимодействующую с ответной грузовой резьбой элемента, образующего с упомянутым полым штоком винтогаечную пару, муфту свободного хода и фрикционный конусный стопор, отличающийся тем, что он снабжен переходником с центрирующим диском по крайней мере с одним шипом, поджимной и отжимной пружинами и синхронизатором перемещения плашек, выполненным в виде вала с двумя ведущими и двумя ведомыми шестернями и фрикционного или храпового стопора, элемент, образующий с полым штоком винтогаечную пару, выполнен в виде грузового винта с шлицами, поршень имеет внешние шлицы, полый шток по крайней мере один продольный паз, диск переходника шлицы, ответные внешним шлицам поршня, переходник установлен подвижно на полом штоке с возможностью взаимодействия шлицами диска с внешними шлицами поршня и по крайней мере одним шипом с по крайней мере одним продольным пазом полого штока, внутреннее кольцо муфты свободного хода и ступица ведомой шестерни синхронизатора перемещения плашек имеют центральное шлицевое отверстие и посажены на шлицы грузового винта, фрикционный конусный стопор выполнен на грузовом винте для взаимодействия с ответным гнездом, выполненным в крышке цилиндра, отжимная пружина установлена между фрикционным конусным стопором и крышкой цилиндра, поджимная пружина между поршнем и переходником, последний состыкован с хвостовиком плашки и имеет жесткое соединение с ней, а полость цилиндра заглушена диафрагмой.