УСТАНОВКА ДЛЯ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО СПУСКА ТРУБ В СКВАЖИНУ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК E21B19/00 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для спуска труб в скважину под давлением.

Известно устройство /1/ для спуска труб под давлением, содержащее гидроцилиндр, подвижный и неподвижный трубные захваты с приводами, систему управления трубными захватами и систему управления гидроцилиндром (прототип).

Указанное устройство имеет недостатки:
1. невысокая надежность, т.к. в случае неожиданного выброса или падения колонны труб ликвидация аварийной ситуации полностью зависит от быстроты реакции оператора на пульте управления: необходимо быстро зафиксировать колонну трубными захватами, пока скорость движения колонны не достигла опасной для прочности установки величины. Не исключен случай одновременного отключения клиньев подвижного и неподвижного трубных захватов, что может привести к выбросу или падению на забой спускаемой колонны труб;
2. оператору приходится совершать большое число управляющих воздействий для сообщения возвратно-поступательных движений гидроцилиндру;
3. низкая производительность работы установки, т.к. при подаче рабочей жидкости с большим расходом в штоковую полость гидроцилиндра расход жидкости, вытесняемой из поршневой полости, достигает столь большой величины, что при этом режиме число Рейнольдса значительно превосходит его критическое значение. Интенсивное вихреобразование в сливной магистрали при таком режиме движения жидкости может вообще запереть цилиндр, т.е. вызвать его полную остановку.

Скорость движения штока гидроцилиндра при холостом ходе такая же, как и при рабочем, и обусловлена только параметрами насоса и гидравлическим сопротивлением системы.

Цель изобретения -усовершенствование установки для принудительного спуска труб в скважину под давлением, в которой за счет усовершенствования системы управления гидроцилиндром и трубными захватами достигается повышение надежности и производительности работы установки.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для принудительного спуска труб в скважину под давлением, содержащей гидроцилиндр, подвижный и неподвижный трубные захваты с приводами, систему управления трубными захватами и систему управления гидроцилиндром, новым является то, что поршневая полость гидроцилиндра снабжена дополнительной гидролинией слива рабочей жидкости, система управления гидроцилиндром снабжена дополнительным управляемым обратным клапаном, который размещен на дополнительной гидролинии слива рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра, и гидролиния управления которым соединена с основным распределителем рабочей жидкости, система управления гидроцилиндром дополнительно снабжена двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителем рабочей жидкости с механическим управлением, который кинематически связан со штоком гидроцилиндра, размещен на гидролиниях, соединяющих поршневую и штоковую полости гидроцилиндра с дополнительным распределителем, и установлен с возможностью выполнения функций основного распределителя, система управления гидроцилиндром снабжена двухпозиционным двухлинейным гидроуправляемым распределителем, который размещен между штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра, и система управления гидроцилиндром снабжена двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителем с ручным управлением, который установлен между основным распределителем и дополнительной гидролинией слива рабочей жидкости, и соединен гидролиниями управления с двухпозиционными двухлинейным гидроуправляемым распределителем и с управляемым обратным клапаном, установленным на линии, соединяющей штоковую полость гидроцилиндра с основным гидрораспределителем, гидролинии управления, управляемыми обратными клапанами, размещенными на гидролиниях дополнительного слива, и гидролинии, соединяющей поршневую полость гидроцилиндра с основным распределителем, подключены ко входу управляемого обратного клапана, размещенного на гидролинии, соединяющей основной распределитель со штоковой полостью гидроцилиндра, и двухпозиционные четырехлинейные реверсивные распределители системы управления трубными захватами снабжены блокирующими гидроцилиндрами с гидролиниями управления.

Снабжение гидроцилиндра дополнительной гидролинией слива с расположенным на ней управляющим обратным клапаном обеспечивает движение гидроцилиндра с максимальной скоростью при подаче рабочей жидкости в штоковую полость, что повышает производительность установки.

Введение в схему управления гидроцилиндром двухпозиционного четырехлинейного реверсивного распределителя с механическим управлением, кинематически связанного со штоком гидроцилиндра, позволяет переключить установку на работу в автоматическом режиме. Это дает возможность осуществить на максимально возможной скорости ориентацию муфты спускаемой трубы относительно герметизирующей головки, что повышает производительность установки.

Размещение между штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра двухпозиционного двухлинейного гидроуправляемого распределителя, а также двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителем с ручным управлением позволяет при незначительных нагрузках значительно увеличить скорость холостого хода гидроцилиндра. Это также существенно увеличивает производительность установки.

Подключение гидролиний управления каждого из управляемых обратных клапанов, расположенных на гидролиниях, соединяющих основной распределитель с полостями гидроцилиндра, на вход другого обеспечивает автоматическую постановку на гидростопор гидроцилиндра в случае внезапного выброса или падения на забой скважины колонны спрускаемых труб, что повышает надежность установки.

Оснащение двухпозиционных четырехлинейных реверсивных распределителей системы управления трубными захватами, блокирующими гидроцилиндрами с соответствующим соединением их гидролиниями блокировки делает невозможным одновременное открытие клиньев одноименных ярусов подвижного и неподвижного трубных захватов. Это обеспечивает удержание колонны спускаемых труб постоянно хотя бы одним из трубных захватов и повышает надежность установки.

На фиг. 1 приведен общий вид установки без гидравлической станции и пульта управления; на фиг.2 принципиальная гидравлическая схема без пульта управления и гидравлической станции; на фиг.3 принципиальная гидравлическая схема пульта управления и гидравлической станции.

Установка включает в себя гидроцилиндр 1 с полым штоком, на котором закреплен подвижный трубный захват /2/. Гидроцилиндр 1 закреплен на раме 3, на которой установлен неподвижный трубный захват 4. Рама 3 установлена на герметизирующей головка 5.

В составе подвижного трубного захвата 2 имеются попарно соединенные последовательно гидроцилиндры 6 и 7, кинематически связанные с клиньями верхнего яруса захвата, и 8 и 9, кинематически связанные с клиньями нижнего яруса. Клинья верхнего и нижнего ярусов развернуты в противоположные стороны, а между ними размещена пружина. Такие же пары гидроцилиндров 10 и 11, а также 12 и 13 имеются в составе неподвижного трубного захвата 4.

На штоке гидроцилиндра 1 установлен с возможностью взаимодействия с двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителей 14 механизм переключения мгновенного действия 15.

Гидравлическая станция включает в себя основной насос 16, предохраняемый клапаном 17, и дополнительный насос 18, предохраняемый клапаном 19.

Основной насос 16 связан гидролинией с трехпозиционным четырехлинейным основным распределителем 20, установленным на пульте управления 21. Параллельно распределителю 20 включен двухпозиционный четырехлинейный дополнительный распределитель 22. На общей гидролинии, соединяющей гидронасос 16 с распределителями 20 и 22, установлен манометр 23. Дополнительный насос 18 связан гидролинией с включенными параллельно друг другу двухпозиционными четерехлинейными распределителями 24.27 управления гидроцилиндрами 6.13 подвижного 2 и неподвижного 4 трубных захватов. На этой же гидролинии установлен манометр 28.

Основной распределитель 20 связан силовыми гидролиниями с поршневой и штоковой полостями гидроцилиндра 1. На этих гидролиниях размещены управляемые обратные клапаны 29 и 30. Дополнительный распределитель 22 связан гидролиниями с распределителем 14, который в свою очередь соединен гидролиниями со штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра 1 со стороны входов управляемых обратных клапанов 29 и 30. Гидроцилиндр 1 снабжен дополнительной гидролинией слива, на которой размещен управляемый обратный клапан 31.

Между штоковой поршневой полостями гидроцилиндра 1 установлен двухпозиционный двухлинейный гидроуправляемый распределитель 32, гидролиния управления которого через двухпозиционный четырехлинейный распределитель 33 связана с гидролинией дополнительного слива. Через распределитель 33 гидролиния управления клапаном 29 связана с входом клапана 30. Гидролинии управления клапанами 30 и 31 связаны с входом клапана 29.

Распределители 24.27 снабжены блокирующими гидроцилиндрами 34, связанными гидролиниями блокировки с гидролиниями управления гидроцилиндрами 6.13. Блокировкой предусмотрено взаимное блокирование распределителей 24 и 26, а также 25 и 27.

При запуске насоса 18 рабочая жидкость подается на входы распределителей 24.27 на пульте 21. Так как гидроцилиндры трубных захватов 2 и 4 некоторое время остаются в исходном положении, наличие избыточного давления предотвращается клапаном 19. После набора номинального давления, что контролируется на манометре 28, отключают клинья трубных захватов 2 и 4. Для этого переводят распределитель 25 в левое по схеме положение. При этом срабатывают гидроцилиндры 8 и 9 трубного захвата 2. После этого под гильзы гидроцилиндров 8 и 9 подводят имеющиеся в комплектах трубных захватов 2 и 4 упоры и возвращают распределитель 25 в правое по схеме положение. Затем переводят в левое по схеме положение распределитель 27, что вызывает движение гильзы гидроцилиндров 12 и 13, связанных с клиньями нижнего яруса трубного захвата 4. Под гильзы гидроцилиндров 12 и 13 также подкладывают упоры. Переводят в левое по схеме положение распределитель 24; срабатывают гидроцилиндры 6 и 7 трубного захвата 2, после чего сквозь трубный захват 2 и полый шток гидроцилиндра 1 пропускают первую спускаемую трубу, оборудованную срезным или обратным клапаном. Затем переводят распределитель 24 в правое по схеме положение, гидроцилиндры 6 и 7 освободжают клинья верхнего яруса трубного захвата 2, и пружина трубного захвата 2 поджимает клинья к трубе.

Включают насос 16 и контролируют повышение давления до срабатывания распределителей 20 или 22, избыточная жидкость сбрасывается клапаном 17. Переводят распределитель 20 в левое по схеме положение, и рабочая жидкость подается на вход клапана 30 и через него в поршневую полость гидроцилиндра 1. Одновременно давление управления подается через распределитель 33 на клапан 29, что вызывает его открывание. Вытесняемая из штоковой полости жидкость при движении поршня гидроцилиндра 1 вверх через открытый клапан 29 и распределитель 20 сливается в бак.

При движении вверх связанного со штоком гидроцилиндра 1 трубного захвата 2 его клинья отжимаются вниз силами трения, благодаря чему труба остается на месте.

Когда трубный захват 2 приходит к крайнее верхнее положение, распределитель 20 переводят в правое по схеме положение; жидкость поступает на вход клапана 29, открывает его и поступает в штоковую полость гидроцилиндра 1. Одновременно давление управления открывает клапаны 30 и 31. Из поршневой полости гидроцилиндра 1 вытесняемая при движении вниз поршня гидроцилиндра 1 жидкость сливается по двум гидролиниям; через клапан 30 и распределитель 20, а также через клапан 31 и гидролинию дополнительного слива.

Дополнительная гидролиния слива, открывающаяся при ходе гидроцилиндра 1 вниз, необходима для компенсации разницы объемов штоковой и поршневой полостей; эта компенсация устраняет эффект торможения гидроцилиндра 1, который возник бы в этом режиме движения.

При движении захвата 2 вниз его клинья захватывают трубу и увлекают ее за собой.

Когда нижний конец трубы нажмет на клинья верхнего яруса захвата 4, клинья отожмутся вниз и пропустят трубу. С этого момента труба схватывается клиньями верхних ярусов как захвата 2, так и 4.

Переводом распределителя 20 из одного крайнего положения в другое переключают гидроцилиндр 1, который совершает попеременно ход вверх и вниз. При ходе вверх труба удерживается от выброса клиньями верхнего яруса захвата 4; в это время клинья верхнего яруса захвата 2 скользят вверх по трубе. При ходе гидроцилиндра 1 вниз труба захватывается клиньями верхнего яруса захвата 2 и увлекается вниз; в это время клинья верхнего яруса захвата 4 отжимаются трубой вниз и пропускают ее через захват 4.

Фонтан по трубному каналу предотвращается клапаном, установленным на трубе, а по межтрубному пространству -герметизирующей головкой 5.

Когда верхний торец трубы дойдет до верхней плоскости захвата 2, подают следующую трубу и свинчивают ее с первой.

Для работы в автоматическом режиме переводят распределитель 22 в правое по схеме положение. Рабочая жидкость подается насосом 16 через распределитель 22 и распределитель 14 на вход клапана 30 и далее в поршневую полость гидроцилиндра 1. Затем все происходит так, как было описано выше при работе в режиме ручного управления. Когда гидроцилиндр 1 совершит ход вверх, механизм 15 переключит распределитель 14 в верхнее по схеме положение. Теперь рабочая жидкость, пройдя распределитель 14, поступит на вход клапана 29 и гидроцилиндр 1 выполнит ход вниз, увлекая захватом 2 спускаемую колонну труб. В конце хода гидроцилиндр 1 механизма 15 переключит распределитель 14, и цикл повторится. Таким образом, при установленном в правое по схеме положение распределителе 22 шток гидроцилиндра 1 совершает возвратно-поступательное движение в автоматическом режиме.

Размеры установки и регулировка механизма 15 выполнены так, чтобы муфта трубы прошла расстояние от исходного положения над верхней плоскостью трубного захвата 2 до видимого промежутка в раме 3 между нижней плоскостью трубного захвата 4 и верхней плоскостью герметизирующей головки 5 за целое число двойных ходов. За следующий ход муфта проходит всю высоту герметизирующей головки 5. Это необходимо, т.к. в случае остановки муфты в пределах герметизирующей головки 5 требуется значительное усилие для последующего страгивания трубы с места, что снижает технологические возможности установки при большой величине противодавления флюида скважины.

После того как вес спускаемой колонны труб сравняется с выталкиваемой силой, действующей на нее со стороны скважины, удаляют упоры из-под гильз гидроцилиндров 8, 9, 12 и 13, а распределители 24.27 устанавливают в правое по схеме положение. Перед ходом трубного захвата 2 вверх переводят в левое положение распределители 24 и 25, что вызывает исключение клиньев обоих ярусов захвата 2; перед ходом захвата 2 вниз распределители 24 и 25 устанавливают в правое положение, а затем распределители 26 и 27 в левое. Теперь включаются все клинья захвата 2 и выключаются все клинья захвата 4. Одновременное выключение клиньев одноименных ярусов обоих захватов невозможно из-за имеющихся между распределителем 24.27 связей блокировок. Это делает невозможным случайное освобождение оператором колонны труб от удержания клиньями обоих захватов сразу, что могло бы привести к выбросу или падению на забой колонны, труб.

После того как вес колонны труб начнет преодолевать выталкивающую силу флюида скважины, отключают верхние ярусы клиньев трубных захватов 2 и 4 аналогично тому, как это делалось раньше при работе с первой спускаемой трубой. В дальнейшем спуск ведется на клиньях нижних ярусов трубных захватов 2 и 4, чтобы не допустить падения колонны труб на забой.

Если в процессе спуска труб, когда вес колонны еще не преодолевает выталкивающей силы флюида скважины, по какой-либо причине начнется выброс труб, колонна, охваченная клиньями трубного захвата 2, увлечет за собой шток и поршень гидроцилиндра 1. Вследствие движения поршня гидроцилиндра 1 вверх повысится давление в штоковой полости гидроцилиндра 1, и когда оно превысит давление жидкости, поступающей на вход клапана 29, он закроется, и гидроцилиндр 1 станет на гидравлический стопор.

Если в процессе спуска труб, когда вес колонны уже преодолевает выталкивающую силу флюида скважины, начнется падение труб, повысится давление в поршневой полости гидроцилиндра 1, что вызовет запирание клапанов 30 и 31. В этом случае гидроцилиндр 1 также станет на гидравлический стопор.

Таким образом, в случае внезапного выброса или падения колонны труб гидроцилиндр 1 автоматически тормозится.

Если распределитель 24 переведен в левое по схеме положение, что вызывает отключение клиньев верхнего яруса трубного захвата 2, давление управления подается на блокирующий гидроцилиндр 34 распределителя 26. Это делает невозможным ошибочное переключение распределителя 26, что могло бы привести к освобождению спускаемых труб захватом 4 и к выбросу их под действием давления флюида скважины. Если переведен в левое по схеме положение распределитель 26, аналогично блокируется распределитель 24. Также работают блокирующие гидроцилиндры 34 на распределителе 25 и 27, предотвращая возможность падения труб на забой скважины вследствие ошибки оператора пульта управления 21.

Схемой установки предусмотрена работа гидроцилиндра 1 при ходе вверх с увеличенной скоростью при спуске или подъеме колонны труб, когда насос 16 работает с неполной нагрузкой. Этот режим работы включается переводом распределителя 33 в левое по схеме положение. При подаче рабочей жидкости на вход клапана 30 давление управления через распределитель 33 переключает распределитель 32. Тем самым соединяются штоковая и поршневая полости гидроцилиндра 1 и в них устанавливается одинаковое давление. Клапан 29 запирается под действием давления жидкости, поступающей в гидроцилиндр 1 через клапан 30, т.к. гидролиния управления клапаном 29 теперь соединена через распределитель 33 с гидролинией дополнительного слива. Рабочая жидкость в обеих полостях гидроцилиндра 1 воздействует на поршень гидроцилиндра 1 как сверху, так и снизу с одинаковым давлением; в силу того, что площадь поршня со стороны поршневой полости больше, чем со стороны штоковой полости, поршень движется вверх. При этом гидроцилиндр 1 развивает небольшое сравнительно с обычным режимом работы усилие. Жидкость из штоковой полости вытесняется через распределитель 32 в поршневую полость, т.к. линия слива закрыта. Тем самым достигается эффект, равнозначный увеличению производительности насоса 16, и скорость движения штока значительно увеличивается. При реверсировании гидроцилиндра 1, когда рабочая жидкость подается на вход клапана 29, а клапаны 30 и 31 открываются под воздействием давления управления, распределитель 32 переключается, т.к. его гидролиния управления теперь оказывается связанной со сливной магистралью; благодаря этому ход гидроцилиндра 1 вниз происходит с рабочей скоростью.

Таким образом, гидравлическая система управления установкой обеспечивает работу в ручном и автоматическом режимах, выполнение холостого хода гидравлического цилиндра на большой скорости, автоматическое торможение гидравлического цилиндра в случае внезапного выброса или падения колонны труб, гарантированный захват колонны одной из групп клиньев трубных захватов, что повышает производительность и надежность установки.

Использование: изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для спуска труб в скважину под давлением. Сущность: установка для принудительного спуска труб в скважину под давлением имеет усовершенствованную систему управления гидроцилиндром и трубными захватами. Дополнительная гидролиния слива с управляющими обратным клапаном обеспечивает движение гидроцилиндра с максимальной скоростью. Двухпозиционный реверсивный распределитель с механическим управлением позволяет переключить установку на работу в механическом режиме. Размещение между штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра двухпозиционного двухлинейного гидроуправляемого распределителя позволяет значительно увеличить скорость холостого хода гидроцилиндра. Подключение управляемых обратных клапанов к гидролиниям обеспечивает механическую постановку на гидростопор гидроцилиндра в случае внезапного выброса или падения за забой скважины колонны спускаемых труб. Использование изобретения повышает надежность и производительность работы установки. 3 ил.

Установка для принудительного спуска труб в скважину под давлением, содержащая гидроцилиндр, подвижный и неподвижный трубные захваты с приводами, систему управления трубным захватом и систему управления гидроцилиндром с основным и дополнительным гидрораспределителями и управляемыми обратными клапанами, отличающаяся тем, что поршневая полость гидроцилиндра снабжена дополнительной гидролинией слива рабочей жидкости, система управления гидроцилиндром снабжена дополнительным управляемым обратным клапаном, который размещен на дополнительной гидролинии слива рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра и гидролиния управления которым соединена с основным распределителем рабочей жидкости, система управления гидроцилиндром дополнительно снабжена двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителем рабочей жидкости с механическим управлением, который кинематически связан с штоком гидроцилиндра, размещен на гидролиниях, соединяющих поршневую и штоковую полости гидроцилиндра с дополнительным распределителем, и установлен с возможностью выполнения функций основного распределителя, система управления гидроцилиндром также снабжена двухпозиционным двухлинейным гидроуправляемым распределителем, который размещен между штоковой и поршневой полостями гидроцилиндра, двухпозиционным четырехлинейным реверсивным распределителем с ручным управлением, который установлен между основным распределителем и дополнительной гидролинией слива рабочей жидкости и соединен гидролиниями управления с двухпозиционным двухлинейным гидроуправляемым распределителем и с управляемым обратным клапаном, установленным на гидролинии, соединяющей штоковую полость гидроцилиндра с основным распределителем, гидролинии управления управляемыми обратными клапанами, размещенными на гидролинии дополнительного слива и гидролинии, соединяющей поршневую полость гидроцилиндра с основным распределителем, подключены к входу управляемого обратного клапана, размещенного на гидролинии, соединяющей основной распределитель с штоковой полостью гидроцилиндра, а двухпозиционные четырехлинейные реверсивные распределители системы управления трубными захватами снабжены блокирующими гидроцилиндрами с гидролиниями управления.