СКВАЖИННОЕ ПРОТИВОВЫБРОСОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК E21B34/06 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в процессе строительства и эксплуатации скважин для предотвращения неконтролируемых выбросов жидкости или газа.

Известно множество скважинных противовыбросовых устройств, которые размещаются на колонне труб вблизи забоя скважины. Одно из этих устройств [1] имеет корпус с осевым каналом, седлом и внутренними кольцевыми проточками, в котором размещены подпружиненный цилиндрический шток, имеющий осевой канал, фиксатор и тарельчатый затвор, который может поворачиваться вокруг оси. Устройство перекрывает трубный канал при увеличении расхода газа выше расчетной критической величины за счет перемещения штока внутри корпуса в верхнее положение. При этом освобождается тарельчатый затвор, который, подхваченный потоком газа, поворачивается вокруг своей оси и герметизирует трубный канал.

Однако, известное устройство имеет ряд серьезных недостатков. Главным из них являются низкая надежность, а также резкое сужение проходного сечения трубного канала в месте размещения самого устройства, что приводит к нежелательным последствиям и затрудняет проведение работ по обслуживанию и ремонту скважины с помощью канатной техники.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, т.е. прототипом, является противовыбросовое устройство [2] которое устанавливается в колонне спускаемых в скважину труб и может работать в автоматическом или ручном режиме управления. Известное устройство содержит корпус с осевым каналом, в котором установлена обойма. Последняя имеет возможность возвратно-поступательного перемещения внутри корпуса. В обойме на цапфах размещен запорный элемент с центральным осевым каналом и с узлом ограничения поворота. Под обоймой установлен дросселирующий элемент из эластичного материала. При возникновении выброса восходящий поток жидкости или газа сжимает дросселирующий элемент и возникающий при этом перепад давления перемещает обойму в верхнее положение относительно корпуса. При этом запорный элемент, поворачиваясь на цапфах и взаимодействуя с узлом ограничения поворота, перекрывает трубный канал.

При создании же в трубном канале давления, превышающего величину давления под запорным элементом, обойма перемещается вниз. Запорный элемент при этом вновь открывает трубный канал.

Известное противовыбросовое устройство крайне ненадежно в работе из-за конструктивных особенностей запорного и дросселирующего элементов, а также узла ограничения поворота. Проведение канатных работ при размещении известного устройства в составе колонны труб, спущенных в скважину, практически невозможно.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности работы устройства и обеспечение возможности проведения при его установке в колонне труб канатных работ в скважине.

Поставленная задача достигается в предлагаемом техническом решении тем, что устройство, включающее корпус с осевым каналом, в котором размещено седло и установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения обойма в виде цилиндрической втулки, в последней на цапфах с возможностью поворота вокруг нее размещен запорный элемент с центральным осевым каналом и узлом ограничения поворота, а под обоймой установлен дросселирующий элемент, причем в корпусе между седлом и обоймой размещено подпружиненное кольцо, обойма имеет возможность поворота в корпусе вокруг своей оси и выполнена в своей верхней части с двумя стойками, в которых имеются радиальные каналы для размещения цапф, между стойками на ее наружной поверхности выполнен осевой паз, при этом кольцо установлено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и взаимодействия своим нижним торцом с верхними торцами стоек, а запорный элемент имеет форму шара с двумя отсеченными боковыми шаровыми сегментами, причем плоскости этих сечений взаимно параллельны и равноудалены от центральной оси канала запорного элемента, а узел ограничения поворота выполнен в виде пальцев, которые имеют возможность взаимодействия со стойками в крайних положениях запорного элемента при его повороте относительно обоймы, при этом в запорном элементе со стороны его боковых плоскостей выполнены радиальные каналы для размещения в них цапф и пальцев, оси которых перпендикулярны боковым плоскостям и находятся в диаметральной плоскости, которая составляет угол в 45^o с диаметральной плоскостью, проходящей через центральную ось запорного элемента и перпендикулярной к его боковым плоскостям, причем радиальные каналы для размещения цапф удалены от центров боковых плоскостей на меньшее расстояние, чем радиальные каналы для размещения пальцев, при этом дросселирующий элемент жестко установлен в корпусе и имеет вид сопла с фигурным осевым пазом на наружной поверхности, а обойма и сопло размещены в корпусе соосно с возможностью частичного или полного совмещения пазов на своих наружных поверхностях, причем запорный элемент установлен в обойме таким образом, что цапфы и пальцы на его боковых плоскостях размещены с эксцентриситетом в сторону, противоположную той, на которой выполнен осевой паз обоймы, при этом устройство снабжено узлом регулирования степени совмещения осевых пазов обоймы и сопла в виде фиксирующего элемента, например шарика, и выполненных на смежных торцах сопла и обоймы глухих осевых каналов, оси которых параллельны осям сопла и обоймы и соответственно равноудалены от них, а фиксирующий элемент размещен в глухом осевом канале обоймы и имеет возможность одновременного взаимодействия с последним и с одним из глухих осевых каналов сопла.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнительный анализ предложенного технического решения, проведенный по патентной и технической литературе, не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники, не выявил в них признаки, отличающие предложенное техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан его общий вид; на фиг. 2 вид А на фиг. 1, повернут на угол 45^o; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1, повернуто на угол 45^o.

Предложенное скважинное противовыбросовое устройство состоит из корпуса 1, имеющего центральный осевой канал. В верхней части корпуса 1 размещено седло 2. Корпус 1 выполнен с присоединительными резьбами для возможности установки предложенного устройства в составе колонны труб, спускаемых в скважину. Внутри корпуса 1 размещена обойма 3, которая имеет возможность возвратно-поступательного перемещения относительно него. Обойма 3 имеет вид цилиндрической втулки с двумя стойками 4 в своей верхней части. На наружной стороне обоймы 3 между стойками 4 выполнен осевой паз. В обойме 3 установлен на цапфах 5 с возможностью поворота относительно нее запорный элемент 6 с центральным осевым каналом и с узлом ограничения поворота в виде пальцев 7. Эти пальцы 7 имеют возможность взаимодействия со стойками 4 в крайних положениях запорного элемента 6 и ограничивают угол его поворота на цапфах 5 относительно обоймы 3 величиной 90^o. В стойках 4 выполнены радиальные каналы для размещения в них цапф 5. Запорный элемент 6 имеет форму шара, у которого отсечены два боковых шаровых сегмента. Плоскости этих сечений взаимно параллельны и расположены на одинаковом расстоянии от центральной оси канала запорного элемента 6. Со стороны боковых плоскостей в запорном элементе 6 также выполнены радиальные каналы для размещения в них цапф 5 и пальцев 7. Оси этих радиальных каналов перпендикулярны боковым плоскостям запорного элемента 6 и размещены в диаметральной плоскости, которая составляет угол 45^o с диаметральной плоскостью, проходящей через центральную ось канала запорного элемента 6 и перпендикулярной к его боковым плоскостям. Цапфы 5 установлены в радиальных каналах запорного элемента 6, которые удалены от центров боковых плоскостей запорного элемента 6 на меньшее расстояние, чем радиальные каналы для размещения пальцев 7. Расстояние от оси радиального канала для размещения цапфы 5 до центра боковой плоскости запорного элемента 6 является эксцентриситетом "К", с которым запорный элемент 6 установлен на цапфах 5 в обойме 3. При этом цапфы 5 и пальцы 7 на его боковых плоскостях смещены в сторону, противоположную той, на которой выполнен осевой паз обоймы 3. Между седлом 2 и запорным элементом 6 размещено подпружиненное кольцо 8, которое может перемещаться в осевом направлении внутри корпуса 1. Величина полного хода пружины при сжатии составляет "q". Своим нижним торцом кольцо 8 постоянно взаимодействует с верхними торцами стоек 4. Запорный элемент 6 имеет возможность взаимодействия с седлом 2. При своем повороте на цапфах 5 запорный элемент 6 перемещается в осевом направлении вверх на величину "". К этому следует добавить величину "q" дополнительного перемещения запорного элемента 6 вместе с обоймой 3 внутри корпуса 1 в осевом направлении при сжатии пружины. Таким образом, общую величину "S" осевого перемещения запорного элемента 6 из его исходного положения до размещения на седле 2 можно определить из выражения:

Под обоймой 3 в корпусе 1 находится дросселирующий элемент в виде сопла 9 с фигурным осевым пазом на наружной боковой поверхности. Сопло 9 жестко установлено в корпусе 1 соосно обойме 3, при этом последняя имеет возможность поворота вокруг своей оси в пределах полного или частичного совмещения осевых пазов на наружных боковых поверхностях сопла 9 и обоймы 3.

Узел регулирования степени совмещения осевых пазов на наружных боковых поверхностях обоймы 3 и сопла 9 состоит из фиксирующего элемента 10 (имеющего, например, форму шарика) и глухих каналов, выполненных на смежных торцах обоймы 3 и сопла 9. Оси этих каналов параллельны осям последних и соответственно равноудалены от них. Фиксирующий элемент 10 размещен в глухом канале обоймы 3 и может одновременно взаимодействовать с одним из глухих каналов сопла 9.

Предложенное скважинное противовыбросовое устройство работает следующим образом.

Предварительно на устье скважины устройство настраивают на расчетный критический расход жидкости или газа, при котором трубный проход должен быть полностью перекрыт. Для этого регулируют степень совмещения осевых пазов сопла 9 и обоймы 3, поворачивая последнюю вокруг своей оси. Затем устройство в составе спускаемой колонны труб размещают в скважине.

Если в процессе работы устройства расход восходящего потока жидкости или газа в трубном канале не превышает критической величины, то запорный элемент 6 находится в открытом положении. При этом восходящий поток на входе в устройство делится на две части: основная часть движется через сопло 9 и центральный осевой канал запорного элемента 6, а другая (меньшая) часть - через осевые пазы на наружных поверхностях сопла 9 и обоймы 3, а затем по зазору между корпусом 1 и наружной поверхностью запорного элемента 6. Движение меньшей части потока приводит к возникновению момента вращения, который способствует повороту запорного элемента 6 на цапфах 5 относительно обоймы 3. Однако, последний установлен в обойме 3 на цапфах 5 с эксцентриситетом, что вызывает смещение его центра тяжести и препятствует этому повороту. Трубный канал остается полностью открытым пока величина расхода жидкости или газа не достигает критической величины.

При достижении критической величины расхода жидкости или газа внутри трубного канала момент вращения становится достаточным для поворота запорного элемента 6 в обойме 3. При этом площадь прохода для восходящего потока через центральный осевой канал запорного элемента 6 уменьшается. При дальнейшем повороте запорного элемента 6 зазор между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью подпружиненного кольца 8 становится минимальным, из-за чего перепад давления в зазоре резко увеличивается. Это способствует дальнейшему повороту запорного элемента 6, пока пальцы 7 не начнут взаимодействовать со стойками 4 обоймы 3. При этом запорный элемент 6 неплотно садится на седло 2. Перепад давления в зазоре усиливает прижатие запорного элемента 6 к седлу 2, за счет чего обойма 3 с запорным элементом 6 вместе с кольцом 8 переместятся к седлу 2, одновременно сжимая пружину. Запорный элемент 6 плотно прижимается к седлу 2 и за счет этого достигается надежная герметизация трубного канала.

Для открытия предложенного устройства необходимо уровнять давления над и под запорным элементом 6. При этом энергия сжатой пружины будет способствовать начальному страгиванию обоймы 3 с запорным элементом 6 с седла 2, т.е. препятствовать "залипанию" запорного элемента 6 в седле 2. После этого запорный элемент 6 под действием своего смещенного центра тяжести займет положение, при котором его центральный осевой канал будет соосен оси корпуса 1, т.е. устройство вновь окажется в открытом положении.

Использование: изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве и эксплуатации скважин. Сущность изобретения: скважинное противовыбросовое устройство состоит из корпуса, в котором установлено седло и обойма, имеющая возможность возвратно-поступательного перемещения относительно корпуса. Обойма выполнена в верхней части со стойками и имеет осевой паз на своей наружной стороне. В ней на цапфах установлен запорный элемент с центральным осевым каналом и узлом ограничения поворота в виде пальцев, взаимодействующих со стойками. Сам запорный элемент имеет форму шара, у которого отсечены два боковых шаровых сегмента. Эти боковые плоскости взаимно параллельны и равноудалены от центральной оси канала запорного элемента. В последнем выполнены радиальные каналы для размещения в них цапф и пальцев. Цапфы установлены в радиальных каналах, которые расположены ближе к центрам боковых плоскостей, чем радиальные каналы для пальцев. Оси радиальных каналов находятся в диаметральной плоскости, которая составляет угол 45^o с диаметральной плоскостью, проходящей через центральную ось канала запорного элемента и перпендикулярной к его боковым плоскостям. Под обоймой в корпусе установлено сопло с фигурным пазом на наружной поверхности. Пазы сопла и обоймы могут частично или полностью совпадать при повороте обоймы вокруг оси. Между обоймой и седлом установлено подпружиненное кольцо. Оно взаимодействует с верхними торцами стоек. Перед спуском в скважину устройство настраивают на расчетный критический расход жидкости или газа. Для этого регулируют степень совмещения осевых пазов сопла и обоймы. При достижении критического расхода запорный элемент поворачивается в обойме и садится на седло, герметизируя трубный канал. Для открывания запорного элемента достаточно уравнять давления над и под запорным элементом, при этом энергия сжатой пружины препятствует "залипанию" запорного элемента на седле. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Скважинное противовыбросовое устройство, включающее корпус с осевым каналом, обойму в виде цилиндрической втулки с раздельными каналами для размещения цапф запорного элемента, установленную с возможностью возвратно-поступательного осевого перемещения и взаимодействия с запорным элементом, установленным на цапфах в обойме и выполненным с центральным осевым каналом и узлом ограничения его поворота, седло и размещенный под обоймой дросселирующий элемент, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным между обоймой и седлом в корпусе с возможностью осевого перемещения относительно него подпружиненным кольцом, обойма выполнена с двумя стойками в своей верхней части, радиальные каналы для размещения цапф запорного элемента выполнены в упомянутых стойках обоймы, на наружной поверхности обоймы между стойками выполнен продольный паз, запорный элемент имеет форму шара, у которого отсечены два боковых шаровых сегмента для образования двух взаимно параллельных и расположенных на одинаковом расстоянии от оси центрального осевого канала запорного элемента боковых плоскостей, узел ограничения поворота запорного элемента выполнен в виде пальцев, установленных на его боковых плоскостях с возможностью взаимодействия со стойками обоймы в крайних положениях запорного элемента при его повороте на цапфах относительно обоймы, в боковых плоскостях запорного элемента выполнены радиальные каналы для размещения в них цапф и пальцев, при этом оси упомянутых радиальных каналов перпендикулярны боковым плоскостям запорного элемента и находятся в диаметральной плоскости, которая образует угол 45^o с диаметральной плоскостью, проходящей через ось центрального осевого канала запорного элемента и перпендикулярной к его боковым плоскостям, причем расстояние между центром боковой плоскости запорного элемента и осью радиального канала для размещения цапфы меньше соответствующего расстояния до оси радиального канала, в котором размещен палец, дросселирующий элемент жестко установлен в корпусе, выполнен в виде сопла с фигурным продольным пазом на своей наружной боковой поверхности и размещен соосно обойме, последняя установлена в корпусе с возможностью поворота вокруг своей оси в пределах полного или частичного совмещения фигурного продольного паза сопла с продольным пазом обоймы, при этом запорный элемент установлен в обойме таким образом, что цапфы и пальцы размещены на его боковых плоскостях с эксцентриситетом в сторону, противоположную той, на которой расположен продольный паз обоймы, а кольцо размещено в корпусе с возможностью взаимодействия своего нижнего торца с верхними торцами стоек обоймы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом регулирования степени совмещения продольного паза обоймы с фигурным продольным пазом сопла, который состоит из фиксирующего элемента и глухих осевых каналов, выполненных на смежных торцах сопла и обоймы, причем оси этих каналов параллельны осям сопла и обоймы и соответственно равноудалены от них, при этом фиксирующий элемент размещен в одном из глухих осевых каналов обоймы с возможностью одновременного взаимодействия с последним и с одним из глухих осевых каналов сопла. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фиксирующий элемент выполнен в виде шарика.