ТЕРМОИЗОЛИРОВАННАЯ КОЛОННА Российский патент 1999 года по МПК E21B17/00 E21B36/00 

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к добыче нефти с применением нагнетания теплоносителя в нефтяной пласт и может быть использовано для предотвращения растепления многолетнемерзлых пород при бурении и эксплуатации скважин.

Известна термоизолированная колонна, включающая коаксиально расположенные внутренние, жестко связанные между собой трубы и наружные трубы, жестко связанные в нижней части при помощи соединительных колец в каждой секции колонны с внутренними трубами, теплоизоляционный материал и ограничительные кольца, жестко связанные с одним из рядов труб, и сальниковые узлы, расположенные в каждой секции наружных труб [1].

Недостатком конструкции является то, что сальниковые узлы, установленные на подвижных частях наружных труб в каждой секции колонны, в условиях высоких температур и давлений не обеспечивают надежной герметизации.

Известна термоизолированная колонна, взятая нами в качестве прототипа, включающая коаксиально расположенные и жестко связанные одним концом с устьевым оборудованием внутренний и наружный ряды труб, теплоизолирующий материал, размешенный в кольцевом пространстве между наружными и внутренними рядами труб, сальниковый узел, служащий герметизирующий устройством при удлинении внутренних труб в секциях, связанных между собой телескопически [2].

Недостатком известной конструкции является расположение сальника в средней части в каждой секции внутренних труб. Такое расположение подвижного сальника на внутренних трубах секции, с одной стороны усложняет конструкцию колонны, а с другой - вызывает сложность при монтаже и обслуживании.

Задачей изобретения является предотвращение скручивания внутренней трубы внутри наружной трубы термоизолированной колонны от температурных напряжений и давления при нагнетании теплоносителя в пласт.

Поставленная задача решается тем, что в термоизолированной колонне, включающей коаксиально расположенные и жестко связанные с одним концом с устьевым оборудованием наружный ряд труб, теплоизоляционный материал, размещенный в кольцевом пространстве между наружными и внутренними рядами труб, и сальниковый узел, при этом внутренняя труба в конце нижней секции колонны выполнена с наружным упорным буртом и установлена на соединительном кольце, жестко связанным с наружной трубой, с возможностью свободного поворота на нем. Причем оно выполнено в виде втулки с расточками и внутренними буртами. В верхней расточке его, между буртами внутренней трубы и кольца, расположен упорный подшипник, а в нижней расточке, между стенками расточки и внутренней трубы, размещен сальник с нажимным фланцем.

Поставленная задача также решается тем, что упорный подшипник, расположенный между буртами внутренней трубы и верхней расточки соединительного кольца, выполнен в виде кольца, верхняя поверхность которого, взаимодействующая с нижней упорной плоскостью бурта внутренней трубы, выполнена радиусом равным или большим одной второй ширины кольца (R≥1/2в).

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом являются:
- внутренняя труба в конце нижней секции колонны выполнена с наружным упорным буртом и установлена на соединительном кольце с возможностью поворота на нем;
- при этом соединительное кольцо, жестко связанное с наружной трубой, выполнено в виде втулки с расточками и внутренними буртами;
- в верхней расточке кольца, между буртами внутренней трубы и кольца, расположен упорный подшипник, а в нижней расточке, между стенками расточки и внутренней трубы, размещен сальник с нажимным фланцем;
- подшипник, расположенный между буртами внутренней трубы и верхней расточки соединительного кольца, выполнен в виде кольца, верхняя поверхность которого, взаимодействующая с нижней упорной плоскостью бурта внутренней трубы, выполнена радиусом равным или большим одной второй ширины кольца (R≥1/2в).

Выполнение в нижнем конце колонны внутренней трубы с наружной не жесткой связью, а с возможностью свободного поворота ряда внутренних труб в наружной, позволяет предотвратить скручивания внутренней трубы от температурных перенапряжений и давления при нагнетании теплоносителя в пласт.

Вышеуказанные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и соответствуют критерию "Новизна", т.е. существенные отличительные признаки являются "Новыми".

Учитывая то, что вышеприведенные отличительные признаки являются новыми для среднего специалиста в этой области знаний, то мы считаем, что изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Что же касается "Промышленной применимости, то изобретение соответствует этому критерию, так как на него выполнены рабочие чертежи. Подготовлена необходимая техническая документации и идет подготовка к изготовлению и испытанию опытного образца в промысловых условиях.

Сущность изобретения поясняется ниже, где на фиг. 1 и 2 представлена термизолированная колонна в разрезе.

Термоизолированная колонна состоит из трех разных по форме секций: верхней, промежуточных и нижней.

Верхняя секция (фиг. 1) состоит из внутренней трубы 1 с узлом соединения, например, муфтой 2, кожух-плунжера 3, верхнего соединительного кольца 4, приваренного к внутренней трубе 1 и к кожух-плунжеру 3, нижнего направляющего кольца 5, установленного подвижно на внутренней трубе 1 и жестко соединенного внизу к торцу кожух-плунжера 3, теплоизоляционного материала 6, размещенного между внутренней трубой 1 и кожух-плунжером 3 и наружной трубой 7 с узлом соединения, например, на конце трубы с наружным буртом 8, нажимной гайки 9, накинутой на наружную трубу 7, с кольцом 10 и уплотнительным элементом 11, сальника 12, корпус-колпачка 13, внутри которого телескопически установлен верхний конец внутренней трубы 1 с кожух-плунжером 3, уплотнительного узла 14, размещенного между кожух-плунжером 3 и расточкой корпус-колпачка 13, прижимного фланца 15, фланец-стакана 16, присоединенного жестко к верхней части наружной трубы 7. Корпус-колпачок 13 прикреплен к наружной трубе 7 и они установлены неподвижно на устье на обсадной трубе 17. Во фланец-стакане 16 предусмотрено дренажное отверстие 18.

Промежуточная секция (фиг. 1 - 2) термоизолированной колонны состоит из внутренней трубы 19 с узлом соединения, например, с муфтой 2, наружной трубы 20 с узлом соединения, например, на концах с наружными буртами 8, откидной муфтой 21, нажимной гайкой 9, уплотнительными элементами 11, кольцами 10, направляющих колец 5, жестко прикрепленных к внутренней трубе 19 на определенном расстоянии от ее концов, теплоизоляционного материала 6, размещенного между внутренними 19 и наружными 20 трубами.

Нижняя секция (фиг. 2) состоит из наружной 22 и внутренней 23 труб с узлом соединения в верхней части, например, муфтой 2, а в нижней части с наружным упорным буртом 24, соединительного кольца 25, выполненного в виде втулки с верхней и нижней буртами 26, 27 и расточками 28, 29, упорного подшипника 30, расположенного в верхней расточке 28 соединительного кольца 25, между буртами внутренней трубы 23 и кольца 25, сальника 31 с нажимным фланцем 32, размещенного в нижней расточке 29 соединительного кольца 25, между стенками расточки 29 и внутренней трубы 23, сальника 33, установленного между наружной поверхностью бурта 24 внутренней трубы 23 и верхней расточки 28 кольца 25, направляющего кольца 5, жестко установленного на верхней части внутренней трубы 23, теплоизоляционного материала 6, размещенного между внутренними 23 и наружными 22 трубами.

Трубы внутреннего ряда, жестко соединенные между собой при помощи муфт 2 в нижней (последней) секции в нижней части колонны, соединены через соединительное кольцо 25 с наружными рядом труб, соединенными также жестко между собой при помощи стандартных муфт, либо соединительными узлами, например, указанными выше, с возможностью свободного поворота внутреннего ряда труб внутри наружного ряда труб колонны, а сальниковые узлы расположены в нижней (31) и верхней (14) частях колонны.

Контроль температуры нагнетаемого агента внутри трубы осуществляется при помощи термопары с кабелем, пропускаемым через лубрикаторное устройство (отверстие 34). Термопара с кабелем на чертеже не показаны. Отверстие 34 заглушено при помощи фланца 35 с прокладкой 36.

С целью улучшения условия работы нижнего упорного бурта (пяты) внутренней трубы и упорной поверхности подшипника - кольца 30 целесообразно предусмотреть между ними промежуточное кольцо 37 из стали 40Х с термообработкой HRC 45...48 и подшипника - кольцо 30 выполнить из стали 40ХН с термообработкой HRC 50...54.

Изготовление отдельных секций, сборка колонны на скважине и ее работа осуществляется следующим образом:
Сборка секций термоизолированной колонны производится в заводских условиях.

Сборка верхней секции фиг. 1.

Верхняя секция снабжена кожух-плунжером 3, расположенным в межтрубном пространстве и жестко связанным с верхним концом внутренней трубы 1 и свободным с нижним концом. В полость, образованную между кожух-плунжером 3 и внутренней трубой 1, заполняют теплоизоляционным материалом 6. Затем к нижнему концу кожух-плунжера 3 жестко прикрепляют подвижно установленный на внутренней трубе 1 направляющее кольцо 5. На верхний конец наружной трубы 7 устанавливают и жестко крепят фланец 16, а на другой конец сначала надевают зажимную гайку 9, кольцо 10, уплотнитель 11 и к этому концу трубы приваривают встык наружный бурт 8. Затем внутреннюю трубу 1 с кожух-плунжером 3 помещают в наружную трубу 7 с фланцем 16 и сальником 12 и после чего на верхней конец внутренней трубы 1 устанавливают корпус-колпачок 13 с установленным и предварительно прижатым сальниковым уплотнителем 14 и прикрепляют его к фланцу 16 наружной трубы 7. Герметизация межтрубного пространства, где размещается теплоизоляционный материал 6, осуществляется сальниковыми уплотнителями 12 и 14. Сальниковое уплотнение 14 регулируют снаружи при помощи прижимного фланца 15 и шпилек, выдвинутых наружу через крепежные отверстия корпус-колпачка 13. Выноски от этих шпилек на чертеже не показаны.

Стыковку верхней секции к опускаемой термоизолированной колонне на устье скважины выполняют также, как и предыдущие секции колонны. Описание спуска секции колонн в скважину см. ниже.

Сборка промежуточной секций фиг. 1 и 2.

К концам внутренней трубы 19 секции приваривают направляющие кольца 5 и на один ее конец навинчивают соединительную муфту 2, между направляющими кольцами 5 наматывают чередующие слои теплоизоляционного материала 6 фольги и базальтового холста. Последний слой закрепляют проволочными бандажами. После чего на наружную трубу 20 надевают с одной стороны соединительную муфту 21, промежуточное кольцо 10, уплотнительный элемент 11, а с другой - силовую гайку 9, кольцо 10 и уплотнительный элемент 11. Затем к торцам трубы 20 приваривают встык концевые наружные бурты 8. Теплоизолированную внутреннюю трубу 19 помещают во внутрь наружной трубы. После чего собранные для транспортировки секции складывают, но прежде на их концы надевают (навинчивают) колпачки (пробки).

Нижняя секция фиг. 2.

Сначала на верхней конец внутренней трубы 23 надевают направляющее кольцо 5 и приваривают его на определенном расстоянии от резьбы и свинчивают на этот конец соединительную муфту 2. После чего на другой конец этой трубы последовательно надевают подшипник 30, соединительное кольцо 25 с сальником 33. Затем в полость, образованную между нижней проточкой 28 кольца 25 и внутренней трубы 23, помещают сальник 31 с нажимным фланцем 32 и прижимают сальник при помощи фланца 32, герметизируя эту полость. Далее на этот конец свинчивают муфту 2, при этом зазор между торцами фланца 32 и муфты 2 должен быть не более 1 - 3 мм. В случае большего зазора, чем 3 мм необходимо между их торцами установить компенсаторное кольцо. Компенсаторное кольцо на чертеже не показано. Затем на внутреннюю трубу 23 между направляющим 5 и соединительным 25 кольцами наматывают чередующие слои теплоизоляционного материала 6 фольги и базальтового холста. Последний слой закрепляют проволочными бандажами. К верхнему концу наружной трубы 22 встык приваривают наружный бурт 8 и во внутрь ее помещают теплоизолированную трубу. После чего на конце наружной трубы со стороны резьбы приваривают соединительное кольцо 25 к ее внутренней стенке.

Готовые термоизолированные секции собирают в колонну и опускают в скважину также, как и насосно-компрессорные трубы. При этом сначала соединяют внутренние трубы секций и на стыке двух секций, между направляющими кольцами 5 укладывают теплоизоляционный материал 6. Затем, предварительно опустив наружную трубу, соединяют ее при помощи силовой гайки 9 с соединительной муфтой 21, установленной на наружной трубе, и прижимают их плотно, герметизируя соединительный стык секции колонны.

Так происходит секционная сборка колонны на устье скважины.

Заявленное изобретение в сравнении с прототипом (известными конструкциями) позволяет предотвратить скручивания внутренней трубы в колонне и тем самым повысить надежность работы самой колонны при нагнетании теплоносителя в пласт в условиях высоких температур и давлений.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 740932, кл. E 21 B 36/00, 1978.

2. Патент США N 3511282, кл. 138 - 13, 1970.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к добыче нефти с применением нагнетания теплоносителя в нефтяной пласт. Термоизолированная колонна включает коаксиально расположенные и жестко связанные одним концом с устьевым оборудованием внутренний и наружный ряды труб, расположенный в кольцевом пространстве между трубами теплоизоляционный материал, внутренняя труба в конце нижней секции колонны выполнена с наружным упорным буртом и установлена на соединительном кольце, жестко связанным с наружной трубой, с возможностью поворота на нем, причем кольцо выполнено в виде втулки с расточками и внутренними буртами, в верхней расточке, между буртами внутренней трубы и кольца, расположен упорный подшипник, а в нижней расточке, между стенками расточки и внутренней трубы, размещен сальник с нажимным фланцем. Изобретение позволяет обеспечить повышение надежность использования термоизолированной колонны за счет предотвращения скручивания внутренней трубы от температурных напряжений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоизолированная колонна, включающая коаксиально расположенные и жестко связанные одним концом с устьевым оборудованием внутренней и наружный ряды труб, теплоизоляционный материал, расположенный в кольцевом пространстве между наружными и внутренними рядами труб, и сальниковый узел, отличающаяся тем, что внутренняя труба в конце нижней секции колонны выполнена с наружным упорным буртом и установлена на соединительном кольце, жестко связанном с наружной трубой, с возможностью поворота на нем, причем оно выполнено в виде втулки с расточками и внутренними буртами, при этом в верхней расточке его, между буртами внутренней трубы и кольца, расположен упорный подшипник, а в нижней расточке, между стенками расточки и внутренней трубы, размещен сальник с нажимным фланцем. 2. Колонна по п. 1, отличающаяся тем, что упорный подшипник, расположенный между буртами внутренней трубы и соединительного кольца, выполнен в виде кольца, верхняя поверхность которого, взаимодействующая с нижней упорной плоскостью бурта внутренней трубы, выполнена радиусом равным или большим одной второй ширины кольца (R ≥ 1/2в).