ПРЕВЕНТОР Российский патент 2004 года по МПК E21B33/06 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметизации устья с целью предотвращения нефтегазопроявлений и открытых фонтанов при бурении и ремонте скважин.

Известен превентор, содержащий корпус, установленные в нем плашки с уплотнениями и привод, причем плашки в сечении выполнены цилиндрической формы, ограниченной эксцентрично расположенными относительно друг друга верхней и нижней полуокружностями (1).

Недостатком известного превентора являются конструктивная и технологическая сложность, обусловленные конфигурацией плашки. Кроме того, этот превентор обеспечивает герметизацию устья только одним комплектом плашек (трубными или глухими), что снижает его эксплуатационные возможности и требует в соответствии с правилами промышленной безопасности установки на устье скважины двух превенторов - нижнего с глухими плашками и верхнего - с трубными. Тем самым, компоновка устьевого противовыбросового оборудования (ПВО) будет иметь значительный габарит по высоте.

Известен гидравлически управляемый превентор, включающий корпус с центральным осевым отверстием и двумя ярусами горизонтальных полостей, в которых размещены плашки со сменными уплотнителями, размещенными в пазах, выполненных в корпусе плашек, установленные снаружи корпуса соосно горизонтальным полостям боковые патрубки, в которых размещены механизмы перемещения плашек, включающие гидроцилиндры, резьбовые штоки, взаимодействующие с гайками боковых патрубков, уплотнения и штурвалы ручного управления (2).

Недостатком известного превентора является значительный габарит по высоте ввиду того, что плашки различного назначения (глухие для полного перекрытия центрального осевого отверстия и трубные для герметизации труб различных типоразмеров) расположены в ярусно размещенных по вертикали относительно корпуса боковых патрубках. Тем самым компоновка ПВО, размещенная на устье скважины под вышечным блоком буровой установки, имея увеличенный габарит по высоте, требует повышенных трудозатрат на обслуживание известного превентора; повышенных затрат на монтаж буровой установки из-за необходимости подъема вышечного блока на дополнительные основания и, как следствие, ухудшение монтажеспособности буровой установки, во взаимодействии с которой эксплуатируется известный превентор.

Кроме того, для полного перекрытия устья при отсутствии спущенных в скважину труб в случае начавшегося выброса бурового раствора известный превентор не обеспечивает быстродействия работы, поскольку при отказе гидроуправления и переходе на ручной механизм перемещения плашек время на ручное перемещение глухих плашек до их полного смыкания путем вращением штурвала на десятки оборотов может составлять несколько минут, что в случае начавшегося выброса бурового раствора, где счет времени действий буровой бригады идет на секунды, не обеспечит оперативности герметизации устья и может привести к открытому фонтану.

Задачей изобретения является создание технического решения превентора, лишенного перечисленных недостатков.

Техническими результатами решения этой задачи являются:

- упрощение конструкции и, как следствие, повышение надежности работы

заявляемого превентора;

- уменьшение затрат на эксплуатацию, обслуживание, ремонт, монтаж и демонтаж заявляемого превентора;

- повышение надежности работы за счет повышения оперативности полного перекрытия устья скважины при отсутствии спущенных бурильных труб;

- повышение монтажеспособности и уменьшение затрат на монтаж буровой установки, во взаимодействии с которой эксплуатируется заявляемый превентор.

Для обеспечения этих результатов известный превентор, содержащий цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, вертикальным проходным отверстием и перпендикулярно пересекающейся с ним цилиндрической горизонтальной полостью, диаметрально противоположные подвижные плашки, ось перемещения которых перпендикулярна оси вертикального проходного отверстия корпуса, снабженные сменными вкладышами; механизм ручного перемещения плашек, включающий резьбовой шток, гайку, крышку с уплотнениями и штурвал, согласно изобретению дополнительно содержит установленный в горизонтальной полости корпуса с возможностью вращения запорный элемент, включающий уплотнитель из эластичного материала и кольцевой цилиндр, в расточке которого расположены без возможности вращения плашки и крышки с уплотнениями; а в стенках выполнено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью вертикального проходного отверстия корпуса и диаметр равен диаметру вертикального проходного отверстия; уплотнитель расположен на наружной поверхности кольцевого цилиндра и состоит из двух кольцевых уплотнений, установленных в кольцевых проточках, выполненных на наружной поверхности кольцевого цилиндра, равноотстоящих от сквозного отверстия, и четырех уплотнений, выполненных в виде прямых отрезков, соединенных с кольцевыми уплотнениями и установленных в пазах на образующих кольцевого цилиндра через 90° друг от друга и равноотстоящих от сквозного отверстия; гайка механизма перемещения установлена в крышке с возможностью вращения и неподвижно соединена со штурвалом; на наружной поверхности кольцевого цилиндра, выступающей из горизонтальной полости корпуса, установлен кронштейн с направляющим отверстием, ось которого параллельна продольной оси горизонтальной полости корпуса и в котором установлен палец с возможностью продольного перемещения между двумя фиксированными положениями, взаимодействующий в переднем положении с неподвижно установленными на наружной поверхности корпуса двумя стопорными втулками, а в заднем положении - со штурвалом, причем центральный угол между стопорными втулками равен 90° и одна из них взаимодействует с пальцем в положении совпадения осей сквозного отверстия кольцевого цилиндра и вертикального проходного отверстия корпуса, а вторая стопорная втулка взаимодействует с пальцем после поворота кольцевого цилиндра на 90°.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемого превентора в разрезе (положение совпадения осей сквозного отверстия кольцевого цилиндра и вертикального проходного отверстия корпуса, т.е. превентор открыт), на фиг.2 -разрез А-А на фиг.1 (показано взаимодействие пальца со стопором в положении -превентор открыт, обозначенное буквой “О”), на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1 (положение - кольцевой цилиндр повернут на 90°, т.е. превентор закрыт), на фиг.4 в аксонометрии изображен уплотнитель кольцевого цилиндра.

Превентор (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, к которому сверху и снизу на ниппелях присоединены фланцы - нижний 2 и верхний 3, в которых выполнено сквозное вертикальное проходное отверстие 4. В корпусе 1 выполнена цилиндрическая горизонтальная полость 5, ось которой перпендикулярна оси вертикального проходного отверстия 4. В полости 5 соосно с возможностью вращения установлен запорный элемент 6, включающий кольцевой цилиндр 7 и неподвижно установленный на его наружной поверхности уплотнитель 8, выполненный из эластичного материала. В расточке кольцевого цилиндра 7 подвижно, без возможности вращения, установлены плашки 9, снабженные сменными вкладышами 10 под различные типоразмеры герметизируемых труб (не показаны) и закрытые с наружных торцов кольцевого цилиндра 7 крышками 11.

Перемещение плашек 9 осуществляется механизмом 12, включающим резьбовой шток 13, гайку 14 и неподвижно соединенный с ней штурвал 15. Гайка 14 установлена с возможностью вращения в крышке 11 и зафиксирована относительно ее от осевых перемещений накидной гайкой 16. Неподвижное, без вращения, соединение штока 13 с плашкой 9 осуществляется головкой 17 штока 13 (см. фиг.2), на которой сняты лыски, взаимодействующие с прямоугольным пазом 18, выполненным в плашке 9, которая в свою очередь зафиксирована от вращения относительно кольцевого цилиндра 7 шпонкой 19, соединенной с кольцевым цилиндром 7 и взаимодействующей с пазом 20, выполненным в плашке 9.

В стенках кольцевого цилиндра 7 выполнено сквозное отверстие 21, ось и диаметр которого совпадают с осью и диаметром вертикального проходного отверстия 4, герметизация которого с целью предотвращения перетока скважинных флюидов через горизонтальную полость 5 осуществляется запорным элементом 6, уплотнитель 8 (фиг.1, 3 и 4) которого состоит из 2-х кольцевых уплотнений 22, установленных в кольцевых проточках 23, равноотстоящих от сквозного отверстия 21, и 4-х уплотнений 24 в виде прямых отрезков, соединенных с кольцевыми уплотнениями 22 и установленных в пазах 25, выполненных через 90° на образующих кольцевого цилиндра 7 и равноотстоящих от сквозного отверстия 21.

На наружной поверхности кольцевого цилиндра 7, выступающей из горизонтальной полости 5 корпуса 1, установлен кронштейн 26 с направляющим отверстием 27, ось которого параллельна продольной оси кольцевого цилиндра 6 и в котором установлен палец 28 с возможностью продольного перемещения между двумя фиксированными положениями, взаимодействующий в переднем положении (показано выноской В на фиг.1) с неподвижно установленными на наружной поверхности корпуса 1 двумя стопорными втулками 29, а в заднем положении - со спицей штурвала 15 (показано выноской Г, обозначенное штриховой линией положение пальца 28 на фиг.1). При этом центральный угол между стопорными втулками 29 равен 90° и одна из них взаимодействует с пальцем 28 в положении совпадения осей сквозного отверстия 21 и вертикального проходного отверстия 4 корпуса 1 (фиг.1 и 2), а вторая стопорная втулка 29 взаимодействует с пальцем 28 после поворота кольцевого цилиндра 7 на 90° (фиг.3).

Фиксация пальца 28 в положении В, при котором стопорится одно из двух состояний превентора и когда палец 28 взаимодействует с одной из стопорных втулок 29 (вертикальное проходное отверстие 4 открыто или закрыто), или в заднем положении для поворота кольцевого цилиндра 7 (показано выноской Г), когда палец 28 взаимодействует со спицей штурвала 15, осуществляется фиксатором 30, взаимодействующим с проточками 31 (передней и задней), выполненными на пальце 28.

Для визуального контроля положения плашек 9 (открытое, как показано на фиг.1 или закрытое - показано штриховыми линиями и обозначено выноской Д) в гайке 14 выполнено сквозное отверстие 32, через которое контролируется положение торца резьбового штока 13. В открытом положении плашек 9 торец резьбового штока 13 совпадает с наружным торцом гайки 14 (показано выноской Е), в закрытом положении плашек 9 торец резьбового штока 13 визуально контролируется через отверстие 32 (показано выноской Ж).

Рабочие положения кольцевого цилиндра 7, фиксируемые пальцем 28 и стопорными втулками 29 через 90°, обозначены на торце крышки 33 буквами “О” - превентор открыт (поз.34 на фиг.2) и “З” - превентор закрыт (поз.35 на фиг.2.), центральный угол между которыми и положение соответствуют положению стопорных втулок 29 на корпусе 1. Буквы наносятся любым известным способом, обеспечивающим сохранность надписи при эксплуатации, например: клеймо, бирка и т.п.

Заявляемый превентор при эксплуатации устанавливается нижним фланцем 2 на верхний фланец устьевого оборудования (колонная головка, фонтанная арматура и т.п.) и для герметизации устья скважины с трубами, спущенными в скважину и проходящими через его вертикальное проходное отверстие 4, работает следующим образом.

В положении, показанном на фиг.1, т.е. при совпадении осей сквозного отверстия 21 кольцевого цилиндра 7 и вертикального проходного отверстия 4 корпуса 1, причем палец 28 при этом взаимодействует со стопорной втулкой 29 в положении, обозначенном буквой “О”, - превентор открыт (фиг.2), и зафиксирован фиксатором 30, взаимодействующим с задней проточкой 31 пальца 28, через превентор осуществляют спускоподъемные операции (СПО) с трубами (не показаны), устанавливая на верхнем фланце 3 спайдер или элеватор (не показаны). Предварительно в плашки 9 устанавливают сменные трубные вкладыши 10, типоразмер которых соответствует наружному диаметру труб, спускаемых в скважину. Открытое состояние превентора, т.е. положение, при котором плашки 9 с вкладышами 10 полностью располагаются в расточке кольцевого цилиндра 7, не выходя в полость вертикального проходного отверстия 4, визуально контролируется по положению резьбового штока 13, торец которого при этом совпадает с наружным торцем гайки 14 (показано выноской Е на фиг.1).

При возникновении перелива бурового раствора или нефтегазопроявлении осуществляют перекрытие устья скважины путем перемещения и смыкания плашек 9 с вкладышами 10 на трубах, спущенных в скважину. Для этого вращают штурвалы 15, с которыми неподвижно соединены гайки 14 механизма перемещения 12. Последние при вращении взаимодействуют с резьбовыми штоками 13, которые благодаря неподвижному без вращения соединению головок 17 с прямоугольным пазом 18, выполненным в плашке 9 (фиг.2), поступательно перемещаются вместе с плашками 9 к оси вертикального проходного отверстия 4 до контакта с трубами. В свою очередь поступательное, без вращения в кольцевом цилиндре 7, перемещение плашек 9 осуществляется благодаря их фиксации от вращения относительно кольцевого цилиндра 7 шпонкой 19, соединенной с кольцевым цилиндром 7 и взаимодействующей с пазом 20, выполненным в плашке 9. После смыкания вкладышей 10 плашек 9 на трубах (показано выноской Д на фиг.1), что визуально контролируется через отверстие 32 гайки 14, через которое будет виден торец резьбового штока 13 (показано выноской Ж на фиг.1), кольцевой зазор, образуемый трубами в вертикальном проходном отверстии 4, будет герметично перекрыт.

Возможные перетоки скважинных флюидов из нижней полости вертикального проходного отверстия 4 в верхнюю полость по зазорам на контакте поверхностей цилиндрической горизонтальной полости 5 и кольцевого цилиндра 7 исключаются благодаря запорному элементу 6, включающему кольцевой цилиндр 7 и эластичный уплотнитель 8, состоящий из 2-х кольцевых уплотнений 22, установленных в кольцевых проточках 23, и 4-х уплотнителей 24 в виде прямых отрезков, установленных в пазах 25, выполненных через 90° на образующих кольцевого цилиндра 6 и равноотстоящих от сквозного отверстия 21 (фиг.1, 3 и 4). Это обусловлено тем, что четыре уплотнения 24, соединенные с кольцевым уплотнением 22 и расположенные по его окружности через 90°, совместно с кольцевым уплотнением 22 попарно образуют две прямоугольных рамки вокруг вертикального проходного отверстия 4 над и под плашками 9, обеспечивая герметичное перекрытие зазоров на контакте поверхностей цилиндрической горизонтальной полости 5 и кольцевого цилиндра 7. Таким образом, сочетание работы запорного элемента 6 с работой плашек 9 и вкладышей 10, сомкнутых на трубе, обеспечивает герметичное перекрытие вертикального проходного отверстия 4, т.е. перекрытие устья со спущенными в скважину трубами, в результате чего начавшийся выброс бурового раствора или нефтегазоводопроявление будут ликвидированы и предотвращен открытый фонтан.

Заявляемый превентор для герметизации устья скважины при отсутствии труб, спущенных в скважину, работает следующим образом.

Превентор должен находиться в положении, показанном на фиг.1, т.е. при совпадении осей сквозного отверстия 21 кольцевого цилиндра 7 и вертикального проходного отверстия 4 корпуса 1, причем палец 28 при этом взаимодействует со стопорной втулкой 29 в положении, обозначенном буквой “О” - превентор открыт (фиг.2).

Открытое состояние плашек 9, когда они полностью располагаются в расточке кольцевого цилиндра 7, не выходя в полость вертикального проходного отверстия 4, визуально контролируется по резьбовому штоку 13, торец которого при этом совпадает с наружным торцом гайки 14 (показано выноской Е на фиг 1).

При возникновении перелива бурового раствора или нефтегазопроявлении осуществляют перекрытие устья скважины путем поворота запорного элемента 6 на 90°. Для этого предварительно производят расфиксацию пальца 28, освобождая фиксатор 30 от взаимодействия с задней проточкой 31 и продольно перемещая назад палец 28 в направляющем отверстии 27 кронштейна 26, вытягивают конец пальца 28 из отверстия левой стопорной втулки 29 (фиг.2). Одновременно с этим противоположный конец пальца 28 войдет во взаимодействие со спицей штурвала 15 (показано выноской Г, обозначенное штриховой линией положение пальца 28 на фиг.1), после чего палец фиксируется в этом положении фиксатором 30, взаимодействующим с передней проточкой 31. При вращении штурвала 15 по часовой стрелке усилие от его спицы передается на палец 28, а через него на кронштейн 26, неподвижно соединенный с кольцевым цилиндром 7, в результате чего запорный элемент 6 повернется на 90° в положение, показанное на фиг.3, при котором ось сквозного отверстия 21 будет перпендикулярна оси вертикального проходного отверстия 4 и стенками кольцевого цилиндра 7 нижняя полость вертикального проходного отверстия 4 будет отделена от верхней.

При этом ось пальца 28 совпадет с осью отверстия правой стопорной втулки 29, после чего палец 28 продольным перемещением вперед вводят в ее отверстие, предварительно освободив палец 28 от взаимодействия фиксатора 30 с передней проточкой 31, а после ввода в правую стопорную втулку 29 палец 28 фиксируют путем взаимодействия фиксатора 30 с задней проточкой 31 (фиг.1). Тем самым, запорный элемент 6 будет зафиксирован в положении “З” - превентор закрыт (поз.35 на фиг.2.), при котором четыре уплотнения 24, соединенные с кольцевым уплотнением 22 и расположенные по его окружности через 90°, совместно с кольцевым уплотнением 22 попарно образуют две прямоугольных рамки вокруг вертикального проходного отверстия 4 над и под сквозным отверстием 21, обеспечивая герметичное перекрытие зазоров на контакте поверхностей цилиндрической горизонтальной полости 5 и кольцевого цилиндра 7. Этому способствует также и конструктивное исполнение уплотнителя 8, четыре уплотнения 24 которого, равноотстоящие от сквозного отверстия 21 кольцевого цилиндра 7, после поворота на 90 занимают положение, аналогичное их положению до поворота.

Таким образом, заявленное схемное решение запорного элемента 6 обеспечивает герметичное оперативное перекрытие вертикального проходного отверстия 4 при отсутствии спущенных в скважину труб, в результате чего начавшийся выброс бурового раствора или нефтегазоводопроявление будут ликвидированы и предотвращен открытый фонтан.

Источники информации

1. Патент RU №2111336, Е 21 В 33/06, опубл. 20.05.98. - аналог.

2. Патент США №5505426; МКИ Е 21 В 33/06, опубл. 09.04.1996 г. - прототип.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, используется для герметизации устья с целью предотвращения нефтегазопроявлений и открытых фонтанов при бурении и ремонте скважин. Превентор содержит цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, вертикальным проходным отверстием и перпендикулярно пересекающейся с ним цилиндрической горизонтальной полостью, в которой установлен с возможностью вращения запорный элемент, включающий уплотнитель из эластичного материала и кольцевой цилиндр. В расточке кольцевого цилиндра установлены без возможности вращения плашки и крышки с уплотнениями. В стенках кольцевого цилиндра выполнено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью вертикального проходного отверстия корпуса и диаметр равен диаметру вертикального проходного отверстия. Уплотнитель из эластичного материала установлен на наружной поверхности кольцевого цилиндра и состоит из двух кольцевых уплотнений, расположенных в кольцевых проточках, выполненных на наружной поверхности кольцевого цилиндра, равноотстоящих от сквозного отверстия, и четырех уплотнений, выполненных в виде прямых отрезков, соединенных с кольцевыми уплотнениями и установленных в пазах на образующих кольцевого цилиндра через 90° и равноотстоящих от сквозного отверстия. Механизм ручного перемещения плашек включает резьбовой шток, гайку, крышку с уплотнениями и штурвал. Гайка установлена в крышке с возможностью вращения и неподвижно соединена со штурвалом. На наружной поверхности кольцевого цилиндра установлен кронштейн с направляющим отверстием. Ось направляющего отверстия параллельна оси горизонтальной полости корпуса. В направляющем отверстии установлен палец с возможностью продольного перемещения между двумя фиксируемыми положениями, взаимодействующий в переднем положении с неподвижно установленными на наружной поверхности корпуса двумя стопорными втулками, а в заднем положении - со штурвалом. Центральный угол между стопорными втулками равен 90°. Одна из стопорных втулок взаимодействует с пальцем в положении совпадения осей сквозного отверстия кольцевого цилиндра и вертикального проходного отверстия корпуса, а вторая стопорная втулка взаимодействует с пальцем после поворота кольцевого цилиндра на 90°. Использование изобретения упрощает конструкцию и повышает надежность работы превентора, уменьшает затраты на его эксплуатацию, ремонт, монтаж и демонтаж. 4 ил.

Превентор, содержащий цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, вертикальным проходным отверстием и перпендикулярно пересекающейся с ним цилиндрической горизонтальной полостью, диаметрально противоположные подвижные плашки, ось перемещения которых перпендикулярна оси вертикального проходного отверстия корпуса, снабженные сменными вкладышами, механизм ручного перемещения плашек, включающий резьбовой шток, гайку, крышку с уплотнениями и штурвал, отличающийся тем, что дополнительно содержит установленный в горизонтальной полости корпуса с возможностью вращения запорный элемент, включающий уплотнитель из эластичного материала и кольцевой цилиндр, в расточке которого установлены без возможности вращения плашки и крышки с уплотнениями, а в стенках выполнено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью вертикального проходного отверстия корпуса и диаметр равен диаметру вертикального проходного отверстия; уплотнитель из эластичного материала расположен на наружной поверхности кольцевого цилиндра и состоит из двух кольцевых уплотнений, установленных в кольцевых проточках, выполненных на наружной поверхности кольцевого цилиндра, равноотстоящих от сквозного отверстия, и четырех уплотнений, выполненных в виде прямых отрезков, соединенных с кольцевыми уплотнениями и установленных в пазах на образующих кольцевого цилиндра через 90° друг от друга и равноотстоящих от сквозного отверстия, гайка механизма перемещения установлена в крышке с возможностью вращения и неподвижно соединена со штурвалом, на наружной поверхности кольцевого цилиндра, выступающей из горизонтальной полости корпуса, установлен кронштейн с направляющим отверстием, ось которого параллельна продольной оси горизонтальной полости корпуса и в котором установлен палец с возможностью продольного перемещения между двумя фиксированными положениями, взаимодействующий в переднем положении с неподвижно установленными на наружной поверхности корпуса двумя стопорными втулками, а в заднем положении - со штурвалом, причем центральный угол между стопорными втулками равен 90°, и одна из них взаимодействует с пальцем в положении совпадения осей сквозного отверстия кольцевого цилиндра и вертикального проходного отверстия корпуса, а вторая стопорная втулка взаимодействует с пальцем после поворота кольцевого цилиндра на 90°.