СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЕГО МЕЖДУ ПРОСТРАНСТВОМ ВНУТРИ КОЛОННЫ ДОБЫВАЮЩЕЙ ИЛИ НАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ И АТМОСФЕРОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК E21B33/03 F16J15/00 

Область техники

Изобретение относится к производству геофизических работ, а именно к конструкции герметизаторов устья скважин, используемых при спуске в них геофизических приборов при достаточно большом перепаде давлений, при которых можно производить геофизические исследования.

Уровень техники

Известно устройство сальника устьевого, содержащее корпус, в котором размещены уплотнительные манжеты и распорные кольца, последние выполнены в виде разрезных тарельчатых колец треугольного сечения, а уплотнительные манжеты выполнены разрезными в виде тарельчатых колец клинообразного сечения с дугообразными поверхностями и установлены между распорными кольцами с взаимодействием с поверхностью скольжения, образующей которой ограничено клинообразное сечение (см. патент РФ №2087632, МПК F16J 15/56, опубл. 27.11.97 г.). Изобретение используется в качестве переходника для штока качалки штангового насоса.

Недостатками изобретения является повышенный износ уплотнений, частая смена уплотнений, небольшой ресурс работы.

Классическая схема устройства герметизации устья скважины при проведении геофизических работ предусматривает работу сальниковой набивки в условиях, когда поверхность уплотняемого объекта (геофизического кабеля), имеющего винтообразную (волнообразную) форму, перемещается линейно относительно уплотняющей набивки, которая деформируется под действием приложенного к ней прижимного усилия, и обеспечивает необходимое контактное давление для герметизации. Так как условия работы уплотнителя в процессе герметизации зависят от скорости перемещения кабеля, времени релаксации материала набивки, допустимой утечки скважинной жидкости и др., то режим работы геофизического кабеля при классической схеме герметизации являются крайне неблагоприятными. Для расчета сальникового уплотнителя работающего по вышеуказанной схеме, необходимо, кроме стандартного набора параметров (давления, температуры, типа набивки, габаритов сальников, коэффициентов трения, скорости вращения и т.д.), учитывать еще целый ряд факторов работы набивки при знакопеременных деформациях. Это релаксационные процессы, которые описывают материал набивки, его упругую и остаточную деформацию, эластичность, амплитуду, частоту и период создания напряжения и деформации в материале набивки и т.д. Время работы герметизирующего устройства в реальных условиях довольно непродолжительное, требует частой замены набивки и не обладает большой надежностью.

Раскрытие изобретения

Задачей создания изобретения является разработка простого в исполнении и надежного в эксплуатации способа герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой, и устройства для его осуществления, позволяющих снизить сопротивление трения в герметизаторе, уменьшить усилия при проталкивании кабеля во время спуска в скважину геофизических приборов, увеличить диапазон перепада давлений, при которых можно производить геофизические исследования.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом таких как, способ герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой, предусматривающий взаимодействие верхнего повива брони кабеля с материалом набивки уплотнителя-сальника, и отличительных существенных признаков таких, как в результате приложения первоначальной нагрузки на материал набивки уплотнителя-сальника, его деформируют и за счет неупругой деформации материал приобретает форму «гайки» с многозаходной резьбой, которая после снятия первоначальной нагрузки сохраняет свою форму при работе во всем диапазоне перепадов давления, при этом под действием усилия линейного перемещения геофизического кабеля относительно уплотнителя-сальника он создает вращающий момент, обеспечивающий вращение уплотнителя-сальника вокруг оси кабеля.

В пункте 2 формулы изобретения нашел отражение материал набивки, а именно в качестве набивки уплотнителя-сальника используют материал на основе терморасширенного графита и углеродных нитей.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 3-м пункте формулы изобретения, таких как, устройство герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой выполнено в виде трех сборно-разборных камер - верхней, контактирующей с атмосферой, средней - заполненной смазкой и нижней, установленной на скважину, рабочие объемы которых подключены через регулятор давления к пространству внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины, при этом устройство содержит два контура герметизации: первый - герметизирующий кабель вдоль оси его движения, выполненный в виде вращающегося сальникового уплотнения, установленного в верхней и нижней камерах и смазки, находящейся в средней камере, выполняющей функцию вязкожидкого уплотнения, второй - герметизирует вращающиеся камеры, представляющий собой секции, установленные подвижно посредством подшипников с вращающимися кольцевыми уплотнителями в верхней и нижней камерах, причем рабочий механизм регулятора давления выполнен в виде двух гидроцилиндров, установленных в рабочих объемах вращающегося сальникового уплотнения верхней и нижней камер.

Согласно пункту 4 формулы изобретения в средней камере используют высоковязкую смазку, например, Ровель-Арматол.

Особенность конструктивного выполнения кольцевых уплотнителей нашла отражение в пункте 5 формулы изобретения, а именно кольцевые уплотнители содержат вращающиеся кольца, выполненные по технологии порошковой металлургии на основе частиц графита, твердой и «вечной» смазки, контактирующими с неподвижными кольцами, выполненными из того же материала, установленными в корпусе устройства.

Согласно изобретению автором впервые предложено применить герметизатор устья скважины (далее ГУС) вращающегося типа. При этом материал набивки обладает достаточно низким коэффициентом трения, хорошей теплопроводностью для отвода тепла из зоны трения и устойчивостью к истиранию при контакте со стальной броней геофизического кабеля. Образованная таким образом пара кабель-набивка («винт-гайка») дополнительно смазывается по поверхности трения за счет постоянной смазки, это позволяет снизить сопротивление трения в этом узле, в результате уменьшаются усилия при проталкивании кабеля во время спуска в скважину геофизических приборов, и увеличивается диапазон перепада давлений, при которых можно производить геофизические исследования.

Вышеописанный способ реализуется с помощью устройства, выполненного в виде трех сборно-разборных камер - верхней, контактирующей с атмосферой, средней - заполненной смазкой и нижней, установленной на скважину, рабочие объемы которых подключены через регулятор давления к пространству внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины. Камера, расположенная в средней части устройства, предназначена:

- компенсировать падение контактного давления па границе трущихся поверхностей сальник-кабель;

- осуществлять смазку трущихся поверхностей в паре сальник-кабель,

- обеспечивать герметизацию пространства между наружным и внутренним слоями брони и предотвращать утечку по этим каналам,

- компенсировать потери смазки в пустотном пространстве между повивами брони,

- обеспечивать постоянную смазку кабеля и защиту его брони от коррозии.

С целью оптимизации режимов работы ГУС предлагается в качестве регулирующего фактора использовать давление в скважине, за счет обеспечения обратной связи и автоматической регулировки давлений во всех камерах. Для этого используется регулятор давления с соответствующими перепадами давления и передачи его от внутрискважинного пространства в рабочие камеры ГУС. Секции второго контура свободно вращаются на подшипниках, а кольцевые уплотнители снимают перепад давления скважина-атмосфера и герметично разделяют все камеры ГУС.

Вышеперечисленная совокупность признаков позволяет получить следующий технический результат: Предложенная конструкция ГУС обеспечивает проведение спуско-подьемных операций геофизического кабеля при исследованиях скважин с избыточным давлением на устье за счет кругового вращения секций герметизации кабеля при движущемся линейно кабеле и при минимальных значениях потерь на трение в набивке. Сила противодействия спуску становится примерно равной давлению в скважине и пропорциональна диаметру кабеля.

Описание чертежей

Изобретение иллюстрируется примером осуществления и прилагаемыми к нему чертежами. На Фиг.1 представлены графики: связь скважинного Р_скв и контактного Р_к давления в ГУС. На фиг.2 представлен разрез предлагаемого устройства.) На Фиг.3 дан разрез вращающегося кольцевого уплотнителя.

Пример осуществления изобретения.

Для того чтобы представить, какие процессы происходят при герметизации устья скважины, рассмотрим взаимосвязь давления в скважине (Р_скв) и контактного давления (Р_к), Фиг.1. Подавляющее количество герметизирующих устройств, которые применяются при проведении геофизических исследований в скважинах с избыточным давлением, требуют поджима сальниковой набивки по мере появления утечки скважинного флюида в процессе каротажа.

Для герметизации устья используются в основном механические и гидравлические способы поджима набивки. Как правило, в начальный момент работы ГУС каротажники поднимают контактное давление Р_к до величины, превышающей оптимальное значение, увеличивая тем самым интервал времени до следующего поджатия. Временная зависимость контактного давления без дополнительной операции по поджатию набивки для стандартного (в большинстве случаев резинового) уплотнителя представлена на Фиг.1 линия «а». Ломаная линия «б» на Фиг.1 представляет реальный процесс поджима сальника во времени при фиксированном давлении в скважине Р_скв, причем при каждом последующем цикле поджатия уплотнителя уменьшается время работы сальниковой набивки. Линия «в» на Фиг.1 показывает, что для предлагаемого ГУС контактное давление Р_к находится всегда в оптимальной области давлений.

Р_к устанавливается автоматически в зависимости от скважинного давления и представляет практически прямую линию в сопоставимых масштабах времени, поскольку ресурс работы материала уплотнителя на несколько порядков выше, чем применяемый сегодня на практике. Прямая линия в левой половине фиг.1 поз.«г» находится в зоне оптимального режима работы уплотнителя и показывает, как изменяется контактное давление Р_к в сальнике во всем рабочем диапазоне изменения давления в скважине при наличии обратной связи с Р_скв для гарантированной герметизации кабеля. ГУС автоматически поддерживает контактное давление и работает в «дежурном» режиме и при появлении перепада давления срабатывает мгновенно, обеспечивая необходимое условие герметизации.

Кабель является объектом, на котором набивка ГУС обжимается, заполняет все неровности верхнего повива проволоки брони и совместно с уплотнителем приобретает свойства пары «винт-гайка». Кабель представляет собой конструкцию в виде «многозаходного винта», на котором имеется «многозаходная резьба», образованная проволоками повива брони с шагом, равным 7,5 диаметрам кабеля (ГОСТ Р 51978), и высотой «резьбы», равной половине диаметра проволоки наружного повива брони. В результате приложенной первоначальной нагрузки на материал уплотнителя-сальника его деформируют и за счет неупругой деформации материала набивки приобретает форму «гайки» с многозаходной резьбой. После снятия первоначальной нагрузки форма ее сохраняется при работе во всем диапазоне применяемых перепадов давления. Под действием усилия линейного перемещения геофизического кабеля относительно сальниковой набивки создается вращающий момент в набивке, обеспечивающий вращение ее вокруг оси кабеля. Условия работы герметизирующего устройства кардинально меняются, поскольку процесс уплотнения происходит без необходимости подвергать набивку знакопеременным деформациям, а процесс уплотнения вполне укладываются в классическую схему построения и расчета сальникового уплотнителя.

где Р_x - контактное усилие прижатия набивки сальника к кабелю;

m - коэффициент, учитывающий состав набивки сальника, изменяется от 1 до 5;

Р_о - усилие обжатия сальниковой набивки, пропорциональное давлению в скважине;

f=μ/m; μ - коэффициент трения набивки о кабель;

у=h - высота сальника;

S=(D-d)/2, - D - диаметр сальника, d - диаметр кабеля.

Учитывая то, что трение скольжения в паре кабель-сальник («винт-гайка») намного ниже, чем трение движения кабеля в неподвижной набивке, когда процесс герметизации происходит за счет знакопеременной деформации материала набивки сальника (как правило - резины, полиуретана и пр.), предлагается применить ГУС вращающегося типа. Образованная таким образом пара кабель-набивка («винт-гайка») дополнительно смазывается по поверхности трения за счет постоянной смазки, это позволяет снизить сопротивление трения в этом узле, в результате уменьшаются усилия при проталкивании кабеля во время спуска в скважину геофизических приборов, и увеличивается диапазон перепада давлений, при которых можно производить геофизические исследования.

Устройство герметизации геофизического кабеля 1 (фиг.2) при движении его между пространством внутри колонны 2 добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой выполнено в виде трех сборно-разборных камер - верхней 3, контактирующей с атмосферой, средней 4 - заполненной смазкой 5 и нижней 6, установленной на скважину, рабочие объемы которых подключены через регулятор давления 7 к пространству внутри колонны 2 добывающей или нагнетательной скважины 1, при этом устройство содержит два контура герметизации: первый - герметизирующий кабель вдоль оси его движения, выполненный в виде вращающегося сальникового уплотнения 8, установленного в верхней 3 и нижней 6 камерах и смазки 5, находящейся в средней 4 камере, выполняющей функцию вязкожидкого уплотнения, второй - герметизирует вращающиеся камеры, представляющий собой секции 9, установленные подвижно посредством подшипников 10 с вращающимися кольцевыми уплотнителями 11 в верхней 3 и нижней 6 камерах, причем рабочий механизм регулятора давления 7 выполнен в виде двух гидроцилиндров 12, установленных в рабочих объемах 13 вращающегося сальникового уплотнения 8 верхней 3 и нижней 6 камер.

В средней камере 4 используют высоковязкую смазку 5, например Ровель-Арматол (ТУ 0254-086-00148843-2002, Компания «Прикамье» Прайс-лист).

Кольцевые уплотнители 11 (Фиг.3) содержат вращающиеся кольца 14, выполненные по технологии порошковой металлургии на основе частиц графита, твердой и «вечной» смазки, контактирующими с одной стороны с герметизирующим резиновым кольцом 15, а с другой стороны - с неподвижным кольцом 16 аналогичного состава, установленными с герметизирующим кольцом из резины 17 в корпусе верхней 3 и нижней 6 камер.

Устройство работает следующим образом.

Устройство герметизации (Фиг.2) устроено таким образом, что перепад давления при движении геофизического кабеля снимается за счет двухконтурной системы снятия перепада давления. Первый контур создает условия для герметизации вдоль поверхности движущегося кабеля, а второй контур обеспечивает работу вращающегося узла уплотнителя-сальника в условиях перепада давления.

Первый контур обеспечивает герметизацию вдоль поверхности движущегося геофизического кабеля. Он образуется из двух вращающихся набивок, выполненных из материала, состоящего из терморасширенного графита, углеродных нитей, фторопласта и силикона (поз.8. фиг.2) и камеры (поз.4. фиг.2), в которой находится вязкая смазка (например, Ровел-Арматол). Камера 4 расположена между уплотнительными элементами, а смазка, находящаяся в ней, несет функцию «вязкого жидкого уплотнителя», а также смазывает трущиеся поверхности набивки и кабеля. Снятие давления в первом контуре обеспечивается конструкцией, состоящей из трех составных частей. В двух камерах, расположенных по краям устройства, находятся уплотнительные элементы специальной конструкции, выполненные из материала, который обладает достаточной эластичностью, износостойкостью, а конструкция самой набивки обеспечивает эффективную передачу давления от приложенной нагрузки Р_к на протяжении всего контакта с броней кабеля.

Материал набивки обладает достаточно низким коэффициентом трения, хорошей теплопроводностью для отвода тепла из зоны трения и устойчивостью к истиранию при контакте со стальной броней геофизического кабеля. В средней камере находится специальная смазка, она попадает в зону трения скольжения кабеля и набивки, смазывает эту зону и одновременно служит дополнительным уплотнителем.

Второй контур состоит из двух автономных секций, каждая из которых обеспечивает возможность вращения уплотнительных элементов вокруг кабеля в условиях перепада давления. Первая секция этого контура расположена между скважиной и камерой со смазкой, вторая секция расположена между камерой со смазкой и атмосферой. Элементы второго контура, обеспечивающие работоспособность каждой камеры, являются вращающиеся кольцевые уплотнители (поз.11 фиг.2, детально фиг.3), подшипники (поз.10. фиг.2), сборно-разборная камера для передачи давления на набивку ГУС (поз.13. фиг.2).

Перепад давления снимается на контактной поверхности (поз.А. фиг.3.) кольца (поз.14. фиг.3), которое вращается относительно поверхности второго неподвижного кольца (поз.17. фиг.3), а место контакта трердое, притертое, отшлифованное с точностью порядка 0.3 мкм из специально подобранного материала, в который введены частицы графита - твердой и вечной смазки. Суть работы кольцевого уплотнителя в том, что герметизация вращающихся деталей происходит при помощи неподвижных эластичных (например, резиновых) колец (поз.15. и 18. фиг.3), когда нет движущихся частей в месте уплотнения и нет трения уплотняющих элементов по металлу, а значит нет износа и протечки.

Такая конструкция обеспечивает герметизацию каждой секции.

Возможно изготовление второго контура (не показан) из одной подвижной (вращающейся) секции, которая обеспечивает вращение двух камер для передачи давления на уплотнительные элементы, обеспечивающих движение кабеля в условиях перепада давления. Работоспособность контура обеспечивается вращающимися кольцевыми уплотнителями, подшипниками и двух камер для работы набивки.

При больших перепадах давлений в скважине и для создания более благоприятных условий работы кольцевых уплотнителей (уменьшения перепада давления в месте контакта колец) возможен вариант со ступенчатым снятием перепада давления за счет установки дополнительного кольцевого уплотнения со стороны контакта ГУС с атмосферой (не показан).

Работа кольцевых уплотнителей второго контура достигается за счет подбора специальных материалов для изготовления поверхности, по которой происходит трение скольжения на вращающихся кольцевых уплотнителях.

Секции второго контура свободно вращаются на подшипниках, а кольцевые уплотнители снимают перепад давления скважина-атмосфера и гермитично разделяют все камеры ГУС.

Преимущества описанной установки ГУС по сравнению с традиционно используемыми конструкциями следующие:

- создается min сопротивление движению кабеля при спуске в скважину через герметизирующее устройство, за счет применения новых современных материалов для сальниковой набивки, обладающих низким коэффициентом трения, высокой теплопроводностью и позволяют обеспечить min температуру в зоне трения;

- используется энергия избыточного давления в скважине для оптимизации режима работы сальникового уплотнителя;

- появилась возможность исследования скважин с давлением на устье больше достигнутых на сегодняшний день при применении традиционных уплотнительных материалов и конструкциях лубрикаторов;

- уменьшена вероятность загрязнения скважины и лебедочного отделения подъемника;

- улучшены условия работы для брони кабеля в уплотнителе за счет уменьшения коэффициента трения;

- происходит постоянная смазка кабеля за счет принудительной ее подачи при каждой спускоподъемной операции, уменьшается вероятность возникновения коррозии проволок брони, увеличивается срок эксплуатации кабеля;

- исключены потери смазочного материала при работе на скважинах по сравнению, например, с лабиринтным способом герметизации кабеля.

Следует отметить, что объем патентных притязаний настоящего изобретения не ограничивается описанным выше вариантом его осуществления. Вышеописанное устройство названо автором «Герметизатор устья скважины» (ГУС).

Изобретение относится к уплотнительной технике. Способ герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой предусматривает взаимодействие верхнего повива брони кабеля с материалом набивки уплотнителя-сальника. На материал набивки уплотнителя-сальника прикладывают первоначальную нагрузку, осуществляя его неупругую деформацию, при которой материалу придают форму «гайки» с многозаходной резьбой, с сохранением ее после снятия первоначальной нагрузки при работе во всем диапазоне перепадов давления. Под действием усилия линейного перемещения геофизического кабеля относительно уплотнителя-сальника создают вращающий момент, обеспечивающий вращение уплотнителя-сальника вокруг оси кабеля. Устройство для осуществления способа выполнено в виде трех сборно-разборных камер, верхней, контактирующей с атмосферой, средней - заполненной смазкой и нижней, установленной на скважину. Рабочие объемы камер подключены через регулятор давления к пространству внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины. Изобретение повышает надежность уплотнения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой, предусматривающий взаимодействие верхнего повива брони кабеля с материалом набивки уплотнителя-сальника, отличающийся тем, что на материал набивки уплотнителя-сальника прикладывают первоначальную нагрузку, осуществляя его неупругую деформацию, при которой материалу придают форму «гайки» с многозаходной резьбой, с сохранением ее после снятия первоначальной нагрузки при работе во всем диапазоне перепадов давления, при этом под действием усилия линейного перемещения геофизического кабеля относительно уплотнителя-сальника создают вращающий момент, обеспечивающий вращение уплотнителя-сальника вокруг оси кабеля.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве набивки уплотнителя-сальника используют материал на основе терморасширенного графита и углеродных нитей.3. Устройство герметизации геофизического кабеля при движении его между пространством внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины и атмосферой, содержащее три камеры, верхнюю, контактирующую с атмосферой, среднюю, заполненную смазкой, и нижнюю, установленную на скважину, отличающееся тем, что оно выполнено в виде трех сборно-разборных камер, верхней, контактирующей с атмосферой, средней, заполненной смазкой, и нижней, установленной на скважину, рабочие объемы которых подключены через регулятор давления к пространству внутри колонны добывающей или нагнетательной скважины, при этом устройство содержит два контура герметизации: первый - герметизирующий кабель вдоль оси его движения, выполненный в виде вращающегося уплотнителя-сальника в форме «гайки» с многозаходной резьбой, установленного в верхней и нижней камерах, и смазки, находящейся в средней камере, выполняющей функцию вязкожидкого уплотнения, второй герметизирует вращающиеся камеры, представляющий собой секции, установленные подвижно посредством подшипников с вращающимися кольцевыми уплотнителями в верхней и нижней камерах, причем рабочий механизм регулятора давления выполнен в виде двух гидроцилиндров, установленных в рабочих объемах вращающегося уплотнителя-сальника верхней и нижней камер.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в средней камере используют высоковязкую смазку, например Ровель-Арматол.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кольцевые уплотнители содержат вращающиеся кольца, выполненные по технологии порошковой металлургии на основе частиц графита, твердой смазки, контактирующие с неподвижными кольцами, например из металла, установленными в корпусе устройства.