ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЕВОЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ Российский патент 2013 года по МПК E21B33/03 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметизации устья скважины во время спуска и подъема под давлением бурильных, насосно-компрессорных и обсадных труб, а также насосных штанг при ликвидации открытых фонтанов, бурении, испытании, освоении и капитальном ремонте скважин.

Известна головка герметизирующая (Кутепов А.И. и др. Под ред. В.И.Хоботько «Справочник-каталог по оборудованию и инструменту для предупреждения и ликвидации фонтанов», М.: Недра, 1981, стр.148-149, рис.II.36), содержащая

- корпус, выполненный в виде цилиндрического патрубка с верхним и нижним фланцами и уступом на внутренней поверхности,

- упорное кольцо, установленное на уступе,

- и уплотнительный элемент из эластомера, прижатый к упорному кольцу гайкой, ввернутой в верхнюю часть корпуса.

Недостатками известной головки являются ограниченные эксплуатационные возможности и малый общий ресурс работоспособности уплотнительного элемента вследствие возможности его интенсивного износа и разрушения муфтовыми и замковыми соединениями спускаемых труб. Это обусловлено тем, что диаметр проходного отверстия уплотнительного элемента в исходном состоянии должен быть заведомо меньше наружного диаметра спускаемых труб, что обеспечивает при упругой деформации уплотнительного элемента плотный обхват им проходящей трубы и герметизацию зоны его контакта с трубой. Но вместе с трубами через уплотнительный элемент проходят также их соединительные элементы, а именно: муфты или замки, наружный диаметр которых больше диаметра труб. Поэтому деформация растяжения уплотнительного элемента при его контакте с проходящей муфтой (замком) будет значительно больше по сравнению с аналогичной при его контакте с трубой. Так, например, для гладкой как отечественной, так и зарубежной насосно-компрессорной трубы диаметром 73 мм диаметр муфты составляет 89 мм и, следовательно, площадь поперечного сечения муфты будет в 1,5 раза больше аналогичной у трубы. Такое же соотношение между площадями поперечного сечения трубы и замка наблюдается и у бурильных труб, например, у стальной трубы диаметром 127 мм диаметр замка составляет 155 мм. Следовательно, при проходе через уплотнительный элемент муфты (замка) этих труб деформация растяжения уплотнительного элемента в зоне его контакта с муфтой (замком) будет в 1,5 раза больше по сравнению с аналогичной при проходе трубы. Поэтому напряжения, возникающие в материале уплотнительного элемента, при проходе через него муфты (замка), будучи по закону Гука пропорциональными деформации растяжения, будут примерно в 1,5 раза больше аналогичных, возникающих при проходе трубы, что может привести к его ускоренному усталостному разрушению.

Кроме того, материал уплотнительного элемента испытывает в процессе работы и напряжения сдвига, возникающие от воздействия устьевого давления скважинной среды в зоне контакта уплотнительного элемента с перемещаемой трубой, муфтой или замком и обусловленные силой трения, величина которой будет пропорциональна давлению на устье. При этом возможна ситуация, когда при возрастании давления на устье скважины до некоторой величины уплотнительный элемент может разрушиться и стать неработоспособным уже в процессе спуска (подъема) первой трубы, т.к. сила трения на контакте металла с эластомером от воздействия значительного устьевого давления будет настолько велика, что даже труба, а не только муфта (замок), при перемещении через уплотнительный элемент будет увлекать за собой его материал в зоне контакта, вырывая его кусками из тела уплотнительного элемента.

Таким образом, известное устройство имеет ограниченные эксплуатационные возможности в части максимально допустимых рабочих давлений на устье скважины и малый общий ресурс работоспособности.

Известна многоэлементная герметизирующая головка (В.Р.Радковский и др. Справочник «Оборудование и инструмент для предупреждения и ликвидации фонтанов», Москва, «Недра», 1996, стр.214, рис.3.63), содержащая

- корпус, выполненный в виде цилиндрического патрубка с верхним и нижним фланцами и уступом на внутренней поверхности нижнего фланца,

- и набор уплотнительных элементов, выполненных из эластомера и прижатых к уступу распорными втулками посредством гайки, ввернутой в верхнюю часть корпуса,

- причем в рабочем положении, при спущенной в скважину трубе, каждый из уплотнительных элементов, кроме нижнего, расположен в замкнутой герметичной камере, образованной спущенной в скважину трубой, манжетной частью уплотнительного элемента и распорной втулкой.

Многоэлементность известной герметизирующей головки повышает ресурс ее работоспособности по сравнению с рассмотренной выше одноэлементной головкой герметизирующей, однако это повышение несущественно. Объясняется это тем, что срок службы нескольких уплотнительных элементов в сопоставимых условиях эксплуатации практически не будет отличаться от срока службы уплотнительного элемента одноэлементной головки герметизирующей, недостатки которой описаны выше. При этом общий ресурс работоспособности известной многоэлементной головки не будет равен сумме общих ресурсов работоспособности всех ее уплотнительных элементов.

Это обусловлено тем, что в процессе подъема труб под давлением при проходе муфты (замка) через уплотнительный элемент, его манжетная часть из-за конструктивных особенностей соединений труб в зоне перехода от трубы к муфте (замку) не может обеспечить полного контакта эластомера и с трубой и с муфтой (замком), в результате чего в этой зоне будет образовываться замкнутая полость, заполняемая скважинным флюидом под давлением из нижерасположенной камеры. Поэтому после прохода муфты (замка) через нижний уплотнительный элемент над и под муфтой (замком) образуются две полости, заполненные скважинным флюидом под устьевым давлением, которые опорожнятся в вышерасположенную камеру при перемещении муфты (замка) вверх, повышая в ней давление до устьевого. Затем из этой камеры будет под давлением заполняться аналогичным образом следующая верхняя камера и т.д.

В результате после прохода нескольких труб давления рабочей среды в камерах известной головки независимо от количества уплотнительных элементов выравняются и станут равными устьевому давлению, после чего наибольшие напряжения начнет испытывать материал верхнего уплотнительного элемента, поскольку разница давлений под и над этим элементом будет максимальной, т.к. сверху на него будет воздействовать лишь атмосферное давление, а снизу давление камеры, равное устьевому давлению. Такое соотношение давлений приведет к ускоренному разрушению верхнего уплотнительного элемента, после чего его камера будет сообщаться с атмосферой и эта ситуация последовательно повторится с каждым из нижерасположенных элементов.

Таким образом, известной многоэлементной герметизирующей головке присущи те же недостатки, что и одноэлементной головке герметизирующей, т.е. ограниченные эксплуатационные возможности и малый общий ресурс работоспособности.

Известно устройство для герметизации устья скважины при спуске - подъеме труб под давлением (патент РФ №2170329, МПК Е21В 33/03, опубл. 10.07.2001), содержащее

- корпус, состоящий из верхней и нижней частей в виде цилиндрических патрубков, соединенных резьбовым соединением,

- упорное кольцо, установленное на уступе, выполненном на внутренней поверхности верхней части корпуса,

- уплотнительный элемент из эластомера с поджимной шайбой, прижатый к упорному кольцу гайкой, ввернутой в верхнюю часть корпуса,

- герметизирующий элемент из эластомера, размещенный в нижней части корпуса и взаимодействующий с нижним торцом верхней части корпуса,

- предохранительный клапан, связывающий полость нижней части корпуса под дополнительным герметизирующим элементом с атмосферой,

- клапан для сброса давления при замене герметизирующего элемента, связывающий полость верхней части корпуса под уплотнительным элементом с атмосферой,

- верхний и нижний фланцы, соединенные с верхней и нижней частями корпуса.

Недостатки известного устройства аналогичны изложенным у одноэлементной головки герметизирующей, т.е. ограниченные эксплуатационные возможности и малый общий ресурс работоспособности уплотнительного элемента вследствие его износа и разрушения муфтовыми и замковыми соединениями спускаемых труб. Положительным качеством известного устройства является его автономность при замене изношенного уплотнительного элемента благодаря оснащению устройства нижней частью корпуса, герметизирующим элементом, клапаном для сброса давления и резьбовому соединению частей корпуса.

Задачей настоящего изобретения является создание технического решения устьевого герметизатора, лишенного перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является расширение эксплуатационных возможностей и увеличение общего ресурса работоспособности известного устьевого герметизатора.

Для достижения этого результата в известном герметизаторе устьевом, содержащем

- корпус, состоящий из верхней и нижней частей в виде цилиндрических патрубков, соединенных резьбовым соединением и оснащенных верхним и нижним фланцами,

- нижнее опорное кольцо, установленное на уступе, выполненном на внутренней поверхности верхней части корпуса,

- нижний уплотнитель из эластомера, размещенный в полости верхней части корпуса и прижатый через поджимной элемент к нижнему опорному кольцу крепежным элементом, соединенным с верхней частью корпуса,

- герметизирующий элемент из эластомера, размещенный в полости нижней части корпуса и взаимодействующий с верхней частью корпуса,

- предохранительный клапан, связывающий полость нижней части корпуса под герметизирующим элементом с атмосферой,

- манометр для контроля давления в полости под герметизирующим элементом,

- при этом в рабочем положении, при спущенной в скважину трубе, поджимной элемент, снабженный уплотнительными кольцами, и нижний уплотнитель образуют в полости верхней части корпуса нижнюю герметичную камеру, сообщающуюся с устьем скважины, а также с атмосферой через трубопровод, установленный в отверстии стенки верхней части корпуса, и запорное устройство, например, кран,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

- снабжен несколькими дополнительными уплотнителями из эластомера, установленными друг над другом в верхней части корпуса над нижним уплотнителем,

- оснащен дополнительными опорными кольцами и поджимными элементами, взаимодействующими между собой и с дополнительными уплотнителями, а также дополнительными трубопроводами и запорными устройствами, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей,

- дополнительно снабжен в верхней части корпуса манометрами и предохранительными клапанами, давление срабатывания каждого из которых не превышает величины допускаемого рабочего давления на один уплотнитель, а их количество равно количеству всех уплотнителей,

- поджимные элементы выполнены в виде дисков, снабженных внутренними кольцевыми выступами в центральной части, фиксирующими уплотнители концентрично продольной оси верхней части корпуса, и наружными кольцевыми выступами по периферии, и разделяющих полость верхней части корпуса на дополнительные камеры, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей, при этом в рабочем положении герметизатора, при спущенной в скважину трубе, все камеры герметичны относительно друг друга,

- причем верхний поджимной элемент верхним торцом взаимодействует с крепежным элементом, нижний поджимной элемент наружным кольцевым выступом взаимодействует с уступом, выполненным на внутренней поверхности верхней части корпуса, а каждый из дополнительных поджимных элементов наружным кольцевым выступом взаимодействует с верхним торцом нижерасположенного поджимного элемента,

- в стенках наружных кольцевых выступов и опорных колец выполнены сквозные отверстия,

- предохранительные клапаны при срабатывании соединяют каждую камеру через трубопроводы с вышерасположенной камерой,

- причем верхний предохранительный клапан при срабатывании сообщает верхнюю камеру с атмосферой,

- а дополнительные трубопроводы и запорные устройства сообщают дополнительные камеры через отверстия в стенке верхней части корпуса с атмосферой,

- при этом общее количество уплотнителей определяется из соотношения

N≥Ру/Δр, где

N - количество всех уплотнителей (целое число с округлением в сторону увеличения);

Ру - максимальное давление на устье скважины;

Δр - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель;

- а давления в дополнительных камерах удовлетворяют соотношению

P_i≤P_i-1-Δр, где

P_i - давление в i-ой дополнительной камере;

P_i-1 - давление в камере, расположенной под i-ой дополнительной камерой.

На чертеже представлен общий вид герметизатора устьевого многоэлементного в рабочем положении с трубой (не показана), спущенной в скважину.

Устройство содержит корпус, состоящий из двух частей - верхней 1 и нижней 2, выполненных в виде цилиндрических патрубков, соединенных резьбовым соединением и оснащенных фланцами - верхним 3 и нижним 4. В полости верхней части 1 корпуса установлены друг над другом уплотнители из эластомера - нижний 5 и несколько дополнительных, например, изображенных на чертеже в количестве двух штук - среднего 6 и верхнего 7.

Дальнейшее описание устройства и его работы предполагает, что:

а) эластомеры, из которых изготовлены уплотнители, обладают одинаковыми прочностными характеристиками;

б) благодаря конструктивному исполнению заявляемого герметизатора:

- величина устьевого давления на скважине равномерно распределяется между уплотнителями, количество которых равно трем,

- величина давления в процессе работы на каждый из уплотнителей не превышает их допускаемого рабочего давления,

- а напряжения, возникающие в материале уплотнителей, не превышают прочностных характеристик эластомера, из которого они изготовлены.

Общее количество уплотнителей в заявляемом герметизаторе зависит от максимального давления на устье скважины и допускаемого рабочего давления на один уплотнитель и определяется из соотношения:

, где

N - количество всех уплотнителей (целое число с округлением в сторону увеличения);

Ру - максимальное давление на устье скважины;

Δр - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель.

Каждый из уплотнителей 5, 6 и 7 своей нижней частью взаимодействует с установленными в полости верхней части 1 корпуса опорными кольцами: нижний уплотнитель 5 - с нижним опорным кольцом 8, установленным на уступе 9, выполненном на внутренней поверхности верхней части 1 корпуса, а дополнительные уплотнители: средний 6 и верхний 7 - с аналогичными опорными кольцами: средним 10 и верхним 11. Это взаимодействие в виде поджатия уплотнителей 5, 6 и 7 к опорным кольцам 8, 10 и 11 обеспечивается с установленными в полости верхней части 1 корпуса поджимными элементами - нижним 12, который прижимает нижний уплотнитель 5 к нижнему опорному кольцу 8, и дополнительными поджимными элементами: средним 13 и верхним 14, которые прижимают соответственно дополнительные уплотнители: средний 6 и верхний 7 к соответствующим дополнительным опорным кольцам: среднему 10 и верхнему 11.

Поджимные элементы 12, 13 и 14 выполнены в виде дисков, снабженных уплотнительными кольцами 15. На нижних торцах дисков в центральной части выполнены внутренние кольцевые выступы 16, фиксирующие уплотнители 5, 6 и 7 концентрично продольной оси корпуса, а также наружные кольцевые выступы 17 по периферии. Верхний поджимной элемент 14 верхним торцом взаимодействует с крепежным элементом 18, выполненным в виде кольца с наружной резьбой, ввернутым в верхнюю часть 1 корпуса, а нижний поджимной элемент 12 наружным кольцевым выступом 17 взаимодействует с уступом 9, что обеспечивает фиксацию и поджим к уступу 9 всего комплекта деталей, установленных внутри верхней части 1 корпуса, т.е. уплотнителей 5, 6 и 7, поджимных элементов 12, 13 и 14 и опорных колец 8, 10 и 11.

Наружными кольцевыми выступами 17 поджимные элементы 12, 13 и 14 разделяют полость верхней части 1 корпуса на камеры - нижнюю 19, сообщающуюся с устьем скважины, и дополнительные камеры - среднюю 20 и верхнюю 21, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей - среднего 6 и верхнего 7. В рабочем положении герметизатора, при спущенной в скважину трубе 22, когда уплотнители 5, 6 и 7, упруго деформируясь, обеспечивают плотный обхват трубы 22, камеры 19, 20 и 21, благодаря наличию уплотнительных колец 15, герметичны относительно друг друга.

В стенке верхней части 1 корпуса напротив каждой из камер 19, 20 и 21 выполнены соответствующие сквозные отверстия - нижнее 23, среднее 24 и верхнее 25, с которыми соединены соответствующие трубопроводы - нижний 26, средний 27 и верхний 28, сообщающие камеры 19, 20 и 21 через запорные устройства, например, краны 29 с атмосферой. Для пропуска скважинного флюида из камер 19, 20 и 21 к отверстиям 23, 24 и 25 в стенке опорных колец 8, 10 и 11 выполнены сквозные отверстия 30, а в стенке выступов 17 выполнены сквозные отверстия 31. Этому же способствуют проточки 32, выполненные на наружной поверхности выступов 17.

Снаружи корпуса заявляемого устройства к трубопроводам 26, 27 и 28 присоединены предохранительные клапаны 33, 34 и 35, количество которых равно количеству всех уплотнителей и которые при срабатывании обеспечивают перепуск флюида, находящегося под избыточным давлением сверх давления настройки клапана, из нижних камер в верхние камеры. Таким образом, нижний клапан 33 по трубопроводам 26 и 27 перепускает флюид из камеры 19 в камеру 20, средний клапан 34 по трубопроводам 27 и 28 перепускает флюид из камеры 20 в камеру 21 и верхний клапан 35 по трубопроводу 28 перепускает флюид из камеры 21 в атмосферу. При этом давление срабатывания каждого из предохранительных клапанов 33, 34 и 35 настраивают на величину, не превышающую величины допускаемого рабочего давления Δр на один уплотнитель. Тем самым, при работе заявляемого герметизатора давления в дополнительных камерах 20 и 21 будут удовлетворять соотношению

, где

P_i - давление в i-ой дополнительной камере;

P_i-1 - давление в камере, расположенной под i-ой дополнительной камерой;

Δр - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель, МПа.

Для настройки предохранительных клапанов 33, 34 и 35 и контроля давления в камерах 19, 20 и 21 устройство снабжено манометрами 36, 37 и 38.

В нижней части 2 корпуса размещен герметизирующий элемент 39 из эластомера, снабженный в нижней части упорной шайбой 40 и взаимодействующий верхней частью через упорный подшипник 41 с нижним торцом верхней части 1 корпуса. Предохранительный клапан 42 сообщает полость нижней части 2 корпуса под герметизирующим элементом 39 с атмосферой. Давление срабатывания клапана 42 должно превышать ожидаемое максимальное рабочее давление на устье скважины, но быть меньше допускаемого рабочего давления для герметизирующего элемента 39. Для контроля давления в нижней части 2 корпуса устройство снабжено манометром 43.

Перед началом работы у собранного в соответствии с чертежом (без трубы 22) заявляемого герметизатора настраивают предохранительный клапан 42 применительно к максимально ожидаемому устьевому давлению на скважине, где предполагается его использование. Для этого герметизатор закрепляют на верхнем фланце испытательного стенда (не показан), оборудованного насосом, развивающим давление не менее ожидаемого на скважине, закрывают краны 29 и производят настройку давления срабатывания предохранительного клапана 42 на необходимую величину.

Далее в герметизатор через уплотнители 5, 6 и 7 пропускают цилиндрический стержень - имитатор трубы 22 (не показан), равный по наружному диаметру трубе 22, и соединяют его известным способом с фланцем 3 или 4 для предотвращения от выброса вверх при воздействии давления рабочей жидкости от насоса испытательного стенда.

Ввиду того, что диаметр отверстий уплотнителей 5, 6 и 7 меньше наружного диаметра имитатора, эластомер, из которого выполнены уплотнители, будет упруго деформироваться, расширяясь и плотно охватывая наружную поверхность имитатора, обеспечивая совместно с уплотнительными кольцами 15 герметичность камер 19, 20 и 21 относительно друг друга.

Поскольку количество уплотнителей, равное трем, было определено из соотношения (1), то фактическое рабочее давление, приходящееся на каждый из уплотнителей, будет равно:

где

Рру - фактическое рабочее давление, приходящееся на каждый из уплотнителей;

Ру - максимальное давление на устье скважины;

Δр - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель.

Именно на эту величину Рру производят настройку предохранительных клапанов 33, 34 и 35, которую осуществляют последовательно снизу вверх, начиная с нижнего клапана 33. Для этого включением насоса стенда нагнетают рабочую жидкость в нижнюю камеру 19 и повышают ее давление до величины, равной Рру, которое контролируют манометром 36. При этом рабочая жидкость стенда через отверстие 30 в стенке опорного кольца 8, сквозное отверстие 31 в стенке выступа 17, проточку 32, выполненную на наружной поверхности выступа 17, отверстие 23 в стенке верхней части 1 корпуса и нижний трубопровод 26 будет воздействовать на нижний предохранительный клапан 33, после чего производят настройку давления его срабатывания на величину Рру. Сигналом окончания настройки будет начало пропуска нижним предохранительным клапаном 33 рабочей жидкости под давлением Рру по среднему трубопроводу 27 в среднюю камеру 20.

Далее производят настройку среднего предохранительного клапана 34, для чего насосом повышают давление рабочей жидкости до удвоенной величины Рру, которое контролируют манометром 36. Поскольку это давление в 2 раза превышает величину давления срабатывания нижнего клапана 33, последний начнет пропускать через себя рабочую жидкость вверх, которая через средний трубопровод 27, отверстие 24 в стенке верхней части 1 корпуса, проточку 32, выполненную на наружной поверхности выступа 17, сквозное отверстие 31 в стенке выступа 17, отверстие 30 в стенке опорного кольца 10 будет заполнять среднюю камеру 20 и воздействовать на средний клапан 34, процесс настройки которого аналогичен настройке нижнего клапана 33. Давление настройки среднего клапана 34 контролируют манометром 37. Сигналом окончания настройки будет начало пропуска средним клапаном 34 рабочей жидкости под давлением Рру по верхнему трубопроводу 28 в верхнюю камеру 21.

На последнем этапе производят настройку верхнего предохранительного клапана 35, для чего насосом повышают давление рабочей жидкости до величины, равной 3 Рру, т.е. до величины Ру, равному максимально ожидаемому давлению на устье скважины (см. соотношение 3). Будучи настроенными, нижний 33 и средний 34 клапаны будут перепускать через себя рабочую жидкость, которая через верхний трубопровод 28, отверстие 25 в стенке верхней части 1 корпуса, проточку 32, выполненную на наружной поверхности выступа 17, сквозное отверстие 31 в стенке выступа 17, отверстие 30 в стенке опорного кольца 11 будет заполнять верхнюю камеру 21 и воздействовать на верхний клапан 35, процесс настройки которого аналогичен настройке нижнего 33 и среднего 34 клапанов. Давление настройки верхнего клапана 35 контролируют манометром 38. Сигналом окончания настройки будет начало пропуска верхним клапаном 35 рабочей жидкости под давлением Рру на сброс в атмосферу.

Таким образом, после настройки всех клапанов давления в камерах 20 и 21 заявляемого герметизатора будут удовлетворять соотношению (2), а в камере 19 давление будет равно максимальному давлению Ру на устье скважины.

Применительно к конструкции устройства с тремя уплотнителями, изображенной на чертеже, давления в камерах 19, 20 и 21, исходя из того, что фактическое рабочее давление Рру, приходящееся на каждый из уплотнителей, равно Рру=Ру/3≤Δр, будут следующими:

- в нижней камере 19 давление рабочей жидкости Рн=Ру=3 Рру, т.е. утроенному фактическому рабочему давлению Рру, приходящемуся на один уплотнитель, или максимально ожидаемому давлению на устье скважины,

- в средней камере 20 давление рабочей жидкости Рс=2 Рру, т.е. будет равно удвоенному Рру,

- а в верхней камере 21 давление рабочей жидкости Рв=Рру.

В результате в заявляемом герметизаторе после его настройки разница давлений между любыми двумя соседними камерами, воздействующая на каждый из уплотнителей 5, 6 и 7, будет равна величине Рру - фактическому рабочему давлению, и не будет превышать величины Δр - допускаемого рабочего давления на один уплотнитель, поскольку:

- в нижней камере установится давление Рн=Ру=3 Рру, а в средней камере давление Рс=2 Рру. Разница давлений под и над уплотнителем 5 будет равна Рру≤Δр;

- в средней камере установится давление Рс=2 Рру, а в верхней камере давление Рв=Рру. Таким образом, разница давлений под и над уплотнителем 6 будет равна Рру≤Δр;

- в верхней камере установится давление Рв=Рру, а над верхним уплотнителем 7 давление будет равно атмосферному. Разница давлений под и над уплотнителем 7 будет равна Рру≤Δр.

По окончании настройки заявляемый герметизатор готов к эксплуатации.

Заявляемый герметизатор устьевой многоэлементный работает следующим образом.

Собранный в соответствии с чертежом (без трубы 22) заявляемый герметизатор, клапаны 33, 34 и 35 которого были предварительно настроены на фактическое рабочее давление Рру, рассчитанное по соотношениям (1) и (3), устанавливают на устье скважины, оборудованной противовыбросовым оборудованием, например превентором (не показан), глухие плашки которого предварительно должны быть закрыты. Нижним фланцем 4 герметизатор соединяют с верхним фланцем превентора, при этом краны 29, соединяющие камеры 19, 20, 21 с атмосферой, должны быть закрыты. Далее в герметизатор с помощью захватного устройства (не показано) через уплотнители 5, 6 и 7 пропускают трубу 22, которая впоследствии, после перевода плашек превентора в открытое положение, будет удерживаться этим захватным устройством от выброса вверх при воздействии на трубу 22 давления из скважины.

Поскольку исходный диаметр отверстий уплотнителей 5, 6 и 7 меньше наружного диаметра трубы 22, эластомер, из которого выполнены уплотнители, будет упруго деформироваться, расширяясь и плотно охватывая наружную поверхность трубы 22, обеспечивая совместно с уплотнительными кольцами 15 герметичность камер 19, 20 и 21 относительно друг друга. При этом нижняя камера 19 через полость нижней части 2 корпуса будет сообщаться с устьем скважины и после открытия глухих плашек превентора для дальнейшего спуска трубы 22 в скважину будет заполнена скважинным флюидом под устьевым давлением Ру.

Это давление будет воздействовать на нижний предохранительный клапан 33, который, будучи настроенным на давление срабатывания Рру=Ру/3, откроется и будет перепускать через себя скважинный флюид в среднюю камеру 20 по среднему трубопроводу 27. Процесс перепуска скважинного флюида через нижний клапан 33 будет осуществляться до тех пор, пока в средней камере 20 давление Рс не достигнет величины 2 Рру и поскольку разница давлений между нижней камерой 19 и средней камерой 20 составит Рру=Рн-Рс=3 Рру - 2 Рру, нижний клапан 33, настроенный на давление срабатывания, равное Рру, закроется.

По мере заполнения средней камеры 20 скважинным флюидом давление Рс в ней будет повышаться и когда Рс превысит величину Рру, средний предохранительный клапан 34, будучи настроенным на давление срабатывания Рру, откроется и будет перепускать через себя скважинный флюид в верхнюю камеру 21 по верхнему трубопроводу 28 до тех пор, пока в верхней камере 21 не установится давление Рв=Рру, после чего клапан 34 перекроется. Тем самым, в камерах установятся следующие величины давлений:

- в нижней камере 19 - давление Рн, равное давлению на устье скважины Ру, т.е. Рн=3 Рру;

- в средней камере 20 - давление Рс, равное давлению в нижней камере Рн за вычетом Рру, т.е. Рс=2 Рру;

- в верхней камере 21 - давление Рв, равное давлению в средней камере Рс за вычетом Рру, т.е. Рв=Рру;

где Рру - фактическое рабочее давление, приходящееся на каждый из уплотнителей и равное Рру=Ру/3≤Δр.

Эти величины давлений в камерах 19, 20 и 21 будут поддерживаться предохранительными клапанами 33, 34 и 35 аналогично и при прохождении через уплотнители 5, 6 и 7 муфты (замка) 44 спускаемых труб 22, что объясняется следующим. Муфта (замок) 44 имеет наружный диаметр больше наружного диаметра трубы 22, поэтому при вхождении муфты (замка) 44 в уплотнители 5, 6 и 7 их наружные габариты будут увеличиваться, что повлекло бы за собой повышение давления в замкнутых полостях камер 20 и 21 и, соответственно, увеличение нагрузки на уплотнители 5, 6 и 7. Однако при возрастании давления в камерах свыше Рру произойдет срабатывание предохранительных клапанов 34 и 35 и излишек жидкости для уменьшения давления будет перепущен в вышележащую камеру, а оттуда в атмосферу.

Благодаря такому распределению давлений в камерах 19, 20 и 21 каждый из уплотнителей будет подвергаться воздействию давления следующей величины:

- нижний уплотнитель 5, снизу на который воздействует давление нижней камеры 19, равное Рн=3 Рру, а сверху давление средней камеры 20, равное Рс=2 Рру. Следовательно, на уплотнитель 5 будет воздействовать разница давлений под и над уплотнителем 5, равная Рру≤Δр;

- средний уплотнитель 6, снизу на который воздействует давление средней камеры 20, равное Рс=2 Рру, а сверху давление верхней камеры 21, равное Рв=Рру. Следовательно, на уплотнитель 6 будет воздействовать разница давлений под и над уплотнителем 6, равная Рру≤Δр;

- верхний уплотнитель 7, снизу на который воздействует давление верхней камеры 21, равное Рв=Рру, а сверху атмосферное давление.

Следовательно, на уплотнитель 5 будет воздействовать разница давлений под и над уплотнителем 5, равная Рру≤Δр.

Таким образом, в заявляемом герметизаторе, благодаря тому, что:

- он снабжен несколькими дополнительными уплотнителями из эластомера (в нашем случае двумя - средним 6 и верхним 7), установленными друг над другом в верхней части 1 корпуса над нижним уплотнителем 5,

- оснащен дополнительными опорными кольцами 10 и 11 и поджимными элементами 13 и 14, взаимодействующими между собой и с дополнительными уплотнителями 6 и 7, а также дополнительными трубопроводами 27 и 28 и запорными устройствами 29, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей 6 и 7,

- верхняя часть 1 корпуса в нем дополнительно снабжена соединенными с трубопроводами 26, 27 и 28 манометрами 36, 37 и 38 и предохранительными клапанами 33, 34 и 35, давление срабатывания каждого из которых не превышает величины допускаемого рабочего давления Δр на один уплотнитель, а их количество равно количеству всех уплотнителей,

- его поджимные элементы 12, 13 и 14 выполнены в виде дисков, снабженных внутренними кольцевыми выступами 16 в центральной части, фиксирующими уплотнители 5, 6 и 7 концентрично продольной оси верхней части 1 корпуса, и наружными кольцевыми выступами 17 по периферии, и разделяющих полость верхней части 1 корпуса на дополнительные камеры 20 и 21, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей 6 и 7, при этом в рабочем положении герметизатора, при спущенной в скважину трубе 22, все камеры 19, 20 и 21 герметичны относительно друг друга,

- его предохранительные клапаны 33 и 34 при срабатывании соединяют камеры 19 и 20 через трубопроводы 27 и 28 с вышерасположенной камерой,

- причем верхний предохранительный клапан 35 при срабатывании сообщает верхнюю камеру 21 с атмосферой,

- общее количество уплотнителей в нем определяется из соотношения

N≥Ру/Δр, где

N - количество всех уплотнителей (целое число с округлением в сторону увеличения);

Ру - максимальное давление на устье скважины;

Δр - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель;

- а давления в дополнительных камерах удовлетворяют соотношению

P_i≤P_i-1-Δр, где

P_i - давление в i-ой дополнительной камере;

P_i-1 - давление в камере, расположенной под i-ой дополнительной камерой;

обеспечивается ограничение предельной нагрузки на каждый из уплотнителей 5, 6 и 7, величина которой в процессе эксплуатации не будет превышать величины допускаемого рабочего давления Δр.

Тем самым, заявляемый герметизатор можно использовать при любых величинах устьевых давлений, что расширяет его эксплуатационные возможности. При этом уплотнители не будут испытывать нагрузки свыше допускаемых, что увеличивает общий ресурс работоспособности заявляемого герметизатора и способствует повышению надежности его работы.

В процессе работы может возникнуть необходимость смены уплотнителей 5, 6 и 7 в случае их износа, для чего необходимо предварительно снизить до атмосферного остаточное давление в камерах 19, 20 и 21, поскольку полость верхней части 1 корпуса при работе представляет собой сосуд под давлением. Поэтому вначале эту полость отделяют от устья скважины, для чего ввинчиванием верхней части 1 корпуса в нижнюю часть 2 корпуса оказывают через упорный подшипник 41 давление на дополнительный герметизирующий элемент 39, который, опираясь на упорную шайбу 40, упруго деформируется и плотно охватывает трубу 22, герметично отделяя верхнюю часть 1 корпуса от нижней части 2 корпуса. При этом давление в полости нижней части 2 корпуса под герметизирующим элементом 39 контролируют манометром 43 и, если рабочее давление на устье скважины превысит давление срабатывания предохранительного клапана 42, то избыток его перепустится предохранительным клапаном 42 в атмосферу.

Далее через краны 29 производят слив флюидов из камер 19, 20 и 21 наружу, снижая давление в них до атмосферного, контролируя процесс снижения давления в камерах 19, 20 и 21 манометрами 36, 37 и 38, после чего отсоединяют крепежный элемент 18 от верхней части 1 корпуса, обеспечивая доступ к деталям, расположенным внутри, в том числе и к уплотнителям 5, 6 и 7 для их замены.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметизации устья скважины во время спуска и подъема под давлением колонн труб при бурении, испытании, освоении и капитальном ремонте скважин. Герметизатор содержит корпус, состоящий из верхней и нижней частей. В полости верхней части корпуса размещены несколько уплотнителей из эластомера, прижатые через поджимные элементы крепежным элементом, соединенным с верхней частью корпуса, к опорным кольцам. При этом в рабочем положении, при спущенной в скважину трубе, поджимные элементы, снабженные уплотнительными кольцами, и уплотнители образуют в полости верхней части корпуса герметичные камеры. При этом герметизатор снабжен в верхней части корпуса манометрами и предохранительными клапанами, давление срабатывания каждого из которых не превышает величины допускаемого рабочего давления на один уплотнитель, а их количество равно количеству всех уплотнителей. Предохранительные клапаны при срабатывании соединяют каждую камеру через трубопроводы с вышерасположенной камерой, причем верхний предохранительный клапан при срабатывании сообщает верхнюю камеру с атмосферой, а дополнительные трубопроводы и запорные устройства сообщают дополнительные камеры через отверстия в стенке верхней части корпуса с атмосферой. Достигается расширение эксплуатационных возможностей и увеличение общего ресурса работоспособности устьевого герметизатора. 1 ил.

Герметизатор устьевой многоэлементный, содержащий корпус, состоящий из верхней и нижней частей в виде цилиндрических патрубков, соединенных резьбовым соединением и оснащенных верхним и нижним фланцами, нижнее опорное кольцо, установленное на уступе, выполненном на внутренней поверхности верхней части корпуса, нижний уплотнитель из эластомера, размещенный в полости верхней части корпуса и прижатый через поджимной элемент к нижнему опорному кольцу крепежным элементом, соединенным с верхней частью корпуса, герметизирующий элемент из эластомера, размещенный в полости нижней части корпуса и взаимодействующий с верхней частью корпуса, предохранительный клапан, связывающий полость нижней части корпуса под герметизирующим элементом с атмосферой, манометр для контроля давления в полости под герметизирующим элементом, при этом в рабочем положении, при спущенной в скважину трубе, поджимной элемент, снабженный уплотнительными кольцами, и нижний уплотнитель образуют в полости верхней части корпуса нижнюю герметичную камеру, сообщающуюся с устьем скважины, а также с атмосферой через трубопровод, установленный в отверстии стенки верхней части корпуса, и запорное устройство, например кран, отличающийся тем, что снабжен несколькими дополнительными уплотнителями из эластомера, установленными друг над другом в верхней части корпуса над нижним уплотнителем, оснащен дополнительными опорными кольцами и поджимными элементами, взаимодействующими между собой и с дополнительными уплотнителями, а также дополнительными трубопроводами и запорными устройствами, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей, дополнительно снабжен в верхней части корпуса манометрами и предохранительными клапанами, давление срабатывания каждого из которых не превышает величины допускаемого рабочего давления на один уплотнитель, а их количество равно количеству всех уплотнителей, поджимные элементы выполнены в виде дисков, снабженных внутренними кольцевыми выступами в центральной части, фиксирующими уплотнители концентрично продольной оси верхней части корпуса, и наружными кольцевыми выступами по периферии, и разделяющих полость верхней части корпуса на дополнительные камеры, количество которых равно количеству дополнительных уплотнителей, при этом в рабочем положении герметизатора, при спущенной в скважину трубе, все камеры герметичны относительно друг друга, причем верхний поджимной элемент верхним торцом взаимодействует с крепежным элементом, нижний поджимной элемент наружным кольцевым выступом взаимодействует с уступом, выполненным на внутренней поверхности верхней части корпуса, а каждый из дополнительных поджимных элементов наружным кольцевым выступом взаимодействует с верхним торцом нижерасположенного поджимного элемента, в стенках наружных кольцевых выступов и опорных колец выполнены сквозные отверстия, предохранительные клапаны при срабатывании соединяют каждую камеру через трубопроводы с вышерасположенной камерой, причем верхний предохранительный клапан при срабатывании сообщает верхнюю камеру с атмосферой, а дополнительные трубопроводы и запорные устройства сообщают дополнительные камеры через отверстия в стенке верхней части корпуса с атмосферой, при этом общее количество уплотнителей определяется из соотношения
N≥Py/Δp,
где N - количество всех уплотнителей (целое число с округлением в сторону увеличения);
Py - максимальное давление на устье скважины;
Δp - допускаемое рабочее давление на один уплотнитель;
а давления в дополнительных камерах удовлетворяют соотношению
Р_i≤Р_i-1-Δp,
где Р_i - давление в i-й дополнительной камере;
P_i-1 - давление в камере, расположенной под i-й дополнительной камерой.