СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01R13/533 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится к системам уплотнения подвижного действия, предназначенным для проведения электрических или других соединительных элементов через герметизируемые объемы, находящиеся под разными давлениями и изолированные друг от друга, с целью обеспечения между упомянутыми объемами герметичного уплотнения, при этом предлагаемая система найдет применение главным образом в энергетической отрасли экономики, особенно в ее нефтедобывающем секторе, в частности, при работе с нефтяными и газовыми скважинами, внутри которых использованы электрические устройства.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Текучая среда, производимая скважиной, нефть или вода, не поступает на поверхность сама по себе, поэтому применяют средства извлечения этой текучей среды, относящиеся к нескольким типам, это, в частности, электрические погружные насосы и электрические винтовые насосы, при использовании которых на дне скважины в случае тяжелой нефти требуется электрический нагрев, чтобы сделать нефть более легкой и легче ее качать. Эти системы являются электрическими, поэтому они требуют подсоединения к источникам электрической энергии, которые находятся на поверхности, с помощью кабелей, что обусловливает необходимость разработки силовых соединительных элементов, которые, обеспечивая соединение, герметизировали бы изолированный объем скважины и внешнее пространство над оголовком скважины.

В настоящее время известны коммерчески доступные силовые соединительные элементы такого рода, называемые пенетраторами, которые производятся американскими и европейскими корпорациями, в частности, известны такие их типы, как пенетраторы с закрытым гнездом, безразрезные эпоксидно-герметизируемые пенетраторы и безразрезные механически герметизируемые пенетраторы. В пенетраторах первого типа использована капсула, являющаяся собственно пенетратором, которую размещают с проведением сквозь оголовок скважины с внешним механическим уплотнением, и обеспечивают электрический соединительный элемент (требует разрезания кабеля) между внутренним объемом скважины, который находится под высоким давлением, и наружным пространством. При таком решении возникают зоны локально перегрева, что ухудшает электрические характеристики кабеля и создает риск нарушения энергоснабжения, который должен быть минимизирован с помощью отложенных процедур соединения (до пяти часов), и что требует учета условий окружающей среды (температура и влажность), которые при большинстве операций представляют собой параметры, которые нелегко контролировать. Кроме того, если нарушение энергоснабжения, связанное с такими соединительными элементами, случилось под высоким давлением, то потребуется вмешательство специальной аварийной бригады, вызов которой связан с большими расходами и потому нежелателен. Безразрезные эпоксидно-герметизируемые пенетраторы обеспечивают для пользователей возможность избежать разрезания проводников, так как они не используют электрических соединений в объеме, находящемся под высоким давлением; в них использована система уплотнения под оголовком скважины, содержащая капсулу или прокладку и эпоксидные наполнители (это требует контролируемых условий окружающей среды с упомянутым риском), в которой кабель пропускают сквозь оголовок скважины без разрезания. Однако представляют проблему процедура сборки, так как она требует контролируемых условий окружающей среды, и эпоксидная смесь, в которой могут возникать трещины, если она не приготовлена должным образом. Кроме того, эта эпоксидная смола может со временем утратить герметизирующие свойства, что приведет к неконтролируемым утечкам из скважины ее содержимого.

В безразрезных механически герметизируемых пенетраторах эпоксидные смолы не используются. Таким образом, они обеспечивают механическое уплотнение, основанное на конических прокладках, размещаемых на конических отверстиях, которые под действием давления зажимают три проводника (единственный вариант) и создают однонаправленное уплотнение. Однако они не учитывают размеров различных типов кабеля, имеющихся на рынке, и это порождает риск утечки, так как кабели не могут быть прижаты друг к другу достаточно плотно; или же, наоборот, возникает риск повреждения проводников при избыточном сжимающем усилии. Кроме того, разные размеры проводников требуют разных прокладок; поэтому существует риск установки прокладки ненадлежащего размера. Кроме того, эта система основана на удержании давления только прокладкой. В таких условиях прокладка с течением времени может выйти из строя, что неизбежно приведет к стравливанию давления, что может приводить к несчастным случаям, так как хорошо известные аварии продуктивных скважин в Колумбии. Наконец, все эти системы были разработаны только для создания однонаправленного уплотнения под оголовком скважины и в группе из трех проводников, что ограничивает область их применения при работе со скважинами.

Преимущества предлагаемого изобретения

Система уплотнения подвижного действия согласно предлагаемому изобретению имеет следующие преимущества над предшествующим уровнем техники.

- Система уплотнения с подвижной манжетой. Она обеспечивает постоянное давление уплотнения, соответствующее действующему на нее внешнему давлению. Чем выше это давление, тем больше степень уплотнения и наоборот; благодаря этому обеспечена минимизация риска повреждения проводников.

- Двунаправленная система уплотнения, которая реагирует на прилагаемые к ней силы давления подвижным образом в том направлении, где давление выше.

- В ней использован имеющий один и тот же размер и уникальную форму уплотнительный элемент из упругого полимера, подходящий для нескольких типов проводников благодаря действию подвижной манжеты.

- Подвижная манжета воспринимает давление и устраняет риск деформирования или повреждения упомянутого уплотнительного элемента из упругого полимера.

- Эта система может быть использована на наружных частях оголовка скважины без необходимости создания соединений; благодаря этому обеспечена возможность проведения осмотров или ремонтов снаружи, а также возможность заменять системы, которые вышли из строя, без необходимости вызывать аварийную бригаду.

- Эта система обеспечивает возможность уплотнения от одного до девяти проводников, в зависимости от того что нужно пользователю; благодаря этому обеспечена возможность уплотнения всех проводников с помощью одной системы, а не группами по три проводника.

- Все компоненты, контактирующие с проводниками изготовлены из диэлектрических и изоляционных материалов, благодаря чему уменьшен риск физического электрического поражения проводников.

- Материал упомянутого уплотнительного элемента из упругого полимера содержит специально разработанные соединения, стойкие к действию агрессивных газов (таких как сероводород (H₂S)), растворов и углеводородов, и могущие работать при высоких температурах или давлениях. Система была разработана и испытана на стойкость к рабочим давлениям до 34000 кПа.

- Эта система может заменить любую из использовавшихся до сих пор систем уплотнения без необходимости замены существующего оборудования.

Краткое описание прилагаемых графических материалов

На фиг. 1 в аксонометрии и с разнесением деталей показана система уплотнения согласно предлагаемому изобретению в варианте для одного проводника.

На фиг. 2 в аксонометрии и с разнесением деталей показана система уплотнения согласно предлагаемому изобретению в варианте для множественных проводников.

На фиг. 3 в аксонометрии показан верхний соединительный элемент (1) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 4 в аксонометрии показан верхний элемент предварительного уплотнения (2) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 5 в аксонометрии изображен подвижный манжетный узел (3) предлагаемой системы уплотнения в варианте для одного проводника.

На фиг. 6 в аксонометрии изображена верхняя манжета (4) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 7 в аксонометрии изображен уплотнительный элемент из упругого полимера (5) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 8 в аксонометрии изображен нижний элемент предварительного уплотнения (7) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 9 в аксонометрии изображена камера повышенного давления (8) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 10 в аксонометрии изображен подвижный манжетный узел (3') предлагаемой системы уплотнения в варианте для множественных проводников.

Подробное описание предлагаемого изобретения

В состав системы уплотнения подвижного действия согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, как можно видеть на фиг. 1, входят следующие компоненты: (а) верхний соединительный элемент (1), (b) верхний элемент предварительного уплотнения (2), (с) подвижный манжетный узел (3) однопроводниковой системы, в состав которого входят: (i) верхняя манжета (4), (ii) один или большее количество уплотнительных элементов из упругого полимера (5), (iii) нижняя манжета (6), (d) нижний элемент предварительного уплотнения (7) и (е) камера повышенного давления (8).

Для решения проблем предшествующего уровня техники для герметизации проводящих элементов при их прохождении между двумя объемами с разными давлениями без разрезания этих проводящих элементов и без необходимости производить соединения под оголовком скважины была разработана предлагаемая система уплотнения подвижного действия.

В предлагаемой системе уплотнения использован подвижный манжетный узел (3) внутри камеры повышенного давления (8), а также верхний элемент предварительного уплотнения (2) и нижний элемент предварительного уплотнения (7) для герметизации проводящих элементов с помощью одного или нескольких уплотнительных элементов из упругого полимера (5), количество которых зависит от количества проводящих элементов (проводников) (один или несколько), которые подлежат герметизации; они собраны механически путем соединения верхнего соединительного элемента (1) с камерой повышенного давления (8) и с образованием, таким образом, двунаправленной барьерной - между объемами с разными давлениями - системы уплотнения, которая проявляет подвижность под действием силы давления в направлении приложения давления.

Если результирующее давление направлено снизу кверху, то нижняя манжета (6) приходит в движение соответственно и пропорционально силе давления по направлению к верхней манжете (4), и воспринимает силу давления непосредственно именно манжета, а не уплотнительный элемент из упругого полимера (5), который равномерно сжимается и крепче прижимает манжетный узел к проводникам. При таком решении сведен к минимуму риск повреждения проводников в результате приложения к ним избыточной силы уплотнения.

Если результирующее давление направлено сверху книзу, то имеет место противоположное действие, а именно верхняя манжета (4) приходит в движение соответственно и пропорционально силе давления по направлению к нижней манжете (6), что создает силу уплотнения, которая пропорциональна силе давления и является двунаправленной. Это делает предлагаемую систему уплотнения уникальной и предоставляет пользователю возможность использовать ее не только в нижней части оголовка скважины, но и в верхней части тоже, а также в прокладках изоляции зон и даже за пределами оголовка скважины, на поверхности скважины.

При использовании предлагаемой системы уплотнения пользователь не ограничен герметизацией трех проводников как единственной возможностью, а может сконструировать систему, обеспечивающую возможность герметизации от одного до девяти проводников.

В системах уплотнения, не являющихся системами подвижного действия, давление воспринимается уплотнительным элементом. Это давление стремится деформировать уплотнительный элемент, пока последний в конце концов не будет разрушен. Кроме того, уплотнительный элемент зафиксирован на одном месте (он не приходит в движение), в результате чего происходит концентрация давления на нем. В то время как в системе уплотнения подвижного действия согласно предлагаемому изобретению давление воспринимается манжетой, а не уплотнительным элементом, под действием давления манжета смещается и обеспечивает уплотнение тем большее, чем больше сила давления. Что же касается уплотнительного элемента, то он не воспринимает давление непосредственно, поэтому риск повреждения уплотнительного элемента из упругого полимера сведен к минимуму.

Компоненты предлагаемой системы уплотнения, контактирующие с проводниками, выполнены из диэлектрических и изолирующих материалов. Кроме того, уплотнительный элемент из упругого полимера содержит соединения, специально разработанные для данного применения. Это делает его стойким к любым агрессивным газам, таким как сероводород (H₂S), а также к воздействию растворов, высоких температур и давлений.

На фиг. 1 в аксонометрии и с разнесением деталей изображена система уплотнения согласно предлагаемому изобретению в варианте для одного проводника, в состав которой входят: верхний соединительный элемент (1), верхний элемент предварительного уплотнения (2), подвижный манжетный узел (3) однопроводниковой системы, содержащий верхнюю манжету (4), уплотнительный элемент из упругого полимера (5) и нижнюю манжету (6), нижний элемент предварительного уплотнения (7) и камера повышенного давления (8).

На фиг. 2 в аксонометрии и с разнесением деталей показана система уплотнения согласно предлагаемому изобретению в варианте для множественных проводников, в состав которой входят: верхний соединительный элемент (1), верхний элемент предварительного уплотнения (2), подвижный манжетный узел (3') многопроводниковой системы, содержащий верхнюю манжету (4'), уплотнительный элемент из упругого полимера (5) и нижнюю манжету (6'), нижний элемент предварительного уплотнения (7') и камера повышенного давления (8).

На фиг. 3 в аксонометрии показан верхний соединительный элемент (1) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 4 в аксонометрии показан верхний элемент предварительного уплотнения (2) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 5 в аксонометрии показан подвижный манжетный узел (3) предлагаемой системы уплотнения, содержащий верхнюю манжету (4), уплотнительный элемент из упругого полимера (5) и нижнюю манжету (6).

На фиг. 6 в аксонометрии показана верхняя манжета (4) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 7 в аксонометрии показан уплотнительный элемент из упругого полимера (5) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 8 в аксонометрии изображен нижний элемент предварительного уплотнения (7) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 9 в аксонометрии показана камера повышенного давления (8) предлагаемой системы уплотнения.

На фиг. 10 в аксонометрии изображен подвижный манжетный узел (3') предлагаемой системы уплотнения, содержащий верхнюю манжету (4'), уплотнительный элемент из упругого полимера (5) и нижнюю манжету (6').

Предлагаемая система уплотнения подвижного действия прошла как лабораторные, так и полевые испытания в условиях реальной эксплуатации, чтобы убедиться, что она выдерживает давление 34500 кПа.

Благодаря такому изобретательскому решению предлагаемая система уплотнения подвижного действия может быть использована за пределами оголовка скважины при ремонте известных систем без необходимости использовать бригады по ремонту нефтяных скважин или бригад обслуживания, благодаря чему обеспечена значительная экономия расходов пользователя.

Благодаря своей приспособляемости предлагаемая система уплотнения подвижного действия может быть использована взамен любой из известных систем такого рода (пенетраторов) без необходимости изменять конфигурацию оголовков скважин или подвесных устройств путем введения переходных устройств.

Наконец, благодаря такому изобретательскому решению предлагаемая система уплотнения подвижного действия может быть использована в нескольких отраслях промышленности, а именно, в нефтехимической промышленности, в горнорудной промышленности, в морском хозяйстве, на гидроэлектростанциях и в других отраслях, где требуется проведение и герметизация проводящих элементов через объемы с разными давлениями.

Предлагаемая система находит применение в энергетической отрасли, в частности, при добыче углеводородов, где она подвергается химическим и механическим воздействиям, где применяется повышенное давление и требуется сообщение или соединение элементов, например, в погружных электрических насосах, электрических нагревательных устройствах, электрических винтовых насосах, или при проведении любых других проводящих элементов между находящимися под давлением изолированными объемами и наружной частью скважины, то есть атмосферным давлением для создания герметичного уплотнения. Однако предлагаемая система может быть использована в любой отрасли промышленности, где может потребоваться проведение проводящих элементов через объемы с разными давлениями и нужно обеспечить герметичное уплотнение, а кроме того, она может быть использована в изоляционных прокладках производящих зон углеводородных скважин.

Изобретение относится к системе уплотнения подвижного действия, представляющей собой механизм, обеспечивающий возможность уплотнения проводящих элементов (электрических или другого типа) при проведении их из объема, находящегося под высоким давлением, в атмосферу, или же между объемами с разными давлениями, с использованием подвижных манжетных узлов (3), и собранный механически путем соединения верхнего соединительного элемента (1) с камерой повышенного давления (8). Уплотнение проводящих элементов осуществлено с помощью уплотнительных элементов из упругого полимера (5) с образованием двунаправленного уплотнения, действующего подвижным образом в соответствии с прилагаемой силой давления в направлении действия более высокого давления. Предлагаемая система уплотнения может найти применение в нефтяных и газовых скважинах для изоляции объемов с разными давлениями или объема с повышенным давлением и атмосферой. Техническим результатом является обеспечение постоянного давления уплотнения, соответствующего действующему на него внешнему давлению. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система уплотнения подвижного действия, включающая подвижный манжетный узел (3), содержащий верхнюю манжету (4), уплотнительный элемент из упругого полимера (5) и нижнюю манжету (6), расположенные внутри камеры повышенного давления (8) с верхним элементом предварительного уплотнения (2) и нижним элементом предварительного уплотнения (7), при этом уплотнение проводящих элементов выполнено с помощью одного или нескольких уплотнительных элементов из упругого полимера (5), которые собраны механически путем введения верхнего соединительного элемента (1) в камеру высокого давления (8) для создания двунаправленного уплотнения, выдерживающего давление и реагирующего на действующую силу давления смещением в направлении действия давления, при этом при действии давления в направлении снизу кверху обеспечена возможность смещения нижней манжеты (6) соответственно и пропорционально силе давления в сторону верхней манжеты (4), при этом сила давления непосредственно воспринимается верхней манжетой (4), а не уплотнительным элементом из упругого полимера (5), выполненным с возможностью равномерного сжатия и создания более сильного уплотнения для проводящих элементов, а при действии давления в направлении сверху книзу имеет место противоположное действие, а именно, обеспечена возможность смещения верхней манжеты (4) соответственно и пропорционально силе давления по направлению к нижней манжете (6) и создания силы уплотнения, которая пропорциональна силе давления и является двунаправленной.

2. Система уплотнения по п. 1, характеризующаяся тем, что она выполнена с возможностью уплотнения и удержания одного или более проводящих элементов при прохождении последних через два объема с разными давлениями с обеспечением тем самым подвижного уплотнения, пропорционального силе давления, действующей со стороны объема с более высоким давлением.

3. Система уплотнения по п. 1, характеризующаяся тем, что она выполнена двунаправленного действия с возможностью воспринимать давление любой из ее сторон.

4. Система уплотнения по п. 1, содержащая подвижный манжетный узел (3) с одним уплотнительным элементом из упругого полимера (5) или подвижный манжетный узел (3') с несколькими уплотнительными элементами из упругого полимера (5), количество которых зависит от количества проводящих элементов, подлежащих уплотнению.

5. Система уплотнения по п. 1, характеризующаяся тем, что она расположена под оголовком скважины, на оголовке скважины или вне оголовка скважины.

6. Система уплотнения по п. 1, характеризующаяся тем, что компоненты, находящиеся в контакте с проводящими элементами, выполнены из диэлектрических материалов, стойких к действию агрессивных газов и жидкостей, растворов, высоких температур и давлений.

7. Система уплотнения по п. 1, характеризующаяся тем, что в процессе эксплуатации она выдерживает давления до 34500 кПа и температуры до 220°С.