Скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб Российский патент 2019 года по МПК E21B33/04 

Изобретение относится к уплотняющему скважинному устройству, используемому для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем технической колонной труб при работе на шельфе и содержащему уплотнения разной формы, вида и материала усиленного действия.

Известно устройство герметизации межколонного пространства на устье скважины, содержащее цилиндрический корпус, центратор внутренней обсадной колонны в виде цилиндрической втулки со сквозными осевыми каналами, узел герметизации, RU №2560452 С1, Е21В 33/04, 20.08.2015.

Известно использование в устьевом оборудовании скважин упругих уплотнителей, содержащих резиновые манжеты различной формы и размеров, RU№2435931 C1, Е21В 33/04, 10.12.2011; RU №2162929 С2, Е21В 33/04, 10.02.2001.

Известна подвеска насосно-компрессорных труб устьевой арматуры с уплотнением металл-металл, установленная в корпусе трубной головки, состоящая из корпуса, уплотнений, имеющая уплотнения затрубного пространства в виде опорного, стопорного колец и металлической манжеты с конической внутренней и цилиндрической наружной поверхностями, RU №2171358 С2, Е21В 33/04, 27.07.2001.

Известно устройство для герметизации межколонного пространства устья нефтегазодобывающей скважины между кондуктором и эксплуатационной колонной, RU №2249093 C1, Е21В 33/04, 27.03.2005.

В известных устройствах герметизации межколонного пространства скважин признаков тождественных заявляемому изобретению не обнаружено.

Известен комбинированный уплотнитель, содержащий корпус, толкатель (устройство передачи усилия), уплотнения металлические и полимерные, опорное кольцо, US 2013/0000920 A1 Е21В 33/035, Е21В 33/00, Е21В 33/128, 03.01.2013.

Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.

Уплотнитель ближайшего аналога содержит шевронные уплотнения из разного металла, которые устанавливаются силовым давлением сверху, расплющиваются, герметизируя трубы.

Кроме того, уплотнитель ближайшего аналога, в случае необходимости его подъема, невозможно снять для замены.

Кроме того, опорное кольцо ближайшего аналога выполняет только функцию опорную.

Иные конструктивные особенности для надежности герметизации при его эксплуатации в ближайшем аналоге не предусмотрены.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи, позволяющей повысить надежность герметизации кондуктора и технической трубы, обеспечить усиленный режим эксплуатации уплотнений комбинированного уплотнителя и упростить технологические операции.

Технический результат настоящего изобретения заключается в надежности герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и технической трубой за счет выполнения уплотнителя с трехступенчатыми уплотнениями и конструктивных особенностей каждой ступени, в обеспечении уплотнениям усиленного действия за счет конструкции толкателя и упорно-опорного уплотняющего кольца и в упрощении монтажных операций при установке и подъеме уплотнителя за счет конструктивного выполнения упорно-опорного уплотняющего кольца.

Согласно изобретению скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб содержит корпус, толкатель (устройство передачи усилия), уплотнения металлические и полимерные, опорное кольцо.

Уплотнения имеют три ступени.

Каждая ступень уплотнений отличается по форме, размерам и материалу.

Первая ступень содержит мембраны из металла твердых сплавов. Мембраны расположены на толкателе.

Толкатель выполнен с коническими поверхностями для взаимодействия с корпусом.

На корпусе закреплено срезное кольцо. Корпус расположен в верхнем пазу толкателя.

Мембраны обеспечивают взаимодействие толкателя с кондуктором и технической трубой.

Мембраны герметизируют кондуктор и техническую трубу.

Вторая ступень выполнена из двухрядных шевронных уплотнений из полимерных материалов.

Двухрядные шевронные уплотнения закреплены на толкателе.

Двухрядные шевронные уплотнения имеют возможность взаимодействия с кондуктором и технической трубой.

Третья ступень содержит упорно-опорное уплотняющее кольцо.

Упорно-опорное уплотняющее кольцо выполнено из металла мягких сплавов.

Упорно-опорное уплотняющее кольцо установлено в нижнем пазу толкателя и фиксировано осью.

Ось закреплена на упорно-опорном уплотняющем кольце.

Третья ступень имеет возможность выполнения трех функций, а именно упорной, опорной и уплотняющей.

Упорная функция обеспечивает упор уплотнителя при смещении корпуса относительно толкателя с мембранами.

Опорная функция обеспечивает опору толкателя с шевронными уплотнениями.

Уплотняющая функция обеспечивает герметизацию кондуктора и технической трубы.

Кроме того, упорно-опорное уплотняющее кольцо на внутренней кромке имеет фаску с не самотормозящим углом не меньше 23 градусов.

Наружная кромка упорно-опорного уплотняющего кольца выполнена цилиндрической формы.

Кроме того, в торцевой части упорно-опорного уплотняющего кольца выполнена канавка.

У канавки одна стенка - цилиндрическая.

Другая стенка канавки - коническая с самотормозящим углом не больше 5 градусов, обеспечивающим возможности герметизации кондуктора и технической трубы.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичную настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

За счет реализации отличительных признаков изобретения (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы) достигаются важные новые свойства объекта.

Выполнение уплотнителя с тремя ступенями уплотнений: мембраны - первая ступень, шевронные уплотнения - вторая ступень, упорно-опорное уплотняющее кольцо - третья ступень, повышает надежность герметизации зазора между кондуктором и технической трубой.

Конструктивное выполнение толкателя, расположение шевронных уплотнений на толкателе и наличие у упорно-опорного уплотняющего кольца трех функций обеспечивает усиленный режим эксплуатации уплотнений комбинированного уплотнителя.

Выполнение упорно-опорного уплотняющего кольца с не самотормозящим и самотормозящим углами упрощает монтажные операции при установке и подъеме уплотнителя и повышает надежность эксплуатации.

Заявителю не известны какие-либо публикации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. В связи с этим, по мнению заявителя, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:

на фиг. 1 - Скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия, разрез;

на фиг. 2 - Узел А на фиг. 1;

на фиг. 3 - Узел Б на фиг. 1;

на фиг. 4 - Узел В на фиг. 1.

на фиг. 5 - Упорно-опорное уплотняющее кольцо, разрез по оси симметрии.

Технические трубы - 1,

Кондуктор - 2,

Корпус - 3,

срезное кольцо (на корпусе 3) - 4.

Фиксатор (в корпусе 3 для взаимодействия с трубами 1) - 5.

Фиксатор (в корпусе 3 для взаимодействия с кондуктором 2) - 6.

Толкатель - 7.

Верхний паз (в толкателе 7 для установки корпуса 3) - 8.

Коническая поверхность (верхняя для взаимодействия толкателя 7 с корпусом 3) - 9,

коническая поверхность (нижняя для взаимодействия толкателя 7 с корпусом 3) - 10.

Мембрана (для взаимодействия толкателя 7 с трубами 1) - 11,

мембрана (для взаимодействия толкателя 7 с кондуктором 2) - 12.

Нижний паз (в толкателе 7) - 13.

Коническая поверхность (толкателя 7) - 14.

Шевронные уплотнения двухрядные (установлены на толкателе 7 для взаимодействия с упорно-опорным уплотняющим кольцом 16, трубами 1 и кондуктором 2) - 15.

Упорно-опорное уплотняющее кольцо из металла мягких сплавов (установлено в пазу 13) - 16.

Ось (закреплена на кольце 16 для фиксирования толкателя 7) - 17.

Фаска (на внутренней кромке кольца 16) - 18,

не самотормозящий угол не меньше 23 градусов (фаски 18) - 19.

Цилиндрическая поверхность (на наружной кромке кольца 16) - 20.

Канавка (в торцевой части кольца 16) - 21,

стенка цилиндрическая (канавки 21)- 22,

стенка коническая (канавки 21) - 23,

самотормозящий угол не больше 5 градусов (конической стенки 23) - 24.

Скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб содержит корпус 3, толкатель (устройство передачи усилия) 7, уплотнения металлические 11, 12, 16 и полимерные 15, опорное кольцо.

Уплотнения 11 и 12, 15, 16 имеют три ступени.

Каждая ступень уплотнений 11 и 12, 15, 16 отличается по форме, размерам и материалу.

Первая ступень содержит мембраны 11, 12 из металла твердых сплавов. Мембраны 11, 12 расположены на толкателе 7.

Толкатель 7 выполнен с коническими поверхностями 9, 10 для взаимодействия с корпусом 3.

На корпусе 3 закреплено срезное кольцо 4.

Корпус 3 расположен в верхнем пазу 8 толкателя 7.

Мембраны 11,12 обеспечивают взаимодействие толкателя 7 с кондуктором 2 и технической трубой. 1.

Мембраны 11,12 герметизируют кондуктор 2 и техническую трубу 1.

Вторая ступень выполнена из двухрядных шевронных уплотнений 15 из полимерных материалов.

Двухрядные шевронные уплотнения 15 закреплены на толкателе 7.

Двухрядные шевронные уплотнения 15 имеют возможность взаимодействия с кондуктором 2 и технической трубой 1.

Третья ступень содержит упорно-опорное уплотняющее кольцо 16.

Упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 выполнено из металла мягких сплавов.

Упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 установлено в нижнем пазу 13 толкателя 7 и фиксировано осью 17.

Ось 17 закреплена на упорно-опорном уплотняющем кольце 16.

Третья ступень имеет возможность выполнения трех функций, а именно упорной, опорной и уплотняющей.

Упорная функция обеспечивает упор уплотнителя при смещении корпуса 3 относительно толкателя 7 с мембранами 11, 12.

Опорная функция обеспечивает опору толкателя 7 с шевронными уплотнениями 15.

Уплотняющая функция обеспечивает герметизацию кондуктора 2 и технической трубы 1.

При этом упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 на внутренней кромке имеет фаску 18 с не самотормозящим углом 19 не меньше 23 градусов.

Наружная кромка упорно-опорного уплотняющего кольца 16 выполнена цилиндрической формы 20.

В торцевой части упорно-опорного уплотняющего кольца 16 выполнена канавка 21.

У канавки 21 одна стенка - цилиндрическая 22.

Другая стенка канавки 21 - коническая 23 с самотормозящим углом 24 не больше 5 градусов, обеспечивающим возможности герметизации кондуктора 2 и технической трубы 1.

Установку скважинного комбинированного уплотнителя осуществляют следующим образом. Уплотнитель спускают в скважину на инструменте, удерживая его за корпус 3.

На фиг.1 показан уплотнитель, когда его упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 касается кондуктора 2.

При последующем спуске инструмента в скважину корпус 3 через срезное кольцо 4 на толкателе 7 прижимает его к упорно-опорному уплотняющему кольцу 16 конической поверхностью 14, при этом деформирует и прижимает упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 к технической трубе 1, увеличивая давление на кондуктор 2.

Когда усилие нажима превысит усилие среза срезного кольца 4, корпус 3 начнет перемещаться вниз относительно толкателя 7 и взаимодействовать с конической поверхностью 10, создавая осевую нагрузку вниз и перпендикулярную нагрузку на кондукторе 2, прижимая мембрану 12 к кондуктору 2.

Дальнейшее движение корпуса 3 вниз позволяет начать взаимодействие с конической поверхностью 10 на толкателе 7, передавая усилие нажима перпендикулярно технической трубе 1 на мембрану 11.

Окончанием перемещения корпуса 3 вниз станет выпадение фиксаторов 5 и 6 в канавки на технической трубе 1 и кондукторе 2.

Уплотнитель установлен.

Движением вверх инструмент отсоединяется от уплотнителя и поднимается на устье.

В процессе работы, когда давление флюида сверху сумеет преодолеть уплотнительный пояс из мембран 11 и 12, заработают шевронные уплотнения 15, которые не только уплотнят зазоры между технической трубой 1 и кондуктором 2, но и, перемещаясь вниз на упорно-опорное уплотняющее кольцо 16, будут сильнее прижимать его к стенкам технической трубы 1 и кондуктора 2.

Заявляемый скважинный комбинированный уплотнитель, включающий три ступени уплотнений: мембраны из металла твердых сплавов, шевронные уплотнения из полимерных материалов и упорно-опорное уплотняющее кольцо из металла мягких сплавов с конструктивной проработкой его геометрических форм, является надежным герметизирующим устройством усиленного действия.

Предложенный «Скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб» может быть изготовлен промышленным способом, что подтверждают проектно-конструкторские и технологические проработки основных прочностных характеристик в конструктивных узлах, а испытания опытных образцов, изучение и обоснование эксплуатационных режимов предложенного технического решения обусловливает, по мнению заявителя, соответствие его критерию «промышленная применимость».

Предложенное техническое решение позволяет повысить надежность герметизации кондуктора и технических труб, обеспечить усиленный режим эксплуатации уплотнений комбинированного уплотнителя, упростить технологические операции.

Скважинный комбинированный уплотнитель относится к уплотняющему скважинному устройству, используемому для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем технической колонной труб при работе на шельфе. Уплотнитель усиленного действия содержит корпус 3, толкатель 7, трехступенчатое уплотнение 11, 12, 15, 16, включающие первую ступень - мембраны 11, 12 из металла твердых сплавов, вторую ступень - двухрядные шевронные уплотнения 15 из полимерных материалов, третью ступень - упорно-опорное уплотняющее кольцо 16 из металла мягких сплавов. Мембраны 11, 12 расположены на толкателе 7, обеспечивают его взаимодействие с кондуктором 2 и технической трубой 1. Уплотнения 15 закреплены на толкателе 7, обеспечивают его взаимодействие с кондуктором 2 и трубой 1. Кольцо 16 установлено в нижнем пазу 13 толкателя 7, фиксировано осью 17 и имеет возможность выполнения трех функций. Упорная функция обеспечивает упор уплотнителя при смещении корпуса 3 относительно толкателя 7 с мембранами 11, 12. Опорная функция обеспечивает опору толкателя 7 с уплотнениями 15. Уплотняющая функция обеспечивает герметизацию кондуктора 2 и трубы 1. Кольцо 16 на внутренней кромке имеет фаску 18 с не самотормозящим углом 19 не меньше 23 градусов, а в торцевой части кольца 16 выполнена канавка 21 с конической стенкой 23 с самотормозящим углом 24 не больше 5 градусов, обеспечивающим возможности герметизации кондуктора 2 и трубы 1. Техническое решение позволяет повысить надежность герметизации кондуктора и технической трубы, обеспечить усиленный режим эксплуатации уплотнений комбинированного уплотнителя и упростить технологические операции. 5 ил.

Скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб, содержащий корпус, толкатель (устройство передачи усилия), уплотнения металлические и полимерные, опорное кольцо, отличающийся тем, что уплотнения имеют три ступени, каждая ступень которых отличается по форме, размерам и материалу, так первая ступень содержит мембраны из металла твердых сплавов, которые расположены на толкателе, выполненном с коническими поверхностями для взаимодействия с корпусом, с закрепленным на нем срезным кольцом, расположенным в верхнем пазу толкателя, и обеспечивают взаимодействие толкателя с кондуктором и технической трубой, герметизируя их, вторая ступень выполнена из двухрядных шевронных уплотнений из полимерных материалов, которые закреплены на толкателе и имеют возможность взаимодействия с кондуктором и технической трубой, а третья ступень содержит упорно-опорное уплотняющее кольцо, выполненное из металла мягких сплавов, которое установлено в нижнем пазу толкателя и фиксировано осью, закрепленной на упорно-опорном уплотняющем кольце, причем третья ступень имеет возможность выполнения трех функций, а именно упорной, опорной и уплотняющей, при этом упорная функция обеспечивает упор уплотнителя при смещении корпуса относительно толкателя с мембранами, опорная функция обеспечивает опору толкателя с шевронными уплотнениями, уплотняющая функция обеспечивает герметизацию кондуктора и технической трубы, кроме того, упорно-опорное уплотняющее кольцо на внутренней кромке имеет фаску с несамотормозящим углом не меньше 23 градусов, а наружная кромка его выполнена цилиндрической формы, кроме того, в торцевой части упорно-опорного уплотняющего кольца выполнена канавка, у которой одна стенка - цилиндрическая, а другая - коническая с самотормозящим углом не больше 5 градусов, обеспечивающим возможности герметизации кондуктора и технической трубы.