Механизм фиксации втулки защитной Российский патент 2019 года по МПК E21B33/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение в целом относится к механизмам фиксации втулок защитных для использования в нефтяных и газовых скважинах и, более конкретно, к механизмам фиксации, обеспечивающим фиксацию защитных втулок внутри колонны кондуктора и извлечение из колонны кондуктора системы подводных колонных головок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Защитная втулка представляет собой металлический корпус, устанавливаемый внутрь корпуса колонны кондуктора, и предназначена для защиты внутренней поверхности колонной головки кондуктора от воздействия бурильного инструмента во время операций бурения и обустройства скважины. Защитная втулка должна иметь механизм фиксации.

Из уровня техники известны различные механизмы для фиксации втулки защитной относительно колонны кондуктора.

Наиболее распространенными являются механизмы фиксации, в которых используются такие детали, как подпружиненные сухари со скосом, обеспечивающие вход втулки в зацепление с корпусом колонны кондуктора и обеспечивающие фиксацию защитной втулки относительно корпуса колонны кондуктора. При извлечении защитной втулки ее натягивают на сухарь, в результате чего сухарь срезается, остатки сухаря падают под действием силы тяжести на затрубное уплотнение и другие элементы системы подводных колонных головок. В частности, такой механизм фиксации известен из каталога компании Dril-Quip "SS-15 BigBore II-H Subsea Wellhead System", стр. 3.

Недостатком этого известного механизма фиксации защитной втулки является падение остатков срезных элементов на другие элементы системы подводных колонных головок.

Похожий механизм фиксации защитной втулки раскрыт в патенте US 7284616, опубл. 23.10.2007. В данном известном механизме использованы подпружиненные срезные штифты, имеющие прочность, достаточную для выдерживания стандартной нагрузки, но обеспечивающую разрушение срезных деталей при нагрузках, превышающих стандартные. Защитную втулку устанавливают на подвеску обсадной колонны и фиксируют посредством срезной шпильки. При извлечении защитной втулки срезная шпилька остается в углублении, выполненном специально для этого в защитной втулке.

В качестве ближайшего аналога выбран патент US 5360063, опубл. 01.11.1994, раскрывающий механизм фиксации защитной втулки, в котором использована цанга. Защитную втулку устанавливают на верхний конец подвески для защиты верхней части скважины при бурении скважины на большую глубину через обсадную колонну. Для фиксации защитной втулки используют цангу, которая присоединена к защитной втулке посредством удерживающего кольца. Цанга обеспечивает возможность фиксации защитной втулки относительно подвески обсадных труб. После пробуривания скважины на заданную глубину защитную втулку удаляют. Цанга представляет собой в целом цилиндрическое металлическое кольцо, нижняя внешняя часть цанги имеет конусность, угол конусности приблизительно равен 7 градусам относительно продольной оси подвески обсадной колонны. Нижняя часть цанги, имеющая конусность, соединена с верхней цилиндрической частью цанги. В зоне перехода от нижней части к цилиндрической части цанга содержит конический буртик, обращенный вверх и имеющий угол конусности, приблизительно равный ответному буртику, выполненному на подвеске и обращенному вниз, что составляет приблизительно 6,25 градусов относительно продольной оси подвески обсадной колонны. Подвеска в зоне вода в зацепление с цангой содержит профиль, включающий наклонное плечо и наклонную выемку, причем угол наклона плеча профиля составляет приблизительно 6,25 градусов относительно продольной оси подвески обсадной колонны или 37,5 градусов относительно горизонтали, а угол наклона выемки составляет 7 градусов относительно продольной оси подвески обсадной колонны.

Механизм фиксации втулки согласно US 5360063 работает следующим образом. После установки подвески обсадной колонны с уплотнением оператор опускает на подвеску обсадной колонны защитную втулку. Прямолинейное движение защитной втулки обеспечивает защелкивание цанги в профиль подвески. Затем оператор опускает колонну бурильной трубы и продолжит бурение скважины. После того, как эта часть бурения будет завершена, оператор опускает извлекающий инструмент для извлечения защитной втулки. При извлечении защитной втулки цанга выходит из профиля подвески.

Признаками, являющимися общими как у заявленного технического решения, так и у ближайшего аналога, являются следующие признаки: использование защитной втулки, которая устанавливается посредством цанги.

Недостатками источника US 5360063 является необходимость расчета усилия, требуемого для извлечения защитной втулки, поскольку оно напрямую связно с упругостью цанги и конфигурацией ее поверхности (углами, конусностью и т.д.). Силы упругости работают как при установке втулки, поскольку в этот момент происходит защелкивании цанги, так и при отсоединении цанги. Поэтому при отсоединении защитная втулка может остаться на инструменте для установки втулки.

Преимущества, достигаемые в предлагаемом техническом решении, следующие. В предлагаемом изобретении извлечение втулки защитной обеспечено за счет приложения нагрузки к срезному компоненту, представленному упорным кольцом с выступом, входящим в углубление, выполненное во втулке защитной, при этом цанга служит в качестве фиксатора втулки защитной, пока втулка установлена в колонне кондуктора, но при извлечении втулки защитной, приложения нагрузки к цанге не требуется. Достаточным является приложение нагрузки к срезному элементу, поскольку только он является индикатором усилия извлечения втулки защитной, следовательно, в извлечении втулки защитной участвуют только кинематические силы, а силы упругости не учувствуют. Расчетное усилие для извлечения втулки защитной всегда одинаковое и не зависит от характеристик цанги, таких как по меньшей мере упругость, конусность поверхностей лепестков, углы конусности поверхностей, с которыми цанга входит в зацепление. Кроме того, при извлечении втулки защитной цанга заводится в углубление в самой втулке, причем только за счет кинематических сил. Извлечение втулки защитной за счет срезания срезного элемента является более надежным, чем извлечение при работе сил упругости.

В то время, как в источнике US 5360063 цанга является индикатором усилия при извлечении втулки защитной, а это менее стабильное усилие, чем кинематика, и в случае упругого зацепления эффективность извлечения может страдать. Более того, поскольку усилие по извлечению защитной втулки напрямую связно с цангой, следует принимать во внимание не только упругостью цанги, но и конфигурацию ее поверхности, в частности, углы, конусностью и т.д. Также следует учитывать, что силы упругости работают не только при извлечении цанги, но и при установке цанги, когда происходит защелкивание цанги относительно подвески обсадных труб. Несмотря на то, что можно провести расчет необходимых для извлечения цанги усилий, их может оказаться недостаточно, так как в ходе установки цанга может разместиться не идеальным образом, а с некоторыми отклонениями от расчетных параметров.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно заявленному техническому решению предлагается механизм для фиксации втулки защитной внутри колонны кондуктора с возможностью ее извлечения, содержащий: цилиндрическую цангу, включающую лепестки и посадочную часть и установленную на внешней стороне втулки защитной с возможностью ограничения перемещения цанги вдоль продольной оси втулки защитной; упорное срезное кольцо, установленное со стороны лепестков цанги между внутренней поверхностью лепестков цанги и наружной поверхностью втулки защитной, причем упорное срезное кольцо имеет выступ, направленный радиально внутрь и входящий в первое углубление на внешней стороне втулки защитной; опорное кольцо, установленное со стороны торца цанги и входящее во второе углубление на внешней стороне втулки защитной; цанга выполнена с возможностью зацепления своими лепестками с колонной кондуктора, а также с возможностью входа своими лепестками в третье углубление во втулке защитной при ее перемещении в случае приложения нагрузки к втулке защитной для ее извлечения.

Лепестки цанги могут иметь концы, имеющие на своей внешней поверхности конусность, угол которой составляет 30 градусов.

В посадочной части цанги между посадочной частью цанги и колонной кондуктора могут быть расположены кольцевые эластомерные уплотнения.

Третье углубление во втулке защитной может быть выполнено ответной формы по отношению к конусности внешней поверхности концов лепестков цанги и образовано выступом, имеющим угол наклона относительно продольной оси втулки, соответствующий углу конусности концов лепестков цанги, что обеспечивает заведение концов лепестков цанги в третье углубление во втулке при ее перемещении.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении надежности фиксации, а также надежности и упрощения извлечения втулки защитной. Технический результат достигается за счет сочетания цанги со срезным элементом и их взаимного расположения, при котором остатки срезного элемента после его срезания при извлечении втулки защитной остаются в углублении втулки. Более конкретно, в предлагаемом изобретении применение цанги в сочетании со срезным элементом является эффективным, во-первых, за счет выбора места расположения срезного элемента относительно цанги, а именно, со стороны лепестков цанги между внутренней поверхностью лепестков цанги и наружной поверхностью втулки защитной. Дополнительный эффект может быть достигнут при обеспечении максимального прилегания упорного срезного кольца к посадочной части цанги.

Таким образом, предложено элегантное техническое решение, обладающее преимуществами перед аналогами, известными из уровня техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания настоящего технического решения и всех возможных вариантов его осуществления приведена ссылка на последующее описание, которое должно использоваться вместе с прилагаемыми чертежами, где:

на Фиг. 1 представлен вид колонны кондуктора с установленной в ней защитной втулкой и механизмом фиксации втулки защитной, обозначенным позицией А;

на Фиг. 2 представлен увеличенный вид А, на котором изображен механизм фиксации втулки защитной в зафиксированном положении;

на Фиг. 3 представлен механизм фиксации втулки защитной в начале извлечения втулки защитной из колонны кондуктора.

на Фиг. 4 представлен механизм фиксации втулки защитной в расфиксированном положении.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Втулка 1 защитная представляет собой в целом цилиндрический металлический корпус, устанавливаемый внутрь колонны 2 кондуктора и предназначена для защиты внутренней поверхности колонной головки кондуктора от воздействия бурильного инструмента во время операций бурения и обустройства скважины. Вид колонны 2 кондуктора с установленной в ней втулкой 1 защитной представлен на Фиг. 1. Втулка 1 защитная должна быть снабжена механизмом фиксации, обеспечивающим ее фиксацию относительно колонны 2 кондуктора.

Предлагаемый механизм фиксации втулки 1 защитной проиллюстрирован на Фиг. 2 в зафиксированном положении. Механизм фиксации втулки 1 защитной предназначен для фиксации втулки 1 защитной внутри колонны 2 кондуктора с возможностью ее извлечения. Механизм фиксации содержит цилиндрическую цангу 3. Цанга 3 представляет собой в целом цилиндрическую деталь с продольными пазами, образующими лепестки 4 цанги 3, деформируемыми с отклонением концов цанги в радиальном направлении к продольной оси цанги 3. Таким образом, цанга включает лепестки 4 и посадочную часть 5 и установленную на внешней стороне втулки 1 защитной с возможностью ограничения перемещения цанги 3 вдоль продольной оси втулки 1 защитной.

Перемещение цанги 3 вдоль продольной оси втулки 1 защитной ограничено, в одном направлении - упорным срезным кольцом 6, установленным со стороны лепестков 4 цанги, а в другом направлении -опорным кольцом 7, установленным с торца цанги 3. Упорное срезное кольцо 6 вплотную прилегает к посадочной части 5 цанги 3 со стороны лепестков 4 цанги 3 между внутренней поверхностью лепестков 4 цанги 3 и наружной поверхностью втулки 1, а опорное кольцо 7 прилегает к посадочной части 5 цанги 3 со стороны торца цанги 3. Упорное срезное кольцо 6 имеет выступ 8, направленный радиально внутрь и входящий в первое углубление 9 на внешней стороне втулки 1. Предпочтительно, обеспечено максимальное прилегание упорного срезного кольца 6 к посадочной части 5 цанги 3. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что зазоры между посадочной частью 5 цанги 3 и упорным срезным кольцом 6 могут существовать и быть рассчитаны с учетом обеспечения срезания выступа 8 упорного срезного кольца 6, при перемещении цанги 3 вдоль продольной оси втулки 1 в случае извлечения втулки 1.

Опорное кольцо 7 входит во второе углубление 10 на внешней стороне втулки 1. Кроме того, на втулке 1 имеется третье углубление 11, в которое заходят лепестки 4 цанги 3 при извлечении втулки 2. В зафиксированном положении, как изображено на Фиг. 1, лепестки 4 цанги 3 входят в углубление 12 во внутренней поверхности колонны кондуктора 2. Кроме того, в посадочной части 5 цанги 3 расположены кольцевые эластомерные уплотнения, причем первое эластомерное уплотнение 13 расположено между посадочной частью 5 цанги 3 и колонной 2 кондуктора служит для уплотнения этой зоны, а второе эластомерное уплотнение 14 служит для уплотнения зоны между посадочной частью 5 цанги 3 и втулкой 1 защитной.

Концы 15 лепестков 4 цанги 3 имеют на своей внешней поверхности конусность, угол которой составляет приблизительно 30 градусов. Третье углубление 11 во втулке 1 выполнено ответной формы по отношению к конусности внешней поверхности концов 15 лепестков 4 и образовано выступом 16, имеющим угол наклона относительно продольной оси втулки, соответствующий углу конусности концов 15 лепестков 4 цанги 3, что обеспечивает заведение концов 15 лепестков 4 в третье углубление 11 во втулке 1 при ее перемещении.

Механизм фиксации втулки 1 защитной функционирует следующим образом. На Фиг. 3 изображено положение втулки 2 защитной и цанги 3 при извлечении втулки 1 из колонны 2 кондуктора, то есть в начале извлечения втулки 1 защитной из колонны 2 кондуктора. Для извлечения втулки 1 к ней прикладывают усилие в направлении, указанном стрелкой на Фиг. 3, более конкретно, в направлении от забоя скважины к устью скважины. Поскольку перемещение цанги 3 относительно втулки 2 ограничено, в одном направлении - упорным срезным кольцом 6, а в другом направлении - опорным кольцом 7, усилие, прикладываемое к втулке 2 для извлечения, должно быть рассчитано с учетом обеспечения среза выступа 8 упорного срезного кольца 6 за счет перемещения втулки 1. В начале перемещения втулки 1 цанга 3 находится в том же положении, что и на Фиг. 2, более конкретно, в положении, в котором лепестки 4 цанги 3 заведены в углубление 13 в колонне 2 кондуктора. Как только началось перемещение втулки 1, цанга 3 все еще продолжает оставаться в этом же положении.

Следовательно, втулка 1 перемещается относительно цанги 3, но, поскольку цанга зафиксирована, посадочная часть 5 цанги 3 оказывает усилие на упорное срезное кольцо 6, но выступ 8 упорного срезного кольца 6 остается в первом углублении 9 и затем срезается под действием нагрузки, прилагаемой к втулке 1 для ее извлечения. При этом цанга 3 продолжает оставаться в этом же положении во время перемещения втулки 1 до соприкосновения выступа 16 на втулке 1 с внешней конусной поверхностью концов 15 лепестков 4 цанги 3. При указанном соприкосновении через выступ 16 усилие для извлечения втулки 1 передается на внешнюю конусную поверхность концов 15 лепестков 4 цанги 3 и при дальнейшем перемещении втулки 1 лепестки 4 деформируются с отклонением в радиальном направлении к продольной оси цанги 3 и входят в третье углубление 11.

На Фиг. 4 проиллюстрировано положение механизма фиксации втулки 1 в расфиксированном положении, в котором концы 15 лепестков 4 цанги 3 полностью заведены в третье углубление 11. Таким образом, втулку 1 извлекают вместе с цангой 3, упорным срезным кольцом 6, выступом 8 упорного срезного кольца 6, а также опорным кольцом 7.

Более конкретно, в начале перемещения втулки 1, как показано стрелкой на Фиг. 2, цанга 3 остается в том же положении, что и на Фиг. 1, то есть в положении, в котором лепестки 4 цанги 3 заведены в углубление 13 в колонне 2 кондуктора, вместе с тем, срез выступа 8 упорного срезного кольца уже состоялся.

В контексте настоящего описания слова «первый», «второй», «третий» и т.д. используются в виде прилагательных исключительно для того, чтобы отличать существительные, к которым они относятся, друг от друга, а не для целей описания какой-либо конкретной связи между этими существительными. Так, например, следует иметь в виду, что использование терминов «первое углубление» и «третье углубление» не подразумевает какого-либо порядка, отнесения к определенному типу, равно как и их само по себе наличие не предполагает, что некое «второе углубление» обязательно должно существовать в той или иной ситуации.

Изложенный в тексте заявки вариант осуществления предлагаемого технического решения не является единственно возможным, в рамках формулы изобретения могут существовать и другие варианты осуществления предлагаемого технического решения, очевидные специалисту в данной области техники. Настоящее описание следует рассматривать только как обеспечение понимания предлагаемого технического решения, а не определение объема и границ предлагаемого технического решения.

Целью этого является также исключительно помощь в понимании, а не определение объема и границ настоящего технического решения. Эти модификации не представляют собой исчерпывающий список, и специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны и другие модификации. Кроме того, это не должно интерпретироваться так, что там, где не были изложены примеры модификаций, никакие модификации невозможны, и/или что то, что описано, является единственным вариантом осуществления этого элемента настоящего технического решения.

Изобретение относится к механизмам фиксации, обеспечивающим фиксацию защитных втулок внутри колонны кондуктора и извлечение из колонны кондуктора системы подводных колонных головок. Механизм фиксации втулки защитной для фиксации втулки защитной внутри колонны кондуктора с возможностью ее извлечения, содержащий: цилиндрическую цангу, включающую лепестки и посадочную часть и установленную на внешней стороне втулки защитной с возможностью ограничения перемещения цанги вдоль продольной оси втулки защитной; опорное кольцо, установленное со стороны торца цанги и входящее во второе углубление на внешней стороне втулки защитной; цанга выполнена с возможностью зацепления своими лепестками с колонной кондуктора, а также с возможностью входа своими лепестками в третье углубление во втулке защитной при ее перемещении в случае приложения нагрузки к втулке защитной для ее извлечения. Техническим результатом является повышение надежности фиксации при надежности и упрощения извлечения втулки защитной. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Механизм фиксации втулки защитной для фиксации втулки защитной внутри колонны кондуктора с возможностью ее извлечения, содержащий: цилиндрическую цангу, включающую лепестки и посадочную часть и установленную на внешней стороне втулки защитной с возможностью ограничения перемещения цанги вдоль продольной оси втулки защитной; упорное срезное кольцо, установленное со стороны лепестков цанги между внутренней поверхностью лепестков цанги и наружной поверхностью втулки защитной, причем упорное срезное кольцо имеет выступ, направленный радиально внутрь и входящий в первое углубление на внешней стороне втулки защитной; опорное кольцо, установленное со стороны торца цанги и входящее во второе углубление на внешней стороне втулки защитной; цанга выполнена с возможностью зацепления своими лепестками с колонной кондуктора, а также с возможностью входа своими лепестками в третье углубление во втулке защитной при ее перемещении в случае приложения нагрузки к втулке защитной для ее извлечения.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что лепестки цанги имеют концы, имеющие на своей внешней поверхности конусность, угол которой составляет 30 градусов.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что в посадочной части цанги между посадочной частью цанги и колонной кондуктора расположены кольцевые эластомерные уплотнения.

4. Механизм по п. 2, отличающийся тем, что третье углубление во втулке защитной выполнено ответной формы по отношению к конусности внешней поверхности концов лепестков цанги и образовано выступом, имеющим угол наклона относительно продольной оси втулки, соответствующий углу конусности концов лепестков цанги.