Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе Российский патент 2019 года по МПК E21B33/35 E21B33/43 

Изобретение относится к комбинированному уплотнителю, используемому для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской технической колонны труб при эксплуатации скважин на шельфе и выполненному с двухступенчатыми уплотнениями: первая ступень - уплотнения металл-металл, а вторая ступень - эластичные уплотнения.

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.

Известна колонная головка, содержащая цилиндрический корпус, крышку, патрубки, клиновую подвеску в виде разрезанной втулки, эластичные нижнюю и верхнюю манжеты и кольцевое металлическое уплотнение, RU №2146000 C1, Е21В 33/04, 27.02.2000.

Известны устройства герметизации межколонного пространства подводных скважин, включающие комбинированные уплотнения, US 2013/0000920 A1 Е21В 33/035, Е21В 33/00, Е21В 33/128, 03.01.2013.

Известна система уплотнений подводной бурильной установки, US 7073591 В2, E21B 33/043, 11.07.2006; US 6520263 В2, Е21В 33/035, 18.02.2003.

В известных устройствах признаков, тождественных заявляемому изобретению, не обнаружено.

Ближайший аналог для заявляемого изобретения - не найден.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи, позволяющей повысить надежность герметизации кондуктора и подвески технической колонны труб при эксплуатации скважины на шельфе и упростить проведение технологических операций.

Технический результат настоящего изобретения заключается в надежности герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и подвеской технической колонны труб за счет выполнения уплотнителя с двухступенчатыми уплотнениями: первая ступень - металл-металл, вторая - упругое эластомерное уплотнение, в конструктивных особенностей каждой ступени, в упрощении технологических операций по монтажу самого уплотнителя, а также при эксплуатации.

Согласно изобретению комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе обеспечивает герметизацию кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской технической колонны труб. Кондуктор и подвеска технической колонны труб имеют фиксирующие пазы, соответственно.

Уплотнитель выполнен с двухступенчатыми уплотнениями.

Уплотнитель имеет корпус и толкатель.

Корпус имеет Н-образный профиль в виде двух колец с поперечной перемычкой для соединения колец.

Корпус содержит три контактирующие поверхности.

Одна из контактирующих поверхностей - внутренняя поверхность.

Внутренняя поверхность контактирует с посадочной конусной поверхностью подвески технической колонны труб.

Внутренняя поверхность выполнена с одинаковым с посадочной конусной поверхностью углом наклона относительно оси скважины до 10 градусов.

Две другие контактирующие поверхности - наружные поверхности контактируют с кондуктором.

Причем контактная длина внутренней поверхности больше, чем суммарная контактная длина наружных поверхностей.

Внутренняя поверхность и наружные поверхности образуют первую ступень уплотнения металл-металл.

Кроме того, на корпусе выполнен упор с замковым пружинным кольцом.

Замковое пружинное кольцо установлено на толкателе для удержания корпуса от осевого смещения вниз.

А между корпусом и толкателем выполнен боковой зазор для обеспечения возможности смещения корпуса относительно толкателя в радиальном направлении.

Кроме того, толкатель неподвижно связан с корпусом срезным элементом.

И между толкателем и корпусом установлен наружный уплотнитель высокой упругости для герметизации поверхности кондуктора, а для герметизации подвески технической колонны труб установлен внутренний уплотнитель меньшей упругости.

Наружный уплотнитель высокой упругости и внутренний уплотнитель меньшей упругости образуют совместно вторую ступень уплотнения - упругие эластомерные уплотнения.

Наружный уплотнитель высокой упругости и внутренний уплотнитель меньшей упругости отличаются друг от друга геометрической формой выполнения.

Наружный уплотнитель высокой упругости и внутренний уплотнитель меньшей упругости отличаются друг от друга различными видами материала.

Кроме того, толкатель выполнен с фиксаторами в виде разрезных упругих колец с возможностью взаимодействия с фиксирующими пазами, соответственно.

Кроме того, толкатель выполнен с замком с возможностью управления фиксаторами.

При этом поперечная перемычка, соединяющая кольца корпуса, размещена между условной серединой внутренней поверхности и условной серединой расположения наружных поверхностей.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных 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 двумя ступенями уплотнений повышает надежность герметизации зазора между кондуктором и подвеской технической колонны труб.

Конструктивное выполнение корпуса с тремя контактирующими поверхностями, при котором внутренняя контактирующая поверхность имеет угол равный углу посадочной конусной поверхности подвески технических колонны труб и контактирует с ней на длине большей, чем длина контакта на поверхности кондуктора, обеспечивая равномерность давления в точках контакта, что увеличивает надежность герметичности.

Конструктивное выполнение корпуса Н-образного профиля в виде двух колец, соединенных поперечной перемычкой, размещенной между условной серединой внутренней контактной поверхностью и условной серединой расположения наружных поверхностей, обеспечивает равномерное распределение усилий между тремя точками при воздействии на любую из них.

Размещение корпуса на толкателе с боковым зазором позволяет при установке уплотнителя (в случае расширения корпуса от нагрузки, при заходе на конусную поверхность с небольшим углом атаки (до 10 градусов) подвески технической колонны труб) не воздействовать на толкатель, а радиальное усилие перенести на наружные контактные поверхности.

Связь корпуса и толкателя срезным элементом позволяет довести первую ступень уплотнений до места установки без случайной деформации упругих элементов второй его ступени, что увеличивает надежность установки уплотнителя.

Наличие на толкателе замкового пружинного кольца позволяет (в случае подъема уплотнения) проводить подъем корпуса на устье скважины, гарантируя при этом надежность этой операции.

Выполнение второй ступени уплотнений с различной упругостью, достигаемой использованием различных по упругости материалов или различной геометрической формы, позволяет наружным уплотнителем высокой упругости герметизировать поверхность кондуктора, а внутренний уплотнитель меньшей упругости использовать для герметизации поверхности подвески технической колонны труб, которая более надежно уплотняется первой ступенью уплотнений металл-металл, что повышает надежность уплотнителя.

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- Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе, установка уплотнителя, разрез;

на фиг. 2 - Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе, установка уплотнителя завершена, разрез;

на фиг. 3 - Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе, узел А на фиг. 1.

На фиг. 1-3 изображено:

Кондуктор - 1,

фиксирующий паз (в кондукторе 1) - 2.

Подвеска технической колонны труб - 3,

фиксирующий паз (на подвеске 3) - 4,

посадочная конусная поверхность (подвески 3) - 5,

угол наклона (поверхности 5) - 6.

Корпус Н-образного профиля в виде двух колец с поперечной перемычкой - 7,

одно кольцо (корпуса 7) - 8,

второе кольцо (корпуса 7) - 9,

поперечная перемычка (корпуса 7 для соединения колец 8 и 9) - 10

Внутренняя контактирующая поверхность (корпуса 7, сопряженная с поверхностью 5) - 11.

Наружная контактирующая поверхность (корпуса 7, сопряженная с кондуктором 1) - 12.

Наружная контактирующая поверхность (корпуса 7, сопряженная с кондуктором 1) - 13.

Упор (на корпусе 7) - 14,

Толкатель - 15,

замковое пружинное кольцо (на толкателе 15 для упора 14) - 16.

Боковой зазор (смещения корпуса 7 относительно толкателем 15 в радиальном направлении) - 17.

Срезной элемент (для неподвижной связи корпуса 7 и толкателя 15) - 18.

Наружный уплотнитель высокой упругости (между толкателем 15 и корпусом 7 для герметизации поверхности кондуктора 1) - 19.

Внутренний уплотнитель меньшей упругости (между толкателем 15 и корпусом 7для герметизации подвески технической колонны труб 3) - 20.

Фиксатор в виде разрезного упругого кольца (толкателя 15, взаимодействующий с пазом 2) - 21.

Фиксатор в виде разрезного упругого кольца (толкателя 15, взаимодействующий с пазом 4) - 22.

Замок (для управления фиксаторами 21 и 22) - 23.

Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе обеспечивает герметизацию кольцевых зазоров между кондуктором 1 и установленной в нем подвеской технической колонны труб 3. Кондуктор 1 и подвеска технической колонны труб 3 имеют фиксирующие пазы 2 и 4, соответственно.

Уплотнитель выполнен с двухступенчатыми уплотнениями.

Уплотнитель имеет корпус 7 и толкатель 15.

Корпус 7 имеет Н-образный профиль в виде двух колец 8, 9 с поперечной перемычкой 10 для соединения колец 8 и 9.

Корпус 7 содержит три контактирующие поверхности.

Одна из контактирующих поверхностей - внутренняя поверхность 11.

Внутренняя поверхность 11 контактирует с посадочной конусной поверхностью 5 подвески технической колонны труб 3.

Внутренняя поверхность 11 выполнена с одинаковым с посадочной конусной поверхностью 5 углом наклона 6 относительно оси скважины до 10 градусов.

Две другие контактирующие поверхности - наружные поверхности 12 и 13 контактируют с кондуктором 1.

Причем контактная длина внутренней поверхности 11 больше, чем суммарная контактная длина наружных поверхностей 12 и 13.

Внутренняя поверхность 11 и наружные поверхности 12 и 13 образуют первую ступень уплотнения металл-металл.

Кроме того, на корпусе 7 выполнен упор 14 с замковым пружинным кольцом 16.

Замковое пружинное кольцо 16 установлено на толкателе 15 для удержания корпуса 7 от осевого смещения вниз.

А между корпусом 7 и толкателем 15 выполнен боковой зазор 17 для обеспечения возможности смещения корпуса 7 относительно толкателя 15 в радиальном направлении.

Кроме того, толкатель 15 неподвижно связан с корпусом 7 срезным элементом 18.

И между толкателем 15 и корпусом 7 установлен наружный уплотнитель высокой упругости 19 для герметизации поверхности кондуктора 1, а для герметизации подвески технической колонны труб 3 установлен внутренний уплотнитель меньшей упругости 20.

Наружный уплотнитель высокой упругости 19 и внутренний уплотнитель меньшей упругости 20 образуют совместно вторую ступень уплотнения - упругие эластомерные уплотнения.

Наружный уплотнитель высокой упругости 19 и внутренний уплотнитель меньшей упругости 20 отличаются друг от друга геометрической формой выполнения или различными видами материала.

Кроме того, толкатель 15 выполнен с фиксаторами в виде разрезных упругих колец 21 и 22 с возможностью взаимодействия с фиксирующими пазами 2 и 4, соответственно.

Кроме того, толкатель 15 выполнен с замком 23 с возможностью управления фиксаторами 21 и 22.

При этом поперечная перемычка 10, соединяющая кольца 8 и 9 корпуса 7, размещена между условной серединой внутренней поверхности 11 и условной серединой расположения наружных поверхностей 12 и 13.

Установку комбинированного уплотнителя осуществляют следующим образом.

Уплотнитель спускают в скважину на специальном инструменте, который, после придания максимальной весовой нагрузки, отсоединяют и поднимают на платформу.

Как только внутренняя контактирующая поверхность 11 коснется посадочной конусной поверхности 5 на подвеске технической колонны труб 3 (фиг. 1), появится сила перпендикулярная оси скважины.

При дальнейшей осевой нагрузке инструмента через толкатель 15 нагрузку получит срезной элемент 18.

Контактирующая поверхность 11 с натяжением сядет на посадочную конусную поверхность 5, произойдет срез срезного элемента 18.

Толкатель 15 начнет деформировать наружный уплотнитель высокой упругости 19 и внутренний уплотнитель меньшей упругости 20.

Усилие при деформации наружного 19 и внутреннего 20 уплотнителей передается на корпус 7, произойдет упругая деформация его в радиальном направлении.

Корпус 7, выбирая боковой зазор 17, прижмет наружные контактирующие поверхности 12 и 13 к кондуктору 1.

В этот момент сработает замок 23, который задавит фиксаторы в виде разрезных упругих колец 21 и 22 в фиксирующие пазы 2 и 4 на кондукторе 1 и подвеске технической колонны труб 3, тем самым зафиксировав уплотнитель, связав кондуктор 1 и подвеску технической колонны труб 3 жесткой связью через толкатель 15.

Инструмент автоматически отсоединяется и поднимается на платформу.

Установка уплотнителя закончена.

Для снятия уплотнителя используют другой инструмент, который захватывает замок 23 и осевым движением вверх поднимает его.

Предложенный «Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе» 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 подвески технической колонны труб при эксплуатации скважины на шельфе и упростить проведение технологических операций.

Изобретение относится к средствам для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской технической колонны труб при эксплуатации скважин на шельфе. Техническим результатом является повышение надежности герметизации кондуктора и подвески технической колонны труб при эксплуатации скважины на шельфе и упрощение проведения технологических операций. Комбинированный уплотнитель выполнен с двухступенчатыми уплотнениями и имеет корпус 7 Н-образного профиля в виде двух колец 8, 9 с поперечной перемычкой 10 для их соединения и толкатель 15. Корпус 7 содержит три контактирующие поверхности: внутреннюю поверхность 11 и наружные поверхности 12 и 13, контактирующие с посадочной конусной поверхностью 5 подвески 3 с равным с ней углом наклона 6 относительно оси скважины до 10 градусов. Причем контактная длина поверхности 11 больше, чем суммарная контактная длина поверхностей 12 и 13. Поверхность 11 и поверхности 12 и 13 образуют первую ступень уплотнения металл-металл. Кроме того, на корпусе 7 выполнен упор 14 с замковым пружинным кольцом 16, установленным на толкателе 15 для удержания корпуса 7 от осевого смещения вниз. А между корпусом 7 и толкателем 15 выполнен боковой зазор 17 для обеспечения возможности смещения корпуса 7 относительно толкателя 15 в радиальном направлении. Кроме того, толкатель 15 неподвижно связан с корпусом 7 срезным элементом 18. Между толкателем 15 и корпусом 7 установлен наружный уплотнитель высокой упругости 19 для герметизации поверхности кондуктора 1, а для герметизации подвески 3 установлен внутренний уплотнитель меньшей упругости 20. Уплотнитель 19 и уплотнитель 20 образуют совместно вторую ступень уплотнения - упругие эластомерные уплотнения. Кроме того, толкатель 15 выполнен с фиксаторами в виде разрезных упругих колец 21 и 22 с возможностью взаимодействия с фиксирующими пазами 2 и 4 и замком 23. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе, обеспечивающий герметизацию кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской технической колонны труб, причем кондуктор и подвеска технической колонны труб имеют фиксирующие пазы, соответственно, характеризующийся тем, что уплотнитель выполнен с двухступенчатыми уплотнениями и имеет корпус и толкатель, причем корпус имеет Н-образный профиль в виде двух колец с поперечной перемычкой для соединения колец, содержит три контактирующие поверхности, из которых одна - внутренняя поверхность, контактирующая с посадочной конусной поверхностью подвески технической колонны труб, выполнена с одинаковым с ней углом наклона относительно оси скважины до 10 градусов, а две другие - наружные поверхности, контактирующие с кондуктором, причем контактная длина внутренней поверхности больше, чем суммарная контактная длина наружных поверхностей, образующие первую ступень уплотнения металл-металл, кроме того, на корпусе выполнен упор с замковым пружинным кольцом, установленным на толкателе, для удержания корпуса от осевого смещения вниз, а между корпусом и толкателем выполнен боковой зазор для обеспечения возможности смещения корпуса относительно толкателя в радиальном направлении, кроме того, толкатель неподвижно связан с корпусом срезным элементом и между толкателем и корпусом установлен наружный уплотнитель высокой упругости для герметизации поверхности кондуктора, а для герметизации подвески технической колонны труб установлен внутренний уплотнитель меньшей упругости, образующие совместно вторую ступень уплотнения - упругие эластомерные уплотнения, и, кроме того, толкатель выполнен с фиксаторами в виде разрезных упругих колец с возможностью взаимодействия с фиксирующими пазами, соответственно, и с замком с возможностью управления фиксаторами, при этом поперечная перемычка, соединяющая кольца корпуса, размещена между условной серединой внутренней поверхности и условной серединой расположения наружных поверхностей.

2. Комбинированный уплотнитель по п. 1, отличающийся тем, что наружный уплотнитель высокой упругости и внутренний уплотнитель меньшей упругости отличаются друг от друга геометрической формой выполнения.

3. Комбинированный уплотнитель по п. 1, отличающийся тем, что наружный уплотнитель высокой упругости и внутренний уплотнитель меньшей упругости отличаются друг от друга различными видами материала.