Узел уплотнения Российский патент 2022 года по МПК E21B33/35 E21B33/43 

Область техники

Изобретение относится к устройству, используемому при эксплуатации морских и наземных скважин, и может быть использовано для герметизации межколонного кольцевого пространства, либо для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской колонны труб.

Предшествующий уровень техники

Из существующего уровня техники известен комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе (патент РФ №2709585, опубл. 18.12.2019), обеспечивающий герметизацию кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской технической колонны труб, 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, а две другие - наружные поверхности, контактирующие с кондуктором, образующие первую ступень уплотнения металл-металл, 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.

Недостатком данного технического решения является Н-образный профиль корпуса, что при упоре в ступень обсадной колонны может приводить к деформации Н-образного корпуса и, как следствие этого, к ухудшению работы уплотнения первой ступени уплотнения металл-металл, к возможным поломкам устройства.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является Неметаллический уплотнительный элемент (патент РФ №2712865, опубл. 31.01.2020).

Неметаллический уплотнительный элемент для герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора, содержащий нижний упор с внутренней кольцевой канавкой, корпус, верхний упор, первый и второй промежуточные упорные элементы; первое и второе неметаллические уплотнения; при этом верхний упор выполнен с возможностью линейного перемещения при разрушении срезных элементов на величину, ограниченную направляющими штифтами.

Недостатком данного технического решения является то, что так как корпус имеет участок, содержащий внутреннюю выточку, и представляет собой цангу, причем участка присутствуют продольные вырезы, разбивающие итак ослабленные внутренней выточкой внутреннюю и наружную стороны цанги на отдельные элементы, при деактивированных неметаллических уплотнениях внутренняя и наружная стороны цанги несколько сжаты и не находятся в зубчатом зацеплении с упорным элементом и при воздействии нагрузка, направленная вдоль оси корпуса, на торец цанги имеется повышенная вероятность разрушения корпуса, что особенно вероятно при приложении динамической нагрузки, направленной вдоль оси корпуса.

Сущность изобретения

Проблемой, решаемой настоящим изобретением, является проблема создания узла уплотнения обеспечивающего надежную герметизацию кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора в условиях повышенных осевых нагрузок при эксплуатации, возникающих, в том числе, вследствие термического расширения обсадных труб в скважине, и при этом, обладающего повышенной надежностью при приложении динамической нагрузки, направленной вдоль его оси.

Техническими результатами являются создание узла уплотнения, обеспечивающего надежную герметизацию кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора, и при этом, обладающего повышенной надежностью при приложении динамической нагрузки, направленной вдоль оси обсадных труб, упрощение конструкции узла уплотнения.

Технические результаты достигаются тем, что в составе узла уплотнения имеется наружное и внутреннее уплотнения, взаимодействующие одной стороной с корпусом уплотнения, другой стороной с корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора соответственно, при этом верхний торец корпуса уплотнения, выполнен полнотелым и имеет плоский опорный торец, воспринимающий продольную нагрузку при герметизации зон неметаллическими упругими элементами.

Краткое описание чертежей

Далее в описании приводится возможный, но единственный вариант исполнения узла уплотнения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан узел уплотнения.

На фиг. 2 показан комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе (патент РФ №2709585, опубл. 18.12.2019).

На фиг. 3 показан неметаллический уплотнительный элемент (патент РФ №2712865, опубл. 31.01.2020).

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан узел уплотнения.

Узел уплотнения состоит из:

1 – упор;

2 – уплотнение внутреннее;

3 – втулка;

4 – штифт срезной;

5 – кольцо;

6 – фиксатор;

7 – направляющая;

8 – сухарь;

9 – стопорное кольцо;

10 - корпус;

11 – винт срезной;

12 – винт стопорный;

13 – кольцо;

14 – втулка;

15 – уплотнение внешнее;

16 – корпус уплотнения;

17 – сегмент упорный.

С направляющей 7 с помощью стопорного кольца 9 соединен корпус 10 между которыми находятся сухари 8. Сухари 8 и фиксаторы 6 обеспечивают жесткую фиксацию корпуса 10 с колонной кондуктора 24 и корпусом подвески обсадной колонны 23 соответственно. Участок направляющей 7, взаимодействующий с инструментом для подъема и опускания узла уплотнения, выполнен в виде цифры «1», что позволяет осуществлять зацеп инструментом при подъеме и опускании узла уплотнения. На корпус 10 устанавливаются втулки 3 и 14, которые соединяются штифтом срезным 4 и фиксируются винтом срезным 11. Перемещение втулок определяется винтом стопорным 12. Кольца 5 и 13 устанавливаются между втулками 3,14 и корпусом уплотнения 16, обеспечивая демонтаж узла уплотнения. На корпус уплотнения 16 устанавливается внутреннее уплотнение 2 и внешнее уплотнение 15, а также упор 1, который фиксируется сегментом упорным 17 с замочным кольцом.

Устройство работает следующим образом.

Узел уплотнения опускается инструментом для установки уплотнения, который устанавливается на подвеске бурильных труб, в пространство между колонной кондуктора и корпусом подвески обсадных труб до упора в выступ на наружной поверхности корпуса подвески обсадных труб. При упоре в выступ происходит возрастание осевой нагрузки на узел уплотнения, за счет этого происходит перемещение корпуса уплотнения 16 до упора в сегмент упорный 17. Далее после разрушения штифта срезного 4 происходит уплотнение пространства между корпуса уплотнения 16 и поверхностью колонны кондуктора и корпусом подвески обсадных труб с помощью внешнего уплотнения 15 и внутреннего уплотнения 2 под воздействием перемещающихся втулок 14 и 3. После того как уплотнения корпус 16 упрется в корпус 10 кольцо 9 перемещается в направляющую 7 и происходит установка сухарей 8 и фиксаторов 6.

Выполнение корпуса уплотнения 16 полнотелым, без глубоких выточек с элементами в виде цанги, с опорным торцем, взаимодействующим с корпусом 10, исключает вероятность поломок корпуса уплотнения 16, а выполнение упора 1 в П-образном виде с площадкой для упора в выступ колонны труб, исключает вероятность поломок упора 1.

Приложение осевой нагрузки вверх приводит к перемещению направляющей 7, корпуса 10, корпуса уплотнения 16 вверх, при этом разрушается винт срезной 11 и исчезает давление на торцы неметаллических уплотнений 2 и 15, неметаллические уплотнения 2 и 15 за счет сил упругости материала, из которого сделаны уплотнения 2 и 15, уменьшаются в поперечном сечении и принимают обычную форму, узел уплотнения разблокируется и готов к подъему.

На фиг. 2 показан комбинированный уплотнитель для колонной головки в скважине на шельфе (патент РФ №2709585, опубл. 18.12.2019).

Комбинированный уплотнитель по патенту РФ №2709585 состоит из:

18 – корпус;

19 – срезной элемент;

20 – внутренний уплотнитель;

21 – толкатель;

22 – фиксирующий паз;

23 – корпус подвески обсадных труб;

24 – колонна кондуктора;

25 - направляющая;

26 - упругое кольцо;

27 – упругое кольцо;

28 – фиксирующий паз;

29 – наружный уплотнитель.

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 коснется посадочной конусной поверхности на подвеске технической колонны труб 23, появится сила перпендикулярная оси скважины.

При дальнейшей осевой нагрузке инструмента через толкатель 21 нагрузку получит срезной элемент 19.

Контактирующая поверхность с натяжением сядет на посадочную конусную поверхность, произойдет срез срезного элемента 19.

Толкатель 21 начнет деформировать наружный уплотнитель высокой упругости 19 и внутренний уплотнитель меньшей упругости 20.

Усилие при деформации наружного 29 и внутреннего 20 уплотнителей передается на корпус 18, происходит упругая деформация его в радиальном направлении.

Корпус 18, выбирая боковой зазор, прижмет наружные контактирующие поверхности к кондуктору.

В этот момент сработает направляющая 25, который задавит фиксаторы в виде разрезных упругих колец 26 и 27 в фиксирующие пазы 28 и 22 на кондукторе 24 и подвеске технической колонны труб 23, тем самым зафиксировав уплотнитель, связав кондуктор 24 и подвеску технической колонны труб 23 жесткой связью через толкатель 21.

Инструмент автоматически отсоединяется и поднимается на платформу.

Установка уплотнителя закончена.

Для снятия уплотнителя используют другой инструмент, который захватывает направляющая 25 и осевым движением вверх поднимает его.

Предложенное техническое решение позволяет повысить надежность герметизации кондуктора и подвески технической колонны труб при эксплуатации скважины на шельфе и упростить проведение технологических операций.

Н-образный упор предназначен для работы с конусными поверхностями уплотняемых технической колонны и колонны кондуктора и при упоре в выступ на технической колонне и колонне кондуктора существует вероятность деформации или разрушения концов Н-образного упора.

В отличие от технического решения, представленного в патенте РФ №2709585 (опубл. 18.12.2019), в предлагаемом техническом решении упор выполнен в сечении не в Н-образном виде, а в П-образном перевернутом виде, имеет опорную площадку для взаимодействия с выступом на технической колонне труб, что исключает возможность разрушения конца упора при приложении динамической нагрузки, направленной вдоль оси уплотнения.

На фиг. 3 показан неметаллический уплотнительный элемент (патент РФ №2712865, опубл. 31.01.2020).

Уплотнительный элемент по патенту РФ №2712865 состоит:

30 – неметаллическое уплотнение;

31 – упорный элемент;

32 – колонная головка колонны кондуктора;

33 – верхний упор;

34 – неметаллическое уплотнение;

35 – корпус;

36 – упор;

37 – подвеска обсадной колонны.

Для активации неметаллического уплотнительного элемента, то есть сжатия неметаллических уплотнений 30 с обеспечением прилегания данных неметаллических уплотнений 30 к корпусам 32 и 37 колонной головки колонны кондуктора 32 и подвески обсадной колонны 37, при перемещении корпуса 35, промежуточных упорных элементов 31 и верхнего упора 33 третий участок корпуса 35 перемещается во внутренней кольцевой канавке нижнего упора 36, преодолевая усилие, возникающее при сжатии неметаллических уплотнений 30.

При заданном перемещении корпуса 35 на величину, равную ширине пружинного кольца во внутренней кольцевой канавке нижнего упора 36, достаточном для сжатия неметаллических уплотнений 30, обеспечивающих их прилегание к корпусам 32 и 37 колонной головки колонны кондуктора и подвески обсадной колонны и герметизацию, пружинное кольцо перемещается в продольное углубление третьего участка корпуса 35 и препятствует обратному перемещению корпуса 35, сохраняя сжатие неметаллических уплотнений 30.

В случае необходимости деактивации неметаллических уплотнений 30 перемещают верхний упор 33 в направлении от неметаллических уплотнений 30, разрушая срезные элементы 34, таким образом усилие деактивации зависит от выбора количества срезных элементов 34 (от 2 до 10). Перемещение верхнего упора 33 относительно промежуточных упорных элементов 31 ограничено направляющими штифтами, но достаточно для того, чтобы извлечь концевой элемент верхнего упора 33 из пространства, образованного первым и вторым рядами сегментов цанги первого участка корпуса 35.

После указанного извлечения первый и второй ряды сегментов цанги первого участка корпуса 35 имеют возможность сжаться от усилия со стороны неметаллических уплотнений 30. При сжимании первого и второго рядов сегментов цанги первого участка корпуса 35, они выходят из зацепления с зубчатым профилем промежуточных упорных элементов 31, что позволяет неметаллическим уплотнениям 30 разжаться.

В отличие от технического решения, представленного в патенте №2712865 (опубл. 31.01.2020), в предлагаемом техническом решении корпус 35 выполнен полнотелым, не имеет сегментов в виде цанги с зубчатым зацеплением.

Выполнение узла уплотнения с полнотелым корпусом, без цанговых сегментов, выполнение упора в П-образном перевернутом виде, имеющем опорную площадку для взаимодействия с выступом на технической колонне труб, наличие все это позволяет достичь технические результаты, заключающиеся в создании узла уплотнения, обеспечивающего надежную герметизацию кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора, и при этом, обладающего повышенной надежностью при приложении динамической нагрузки, направленной вдоль оси обсадных труб, упрощении конструкции узла уплотнения.

Изобретение относится к эксплуатации морских и наземных скважин и может быть использовано для герметизации межколонного кольцевого пространства либо для герметизации кольцевых зазоров между кондуктором и установленной в нем подвеской колонны труб. Узел уплотнения содержит корпус, направляющую для взаимодействия с инструментом при подъеме и опускании узла уплотнения, упор, наружное и внутреннее уплотнения. Корпус уплотнения имеет первый участок под размещение упора, второй участок, контактирующий с наружным и внутренним уплотнениями, третий участок, служащий для присоединения корпуса уплотнения к корпусу. Корпус уплотнения выполнен полнотелым, установлен в корпусе посредством втулок, соединенных срезным штифтом и зафиксированных срезным винтом. Упор имеет П-образное сечение с опорной площадкой для взаимодействия с выступом на колонне труб. Достигается технический результат – повышение надежности герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора и надежности узла уплотненеия при приложении динамической нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел уплотнения, состоящий из корпуса, присоединенных к нему направляющей для взаимодействия с инструментом при подъеме и опускании узла уплотнения, корпуса уплотнения, имеющего первый участок под размещение упора, второй участок, контактирующий с наружным и внутренним уплотнениями, третий участок, служащий для присоединения корпуса уплотнения к корпусу, упора, наружного и внутреннего уплотнений, отличающийся тем, что корпус уплотнения выполнен полнотелым, установлен в корпусе посредством втулок, соединенных срезным штифтом и зафиксированных срезным винтом, а упор имеет П-образное сечение с опорной площадкой для взаимодействия с выступом на колонне труб.

2. Узел уплотнения по п.1, отличающийся тем, что участок направляющей, предназначенный для взаимодействия с инструментом при подъеме и опускании узла уплотнения, выполнен в виде цифры «1».