СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ МЕЖСКВАЖИННОГО ПРОСТРАНСТВА, КОМБИНИРОВАННЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬ И УПЛОТНЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2023 года по МПК E21B33/04 

Область техники

Изобретение относится к уплотняющему скважинному устройству, и может быть использовано для герметизации кольцевых зазоров между трубами.

Предшествующий уровень техники

Из существующего уровня техники известен скважинный комбинированный уплотнитель усиленного действия для кондуктора и технической колонны труб (патент РФ №2695734, опубл. 25.07.2019), содержащий корпус, толкатель (устройство передачи усилия), уплотнения металлические и полимерные, опорное кольцо, что уплотнения имеют три ступени, каждая ступень которых отличается по форме, размерам и материалу.

Из существующего уровня техники известен комбинированный уплотнитель обсадных труб для подводных скважин (патент РФ №2691416, опубл. 13.06.2019), включающий герметизирующий узел, кольцевую втулку, якорь с сухарями и клиновыми плашками, хвостовик, зафиксированный относительно якоря стопорным кольцом, что герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры с пазом, упругих уплотнений и металлических уплотнений металл-металл, размещенных в составном корпусе.

Из существующего уровня техники известен комбинированный уплотнитель обсадных труб для подводных скважин (патент РФ №2712865, опубл. 31.01.2020), содержащий комбинированный уплотнитель обсадных труб для подводных скважин, включающий герметизирующий узел, кольцевую втулку, якорь с сухарями и клиновыми плашками, хвостовик, зафиксированный относительно якоря стопорным кольцом, при этом герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры с пазом, упругих уплотнений и металлических уплотнений металл-металл, размещенных в составном корпусе, выполненном из двух частей, соединенных между собой и снабженных осью, которая через паз имеет возможность ограничения перемещения кольцевой опоры в составном корпусе.

Общими недостатками вышеперечисленных технических решений являются плохая работоспособность уплотнения при повышенных зазорах между металлическими элементами комбинированного уплотнителя и конструкциями скважины в которой рабочая среда находится под повышенным давлением, повышенная сложность конструкции комбинированного уплотнителя, практическое отсутствие возможности демонтажа уплотнения после его активации.

Сущность изобретения

Проблемами, решаемыми настоящим изобретением, являются пониженная надежность комбинированного уплотнителя известных конструкций при повышенных зазорах между металлическими элементами комбинированного уплотнителя и конструкциями скважины в которой рабочая среда находится под повышенным давлением, сложность, а зачастую невозможность демонтажа комбинированного уплотнения при проведении регламентных или ремонтных работ в скважине.

Техническими результатами являются создание конструкции комбинированного уплотнителя, обеспечивающего повышение надежности герметизации межтрубного пространства в условиях повышенного давления среды в подводной скважине, упрощение конструкции комбинированного уплотнителя, содержащего неметаллические и металлические элементы, обеспечивающего надежную герметизацию межтрубного пространства в условиях повышенного давления среды в подводной скважине, облегчение демонтажа комбинированного уплотнителя при проведении ремонтных или регламентных работ при обслуживании скважины.

Технические результаты достигаются за счет применения уплотняющего элемента, состоящего из неметаллического уплотнения, размещенного между двумя тарелками с по крайней мере одним элементом, имеющим клинообразную форму, конструкция и материал тарелок позволяют им деформироваться при приложении сдавливающей нагрузки на уплотняющий элемент.

Краткое описание чертежей

Далее в описании приводятся возможные, но единственные варианты исполнения способа, комбинированного уплотнителя и уплотняющего элемента.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан комбинированный уплотнитель, состояние до активации.

На фиг. 2 показан комбинированный уплотнитель в активированном состоянии.

На фиг. 3 показан уплотняющий элемент.

На фиг. 4 показан уплотняющий элемент предлагаемой конструкции в межтрубном пространстве при приложении осевой нагрузки.

Подробное описание изобретения

В известных технических решениях, например, в технических решениях раскрытых в патентах РФ №2695734 (опубл. 25.07.2019), №2691416 (опубл. 13.06.2019), №2712865 (опубл. 31.01.2020), представлены комбинированные уплотнения, в которых для уплотнения используются металлические и неметаллические элементы, при этом при активации уплотнения происходит сдавливание неметаллического элемента, при этом происходит увеличение наружного диаметра неметаллического элемента, за счет чего достигается уплотняющий эффект.

Однако, при повышенных зазорах (более 0,3 мм) между металлическими элементами комбинированного уплотнителя и конструкциями скважины и повышенных давлениях рабочей среды (55-60 атм.) комбинированные уплотнения подобного типа не обеспечивают требуемой герметичности скважины. Конструкция комбинированного уплотнителя, представленная в патенте, позволяет обеспечить требуемую герметичность такой скважины.

На фиг. 1 показан комбинированный уплотнитель, состояние до активации.

Комбинированный уплотнитель состоит из:

1 - подвеска обсадной колонны;

2 - упор;

3, 14 - тарелка;

4, 6 - элемент, имеющий клинообразное сечение;

5 - неметаллическое уплотнение;

13, 15 - стержневой элемент;

7 - замок;

8 - колонна кондуктора;

9 - кольцо стопорное;

10 - сухарь;

11 - корпус;

12 - захват.

Комбинированный уплотнитель установлен в межтрубное пространство, при этом упор 2 опускается до опоры на выступ на подвеске обсадных колонн 1. Захват 12 закреплен посредством срезных элементов в корпусе 11, в котором с возможностью радиального перемещения установлены так же сухари 10 и замок 7, стержневые элементы 13 и 15, закрепленные известным способом одним концом в элементе, имеющем клинообразное сечение, другим - в корпусе 11 и упоре 2 соответственно, вместе формируя комбинированный уплотнитель, показанный в зазоре между подвеской обсадной колонны 1 и колонной кондуктора 8. Уплотняющий элемент представляет собой неметаллический уплотнитель 5, который может быть выполнен цельным, а может быть составным, например, из неметаллических уплотнителей двух видов резина-эластомер, резина двух видов разной жесткости и т.д., закрытый с двух сторон тарелками 3 и 14, в теле уплотняющего элемента располагается по крайней мере один элемент, имеющий клинообразное сечение. На чертежах в заявке представлен вариант с двумя элементами, имеющий клинообразное сечение 4 и 6, и, соответственно, с двумя стержневыми элементами 13 и 15. Если в конструкции уплотняющего элемента будет предусмотрен один клинообразный элемент, то и стержневой элемент будет присутствовать в единичном варианте. Материал тарелок выбран так, что при приложении осевой нагрузки края тарелок 3 и 14 под воздействием смещающихся слоев неметаллического уплотнения 5 имеют возможность отгибаться, перекрывая межтрубное пространство и создавая собой дополнительные контуры уплотнения.

Нужно отметить, что элементы, имеющие клинообразное сечение 4 и 6 могут быть выполнены как с углублением для размещения стержневых элементов 13 и 15 как на представленных чертежах, так и с выступами вместо впадин, так и без впадин и выступов, что не влияет на достижение заявляемых технических результатов. При изменении конструкции клинообразных элементов может меняться конструкция стержневых элементов, либо стержневые элементы отсутствовать совсем, что не влияет на достижение заявляемых технических результатов. В конструкции комбинированного уплотнения могут присутствовать элементы, связывающие упор с элементами комбинированного уплотнения и проходящими через тело уплотняющего элемента, что не влияет на достижение заявляемых технических результатов.

На фиг. 2 показан комбинированный уплотнитель в активированном состоянии.

Под действием освой нагрузки упор 2 опирается в выступ на подвеске обсадных колонн 1, разрушаются срезные элементы, удерживающие захват 12 в корпусе 11, вследствие чего захват 12 переместиться вниз и своим нижним краем, имеющим по крайней мере одну наклонную поверхность, переместит замок 7 во впадину на подвеске обсадных колонн 1, своим верхним краем, имеющим по крайней мере одну наклонную поверхность, переместит сухарь 10 во впадину на колонне кондуктора 8, при этом корпус 11 выполнен так, что имеет возможность осевого перемещения при приложении дополнительной осевой нагрузки.

На фиг. 3 показан уплотняющий элемент.

Неметаллическое уплотнение 5 расположено между тарелками 3 и 14. В теле неметаллического уплотнения 5 расположен по крайней мере один элемент, имеющий клинообразное сечение (на чертежах в заявке указаны два элемента, имеющих клинообразное сечение 4 и 6).

Воздействие осевой нагрузки на торец корпуса 11 приводит к его перемещению вниз, что приводит к воздействию на тарелки 14 и элемент, имеющий клинообразное сечение 6, который давит на неметаллическое уплотнение 5, при этом тарелка 14 начинает раскрываться под воздействием нарастающего давления со стороны слоев неметаллического уплотнения 5, причем слои, расположенные ближе к тарелкам 3 и 14, перемещаются сильнее слоев, расположенных далее от тарелок 3 и 14, создавая повышенное напряжение в зонах, близким к тарелкам 3 и 14. Таким образом обеспечивается предварительная герметизация неметаллическим уплотнением 5 в зонах сопряжения уплотняющего элемента с колонной кондуктора 8 и подвеской обсадной колонны 1. В процессе предварительной герметизации при воздействии нагрузки на тарелки 3 и 14 при перемещении слоев неметаллического уплотнения 5 за счет воздействия элементов, имеющих клинообразное сечение поз. 4 и 6, происходит перемещение слоев упругого неметаллического уплотнителя 5, обеспечивающее увеличение площади контакта наружной поверхности неметаллического уплотнителя 5 с поверхностью труб, образующих межтрубное пространство, по сравнению с зоной сопряжения уплотняющего элемента традиционной конструкции с колонной кондуктора 8 и подвеской обсадной колонны 1. Возможен вариант исполнения комбинированного уплотнения когда при эксплуатации уплотнения в результате повышения давления рабочей субстанции (флюида/жидкости/газа) сверху или снизу рабочая субстанция (флюид/жидкость/газ) подается по специальным каналам в зону расположения элемента, имеющего клинообразное сечение, обеспечивая дополнительное давление на него, вследствие чего дополнительно увеличивается сжатие неметаллического уплотнения 5, что еще больше увеличивает общую герметизацию межтрубного пространства.

Неметаллическое уплотнение 5 может быть выполнено из одного неметаллического материала, а может из нескольких неметаллических материалов, например, резиновая основа может иметь вставки из эластомерной композиции, или основа из эластомерной композиции иметь вставки из резины и т.д.

На фиг. 4 показан уплотняющий элемент предлагаемой конструкции в межтрубном пространстве при приложении осевой нагрузки.

Приложение осевой нагрузки приводит к перемещению элементов, имеющих клинообразное сечение 4 и 6 навстречу друг другу, что вызывает перемещение слоев неметаллического уплотнения 5 в зоне расположения тарелок 3 и 14, создавая две зоны максимального прижатия неметаллического уплотнения 5 к стенкам труб, составляющих межтрубное пространство. При этом при приложении осевой нагрузки под воздействием расширяющегося неметаллического уплотнения 5 края тарелок 3 и 14 отгибаются, перекрывая межтрубное пространство и формируя дополнительные контуры уплотнения. Если в конструкции комбинированного уплотнителя элемент, имеющий клинообразное сечение присутствует в единственном числе, то все равно формируются две зоны максимального прижатия неметаллического уплотнения 5 к стенкам труб, расположенные одна в районе расположения элемента, имеющего клинообразное сечение, вторая – ближе к середине комбинированного уплотнителя. Нужно отметить, что при возрастании внешнего давления трубного и затрубного пространства такая конструкция уплотняющего элемента обеспечивает эффект самозапирания уплотняющего элемента.

Очевидно, что выполнение уплотняющего элемента с по крайней мере одним элементом, имеющим клинообразное сечение, создает по крайней мере две зоны максимального прижатия неметаллического уплотнения 5 к стенкам труб, формирующим межтрубное пространство, и способствует разгибанию по крайней мере одного края тарелки за счет сдвижения слоев неметаллического уплотнения 5, формируя таким образом дополнительный контур уплотнения, все это позволяет достичь заявляемый технический результат, заключающийся в повышении надежности герметизации межтрубного пространства в условиях повышенного давления среды в подводной скважине.

При этом применение уплотняющего элемента заявляемой конструкции позволяет уменьшить число элементов комбинированного уплотнителя, что позволяет достичь заявляемый технический результат, заключающийся в упрощении конструкции комбинированного уплотнителя, содержащего неметаллические и металлические элементы, обеспечивающего за счет дополнительного сжатия неметаллического уплотнения повышение надежности герметизации межтрубного пространства в условиях повышенного давления среды в подводной скважине.

Способ уплотнения межтрубного пространства в скважине заключается в том, что для герметизации межтрубного пространства используют комбинированный уплотнитель, состоящий из корпуса с упором, захвата, сухарей, замка, стержневых элементов и уплотняющего элемента, представляющего собой неметаллический уплотнитель, закрытый с двух сторон тарелками так, что края тарелок загнуты и направлены друг к другу в теле неметаллического уплотнителя располагаются элементы, имеющие клинообразное сечение, одна поверхность которых взаимодействует с тарелкой, а другая – клинообразная, с неметаллическим уплотнением, при этом захват закреплен в корпусе, в котором с возможностью радиального перемещения установлены сухари и замок а стержневые элементы закреплены одним концом в элементе, имеющем клинообразное сечение, другим - в корпусе и упоре соответственно, опускают комбинированный уплотнитель до опоры упора на выступ на подвеске обсадных колонн и прикладывают осевую силу, в результате чего, при воздействии нагрузки на тарелки перемещается по крайней мере один элемент, имеющий клинообразное сечение, при этом происходит перемещение слоев упругого неметаллическое уплотнителя, обеспечивающее увеличение площади контакта наружной поверхности неметаллического уплотнителя с поверхностью труб, образующих межтрубное пространство, при этом тарелки начинают раскрываться под воздействием нарастающего давления со стороны слоев неметаллического уплотнения и создается повышенное напряжение в зонах, близких к тарелкам, формируя дополнительные контуры уплотнения, обеспечивая тем самым герметизацию межтрубного пространства.

Применение в конструкции уплотняющего элемента по крайней мере одного элемента клинообразной формы, ось которого предпочтительно параллельна оси комбинированного уплотнителя, выполненного таким образом, что при воздействии на уплотняющий элемент осевой сжимающей нагрузки за счет взаимодействия неметаллического уплотнения с элементом клинообразной формы слои неметаллического уплотнения перемещаются в направлении стенок труб, формирующих межтрубное пространство, а при воздействии растягивающей осевой нагрузки, слои неметаллического уплотнения, перемещаются в направлении от стенок труб, тем самым уменьшая силу прижатия неметаллического уплотнения к стенкам труб, формирующих межтрубное пространство, - все это позволяет достичь заявляемый технический результат, заключающийся в облегчении возможности монтажа/демонтажа комбинированного уплотнителя при проведении ремонтных или регламентных работ при обслуживании скважины.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии заканчивания скважин, и может быть использовано для герметизации кольцевых зазоров между трубами. Техническими результатами являются повышение надежности герметизации межтрубного пространства в условиях повышенного давления среды в подводной скважине, упрощение конструкции комбинированного уплотнителя, облегчение демонтажа комбинированного уплотнителя при проведении ремонтных или регламентных работ при обслуживании скважины. В частности, заявлен способ уплотнения межтрубного пространства в скважине, в котором для герметизации межтрубного пространства используется комбинированный уплотнитель. При этом комбинированный уплотнитель состоит из корпуса с упором, захвата, сухарей, замка, стержневых элементов и уплотняющего элемента, представляющего собой неметаллический уплотнитель, закрытый с двух сторон тарелками так, что края тарелок загнуты и направлены друг к другу в теле неметаллического уплотнителя располагаются элементы, имеющие клинообразное сечение, одна поверхность которых взаимодействует с тарелкой, а другая - клинообразная, с неметаллическим уплотнением. Способ заключается в том, что осуществляют спуск комбинированного уплотнителя до опоры упора на выступ на подвеске обсадных колонн и прикладывают осевую силу, в результате чего при воздействии нагрузки на тарелки перемещается по крайней мере один элемент, имеющий клинообразное сечение, и происходит перемещение слоев упругого неметаллического уплотнителя, обеспечивающее увеличение площади контакта наружной поверхности неметаллического уплотнителя с поверхностью труб, образующих межтрубное пространство. При этом тарелки начинают раскрываться под воздействием нарастающего давления со стороны слоев неметаллического уплотнения и создается повышенное напряжение в зонах, близких к тарелкам, формируя дополнительные контуры уплотнения, обеспечивая тем самым герметизацию межтрубного пространства. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ уплотнения межтрубного пространства в скважине, в котором для герметизации межтрубного пространства используют комбинированный уплотнитель, состоящий из корпуса с упором, захвата, сухарей, замка, стержневых элементов и уплотняющего элемента, представляющего собой неметаллический уплотнитель, закрытый с двух сторон тарелками так, что края тарелок загнуты и направлены друг к другу, в теле неметаллического уплотнителя располагаются элементы, имеющие клинообразное сечение, одна поверхность которых взаимодействует с тарелкой, а другая - клинообразная, с неметаллическим уплотнением, при этом захват закреплен в корпусе, в котором с возможностью радиального перемещения установлены сухари и замок, а стержневые элементы закреплены одним концом в элементе, имеющем клинообразное сечение, другим - в корпусе и упоре соответственно, опускают комбинированный уплотнитель до опоры упора на выступ на подвеске обсадных колонн и прикладывают осевую силу, в результате чего при воздействии нагрузки на тарелки перемещается по крайней мере один элемент, имеющий клинообразное сечение, при этом происходит перемещение слоев упругого неметаллического уплотнителя, обеспечивающее увеличение площади контакта наружной поверхности неметаллического уплотнителя с поверхностью труб, образующих межтрубное пространство, при этом тарелки начинают раскрываться под воздействием нарастающего давления со стороны слоев неметаллического уплотнения и создается повышенное напряжение в зонах, близких к тарелкам, формируя дополнительные контуры уплотнения, обеспечивая тем самым герметизацию межтрубного пространства.

2. Комбинированный уплотнитель для уплотнения межтрубного пространства в скважине, состоящий из корпуса с упором, захвата, сухарей, замка, стержневых элементов и уплотняющего элемента, представляющего собой неметаллический уплотнитель, закрытый с двух сторон тарелками так, что края тарелок направлены друг к другу, в теле неметаллического уплотнителя располагаются элементы, имеющие клинообразное сечение, одна поверхность которых взаимодействует с тарелкой, а другая - клинообразная, с неметаллическим уплотнением, при этом захват закреплен в корпусе, в котором с возможностью радиального перемещения установлены сухари и замок, а стержневые элементы закреплены одним концом в элементе, имеющем клинообразное сечение, а другим - в корпусе и упоре соответственно.

3. Комбинированный уплотнитель по п.2, отличающийся тем, что элементы, имеющие клинообразное сечение, выполнены со впадиной, в которой крепятся стержневые элементы.

4. Комбинированный уплотнитель по п.2, отличающийся тем, что элементы, имеющие клинообразное сечение, выполнены с выступами, к которым крепятся стержневые элементы.

5. Комбинированный уплотнитель по п.2, отличающийся тем, что в конструкции комбинированного уплотнителя выполнены каналы, по которым при повышении давления рабочая субстанция подается в зону расположения элемента, имеющего клинообразное сечение.

6. Уплотняющий элемент комбинированного уплотнителя, состоящий из неметаллического уплотнения, закрытого с двух сторон тарелками так, что края тарелок направлены друг к другу, при этом в теле неметаллического уплотнения расположены элементы, имеющие клинообразное сечение, одна поверхность которых взаимодействует с тарелкой, а другая - клинообразная, с неметаллическим уплотнением.

7. Уплотняющий элемент по п.6, отличающийся тем, что неметаллическое уплотнение выполнено составным из по крайней мере двух неметаллических элементов.