УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО Российский патент 2024 года по МПК F16J15/12 E21B33/00 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение предназначено для герметизации затрубного пространства при соединении изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры (далее – ПФА) газоконденсатных эксплуатационных скважин с подвеской обсадной колонны в колонной головке. Изделие устанавливается на посадочное место изолирующей втулки ПФА.

Уровень техники.

В технике широко распространены различные уплотнительные средства, не являются они редкостью и в скважинном оборудовании.

В частности, из уровня техники известно уплотнение с металлическими торцевыми крышками и уплотнительным кольцом. Такое решение относится к металлическому торцевому уплотнению для узла герметизации скважины, предназначенному для герметизации затрубного пространства между двумя трубчатыми элементами, которое обладает улучшенными герметизирующими свойствами в расширенном диапазоне температур. Уплотнение состоит из упругого кольца с металлическими торцевыми крышками на обоих концах. Внутренний диаметр упругого кольца имеет одну или несколько канавок, позволяющих установить одно или несколько уплотнительных колец. Уплотнительные кольца имеют такой размер, чтобы обеспечить повышенную запасаемую энергию внутри упругого кольца (см. US 2003209857 A1, опубл. E21B33/03; F16J15/12, 13.11.2003, 6 л.).

Недостатком известного аналога является сложность конструктивного выполнения уплотнительного элемента, который выполнен составным и имеет дополнительное уплотнительное кольцо. Кроме того, для этого решения характерна недостаточная надежность крепления уплотнительного кольца.

Из уровня техники известно кольцевое уплотнение, включающее корпус, сердечник и металлические колпачки, расположенные на внешних поверхностях и корпуса, которые уменьшают, минимизируют или блокируют диффузию газа в кольцевое уплотнение, также металлические колпачки обеспечивают сопротивление экструзии кольцевого уплотнения. Металлические колпачки изготовлены из металла, такого как сталь, титан, никелевый сплав. На внешней поверхности корпуса сформирован выступ с первой внешней поверхностью для контакта с внешним корпусом, на первой внешней поверхности и/или второй внешней поверхности сформированы одна или более канавок (см. WO 2017114647 A1, опубл. 06.07.2017, F16J15/16, 19 л.).

Из уровня техники также известно уплотнительное кольцо, содержащее кольцевой корпус, выполненный из гидрогенизированного нитрилбутадиенового каучука, или нитрильного каучука, или CAMLAST™, или DUROCAM™, или Elast-O-Lion®101, или Elast-O-Lion® 985, или их комбинации, металлические торцевые уплотнения, состоящие из металлических колец, расположенных на торцевых поверхностях кольцевого корпуса. Каждое металлическое торцевое уплотнение включает в себя фаски, определяющие первый выступ с внешней поверхностью для контакта с внешним кольцевым корпусом и второй выступ с внутренней поверхностью для контакта с внутренним кольцевым корпусом (см. WO 2010083132 A1, опубл. 22.07.2010, E21B33/03; E21B33/12; F16J15/10; F16J15/12, 33 л.).

Кроме того, из уровня техники известно комбинированное уплотнение из металла и эластомера, содержащее нижнее и верхнее металлические кольца. Эластомерное уплотнительное кольцо расположено между указанными металлическими кольцами и имеет толщину, большую, чем каждое из указанных металлических колец. Нижнее и верхнее металлические кольца имеют кольцеобразную основу и пару гибких выступов проходящих от основы в сторону эластомерного уплотнительного кольца. При этом эластомерное уплотнительное кольцо включает часть, расположенную между гибкими выступами каждого из металлических колец. В результате, осевое усилие рабочего давления, прилагаемое к металлическим кольцам, приводит к сжатию эластомерного уплотнительного кольца. Гибкие выступы металлических колец на большей части своей длины имеют толщину, увеличивающуюся от эластомерного уплотнительного кольца, и переходящую в сужающуюся толщину в направлении основы (см. US 4521040 A, опубл. 04.06.1982, E21B33/043, F16J15/32, 6 л.).

Указанные уплотнительные кольца обеспечивают возможность герметизации соединения между конструктивными элементами скважинного оборудования, однако при эксплуатации таких колец был выявлен ряд недостатков связанных с особенностями их работы в уплотняемых соединениях. Так было установлено, что в ряде случаев для различных типоразмеров кольца герметичность соединения оказывалась недостаточной и происходила утечка герметизируемой жидкой среды.

Дальнейший анализ причин таких утечек показал, что в ряде случаев при установке кольца на посадочную поверхность, в частности на поверхность втулки подводной фонтанной арматуры, наблюдается некорректное положение кольца относительно его заданного положения. Кроме того, наблюдались следы эластомерного материала на внутренних поверхностях металлических колец в уплотнении. Также в ряде случаев были выявлены и нарушения работоспособности кольца, связанные с его нагружением рабочим давлением. В частности, в некоторых случаях наблюдались следы эластомерного материала на внешних поверхностях металлических колец, а также потеря уплотнительной способности.

Все вышеуказанные явления являются нежелательными для уплотнительных колец, поскольку при их проявлении происходит потеря герметизирующих свойств уплотнительного кольца, а кроме того, не обеспечивается надежное крепление кольца на посадочной поверхности.

Раскрытие сущности изобретения.

Технической задачей является устранение вышеуказанных недостатков известных решений. В частности, задачей является обеспечение надежного крепления уплотнительного кольца и повышение его герметичности при высоком давлении.

Технический результат изобретения заключается в исключении перекоса уплотнительного кольца и вытягивания его эластомерного материала при установке кольца на посадочное место, например, на изолирующую втулку фонтанной арматуры, а также в исключении недостаточного поджатия кольца к уплотняемой поверхности, в частности, к поверхности обсадной колонны, и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. В результате исключаются потери кольцом уплотнительных функций при его установке на посадочное место и достигается повышение герметичности уплотнительного кольца в условиях действия высоких давлений, а также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия его перекоса при установке.

Технический результат достигается тем, что уплотнительное кольцо, содержит два металлических торцевых опорных кольца и эластомерный уплотнительный элемент между ними, содержащий центральную часть и две боковые части, проходящие от центральной части вдоль оси уплотнительного кольца, каждое металлическое торцевое опорное кольцо содержит выемку на одном из его боковых краев, в которую помещена выступающая боковая часть эластомерного уплотнительного элемента, и имеет разнотолщинный П-образный профиль с уменьшением толщины профиля в сторону центральной части эластомерного уплотнительного элемента, в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный и внутренний выступы, при этом диаметр наружного выступа превышает наружный диаметр каждого из металлических торцевых опорных колец, а диаметр внутреннего выступа меньше внутреннего диаметра каждого из металлических торцевых опорных колец, наружный выступ имеет площадку шириной F и высотой D, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, внутренний выступ имеет площадку шириной H и высотой E, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, причем угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 28÷33°, а отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D = 4,6÷6,8, отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E = 8,9÷18,2.

Технический результат также достигается тем, что эластомерный уплотнительный элемент выполнен из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука. Каждое из металлических торцевых опорных колец выполнено из никель-хромового сплава. Металлические торцевые опорные кольца выполнены с возможностью взаимодействия с посадочным местом изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры.

Достижение технического результата в изобретении обуславливается тем, что параметры кольца должны быть определены исходя из особенностей поведения эластомерного материала при трении относительно посадочной и уплотняемой поверхностей, а также при нагружении его рабочим давлением. Проведенный анализ причин возникновения недостатков известных решений послужил основанием для ограничения параметрических характеристик применяемых уплотнений, в том числе и применяемых на скважинном оборудовании.

В частности, для посадки уплотнительного кольца на посадочную поверхность, в том числе на изолирующую втулку фонтанной арматуры размеры, определяющие отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа эластомерного уплотнительного элемента необходимо выдерживать в соотношении H/E = 8,9÷18,2, при угле перехода G наклонных участков внутреннего выступа равном 28÷33°. Это обусловлено тем, что при недостаточной высоте площадки Е к её ширине H уплотнительное кольцо слабо прижимается к изолирующей втулке подводной фонтанной арматуры, что приводит к перекосу уплотнительного кольца во время его установки в подвеску обсадной колонны. Из-за перекоса теряется симметричность нагружения, что при рабочих условиях приводит к потере герметичности уплотнительного кольца. При избыточной высоте площадки Е к её ширине H внутреннего выступа посадка уплотнительного кольца на втулку фонтанной арматуры сопровождается вытягиванием резины против хода посадки. При затруднительной посадке уплотнительного кольца с вытягиванием эластомера (резины) нарушается его симметрия. В связи с чем при установке уплотнительного кольца в подвеску обсадной колонны это также может привести к перекосу и ухудшению его герметичности.

Размеры, касающиеся наружного выступа эластомерного уплотнительного элемента, который соприкасается с уплотняемой поверхностью, в частности с подвеской обсадной колонны, ограничены в диапазоне ширины F площадки к её высоте D, в соотношении F/D равном 4,6÷6,8, при угле перехода G наклонных участков наружного выступа равном 28÷33°. Это обусловлено тем, что при меньших размерах указанной пропорции количество резины оказывается недостаточным, чтобы при рабочих условиях обеспечить необходимое напряжение в поджатом к уплотняемой поверхности наружном выступе, и тем самым обеспечить способность эластомерного уплотнительного элемента с таким выступом выдерживать рабочие давления уплотняемой среды, в том числе и давления характерные для работы скважинного оборудования. В результате обеспечивается герметичность уплотнительного кольца.

При увеличении отношения ширины и высоты F/D внешнего выступа выше указанного диапазона, усилия, создаваемого подвеской обсадной колонны, недостаточно, чтобы продавить данный объем резинового уплотнения до положения, показанного на фигуре 4. В этом случае не обеспечивается надавливание уплотняемой поверхности подвески обсадной колонны на металлические торцевые опорные кольца, которые ограничивают движение эластомерного уплотнительного элемента. В результате, это приводит к образованию зазора, между подвеской обсадной колонны и металлическими частями уплотнительного кольца. Далее, при давлении среды в рабочих условиях эксплуатации эластомерный уплотнительный элемент имеет возможность «затечь» в этот зазор, что ослабит его давление на подвеску обсадной колонны и приведет к потере герметичности узла.

При этом следует отметить, что угол перехода G наклонных участков внутреннего и наружного выступов определяет геометрию выступов и тем самым оказывает прямое влияние на вышеуказанный характер поведения эластомерного материала в совокупности с представленными диапазонами высоты и ширины каждого из выступов. Таким образом, для исключения перекоса кольца и вытягивания эластомерного материала при установке кольца, а также исключения недостаточного поджатия к уплотняемой поверхности и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью необходимо наличие всех вышеуказанных соотношений наружного и внутреннего выступов, равно как и диапазона параметров угла перехода G.

Таким образом, указанные пропорции размеров площадок внутреннего и наружного выступов при угле перехода G наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах, обеспечивает исключение перекоса кольца и вытягивание эластомерного материала при установке кольца, а также исключение недостаточного поджатия кольца к уплотняемой поверхности и затекания эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. В результате исключаются потери кольцом уплотнительных функций при его установке на посадочное место, в том числе на изолирующей втулке подводной фонтанной арматуры и повышается герметичность уплотнительного кольца при наличии высоких давлений. Также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия перекоса при установке.

Краткое описание чертежей.

Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами.

На фигуре 1 представлено изометрическое изображение уплотнительного кольца (изометрия с вырезанным сектором), на фигуре 2 – уплотнительное кольцо в поперечном разрезе, на фигуре 3 – уплотнительное кольцо, установленное на изолирующую втулку ПФА, на фигуре 4 – уплотнительное кольцо на изолирующей втулке ПФА, установленное в подвеску обсадной колонны, на фигуре 5 – положение уплотнительного кольца при подаче рабочего давления, на фигуре 6 – уплотнительное кольцо в поперечном разрезе с указанием основных размеров.

Осуществление изобретения.

Уплотнительное кольцо представляет собой комбинированное изделие, состоящее из двух металлических торцевых опорных колец 2 и эластомерного уплотнительного элемента 1 между ними, содержащий центральную часть 10 и две боковые части 11, проходящие от центральной части вдоль оси уплотнительного кольца, каждое металлическое торцевое опорное кольцо содержит выемку на одном из его боковых краев, в которую помещена выступающая боковая часть эластомерного уплотнительного элемента, и имеет разнотолщинный П-образный профиль с уменьшением толщины профиля в сторону центральной части эластомерного уплотнительного элемента, в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный 12 и внутренний 13 выступы.

Металлические торцевые опорные кольца 2 применяются для крепления эластомерного уплотнительного элемента 1. Обеспечение фиксации уплотнительного кольца в посадочном месте изолирующей втулки ПФА 3 осуществляется за счет обжатия эластомерного уплотнения. При посадке уплотнительного кольца на изолирующую втулку ПФА происходит поджатие эластомерного уплотнительного элемента с внутренней поверхности 5 уплотнительного кольца. При установке уплотнительного кольца на изолирующую втулку ПФА остается зазор 6 между металлическим торцевым опорным кольцом 2 и резьбовым стопорным кольцом 4. Резьбовое стопорное кольцо служит как направляющая для посадки изолирующей втулки в подвеску обсадной колонны, выполненное в форме конуса 9, а также как упор в подвеску обсадной колонны и как стопор, который удерживает уплотнительное кольцо при извлечении изолирующей втулки ПФА.

После установки уплотнительного кольца на изолирующей втулке ПФА в подвеску обсадной колонны 7 происходит активация эластомерного уплотнительного элемента по внешней стенке 8 уплотнительного кольца. Уплотнительное кольцо растягивается и зазор 6 уменьшается. Работа по уплотнению затрубного пространства происходит за счет растяжения эластомерного уплотнительного элемента 1 внутри уплотнительного кольца.

На фигуре 5 показаны рабочие условия установленного комбинированного кольца при подаче давления рабочей среды. Стрелками показано движение рабочей среды и давление, которое она создает. В случае подачи давления рабочей среды на металлическое торцевое опорное кольцо 2 уплотнительное кольцо начинает сжиматься и за счет распределения усилия, эластомерный уплотнительный элемент начинает вдавливаться в стенки подвески обсадной колонны еще сильнее, что улучшает герметичные свойства уплотнительного кольца при рабочих условиях.

Фигура 5 иллюстрирует работу (активацию) уплотнительного кольца как на растяжение, так и на сжатие. Конструкция уплотнительного кольца и свойства эластомерного уплотнения позволяют ему работать комбинированно и показывать хорошую уплотнительную способность в различных условиях нагружения.

Материалом металлических торцевых опорных колец может являться коррозионностойкая сталь или никель-хромовый сплав, которые используются для обеспечения прочностных характеристик и устойчивости к различным типам коррозии.

Свойствами коррозионностойкий стали или никель-хромового сплава, которые обеспечивают высокие прочностные характеристики, являются устойчивость к точечной и щелевой коррозии, высокая коррозионная усталостная прочность, высокая прочность на разрыв и при растяжении, а также устойчивость к хлорид-ионному коррозионному растрескиванию под напряжением.

Материал эластомерной части изделия может представлять собой гидрированный бутадиен-нитрильный каучук – HNBR (твердость 80-90 по Шору). Это термостойкий каучук с высокой стойкостью к воздействию озона, химических веществ, и старению. HNBR обладает наилучшими механическими свойствами, такими как прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве, устойчивость к истиранию, необходимыми для обеспечения уплотнения и сохранения герметичности в течении длительного срока эксплуатации ПФА.

Примеры осуществления уплотнительного кольца.

Пример 1.

Уплотнительное кольцо выполнено с габаритными размерами: А = 308 мм; В = 335 мм; С = 50 мм.

Металлическое торцевое опорное кольцо имеет габаритные размеры: J = 14,5 мм, K = 12,25 мм (с учетом допуска +/- 0,2 мм).

Ширина F площадки наружного выступа к высоте F = 14,0 мм.

Высота D площадки наружного выступа D = 2,2 мм.

Ширина H площадки внутреннего выступа к высоте H = 17,0 мм.

Высота E площадки внутреннего выступа Е = 1,0 мм.

Угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 28°.

Эластомерная часть уплотнительного кольца в сечении представляет собой изделие прямоугольной формы с поджатыми концами, которые запрессованы в ответные части металлических П-образных колец. Переход из поджатых участков в основное (рабочее) тело эластомера идет при помощи увеличения толщины резины (несимметрично). Угол перехода G одинаков для внутренней и внешней стенки, но площадка перехода и как следствие толщины F и H различны.

Таким образом, в представленном примере угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и находится в диапазоне G = 28÷33°. Отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D в примере находится в пределах диапазона 4,6÷6,8, а отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E в пределах диапазона 8,9÷18,2.

После изготовления партии уплотнительных колец по вышеуказанным размерам были проведены испытания части колец из партии. В результате испытаний уплотнительные кольца показали устойчивость к рабочим давлениям и необходимый уровень уплотнительной способности. Также на поверхностях металлических колец, а также уплотняемой и посадочных поверхностях не выявлены следы эластомерного материала характерные для затекания такого материала в зазор между ними. Тем самым была подтверждена работоспособность колец по изобретению с достижением при этом указанного технического результата.

Пример 2.

Уплотнительное кольцо выполнено с габаритными размерами: А = 308 мм; В = 345 мм; С = 52 мм.

Металлическое торцевое опорное кольцо имеет габаритные размеры: J = 14,5 мм, K = 12,25 мм (с учетом допуска +/- 0,2 мм).

Ширина F площадки наружного выступа к высоте F = 15,0 мм.

Высота D площадки наружного выступа D = 3,0 мм.

Ширина H площадки внутреннего выступа к высоте H = 18,2 мм.

Высота E площадки внутреннего выступа Е = 1,9 мм.

Угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 33°.

Также была изготовлена партия уплотнительных колец по вышеуказанным размерам и были проведены испытания части колец из партии. В результате испытаний уплотнительные кольца также показали устойчивость к рабочим давлениям и необходимый уровень уплотнительной способности.

Таким образом, в результате использования предложенного уплотнительного кольца исключаются его перекосы и вытягивание эластомерного материала при установке кольца на посадочное место, а также исключаются недостаточное поджатие кольца к уплотняемой поверхности и затекание эластомерного материала в зазор между металлическим кольцом и уплотняемой поверхностью. Тем самым исключаются потери кольцом уплотнительных функций, при его установке на посадочное место, и достигается повышение герметичности уплотнительного кольца в условиях действия высоких давлений, а также обеспечивается надежное крепление уплотнительного кольца вследствие отсутствия его перекоса при установке.

Изобретение предназначено для герметизации затрубного пространства при соединении изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры (далее – ПФА) газоконденсатных эксплуатационных скважин с подвеской обсадной колонны в колонной головке. Изделие устанавливается на посадочное место изолирующей втулки ПФА. Уплотнительное кольцо содержит два металлических торцевых опорных кольца с выемками и эластомерный уплотнительный элемент между ними, в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный и внутренний выступы. Наружный выступ имеет площадку шириной F и высотой D, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах. Внутренний выступ имеет площадку шириной H и высотой E, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах. Причем угол перехода G наклонных участков равен G = 28-33°, а отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D = 4,6-6,8, отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E = 8,9-18,2. Изобретение позволяет обеспечить надежное крепление уплотнительного кольца, повышение герметичности уплотнения, а также исключение потери кольцом уплотнительных функций при его установке на посадочное место, например на изолирующую втулку подводной фонтанной арматуры. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Уплотнительное кольцо, содержащее два металлических торцевых опорных кольца и эластомерный уплотнительный элемент между ними, содержащий центральную часть и две боковые части, проходящие от центральной части вдоль оси уплотнительного кольца,

каждое металлическое торцевое опорное кольцо содержит выемку на одном из его боковых краев, в которую помещена выступающая боковая часть эластомерного уплотнительного элемента, и имеет разнотолщинный П-образный профиль с уменьшением толщины профиля в сторону центральной части эластомерного уплотнительного элемента,

в центральной части эластомерного уплотнительного элемента выполнены наружный и внутренний выступы, при этом диаметр наружного выступа превышает наружный диаметр каждого из металлических торцевых опорных колец, а диаметр внутреннего выступа меньше внутреннего диаметра каждого из металлических торцевых опорных колец,

наружный выступ имеет площадку шириной F и высотой D, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах,

внутренний выступ имеет площадку шириной H и высотой E, переходящую посредством наклонных участков в боковые части эластомерного уплотнительного элемента, расположенные в металлических торцевых опорных кольцах,

причем угол перехода G наклонных участков является одинаковым для наружного и внутреннего выступов эластомерного уплотнительного элемента и равен G = 28-33°, а

отношение ширины к высоте площадки наружного выступа F/D = 4,6-6,8, отношение ширины к высоте площадки внутреннего выступа H/E = 8,9-18,2.

2. Уплотнительное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что эластомерный уплотнительный элемент выполнен из гидрированного бутадиен-нитрильного каучука.

3. Уплотнительное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что каждое из металлических торцевых опорных колец выполнено из никель-хромового материала.

4. Уплотнительное кольцо по п. 1, отличающееся тем, что металлические торцевые опорные кольца выполнены с возможностью взаимодействия с посадочным местом изолирующей втулки подводной фонтанной арматуры.