Протектор фонтанной арматуры гидравлический Российский патент 2025 года по МПК E21B33/03 

Изобретение относится к оборудованию для уплотнения устьев эксплуатационных скважин; предложенное устройство предназначено для защиты фонтанной арматуры от высокого давления при технологических работах, проводимых на газовых, нефтяных и газоконденсатных скважинах, связанных с закачкой флюида в пласт, например при осуществлении гидроразрыва пласта или при обработке призабойной зоны.

Из уровня техники известно устройство герметизации устья скважины, применяемое при подземном ремонте нефтяных и газовых скважин (RU 2143541 C1, МПК E21B 33/03, опубл. 27.12.1999). Устройство содержит полый цилиндрический корпус со сквозным каналом для пропуска труб с фиксатором и фланцем для присоединения к арматуре устья скважины, герметизирующую вставку с уплотнительным элементом и патрубком с запорным органом для перекрытия канала труб.

Недостатком известного устройства является его низкая надежность при герметизации скважин, что обусловлено применением в конструкции герметизирующей вставки, выполненной с возможностью ее прижима к устьевому фланцу шаровым краном, что не обеспечивает надежного запирания скважины при больших давлениях.

Наиболее близким устройством к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признано устьевое устройство для защиты фонтанной арматуры от высокого избыточного давления (RU 2030551 C1, МПК E21B 33/03, опубл. 10.03.1995). Устьевое устройство включает установленный на фонтанной арматуре неподвижный фланец с центральным осевым каналом для размещения в нем протектора, установленный на неподвижном фланце силовой привод с цилиндром, поршнем и штоком, который жестко соединен с протектором, узел уплотнения протектора в неподвижном фланце и механизм для присоединения протектора к насосу высокого давления.

Недостатком устьевого устройства является его низкая технологичность, связанная с отсутствием в его конструкции агрегата, позволяющего подавать текучую среду под высоким давлением через штуцер на головку, воздействующую на протектор, что требует для использования устройства дополнительного насоса высокого давления.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка конструкции протектора для обеспечения защиты устьевой фонтанной арматуры скважин от высокого давления.

Указанная задача решена тем, что протектор фонтанной арматуры гидравлический содержит неподвижную нижнюю плиту, закрепленную на фланце полого корпуса, представляющего собой тройник, снабженный отводом с ручной задвижкой, при этом корпус выполнен с возможностью его монтажа на фланце стволовой части фонтанной арматуры. Во внутреннюю полость корпуса через центральное отверстие нижней неподвижной плиты введен полый шток, жестко закрепленный на верхней подвижной плите и снабженный переходным фланцем для подключения к фланцу патрубка напорной линии для гидроразрыва пласта или для обработки призабойной зоны. На верхнем торце верхней подвижной плиты симметрично относительно вертикальной оси штока установлены первый и второй гидроцилиндры, штоки которых выведены через отверстия, выполненные в верхней подвижной плите, и закреплены на неподвижной нижней плите. При этом протектор снабжен гидростанцией, к напорной магистрали которой подключен гидрораспределитель, подключенный в свою очередь к поршневой и штоковой полостям первого и второго гидроцилиндров. При этом гидростанция содержит электродвигатель, насос, соединенный с выходным валом электродвигателя, блок управления и бак с нагревателем масла, термореле и поплавковым датчиком уровня. Причем электродвигатель и нагреватель масла подключены к силовым выходам блока управления гидростанцией, выполненного на основе микроконтроллера, к измерительным входам которого подключены выходы манометра, термореле и поплавкового датчика уровня.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью конструктивных признаков устройства, является повышение безопасности проведения работ на скважине, за счет применения в конструкторе протектора гидроцилиндров, подключенных к гидростанции. При этом давление в ее напорной магистрали контролируется автоматически с помощью блока управления гидростанцией, выполненного на основе микроконтроллера, силовые выходы которого подключены к электродвигателю, управляющему скоростью работы насоса, и нагревателю масла (ТЭНу), а к его измерительным входам подключены манометр, термореле и поплавковый датчик уровня. Кроме того, при работе гидростанции в условиях низких температур обеспечивается возможность подогрева рабочей жидкости (минерального масла) в баке гидростанции с помощью ТЭНа, c автоматическим контролем температуры масла с помощью термореле.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен внешний вид протектора, установленного на фонтанной арматуре, в изометрической проекции; на фиг. 2 представлен внешний вид протектора, установленного на фонтанной арматуре, вид спереди; на фиг. 3 представлена гидравлическая схема гидростанции, обеспечивающей работу протектора.

Протектор фонтанной арматуры гидравлический имеет следующую конструкцию.

Он состоит из неподвижной нижней плиты 1, закрепленной на фланце полого корпуса 2, представляющего собой тройник, снабженный отводом 3 с ручной задвижкой 4, при этом корпус 2 выполнен с возможностью его монтажа на фланце стволовой части фонтанной арматуры. Во внутреннюю полость корпуса 2 через центральное отверстие нижней неподвижной плиты 1 введен полый шток 5, жестко закрепленный на верхней подвижной плите 6 и снабженный переходным фланцем для подключения к фланцу патрубка 7 напорной линии для гидроразрыва пласта. При этом на верхнем торце верхней подвижной плиты 6 симметрично относительно вертикальной оси штока 6 установлены первый и второй 8, 9 гидроцилиндры, штоки 10 которых выведены через отверстия, выполненные в верхней подвижной плите 6, и закреплены на неподвижной нижней плите 1.

Протектор снабжен гидростанцией, напорная 11 магистраль (P) которой подключена к P-линии трехпозиционного гидрораспределителя 12, T-линия которого, в свою очередь, подключена к сливной 13 магистрали (T), при этом А-линия и B-линия гидрораспределителя 12 снабжены дросселями 14 с обратными клапанами 15 и подключены, соответственно, к поршневой и штоковой полостям первого и второго гидроцилиндров 8, 9. Выход сливной 13 магистрали (T) подключен к фильтру 16 сливному (Ф2), снабженному обратным клапаном 17 и визуальным индикатором 18 уровня рабочей среды, при этом выход фильтра 16 сообщается с баком 19 гидравлическим (Б); между напорной 11 и сливной 13 магистралью гидростанции установлен предохранительный клапан 20 (КП), обеспечивающий при необходимости сброс рабочей среды из напорной 11 магистрали в сливную 13, а к напорной 11 магистрали дополнительно подключен манометр, 21 (МН), снабженный вентилем 22 (ВМ).

Гидростанция, обеспечивающая работу протектора, включает себя электродвигатель 23 взрывозащищенный (M) мощностью 7,5 кВт, с частотой вращения выходного вала v = 1500 об/мин, при этом выходной вал электродвигателя соединен с шестерным насосом (Н) 24, рассчитанным на максимальное давление P_MAX = 300 бар. Насос 24 снабжен впускным фильтром 25 (Ф1) и обратным клапаном 26 (КО), установленным на входе в напорную магистраль 11, и обеспечивает нагнетание рабочей среды из бака 19 в нее. Бак 19 гидравлический (Б) снабжен краном 27 сливным (КС), заливной горловиной с сапуном 28 (ФЗ) и уровнемером 29 визуальным с термометром (У). Дополнительно в баке 19 установлен поплавковый датчик 30 уровня (ПДУ) взрывозащищенный, нагреватель 31 масла электрический взрывозащищенный (ТЭН) и термореле 32 врывозащищенное (ТР), подключенное к ТЭНу.

Гидростанция предназначена для подачи рабочей жидкости под давлением, определяемым настройкой предохранительного клапана 20, в гидроцилиндры 8, 9 проектора. Рабочей жидкостью гидростанции являются минеральные масла с кинематической вязкостью от 17 до 20 сСт при температуре от -20 до +60°С, при этом температура окружающей среды может варьироваться от -45 до +50°С. При низких температурах окружающей среды рабочая жидкость, находящаяся в баке 19 гидростанции, может подогреваться с помощью ТЭНа (нагревателя) 31, перегрев жидкости автоматически контролируется с помощью термореле 32 (ТР).

Давление в напорной 11 магистрали может контролироваться как вручную оператором, так и автоматически с помощью блока управления (на фигурах условно не показан) гидростанцией с помощью силовых выходов, подключенных к электродвигателю 23 (М) и нагревателю масла 31 (ТЭНу), при этом манометр 21 (МН) может быть выполнен в виде резистивного датчика давления, а его выход, выход термореле 32 (ТР) и поплавкового датчика 30 уровня (ПДУ) подключены к измерительным входам блока управления.

Блок управления гидростанцией целесообразно выполнить на основе микроконтроллера, в качестве которого может быть использована микросхема, построенная как на 8-разрядном, так и 32-разрядном ядре, основанном на гарвардской архитектуре с физическим разделением памяти на память программ и память данных. В качестве таких микроконтроллеров могут использоваться, например, микросхемы на основе AVR-архитектуры или на основе архитектуры микропроцессорных ядер Cortex-M3/M4/M4F, на основе которых разработан отечественный микроконтроллер модели K1921BK01T.

Силовые выходы блока управления могут быть выполнены в виде транзисторных или тиристорных ключей или реле, а измерительные входы – на основе операционных усилителей.

Протектор фонтанной арматуры гидравлический используют следующим образом.

Предварительно готовят к работе гидростанцию, заливая рабочую жидкость (минеральное масло) через заливную горловину с сапуном 28 (ФЗ), контролируя ее уровень визуально с помощью уровнемера 29 и поплавкового датчика 30. В случае использования в составе протектора блока управления его силовые выходы подключают, соответственно, к электродвигателю 23 (М) и ТЭНу 31, а к измерительным входам блока управления подключают выходы манометра (датчика давления) 23 (МН), термореле 32 (ТР) и поплавкового датчика 30 уровня (ПДУ).

Протектор с разведенными плитами 1 и 6, и установленным штоком 5 крепят на фонтанную арматуру через фланцевый переходник (на фигурах условно не показан). Открывают задвижку фонтанной арматуры, полый шток 5 с заданной скоростью вводят во внутреннюю полость колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), при этом плиты 1 и 6 протектора сводят, воздействуя с помощью гидростанции на гидроцилиндры 8 и 9 с максимальным давлением до 25 МПа, обеспечивая ввод полого штока 5 в колонну НКТ на расстояние от 300 до 350 мм. Регулирование скорости движения плит осуществляют с помощью дросселей 14, позволяющих изменять количество потока рабочей жидкости (минерального масла), поступающей из бака 19 (Б) через гидрораспределитель в гидроцилиндры 8, 9, при этом обратные клапаны 15 обеспечивают автоматическую блокировку обратного тока рабочей жидкости.

Далее осуществляют закачку в пласт рабочего раствора через линию блока манифольдов, присоединенную через фланец 7, в полый шток 5 и далее в трубное пространство спущенной колонны НКТ при давлении до 105 МПа. В качестве рабочей жидкости применяют смесь проппанта, воды и гуарового геля.

Во все время выполнения технологического процесса обслуживания скважины с помощью гидростанции, питающей гидроцилиндры 8 и 9, осуществляют надежную фиксацию плит 1 и 6, предотвращая аварийный выброс рабочего раствора из скважины. При этом скоростью работы насоса 24 (Н) управляют с помощью электродвигателя 23 (М), контролируя давление в напорной магистрали 11 с помощью манометра 21 (МН), а уровень рабочей жидкости в баке 19 (Б) с помощью поплавкового датчика 30 уровня (ПДУ). При работе гидростанции в условиях низких температур рабочую жидкость (минеральное масло) в баке подогревают с помощью ТЭНа (31), контролируя его температуру масла с помощью термореле 32 (ТР).

После окончания работ на скважине рабочий раствор, закачанный в скважину, сливают в выкидной трубопровод через отвод 3, открывая ручную задвижку 4. Отвод 3 может использоваться также и для аварийного сброса давления при выполнении работ на скважине. После выполнения указанных действий протектор демонтируют.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке протектор является высокотехнологичным устройством, обеспечивающим надежную защиту фонтанной арматуры нефтяных и газовых скважин от высокого давления и абразивного износа при проведении технологических работ, связанных с закачкой в скважину рабочих растворов, и может применяться на промышленных площадках нефтегазовых месторождений.

Изобретение относится к оборудованию для уплотнения устьев эксплуатационных скважин. Техническим результатом является повышение безопасности проведения работ на скважине. Заявлен протектор фонтанной арматуры гидравлический, содержащий неподвижную нижнюю плиту, закрепленную на фланце полого корпуса, представляющего собой тройник, снабженный отводом с ручной задвижкой и выполненный с возможностью его монтажа на фланце стволовой части фонтанной арматуры. Во внутреннюю полость корпуса через центральное отверстие нижней неподвижной плиты введен полый шток, жестко закрепленный на верхней подвижной плите и снабженный переходным фланцем для подключения к фланцу патрубка напорной линии для гидроразрыва пласта. На верхнем торце верхней подвижной плиты симметрично относительно вертикальной оси штока установлены первый и второй гидроцилиндры, штоки которых выведены через отверстия, выполненные в верхней подвижной плите, и закреплены на неподвижной нижней плите. Дополнительно протектор снабжен гидростанцией, к напорной магистрали которой подключен гидрораспределитель, подключенный в свою очередь к поршневой и штоковой полостям первого и второго гидроцилиндров, и манометр. При этом гидростанция содержит электродвигатель, насос, соединенный с выходным валом электродвигателя, блок управления и бак с нагревателем масла, термореле и поплавковым датчиком уровня. Причем электродвигатель и нагреватель масла подключены к силовым выходам блока управления гидростанцией, выполненного на основе микроконтроллера, к измерительным входам которого подключены выходы манометра, термореле и поплавкового датчика уровня. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Протектор фонтанной арматуры гидравлический, содержащий неподвижную нижнюю плиту, закрепленную на фланце полого корпуса, представляющего собой тройник, снабженный отводом с ручной задвижкой, при этом корпус выполнен с возможностью его монтажа на фланце стволовой части фонтанной арматуры, во внутреннюю полость корпуса через центральное отверстие нижней неподвижной плиты введен полый шток, жестко закрепленный на верхней подвижной плите и снабженный переходным фланцем для подключения к фланцу патрубка напорной линии для гидроразрыва пласта, отличающийся тем, что на верхнем торце верхней подвижной плиты симметрично относительно вертикальной оси штока установлены первый и второй гидроцилиндры, штоки которых выведены через отверстия, выполненные в верхней подвижной плите, и закреплены на неподвижной нижней плите, протектор снабжен гидростанцией, к напорной магистрали которой подключен гидрораспределитель, подключенный в свою очередь к поршневой и штоковой полостям первого и второго гидроцилиндров, и манометр, при этом гидростанция содержит электродвигатель, насос, соединенный с выходным валом электродвигателя, блок управления и бак с нагревателем масла, термореле и поплавковым датчиком уровня, при этом электродвигатель и нагреватель масла подключены к силовым выходам блока управления гидростанцией, выполненного на основе микроконтроллера, к измерительным входам которого подключены выходы манометра, термореле и поплавкового датчика уровня.

2. Протектор по п.1, отличающийся тем, что блок управления гидростанцией выполнен на основе микроконтроллера, в качестве которого использована микросхема, построенная на 8-разрядном или 32-разрядном ядре, основанном на гарвардской архитектуре с физическим разделением памяти на память программ и память данных.

3. Протектор по п.2, отличающийся тем, что в качестве микроконтроллера использована микросхема на основе AVR-архитектуры или на основе архитектуры микропроцессорных ядер Cortex-M3/M4/M4F.

4. Протектор по п.1, отличающийся тем, что манометр выполнен в виде резистивного датчика давления.

5. Протектор по п.1, отличающийся тем, что силовые выходы блока управления выполнены в виде транзисторных или тиристорных ключей или реле, а измерительные входы – на основе операционных усилителей.