ПРОТЕКТОР ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ Российский патент 2025 года по МПК E21B33/02 E21B33/03 

Настоящее изобретение относится к нефтегазовой области, а именно к устройствам защиты фонтанной арматуры от высоких давлений, агрессивных жидкостей, проникания жидкостей обработки скважин на водной основе внутрь шиберных задвижек фонтанной арматуры в зимнее время, попадания проппанта внутрь шиберных задвижек, применяемых для обработки пластов в целях интенсификации добычи углеводородов.

Протектор фонтанной арматуры (ПФА) предназначен для защиты устьевого оборудования скважины, которым оснащены устья нефтяных или газовых скважин от разрушительного воздействия высокого давления и абразивного (или реже коррозионного) воздействия прокачиваемой смеси во время операций по гидравлическому разрыву пластов (ГРП). ПФА применяется при подготовительных работах к ГРП, в процессе проведения операции ГРП, при проведении различных технологических операций с созданием избыточного давления.

Известен протектор фонтанной арматуры, содержащий опорный фланец для соединения с фонтанной арматурой, опорную плиту с гидроприводом, выполненным из пары гидроцилиндров и штоков с поршнями, цилиндрическую втулку с переводником, размещенную во внутренней полости цилиндрического патрубка с возможностью осевого перемещения относительно цилиндрического патрубка, поджимную втулку, закрепленную на наружной поверхности переводника, уплотнительные манжеты, размещенные на наружной поверхности цилиндрической втулки с возможностью сжатия при взаимодействии с поджимной втулкой, промежуточную и упорную втулки, размещенные соответственно между уплотнительными манжетами и между верхней уплотнительной манжетой и цилиндрическим патрубком. Устройство снабжено головкой, размещенной на наружной поверхности цилиндрической втулки и закрепленной на опорном фланце, при этом головка соединена с цилиндрическим патрубком, а к верхнему концу цилиндрической втулки присоединена стволовая втулка с быстроразъемным соединением, жестко закрепленная с опорной плитой гидропривода (патент RU 54396 U1, опубликовано 27.06.2006 г.).

Недостатком известного протектора фонтанной арматуры является его неудовлетворительная надежность, связанная с тем, что цилиндрическая втулка не входит внутрь трубной подвески фонтанной арматуры (цилиндрического патрубка) и, тем самым, не защищает ее от высокого давления и гидроабразивного воздействия прокачиваемой среды. В результате использования такой конструкции протектора зона крепления трубной подвески подвергается высокому гидроабразивному нагружению, обусловленному возникшей турбулентностью, что при высоком темпе закачки приведет к размыву узлов фонтанной арматуры и деталей трубной подвески и полету на забой. Ликвидировать данное осложнение возможно только при помощи капительного ремонта скважины. Кроме того, цилиндрическая втулка задвигается механическим путем либо под весом самого протектора, что чревато изломом втулки при монтаже. Еще одним недостатком является отсутствие жесткой фиксации опорной плиты и опорного фланца, в результате чего нагрузку принимают штоки гидроцилиндров, что при высоких давления закачки может привести к изгибанию штоков гидроцилиндров, поскольку они работают на продольную устойчивость.

Из уровня техники также известно устьевое устройство для защиты фонтанной арматуры от высокого избыточного давления, включающее установленный на фонтанной арматуре неподвижный фланец с центральным осевым каналом для размещения в нем протектора, два гидравлических цилиндра, соединенных между собой в верхней части траверсой. Каждый цилиндр установлен соосно на полой опоре, закрепленной на неподвижном фланце. Сверху и снизу гидравлические цилиндры закрыты крышками, в которых выполнены каналы для подачи давления в под- и надпоршневые полости. Поршень жестко соединен со штоком силового привода, который установлен внутри опоры и шарнирно соединен с подвижным фланцем, концы которого проходят через прорезь с возможностью возвратно-поступательного движения. В отверстии подвижного фланца закреплена головка, нижняя часть которой соединена с протектором, а верхняя часть через фланец с помощью гибкого шланга или шарнирного трубопровода соединяется с насосом высокого давления. В нижней части головки имеется накидная гайка для закрепления и фиксации протектора после его посадки (патент RU 2030551 C1, опубликовано 10.03.1995 г.).

Недостатком известного устройства для защиты фонтанной арматуры также является невысокая надежность конструкции, обусловленная креплением гидроцилиндров к верхней подвижной плите, что при подаче высокого давления в скважину приводит к чрезмерному нагружению штоков гидроцилиндров и потере их продольной устойчивости, и, как следствие, выходу из строя. Кроме того, конструктивные элементы зоны подачи жидкости в протектор не образуют отверстия с равным диаметром, что при закачке с высоким давлением и высокой скоростью (характерными для операций ГРП) приведет к возникновению турбулентности, интенсивному износу и разрушению данного узла в незначительный промежуток времени. Это в принципе не допускает использование известного устройства в многостадийных ГРП.

Известно устройству для введения скважинных инструментов в ствол скважины под давлением, содержащее лубрикаторную трубку для размещения скважинного инструмента, основание лубрикатора, приспособленное для установки в герметичном уплотнении на верхнюю часть золотника сдерживания давления, при этом основание лубрикатора включает в себя осевой канал, герметично вмещающий трубку лубрикатора, которая может совершать возвратно-поступательное движение через него, лубрикаторную головку, имеющую осевой проход, причем лубрикаторная головка герметично соединена с верхним концом лубрикаторной трубки и обеспечивает основание для смонтированного на ней поддерживающего оборудования, и пару гидравлических цилиндров, соединенных с противоположными сторонами основания лубрикатора и лубрикаторной головки, для возвратно-поступательного движения лубрикаторной трубки и лубрикаторной головки (патент US 6827147 В2, опубликовано 07.12.2004 г.).

Недостаток известного устройства связан с тем, что гидроцилиндры расположены под основанием лубрикатора, что приводит к невозможности установить протектор на фонтанные арматуры больших диаметров без демонтажа части фонтанной арматуры, а также к сложности или принципиальной невозможности монтажа на части фонтанных арматур, имеющих высоту меньше, чем длина гидроцилиндров.

В качестве наиболее близкого технического решения выбрано устройство защиты фонтанной арматуры, содержащее анкерную катушку, имеющую нижний фланец для герметичного соединения с верхним фланцем головки насосно-компрессорной колонны и верхний конец, который уплотнение высокого давления, которое герметизирует кольцевое пространство между верхним концом и посадочным соединением, позволяя при этом вертикальное и вращательное движение посадочного шарнира и анкерной плиты, имеющей соединители для разъемного крепления концов толкателей двух телескопических трехсекционных гидроцилиндров, симметрично расположенных относительно анкерной катушки; и съемную надстройку, содержащую два гидравлических цилиндра и конструкцию поддержки инструмента, соединенную с соответствующими концами цилиндров, причем конструкция поддержки инструмента содержит пластину управления, имеющую верхнюю сторону и нижнюю сторону и включающую канал для жидкости, проходящий между верхней и нижней сторонами (патент US 7438126 B2, опубликовано 21.10.2008 г.).

Основным недостатком ближайшего аналога является его менее жесткая и менее надежная конструкция, обусловленная тем, что гидроцилиндры выполнены из нескольких секций (телескопические), требующих нескольких уплотнений, что снижает эффективную площадь поршней, и при одном и том же давлении в гидроцилиндре развивается меньшее усилие, в результате чего снижается общая надежность. В ближайшем аналоге использованы гидроцилиндры одностороннего действия, что усложняет демонтаж и приводит к необходимости использования грузоподъемных приспособлений. Поскольку телескопические гидроцилиндры изначально имеют нежесткую конструкцию, то возникает необходимость их закрепления в верхней части плитой. Это, в свою очередь, приводит к тому, что точка подачи жидкости в протектор (точка подключения линии высокого давления) находится максимально высоко от устья или фонтанной арматуры, что усложняет демонтаж линий высокого давления и снижает безопасность работ.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, является создание устройства протектора фонтанной арматуры, позволяющего защищать устьевое оборудование от повреждений при проведении работ по гидравлическому разрыву пластов призабойных зон нефтяных и газовых скважин.

Технический результат заключается в повышении надежности протектора фонтанной арматуры.

Технический результат достигается тем, что протектор фонтанной арматуры, содержащий верхний и нижний корпус, верхнюю и нижнюю плиты, два гидравлических цилиндра, штоки которых закреплены на нижней плите, а корпусы гидравлических цилиндров - на верхней плите, при этом нижний корпус протектора закреплен в нижней плите, а верхний корпус протектора - в верхней плите, причем в верхнем корпусе протектора с одной стороны установлен полый шток, а с другой стороны к верхнему корпусу протектора присоединены последовательно соединенные запорные элементы и узел подключения нагнетательной линии высокого давления, согласно изобретению в качестве гидравлических цилиндров содержит гидравлические цилиндры двустороннего действия, верхняя плита закреплена в нижней части корпусов гидравлических цилиндров, а узел подключения нагнетательной линии высокого давления расположен ниже верхних торцов корпусов гидравлических цилиндров, а верхняя плита расположена вблизи гайки, которая связывает нижнюю и верхнюю плиты.

Техническая проблема была решена разработкой устройства, которое обладает более надежной конструкцией за счет применения гидравлических цилиндров двухстороннего действия, использование которых снижает вероятность раскрепления крепежа и повреждения уплотнительных элементов гидроцилиндров. Расположение же верхней плиты на коротком вылете вблизи гайки, которая связывает нижнюю и верхнюю плиты (т.е. максимально близко к гайке), обеспечивает максимальную жесткость конструкции и позволяет расположить запорные элементы не связанными с гидравлическими цилиндрами, тем самым исключая передачу вибрации на них. Такое расположение верхней плиты дает возможность расположить точку подключения линии высокого давления ближе к устью и уменьшить отрицательный эффект вибраций. Расположение узла подключения нагнетательной линии высокого давления ниже верхних торцов корпусов гидравлических цилиндров снижает общую длину элементов протектора, которые подвергаются ветровым и вибрационным нагрузкам от подающих насосов.

Настоящее изобретение поясняется изображениями (фиг. 1-2), пример выполнения устройства протектора фонтанной арматуры на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенные примеры выполнения заявленного изобретения не ограничивают возможностей его осуществления и не являются исчерпывающими. На фиг. 1 представлено заявляемое устройство (вид спереди), на фиг. 2 - изображен вид сбоку заявляемого устройства.

На фигурах 1 и 2 позиции обозначены следующим образом

1 - нижняя плита;

2 - корпус верхний;

3 - корпус нижний;

4 - узел уравновешивания;

5 - катушка переходная;

6 - узел подключения нагнетательной линии высокого давления (головка разводная);

7 - задвижка шиберная механическая;

8 - задвижка шиберная гидравлическая;

9 - первая пробковая задвижка;

10 - вторая пробковая задвижка;

11 - верхняя плита;

12 - гидроцилиндры нижней и верхней плит 1 и 11;

13 - гайка;

14 - полый шток.

Согласно изобретению протектор фонтанной арматуры содержит верхнюю 11 и нижнюю 1 плиты, расположенные одна над другой, гидроцилиндры 12 верхней и нижней плит 1 и 11, верхний корпус 2 протектора и нижний корпус 3 протектора (фиг. 1). К верхней плите 11 протектора присоединены корпусы гидроцилиндров 12 двустороннего действия, причем верхняя плита 11 закреплена в нижней части корпусов гидравлических цилиндров 12. В нижнюю плиту 1 вмонтирован нижний корпус 3 протектора. Штоки гидравлических цилиндров 12 закреплены на нижней плите 1. Верхний корпус 2 протектора закреплен на верхней плите 11. Верхний корпус 2 и нижний корпус 3 соединен между собой гайкой 13. В верхнем корпусе 2 протектора с одной стороны вкручен (установлен) полый шток 14, а с другой стороны к верхнему корпусу 2 протектора присоединены последовательно соединенные запорные элементы 7, 8, катушка переходная 5 и узел 6 для подключения нагнетательной линии высокого давления. Запорные элементы выполнены в виде шиберной механической задвижки 7 и шиберной гидравлической задвижки 8. Узел 6 может быть выполнен в виде разводной головки и служит для подключения нескольких линий высокого давления. Узел 6 расположен ниже верхних торцов корпусов гидравлических цилиндров 12 (фиг. 1).

На верхней плите 11 протектора между корпусами гидроцилиндров 12 закреплены вертикально ориентированные, последовательно соединенные между собой задвижки - шиберная задвижка 7 с механическим приводом и шиберная задвижка 8 с гидравлическим приводом. Разводная головка 6 соединяется с шиберной задвижкой 8 с гидравлическим приводом через переходную катушку 5. Нижний корпус 3 протектора содержит первую 9 и вторую 10 пробковые задвижки (фиг. 2). Протектор может быть снабжен уравнительным узлом 4 (узлом уравновешивания), одним концом закрепленным на разводной головке 6, а другим концом между первой 10 и второй 9 пробковыми задвижками нижнего корпуса 3 протектора. Узел 4 предназначен для уравнивания давления при вводе или выводе протектора в/из скважины.

Протектор комплектуется автономной гидравлической станцией с дизельным приводом с линиями управления гидроцилиндрами и задвижкой 8 шиберной гидравлической.

Задвижка 8 шиберная гидравлическая выполнена с дистанционным управлением. Расположение задвижек 7 и 8 относительно друг друга может изменяться в зависимости от технологии выполнения работ.

Шиберные задвижки 7 и 8 повышают безопасность работ наличием фланцевых соединений.

Дистанционное управление задвижкой 8 не требует нахождения оператора на высоте, оперативного реагирования при выполнении технологических операций и не требует нахождение персонала при манипуляциях оборудованием под давлением

Заявляемый протектор фонтанной арматуры работает следующим образом.

Перед выполнением ГРП протектор с помощью автомобильного крана поднимают с транспортировочного ложемента.

Нижняя плита 1 и верхняя плита 11 разводятся с помощью гидроцилиндров 12 на длину полого штока 14 для его монтажа.

В верхний корпус 2 протектора ввинчивают полый шток 14. Сводя между собой плиты 1 и 11, пропускают полый шток 14 через сальниковое уплотнение нижнего корпуса 3 протектора до выхода полого штока 14 из нижнего корпуса 3. На полый шток 14 навинчивают удлинители, если необходимо удлинение компоновки, и герметизирующую насадку с манжетами. Плиты 1 и 11 разводят на всю длину хода протектора.

В разведенном состоянии протектор фонтанной арматуры устанавливают на верхний фланец фонтанной арматуры или фланец переходной катушки 5, идущий в комплекте с ПФА. Насадку протектора и часть полого штока 14 вводят в полость открытой буферной задвижки. Производят опрессовку фланцевого соединения на давление, определяемое характером работ и возможностями оборудования, но не более чем максимальное рабочее давление фонтанной арматуры или нижнего корпуса 3 протектора.

Открывают коренную и надкоренную задвижки фонтанной арматуры и производят сведение плит 1 и 11 протектора до упора. Механическое закрепление плит производят путем свинчивания и закрепления гайки 13 верхнего корпуса 2.

После сведения плит герметизирующая насадка протектора оказывается установленной в подвесном патрубке лифта насоснокомпрессорных труб или в трубодержателе, отсекая, таким образом, фонтанную арматуру от напорной линии. Для проверки надежности разобщения производят полную разрядку давления в отсеченном малом затрубном пространстве фонтанной арматуры (полость между полым штоком 14 и фонтанной арматурой).

После проверки разобщения фонтанной арматуры и полого штока 14 с насадкой к разводной головке присоединяют напорные линии ГРП и проводят опрессовку линий ГРП при закрытой шиберной задвижке 7 протектора фонтанной арматуры на максимальное рабочее давление, определенное характером работ на не более максимального рабочего давления протектора или напорной линии ГРП.

После проведения ГРП производят демонтаж протектора в обратном порядке.

Изобретение относится к протектору фонтанной арматуры. Техническим результатом является повышение надежности протектора фонтанной арматуры. Протектор содержит верхний и нижний корпусы. Также содержит верхнюю и нижнюю плиты и два гидравлических цилиндра. Штоки гидравлических цилиндров закреплены на нижней плите. Корпусы гидравлических цилиндров закреплены на верхней плите. Нижний корпус протектора закреплен в нижней плите. Верхний корпус протектора закреплен в верхней плите. В верхнем корпусе протектора с одной стороны установлен полый шток, а с другой стороны к верхнему корпусу протектора присоединены последовательно соединенные запорные элементы и узел подключения нагнетательной линии высокого давления. В качестве гидравлических цилиндров протектор содержит гидравлические цилиндры двустороннего действия. Верхняя плита закреплена в нижней части корпусов гидравлических цилиндров. Узел подключения нагнетательной линии высокого давления расположен ниже верхних торцов корпусов гидравлических цилиндров. Верхняя плита расположена вблизи гайки, которая связывает нижнюю и верхнюю плиты. 2 ил.

Протектор фонтанной арматуры, содержащий верхний и нижний корпусы, верхнюю и нижнюю плиты, два гидравлических цилиндра, штоки которых закреплены на нижней плите, а корпусы гидравлических цилиндров - на верхней плите, при этом нижний корпус протектора закреплен в нижней плите, а верхний корпус протектора - в верхней плите, причем в верхнем корпусе протектора с одной стороны установлен полый шток, а с другой стороны к верхнему корпусу протектора присоединены последовательно соединенные запорные элементы и узел подключения нагнетательной линии высокого давления, отличающийся тем, что в качестве гидравлических цилиндров содержит гидравлические цилиндры двустороннего действия, верхняя плита закреплена в нижней части корпусов гидравлических цилиндров, а узел подключения нагнетательной линии высокого давления расположен ниже верхних торцов корпусов гидравлических цилиндров, а верхняя плита расположена вблизи гайки, которая связывает нижнюю и верхнюю плиты.