РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ

Предложение относится к оборудованию для бурения, точнее к устройствам для разъединения колонны труб с оборудованием, опускаемым и размещаемым в скважине, например, пакерами. Эти устройства называют разъединителями или расцепами.
Строго определенная терминология в описании конструктивных элементов разъединителей к настоящему времени еще не выработана. Поэтому в настоящем описании будут использованы термины, наиболее общие для большинства источников из уровня техники или наиболее верные, по мнению заявителя. Термины источников, обозначающие эквивалентные признаки, но отличающиеся от принятых в настоящем описании, будут указываться в скобках сразу после термина, принятого в описании. В настоящем описании будут использованы следующие термины:
Разъединитель - устройство, используемое для разъединения (расцепления) колонны труб с расположенным ниже оборудованием, например, пакером. Иногда такое устройство называют расцепом.
Корпус и ствол - основные детали, разъединителя телескопически вложенные одна в другую и разъединяемые при срабатывании разъединителя. Одна из этих деталей остается в скважине, другая - на колонне труб. Ниже корпусом будет называться деталь, охватывающая ствол.
Фиксирующие элементы - элементы, служащие для соединения (сцепления) корпуса и ствола. Ими могут быть цанги, срезные болты, сухари (вкладыши) различной конфигурации.
Поршень - деталь, установленная с возможностью скольжения в полости разъединителя и перемещаемая прямолинейно в осевом направлении под давлением жидкой среды. Назначение поршня - перевод фиксирующих элементов из положения «сцеплено» в положение «расцеплено».
Наиболее часто в уровне техники используются поршни со сквозным отверстием в центральной части, установленные в кольцевой полости корпуса, ствола или между корпусом и стволом. Смещение поршня происходит под действием разницы давлений среды на его торцевые поверхности. Такие поршни, имеющие вид втулки, называются кольцевыми. Часто в уровне техники они называются просто втулками или гильзами.
На боковых (внутренней и внешней) поверхностях кольцевого поршня обычно располагаются уплотнительные элементы, наподобие поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. Такие уплотнительные элементы могут располагаться и на боковых стенках деталей, образующих кольцевую полость.
Самые простые по конструкции разъединители, срабатывают от внешних механических воздействий на фиксирующие элементы, например натяжения или рывков троса (см. например, RU 21222104, RU 56472 U1, RU 81254 U1) или ударов канатного ударного инструмента, например цилиндрической кувалды (RU 2203386). Однако применение таких устройств требует много времени и возможно в ограниченном числе случаев.
Известны разъединители с силовым приводом расцепляющего устройства, срабатывающим под воздействием давления жидкости в внутритрубном или затрубном пространстве скважины. В конструктивном отношении практически все они представляют собой телескопическое устройство, содержащее корпус и расположенный внутри него соосный с ним полый ствол, сцепленный с корпусом с помощью срезных элементов (болтов, штифтов), цанг или сочетания срезных элементов с цангами (SU 1286735, RU 2104390, RU 2203385, RU 2273721, US 3559732, US 4449736, US 6125939). Все устройства подобного вида сложны в изготовлении, не всегда обеспечивают симметричное одновременное расцепление ствола и корпуса, а из-за большой величины осевого смещения, требуемого для расцепления ствола и цанги, склонны к заеданию. Срезные элементы, усложняющие конструкцию и эксплуатацию разъединителей необходимы далеко не всегда, поскольку вес оставляемого в скважине оборудования обычно не очень велик. Детали разъединителя, осуществляющие срез этих элементов, должны развивать и выдерживать усилие, необходимое для среза. А это утяжеляет разъединитель.
Более близкими к предложенному являются разъединители, содержащие корпус и расположенный внутри него соосный с ним полый ствол, сцепленный с корпусом с помощью фиксирующих элементов, располагаемых с заходом в гнезда или выточки корпуса.
Известен разъединитель по US 4040649, содержащий корпус, телескопически установленный внутри него полый ствол, уплотнительные элементы между корпусом и стволом, кольцевой поршень, установленный в полости корпуса, и фиксирующие элементы, в виде шариков, установленных по окружности в окнах-отверстиях корпуса и входящих в кольцевую канавку на наружной поверхности ствола. Радиальное смещение шариков, которое обеспечивает расцепление, предотвращается их упором в боковую стенку кольцевого поршня. На своей внутренней боковой поверхности поршень имеет кольцевую канавку, расположенную выше шариков. Корпус имеет отверстия, сообщающие затрубное пространство скважины с полостью над верхней торцевой частью поршня. При рассоединении (расцеплении) устройства, увеличивают давление в затрубной части скважины, поршень смещается книзу, канавка на его боковой поверхности оказывается напротив шариков. Шарики смещаются в образовавшееся свободное пространство по радиусам кнаружи, освобождая тем самым канавку ствола и расцепляя устройство.
Недостатком известного устройства являются его техническая сложность, и высокие требования к точности, затрудняющие и удорожающие изготовление. Использование нескольких фиксирующих элементов снижает надежность срабатывания из-за высокой вероятности их заедания. Не все фиксирующие элементы могут одновременно выходить из зацепления с корпусом из-за погрешностей изготовления и сборки или загрязнений.
Известен также устройство для посадки пакера по RU 2205939, содержащее корпус, телескопически установленный внутри него полый ствол (втулка, или седло в терминологии источника). Между втулкой и корпусом установлены уплотняющие элементы. Назначение этой втулки (седла) иное, чем у ствола в других известных разъединителях. Но если ее удлинить, то есть выполнить в виде ствола, то известное устройство превратится в разъединитель. Поэтому далее при описании этого аналога указанная полый подвижной элемент («седло» согласно источнику) будет называться стволом.
Корпус и ствол сцеплены посредством нескольких расположенных в одной плоскости фиксирующих элементов (кулачков), входящих в кольцевую проточку ствола и в окна стенки корпуса. Радиальное смещение фиксирующих элементов предотвращается тем, что их торцы упираются в боковую поверхность (юбку) кольцевого поршня со ступенчатым днищем, установленного на пружине в цилиндрической полости корпуса. Между стенками полости и поршнем установлены уплотнения, а в стенках корпуса имеются отверстия, сообщающие внутритрубное и затрубное пространства скважины с полостями над и под поршнем. Самопроизвольное перемещение поршня предотвращается срезными винтами, фиксирующими дополнительную выравнивающую кольцевую втулку, установленную над поршнем и не позволяющей ему смещаться.
При подаче давления жидкой среды на торец выравнивающей втулки через отверстие в корпусе, она срезает винты и смещается вверх, освобождая место для поршня, который под давлением пружины смещается вдоль оси корпуса. В результате этого участок (ступень) днища поршня с большим диаметром оказывается напротив фиксирующих элементов, и они выдавливаются в образовавшийся зазор, разъединяя ствол и корпус. Недостатком известного устройства являются его техническая сложность, затрудняющая и удорожающая изготовление, а также низкая надежность срабатывания. Необходимость использования нескольких фиксирующих элементов сложной конфигурации, а также прямоугольных окон на корпусе существенно усложняет сборку и удорожает изготовление разъединителя. Надежность срабатывания низка из-за высокой вероятности заедания фиксирующих элементов. Не все фиксирующие элементы могут одновременно выходить из зацепления с корпусом из-за погрешностей изготовления и сборки или загрязнений.
Известно также устройство для соединения и разъединения колонны труб с пакером по SU 981579, содержащее корпус и ствол (муфта плюс ниппель), сцепленные между собой фиксирующим элементом в виде цанги. Кольцевой поршень с уплотнительными элементами на боковых поверхностях установлен в кольцевой полости между муфтой и ниппелем. Для передачи давления среды на поршень, ствол имеет отверстие, сообщающее полость под поршнем с затрубным пространством. Высвобождение цанги, то есть расцепление корпуса и ствола происходит при движении поршня вверх.
Недостатком известного устройства является его невысокая надежность, обусловленная склонностью к заеданиям из-за большой величины осевого смещения, требуемого для высвобождения цанги. Кроме того, оно сложно в изготовлении и имеет избыточный вес.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является разъединитель по SU 1477895, содержащий телескопически соединенные корпус с проточкой и установленный в нем с возможностью скольжения полый ствол (шпиндель), уплотнительные элементы между корпусом и стволом, дискретные фиксирующие элементы (вкладыши), установленные в окнах ствола и входящие в проточку корпуса, а также полую втулку, расположенную внутри ствола и подпружиненную относительно него, и имеющую по окружности окна со скосами, в которые входят скошенные концы фиксирующих элементов. Верхняя часть втулки выполнена в виде седла шарового клапана. Между корпусом и стволом, а также стволом и втулкой установлены уплотняющие элементы.
Для рассоединения корпуса и ствола на полую втулку опускают бросовый шар, превращая ее таким образом в поршень, полностью подобный автомобильному: днище - торец (седло) втулки плюс шар, юбка - боковая поверхность втулки, уплотнительные элементы - поршневые кольца. Втулка становится способной воспринимать давление жидкой среды из внутритрубного пространства и смещаться внутри ствола вниз под воздействием этого давления. Смещаясь, поршень (втулка плюс шар) высвобождает фиксирующие элементы (фиксирующие вкладыши) и одновременно взаимодействием скосов на фиксирующих элементах и окнах на боковой поверхности втулки выводит их из зацепления с корпусом, рассоединяя тем самым корпус и ствол.
Недостатком известного устройства является необходимость применения бросового шара, что усложняет использование разъединителя. Возможная негерметичность днища поршня, образуемого парой втулка-шар, например, из-за загрязнения вершины втулки, на которую садится шар, снижает надежность срабатывания разъединителя. Надежность срабатывания снижается также тем, что из-за погрешностей изготовления и сборки или загрязнений, не все фиксирующие элементы могут одновременно выходить из зацепления с корпусом. Необходимость использования нескольких фиксирующих элементов сложной конфигурации, а также прямоугольных окон на стволе и окон со скосами на боковой поверхности втулки, существенно усложняет и удорожает изготовление разъединителя.
Технический результат от использования предложенного разъединителя состоит в упрощении его изготовления и удешевлении, повышения его надежности, в особенности при работе в загрязненной среде, а по сравнению с прототипом - еще и в упрощении использования.
Указанные недостатки устраняются тем, что в известном разъединителе, содержащем телескопически соединенные корпус и установленный внутри него полый ствол, уплотнительные элементы между корпусом и стволом, фиксирующий элемент и подпружиненный относительно ствола кольцевой поршень с уплотнительными элементами, корпус имеет кольцевую канавку на внутренней поверхности, ствол на конце имеет удлиненную проточку, на которой установлен кольцевой поршень, наружная боковая поверхность верхней части поршня выполнена ступенчатой, с уменьшающимся к торцу поршня диаметром ступеней, фиксирующий элемент выполнен в виде разрезного пружинного кольца, установленного в растянутом состоянии на первую ступень, и взаимодействующего со стенками указанной кольцевой канавки, а в корпусе имеются отверстия, сообщающие полость над поршнем с затрубным пространством скважины.
Кроме того, кольцевая канавка выполнена со скошенной под углом 30…60° верхней боковой стенкой.
Кроме того, нижняя часть ствола дополнительно содержит устройство для регулировки усилия сжатия пружины.
Благодаря выполнению фиксирующего элемента в виде разрезного пружинного кольца обеспечивается высокая надежность срабатывания разъединителя, упрощается и удешевляется его изготовление, снижается масса.
Благодаря наличию удлиненной проточки на нижнем конце ствола, между ним и корпусом образуется полость, в которой размещается кольцевой поршень.
Благодаря размещению кольцевого поршня в зазоре между корпусом и проточкой ствола упрощается конструкция и изготовление разъединителя, повышается его безотказность при работе в загрязненной среде.
Благодаря выполнению наружной боковой поверхности верхней части поршня ступенчатой обеспечивается работоспособность предложенного разъединителя и повышается его надежность по сравнению с аналогами, поскольку смещение фиксирующего кольца по гладкой поверхности ступени большего диаметра и его соскок на ступень меньшего диаметра происходят без затруднений и при очень небольшом ходе поршня.
Отверстия в корпусе или стволе, сообщающие полость над поршнем с затрубным или внутритрубным пространством, необходимы для обеспечения работоспособности устройства.
Благодаря выполнению канавки со скошенной под углом 30…60° верхней боковой стенкой повышается надежность разъединителя за счет облегчения схода фиксирующего кольца со ступени поршня.
Благодаря оснащению разъединителя устройством для регулировки усилия сжатия пружины повышается его надежность за счет создания возможности подстройки усилия срабатывания к условиям конкретной скважины.
Существо предложения иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображен продольный разрез предложенного разъединителя в положении «сцеплено».
На фиг.2 изображен продольный разрез предложенного разъединителя в положении «расцеплено».
Предложенный разъединитель содержит корпус 1, внутри которого сверху установлен с возможностью скольжения полый ствол 2. Полый канал 3 по оси ствола 2 служит для сообщения внутритрубного пространства трубной колонны над разъединителем с объектами, расположенными ниже разъединителя. Корпус 1 имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность. Наружная поверхность входящего в него ствола 2, выполнена ступенчатой, с уменьшающимся книзу диаметром проточек-ступеней. Верхняя наружная часть ствола 4 имеет диаметр, близкий к наружному диаметру корпуса 1. Торцевая часть этой проточки служит для ограничения их взаимного перемещения во встречном направлении. Средняя часть 5 ствола 2 служит для его центрирования в корпусе 1. Нижняя удлиненная проточка (ступень) 6 имеет существенно меньший диаметр. Далее она будет называться хвостовиком.
Между средней частью 5, и охватывающей ее с минимальным зазором внутренней поверхностью корпуса 1 установлены уплотнительные элементы 7. На чертежах в качестве примера показано, что кольцевые канавки 8, в которых установлены уплотнительные элементы 7, выполнены на стволе 2.
В зазоре между корпусом 1 и хвостовиком 6 установлен с возможностью скольжения кольцевой поршень 9. Наружная боковая поверхность его верхнего конца выполнена ступенчатой. Между поршнем 9 и корпусом 1, а также между корпусом 9 и хвостовиком 6 установлены уплотнительные элементы 10. На чертежах в качестве примера показано, что уплотнительные элементы 10 установлены в канавках 11 на боковых поверхностях поршня 9.
В средней части корпуса 1 имеются радиальные отверстия 12, сообщающие полость 13 над поршнем с затрубным пространством. Они необходимы для передачи давления среды из затрубного пространства на поршень. Эти отверстия снабжены резьбой. В них завинчиваются короткие болты, служащие заглушками при транспортировании, хранении и испытаниях разъединителя. Число отверстий зависит от диаметра корпуса и лежит в пределах от двух до двенадцати. Несколько ниже отверстий 12 во внутренней стенке корпуса 1 проточена кольцевая канавка 14. Верхняя боковая стенка 15 канавки образует угол α=30…60° с осью корпуса.
1
2
В канавке 14 установлен фиксирующий элемент в виде разрезного пружинного кольца 16, находящегося в растянутом состоянии. Это состояние обеспечивается тем, что кольцо надето на ступень 17 гильзы 9, имеющую диаметр D, больший, чем его внутренний диаметр d в свободном состоянии. Поршень 9 имеет также ступень 18, диаметр D которой равен или немного меньше диаметра d. Пруток, из которого свернуто кольцо 16, может иметь круглую, прямоугольную или иную форму поперечного сечения. Его размер в радиальном направлении t должен быть немного меньше величины зазора h между ступенью 18 и внутренней поверхностью корпуса 1. Экспериментально установлено, что пружинное кольцо из прутка круглого сечения, наиболее простое в изготовлении, обеспечивает достаточную прочность соединения и высокую надежность срабатывания разъединителя.
Для постоянного поджатия торцевой части 19 ступени 17 к кольцу 16 поршень 9 установлен на пружине 20, упирающейся вторым своим концом на устройство для регулировки усилия ее сжатия. В качестве примера на чертежах это устройство изображено в виде специальной гайки 21, навертываемой на резьбовую часть 22 хвостовика 6. Втулки 23 служат для центрирования пружины 20 на хвостовике 6, а шплинт 24 предотвращает отвертывание гайки 27 после регулировки усилия поджатия.
Нижняя часть корпуса 1 имеет участок 25 с резьбой для присоединения оборудования, которое надлежит установить в скважине, например, пакера или клапана. Верхняя часть ствола 2 имеет участок 26 с резьбой для присоединения к колонне труб. Резьба участков 25 и 26 может быть как внутренней, так и внешней.
Работает предложенный разъединитель следующим образом.
Резьбовым участком 26 разъединитель соединяется с пакером, а участком 25 - с трубной колонной. Вес пакера передается трубной колонне по следующей кинематической цепочке: пакер - корпус 1 - скошенная под углом стенка 15 канавки 14 - пружинное кольцо 16 - ступень 17 и ее торцевая часть 19 - поршень 9 - верхняя втулка 23 - пружина 20 - нижняя втулка 23 - гайка 24 - хвостовик 6 ствола 2.
После герметизации пакера в скважине в ее затрубное пространство под давлением подается жидкая среда, которая, проникая через отверстия 72 в полость 13 над поршнем 9, смещает поршень, преодолевая усилие пружины 20. Ступень 17 большего диаметра выскальзывает из пружинного кольца 16, которое сжимается до своего свободного диаметра, выходя из канавки 14 и освобождая тем самым ствол 2. Наличие скошенной стенки 15 гарантирует соскальзывание кольца 16 даже если оно потеряло свою упругость. При угле α, меньшем 30°, возможно заедание кольца 16 на стенке 15, а при угле α, большем 60°, возникает опасность заклинивания поршня 9.
После разъединения устройства корпус 1 остается на пакере. Его прочность достаточна для захвата инструментом при срыве и извлечении пакера.