ШАРНИРНОЕ УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ ПОДВЕСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Техническое решение относится к области добычи нефти и газа и, в частности, к устройствам крепления к погружным насосным установкам дополнительного подвесного оборудования, например, фильтров, скважинных дозаторов, песочных якорей, хвостовиков и т.п.
Известны устройства по патентам №2135743 [1] и №2143545 [2]. Согласно описанию патентов, подвесное оборудование, в данном случае контейнер, жестко крепится к башмаку фонтанных труб с помощью резьбового патрубка.
Недостатком указанных устройств является то, что в скважинах, имеющих кривизну, возникают значительные изгибные усилия на насосно-компрессорные трубы (НКТ) и конструкцию погружного оборудования при его установке в скважине и при спуско-подъемных операциях. Это может привести к деформации спускаемого оборудования. Работа установки электрического центробежного насоса (УЭЦН), например, с изогнутым валом вызывает вибрации и раскрытие сочленений, потерю герметичности НКТ, снижает надежность и срок службы установки.
Наиболее близким техническим решением является шарнирное устройство крепления подвесного оборудования к погружной насосной установке по описанию к свидетельству РФ на полезную модель №29328 [3]. Согласно описанию, устройство содержит резьбовой ниппель (патрубок), крепящийся к насосной установке, верхнюю и нижнюю вилки, бобышку и две оси, причем указанные вилки и бобышка скреплены осями между собой с возможностью поворота вилок относительно друг друга, а указанные вилки имеют резьбовые концы, к которым крепятся соответственно указанный резьбовой ниппель и подвесное оборудование.
Недостатком указанного устройства является большая трудоемкость его изготовления и высокая металлоемкость. Повышенная сложность устройства снижает его надежность.
Решаемая предлагаемым техническим решением задача сводится к упрощению конструкции, повышению технологичности изготовления и повышению надежности устройства крепления. При этом принято во внимание, что подвесное оборудование, подвешиваемое к насосной установке с помощью устройства крепления, как правило, имеет ограниченный вес и не требует герметичности внутренней полости шарнирного устройства крепления.
Поставленная задача решается тем, что в шарнирное устройство крепления подвесного оборудования содержащее первый резьбовой ниппель, крепящийся к насосной установке, и ось, дополнительно введены второй резьбовой ниппель, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра первого ниппеля, причем оба ниппеля имеют поперечные сквозные отверстия в диаметральных плоскостях, в которые вставлена ось, которая закреплена в стенках второго ниппеля и подвижно скрепляет оба ниппеля между собой, причем, отверстие в стенках первого ниппеля имеет размеры большие, чем диаметр оси, а подвесное оборудование крепится к резьбе второго ниппеля.
Сквозное отверстие в стенках первого ниппеля выполнено круглым или в виде щели, ориентированной вдоль образующей поверхности указанного ниппеля, причем диаметр указанного отверстия или продольный размер указанной щели определяется как:
или
а поперечный размер щели как:
нар
где D - наружный диаметр первого ниппеля;
оси
D - диаметр оси:
α - заданный угол отклонения шарнирного устройства;
δ - люфт, обеспечивающий свободное перемещение оси относительно стенок отверстия.
В устройство дополнительно введена шайба, которая крепится на гладком конце второго резьбового ниппеля, а диаметр отверстия шайбы равен сумме удвоенного расстояния от центра оси до верхней плоскости шайбы, умноженного на тангенс заданного угла отклонения шарнира и наружного диаметра первого ниппеля, а стенки отверстия шайбы имеют наклон, равный заданному углу отклонения шарнирного устройства.
В устройство дополнительно введены ограничители, выполненные в виде втулок или пластин, которые крепятся к наружной поверхности первого ниппеля в области его поперечного отверстия и препятствуют смещению первого ниппеля вдоль оси.
Ограничитель выполнен в виде втулки, симметрично установленной в поперечном отверстии первого ниппеля и закрепленной в его стенках, длина втулки
определяется величиной внутреннего диаметра второго ниппеля, а концы втулки выполнены сферически закругленными радиусом, равным величине внутреннего радиуса второго ниппеля.
Втулка имеет раструбы на концах, причем угол наклона внутренних стенок раструба относительно оси втулки равен заданному углу отклонения шарнирного устройства.
Раструбы втулки выполнены плоскими и ориентированы вдоль первого ниппеля, а меньшая ширина внутреннего сечения раструба постоянна по длине втулки и равна внутреннему диаметру втулки в ее центре, который превышает диаметр оси на величину зазора, необходимого для свободного поворота втулки на указанной оси, а радиус закругления внутреннего сечения раструба равен половине его меньшей ширины, а большая ширина внутреннего сечения раструба определяется как:
где х - расстояние от оси первого ниппеля до сечения, в котором определяют величину L(х).
Предлагаемое устройство освобождает конструкцию погружной насосной установки и подвесного оборудования от изгибающих нагрузок. За счет этого повышаются надежность и срок службы погружной насосной установки и подвесного оборудования. Введение в конструкцию шарнира второго ниппеля и ограничителей позволяет упростить устройство и сделать его более технологичным и надежным. Устранение изгибающих нагрузок при спуско-подьемных операциях в искривленных скважинах в свою очередь, позволяет облегчить конструкцию подвесного оборудования и выполнять ее менее прочной. Это позволяет снизить металлоемкость и увеличить полезный объем подвесного оборудования.
Конструкция заявляемого устройства и его оптимальные варианты представлены на фиг.1-фиг.11.
На фигуре 1 представлен вид варианта шарнирного устройства когда погружная насосная установка и прикрепленное к ней подвесное оборудование находятся в прямолинейном участке скважины.
На фигуре 2 то же самое шарнирное устройство при отклонении осей первого и второго резьбовых ниппелей, например, при прохождении погружной насосной установки с прикрепленному к ней погружным оборудованием криволинейного участка скважины.
На фигуре 3 представлены геометрические построения, объясняющие выбор размеров поперечного отверстия в первом резьбовом ниппеле.
На фигуре 4 представлен вариант шарнирного устройства с дополнительно введенной шайбой на гладком конце второго ниппеля.
На фигуре 5 показан разрез А-А для случая, когда поперечное сечение отверстия в первом резьбовом ниппеле выполнено круглым.
На фигуре 6 представлены геометрические построения, для обоснования выбора необходимой ширины внутреннего отверстия шайбы. Поперечное отверстие в первом резьбовом ниппеле здесь показано щелеобразным.
На фигуре 7 представлен вариант устройства, в которое введены ограничители крепящиеся с обеих сторон первого резьбового ниппеля в области поперечного отверстия.
На фигурах 8 и 9 представлены поперечные разрезы А-А для вариантов исполнения ограничителей круглого или щелеобразного сечения.
На фигуре 10 представлен вариант шарнирного устройства в котором ограничитель выполнен в виде втулки, симметрично установленной в поперечном отверстии первого ниппеля и имеющей раструбы на концах.
На фигуре 11 представлен вариант, когда раструбы выполнены по всей длине втулки.
На фигурах:
1 - первый резьбовой ниппель;
2 - второй резьбовой ниппель;
3 - ось;
4 - погружная насосная установка;
5 - подвесное оборудование;
6 - шайба;
7 - ограничитель.
Ниппель 1 имеет на конце резьбу, ответную с внутренней резьбой на конце погружной насосной установки 4. На противоположном конце ниппеля 1 выполнено сквозное поперечное отверстие с кругльм или продолговатым щелевым сечением, см. фиг.1, фиг.5 и фиг.6. По сравнению с круглым отверстием (фиг.5), отверстие щелевого сечения (фиг.6) меньше ослабляет сечение металла ниппеля 1 и поэтому является предпочтительным для повышения грузонесущей способности шарнирного устройства. Второй ниппель 2 имеет круглое поперечное сквозное отверстие, в которое вставлена ось 3. Концы оси 3 закреплены в стенках второго ниппеля 2, например, с помощью сварки, как это показано на фигуре 1 или с помощью резьбы, как на фигурах 10. Для крепления оси 3 также могут быть использованы, например, шплинты или пружинные шайбы, на фигурах не показаны.
Ниппель 1 может быть выполнен сплошным или пустотелым из трубы. При этом толщина стенок ниппеля 1 выбрана такой, чтобы площадь контакта его стенок и оси 3 была достаточной для предотвращения смятия поверхности оси 3 под весом прилагаемых нагрузок. При выполнении поперечного отверстия в ниппеле 1 щелевым, оно ориентированно продольно относительно образующей ниппеля.
Как следует из геометрических построений, представленных на фигуре 3, диаметр или наибольший просвет сечения поперечного отверстия ниппеля 1 должны быть выбраны так, чтобы выполнялось равенство:
или
см. также фигуры 5 и 6.
Поперечный размер щелевого отверстия выбран как:
В выражениях (1), (2) и (3):
отв
D - диаметр поперечного отверстия ниппеля 1;
нар
D - наружный диаметр ниппеля 1;
оси
D - диаметр оси 3:
α - заданный угол отклонения шарнирного устройства;
δ - люфт, обеспечивающий свободное вращение ниппеля 1 относительно оси 3.
В верхней торцевой плоскости второго ниппеля 2 крепится, например, с помощью сварки, шайба 6, см. фигуру 4. Шайба препятствует отклонению шарнирного устройства сверх заданного угла α, что облегчает захват погружного оборудования, например, при проведении ловильных работ в скважине в случаях «полета» подвесного оборудования.
Как следует из схемы, представленной на фигуре 6, внутренний диаметр шайбы 6 должен быть равен сумме наружного диметра первого ниппеля и удвоенной величины зазора b. В свою очередь, величина зазора b определяется выражением:
где α - центра оси 3 до верхней плоскости шайбы 6.
Края шайбы 6 выполнены со скосом, причем угол наклона выбран равным заданному предельному углу отклонения α шарнирного устройства.
К наружной поверхности первого ниппеля 1 в области поперечного отверстия прикреплены ограничители 7, которые могут представлять собой пластины, круглые или овальные втулки и т.п., см. фигуры 7, 8, 9. Размеры указанных ограничителей 7 и размеры сквозного поперечного отверстия в ниппеле 1 выбраны такими, чтобы ограничить боковое смещение ниппеля 1 относительно ниппеля 2 и, вместе с тем, не препятствовать повороту оси ниппеля 1 в любом направлении относительно оси ниппеля 2 на заданный угол α.
Шайба 6 может отсутствовать, как это показано на фигурах 1,7. Также могут отсутствовать ограничители 7, как это показано на фигурах 1, 2, 4.
Ограничитель 7 может быть выполнен в виде втулки, закрепленной в поперечном отверстии ниппеля 1 симметрично относительно оси указанного ниппеля, см. фигуры 10 и 11. Внутреннее поперечное сечение втулки 7 может быть постоянным по длине круглым или щелевым. Как следует из фигур 10 и 11, применение втулки 7 увеличивает площадь давления на поверхность оси 3 и, следовательно, снижает контактные напряжения на указанную поверхность под нагрузкой. Тем самым повышается грузоподъемность устройства.
Ограничитель 7 может иметь раструбы на концах, см. фигуру 10 или 11. Указанные раструбы также могут быть выполнены по всей длине ограничителя, как это показано на фигуре 11. Угол наклона раструбов выбирается равным заданному углу отклонения шарнира.
Раструбы могут быть плоскими, и ориентированы вдоль первого ниппеля, см. фигуру 9. При этом меньшая ширина внутреннего сечения раструба ограничителя 7 постоянна и превышает диаметр оси 3 на величину зазора, необходимого для свободного поворота ограничителя на указанной оси 3. Радиус закругления внутреннего сечения раструба равен половине его меньшей ширины. Большая ширина внутреннего сечения раструба определяется как:
где х - расстояние от оси первого ниппеля, см. фигуру 11.
Устройство работает следующим образом. Верхнюю часть резьбового ниппеля 1 крепят к нижнему концу погружной насосной установки 4, например, к резьбовому отверстию компенсатора погружного центробежного насоса. К резьбовому концу второго ниппеля 2 крепят подвесное оборудование 5, например, контейнер-дозатор для химреагентов, песочный якорь, фильтр и т.п., см. фигуры 1, 4 и 7. Затем собранные погружное оборудование 5, заявляемое устройство и погружную насосную установку 4
опускают на колонне НКТ (на фигурах не показана) в наклонную или искривленную скважину на расчетную глубину обычным образом. Во время прохождения искривленного участка скважины благодаря подвижности ниппеля 1 относительно ниппеля 2 продольная ось подвесного оборудования 5 легко отклоняется от продольной оси насосной установки 4 на угол, определяемый кривизной скважины, см. фигуры 2, 6 и 10. Этим устраняются изгибающие усилия, воздействующие на подвесное оборудование 5 и насосную установку 4.
В результате этого повышаются надежность и срок службы погружной насосной установки и подвесного оборудования. В свою очередь, устранение изгибающих нагрузок, позволяет выполнять конструкцию подвесного оборудования менее прочной, а, следовательно, более легкой. Это позволяет снизить металлоемкость и увеличить полезный объем подвесного оборудования.
Источники информации:
1. Патент №2143545, МПК Е 21 В 37/06, опубл. 1999.12.27.
2. Патент №2170322, МПК Е 21 В 17/05, опубл. 2001.07.10.
3. Свидетельство РФ на полезную модель №29328, опубл. 10.05.2003 г.