Неметаллический уплотнительный элемент
NON-METALLIC SEALING ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предлагаемое изобретение относится к устройству, используемому при эксплуатации морских и наземных скважин, а именно к конструкции неметаллического уплотнительного элемента, предназначенного для герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора используются уплотнения различных видов, предназначенные для предотвращения или уменьшения утечки жидкости или газа через зазоры между деталями.
Обычно для упомянутых целей применяют уплотнения металл по металлу. Также, при повреждении уплотнительных поверхностей обычно используют аварийное затрубное уплотнение с неметаллическим уплотнителем.
Частным вариантом неметаллического уплотнения является уплотнение, требующее сжатия для своей активации.
При этом в контексте настоящего документа под активацией уплотнения следует понимать процесс перехода уплотнения из исходного положения в рабочее положение, в котором посредством сжатия упругого уплотнения достигается герметизация кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора.
Аналогично, под деактивацией уплотнения следует понимать процесс перехода уплотнения из рабочего положения в исходное положение.
При использовании неметаллического уплотнения, требующего сжатия для активации, необходимо обеспечить фиксацию сжимающего механизма для гарантированного сохранения деформации неметаллического уплотнения с целью поддержания его герметичности.
Наиболее близкое техническое решение, выбранное в качестве прототипа заявленного изобретения - комбинированный уплотнитель обсадных труб для подводных скважин, известный из документа RU 2691416 С1 (опубликован 13.06.2019).
Известный из упомянутого документа уплотнитель включает герметизирующий узел, кольцевую втулку, якорь, хвостовик. Герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры с пазом, упругих уплотнений и металлических уплотнений, размещенных в составном корпусе. Составной корпус выполнен из двух частей, снабженных осью. Ось через паз опоры имеет возможность ограничения перемещения опоры в корпусе. Уплотнения выполнены из резины и содержат резиновое уплотнение в форме трапеции в продольном сечении с вогнутым большим основанием, с округленными вершинами, и зеркально ему расположенным резиновым уплотнением. Между уплотнениями размещено резиновое уплотнение в форме многоугольника в продольном сечении с округленными вершинами, которое отделено от уплотнений металлическими тарелками соответственно. Тарелки повторяют форму уплотнений и используются в качестве разделителей в транспортном положении и в качестве уплотнений в рабочем положении уплотнителя. Узел содержит срезной штифт с возможностью взаимодействия опоры с частью корпуса. Часть корпуса соединена срезным штифтом с втулкой с пазами на торце, в которых размещены клиновые плашки якоря. Втулка расположена на якоре и подпружинена с ним пружиной. На якоре расположена часть корпуса, связанная с ним через стопорное кольцо. На якоре размещены сухари для фиксации уплотнителя в пазу на кондукторе и сухари для фиксации уплотнителя в пазу на технической колонне. Хвостовик выполнен со стопорным кольцом, соединен с инструментом посадки уплотнителя и имеет возможность фиксирования уплотнителя на кондукторе и на технической колонне одновременно.
Техническое решение, известное из документа RU 2691416 С1, позволяет обеспечить автономное использование комбинированного уплотнителя в условиях высокого осевого давления при спуске в подводную скважину.
Тем не менее, в процессе эксплуатации обсадных труб в скважине на узлы их соединений воздействуют дополнительные осевые нагрузки, возникающие, в частности, вследствие эффекта термического расширения обсадных труб в скважине.
При возникновении указанных осевых нагрузок усилие сжатия, обеспечивающее герметичность известного уплотнителя, ослабляется за счет того, что указанные нагрузки воспринимают плашки известного устройства.
Кроме того, для деактивации известного уплотнителя необходимо приложить значительное усилие, которое позволит произвести срыв плашек известного уплотнителя, обеспечив таким образом упомянутую деактивацию.
Таким образом, технической проблемой, решаемой созданием настоящего изобретения, стала необходимость создания неметаллического уплотнительного элемента, обеспечивающего надежную герметизацию кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора в условиях повышенных осевых нагрузок при эксплуатации, возникающих, в том числе, вследствие термического расширения обсадных труб в скважине.
Кроме того, технической проблемой, решаемой созданием настоящего изобретения, стала необходимость создания неметаллического уплотнительного элемента, обеспечивающего упрощение процесса деактивации за счет снижения величины усилия, которое необходимо приложить для упомянутой деактивации.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом, достигаемым посредством заявленного изобретения, является снижение величины усилия сжатия, необходимой для активации неметаллического уплотнительного элемента и его фиксации, достигаемое за счет ограничения линейного перемещения элементов, сжимающих неметаллический уплотнительный элемент. При этом упомянутая величина усилия сжатия не зависит от параметров установки, в частности, от сцепления корпуса затрубного уплотнения с корпусом подвески обсадной колонны, наличия шлама на опорном торце, смещения корпусов относительно друг друга. Сама степень сжатия неметаллического уплотнительного элемента не зависит от осевых нагрузок, воздействующих на конструктивные элементы неметаллического уплотнительного элемента со стороны подвески обсадной колонны и корпуса колонной головки колонны кондуктора, в том числе, возникающих вследствие термического расширения обсадных труб.
Таким образом, посредством заявленного неметаллического уплотнительного элемента достигается повышение надежности герметизации обсадных труб при эксплуатации.
Кроме того, неметаллический уплотнительный элемент согласно настоящему изобретению обеспечивает упрощение процесса деактивации неметаллического уплотнительного элемента за счет снижения величины усилия, которую необходимо приложить для упомянутой деактивации.
При этом величина усилия деактивации заявленного неметаллического уплотнительного элемента в разы меньше, чем усилие его активации. Упомянутое усилие деактивации не зависит от усилия активации и может произвольно регулироваться при помощи срезных элементов заявленного неметаллического уплотнительного элемента.
Поставленная техническая проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что предлагаемый согласно настоящему изобретению неметаллический уплотнительный элемент для герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора содержит:
нижний упор с внутренней кольцевой канавкой, размещенный в полости, образованной кольцевым выступом, выполненным по периметру внешней поверхности корпуса подвески обсадной колонны между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора, при этом участок нижнего упора, прилегающий к корпусу колонной головки колонны кондуктора, содержит пазы, выполненные с возможностью размещения ограничивающих сегментов;
корпус, содержащий первый, второй и третий участки;
верхний упор, содержащий концевой элемент;
первый и второй промежуточные упорные элементы;
первое и второе неметаллические уплотнения;
причем первый участок корпуса содержит внутреннюю выточку, формирующую пространство для размещения концевого элемента верхнего упора, и представляет собой цангу, содержащую первый ряд сегментов, выполненных с возможностью зубчатого зацепления с первым промежуточным упорным элементом, и второй ряд сегментов, выполненных с возможностью зубчатого зацепления со вторым промежуточным упорным элементом;
второй участок корпуса выполнен толщиной по существу равной ширине внутренней кольцевой канавки нижнего упора, при этом между вторым участком корпуса и корпусом колонной головки колонны кондуктора размещено первое неметаллическое уплотнение, а между вторым участком корпуса и корпусом подвески обсадной колонны размещено второе неметаллическое уплотнение;
третий участок корпуса содержит внешнюю канавку, выполненную с возможностью фиксации пружинного кольца в исходном положении, и продольное углубление, выполненное с возможностью фиксации корпуса относительно нижнего упора посредством размещения в упомянутом углублении части ограничивающих сегментов, выступающей из пазов нижнего упора с обеспечением прилегания;
первый и второй промежуточные упорные элементы выполнены с возможностью фиксации относительно друг друга, а также корпуса посредством фиксирующих штифтов;
причем корпус, промежуточные упорные элементы и верхний упор выполнены с возможностью линейного перемещения из исходного положения в рабочее положение с обеспечением перемещения пружинного кольца из канавки в продольное углубление третьего участка корпуса и активацией неметаллических уплотнений;
при этом верхний упор выполнен с возможностью линейного перемещения при разрушении срезных элементов на величину, ограниченную направляющими штифтами, из положения, в котором концевой элемент верхнего упора размещен во внутренней выточке первого участка корпуса, в положение, в котором концевой элемент верхнего упора извлечен из внутренней выточки первого участка корпуса, обеспечивая таким образом смещение первого и второго ряда сегментов цанги первого участка корпуса по направлению друг к другу и перемещение промежуточных упорных элементов с обеспечением деактивации неметаллических уплотнений.
Дополнительно, поставленная техническая проблема и заявленный технический результат соответственно решается и достигается за счет того, что неметаллические уплотнения могут быть выполнены из резины, эластомера или иного упругого материала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения, а также других его аспектов и характеристик описание приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг. 1 представлен неметаллический уплотнительный элемент в исходном положении;
на фиг. 2 представлен неметаллический уплотнительный элемент в положении активации;
на фиг. 3-5 представлена деактивация неметаллического уплотнительного элемента;
на фиг. 6-8 представлен общий вид корпуса неметаллического уплотнительного элемента;
на фиг. 9 схематично представлен нижний упор неметаллического уплотнительного элемента в разрезе;
на фиг. 10 схематично представлены промежуточные упорные элементы неметаллического уплотнительного элемента в соответвсии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое изобретение представляет собой неметаллический уплотнительный элемент, предназначенный для герметизации кольцевого пространства между корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора и корпусом 2 подвески обсадной колонны, и содержит:
нижний упор 3,
корпус 4,
первое и второе неметаллические уплотнения 5,
первый и второй промежуточные упорные элементы 6,
верхний упор 7,
пружинное кольцо 8
граничивающие сегменты 9,
фиксирующие штифты 10,
срезные элементы 11,
направляющие штифты 12.
В предлагаемом изобретении нижний упор 3 размещен между корпусом 2 подвески обсадной колонны и корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора в полости, образованной кольцевым выступом, выполненным по периметру внешней поверхности корпуса 2 подвески обсадной колонны.
Нижний упор 3 представляет собой кольцевой элемент, внутри которого по всему периметру выполнена внутренняя кольцевая канавка, образующая часть нижнего упора 3, прилегающую к корпусу 1 колонной головки колонны кондуктора, и часть нижнего упора 3, прилегающую к корпусу 2 подвески обсадной колонны.
В пазах, выполненных по периметру части нижнего упора 3, прилегающей к корпусу 1 колонной головки колонны кондуктора, размещены ограничивающие сегменты 9 таким образом, чтобы образовывать выступающую из упомянутых пазов часть ограничивающих сегментов 9.
Во внутренней кольцевой канавке нижнего упора 3 частично размещен корпус 4, который представляет собой кольцевой элемент и содержит первый участок, второй участок и третий участок.
В первом участке корпуса 4 выполнена внутренняя выточка, при этом первый участок корпуса 4 представляет собой цангу, содержащую первый ряд сегментов и второй ряд сегментов, имеющих зубчатые профили для зацепления за корреспондирующие им зубчатые профили промежуточных упорных элементов 6.
Второй участок корпуса 4 выполнен толщиной по существу равной ширине внутренней кольцевой канавки, выполненной внутри нижнего упора 3.
Между вторым участком корпуса 4 и корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора, а также между вторым участком корпуса 4 и корпусом 2 подвески обсадной колонны размещены первое и второе неметаллические уплотнения 5.
Материалом, из которого могут быть выполнены первое и второе неметаллические уплотнения 5, может выступать резина, эластомер или иной упругий материал.
Третий участок корпуса 4 содержит внешнюю канавку, в которой размещено пружинное кольцо 8 в исходном положении неметаллического уплотнительного элемента.
Дополнительно, в третьем участке корпуса 4 выполнено продольное углубление, к которому прилегают ограничивающие сегменты 9 частью, выступающей из пазов, выполненных по периметру части нижнего упора 3, прилегающей к корпусу 1 колонной головки колонны кондуктора, обеспечивая таким образом ограничение перемещения корпуса 4 внутри внутренней кольцевой канавки нижнего упора 3.
Первый и второй промежуточные упорные элементы 6 представляют собой два цилиндрических элемента, первый из которых размещен между первым участком корпуса 4 и корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора, а второй размещен между первым участком корпуса 4 и корпусом 2 подвески обсадной колонны.
При этом промежуточные упорные элементы 6 зафиксированы относительно корпуса 4 посредством выполненных в них зубчатых профилей, корреспондирующих зубчатым профилям продольных секторов цанги первого участка корпуса 4. Дополнительно, упорные элементы 6 зафиксированы относительно друг друга, а также относительно корпуса 4 посредством фиксирующих штифтов 10.
Корпус 4, промежуточные упорные элементы 6, верхний упор 7 выполнены с возможностью линейного перемещения вдоль продольной оси неметаллического уплотнительного элемента.
Между первым рядом сегментов и вторым рядом сегментов цанги, представляющей собой первый участок корпуса 4, размещен концевой элемент верхнего упора 7, за счет чего достигается фиксация указанной цанги в разжатом положении и блокировка перемещения промежуточных упорных элементов 6 относительно корпуса 4.
При положении, в котором за счет сжатия неметаллических уплотнений 5 обеспечено их прилегание к корпусам 1 и 2 колонной головки колонны кондуктора и подвески обсадной колонны, промежуточные упорные элементы 6 зафиксированы относительно корпуса 4 при помощи зубчатого профиля. При этом верхний упор 7 зафиксирован от перемещения относительно промежуточных упорных элементов 6 посредством срезных элементов 11.
При деактивации неметаллического уплотнительного элемента после разрушения срезных элементов 11 перемещение верхнего упора 7 относительно промежуточных упорных элементов 6 ограничено посредством направляющих штифтов 12.
Для активации неметаллического уплотнительного элемента, то есть сжатия неметаллических уплотнений 5 с обеспечением прилегания данных неметаллических уплотнений 5 к корпусам 1 и 2 колонной головки колонны кондуктора и подвески обсадной колонны, при перемещении корпуса 4, промежуточных упорных элементов 6 и верхнего упора 7 третий участок корпуса 4 перемещается во внутренней кольцевой канавке нижнего упора 3, преодолевая усилие, возникающее при сжатии неметаллических уплотнений 5.
При заданном перемещении корпуса 4 на величину, равную ширине пружинного кольца 8, во внутренней кольцевой канавке нижнего упора 3, достаточном для сжатия неметаллических уплотнений 5, обеспечивающих их прилегание к корпусам 1 и 2 колонной головки колонны кондуктора и подвески обсадной колонны и герметизацию, пружинное кольцо 8 перемещается в продольное углубление третьего участка корпуса 4 и препятствует обратному перемещению корпуса 4, сохраняя сжатие неметаллических уплотнений 5.
В случае необходимости деактивации неметаллических уплотнений 5 перемещают верхний упор 7 в направлении от неметаллических уплотнений 5, разрушая срезные элементы 11, таким образом усилие деактивации зависит от выбора количества срезных элементов 11 (от 2 до 10). Перемещение верхнего упора 7 относительно промежуточных упорных элементов 6 ограничено направляющими штифтами 12, но достаточно для того, чтобы извлечь концевой элемент верхнего упора 7 из пространства, образованного первым и вторым рядами сегментов цанги первого участка корпуса 4.
После указанного извлечения первый и второй ряды сегментов цанги первого участка корпуса 4 имеют возможность сжаться от усилия со стороны неметаллических уплотнений 5. При сжимании первого и второго рядов сегментов цанги первого участка корпуса 4, они выходят из зацепления с зубчатым профилем промежуточных упорных элементов 6, что позволяет неметаллическим уплотнениям 5 разжаться.
Таким образом, предложенный неметаллический уплотнительный элемент позволяет повысить надежность активации за счет ограничения минимального усилия сжатия неметаллических уплотнений (например, 100 тонн) и его фиксации на этом уровне за счет ограничения перемещения элементов, сжимающих неметаллические уплотнения.
Следует понимать, что предлагаемое изобретение ограничено только объемом формулы изобретения. Модификации и улучшения вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения без выхода за рамки формулы изобретения очевидны специалистам в данной области техники. Предшествующее описание представлено только в качестве примера и не несет никаких ограничений. Таким образом, объем настоящей технологии ограничен только объемом прилагаемой формулы изобретения.