Устройство для соединения фланцев при ремонте скважины
DEVICE FOR CONNECTING FLANGES DURING WELL REPAIR

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при ремонте скважин с целью герметизации устья скважины с помощью фланцевых соединений устьевого оборудования.
Известны фланцевые соединения оборудования по ГОСТ 28919-91 "Типы и основные размеры", содержащие уплотнительные металлические кольца в канавках фланцев, при этом фланцы между собой стянуты шпилечным соединением.
Также известно фланцевое соединение деталей (патент RU № 2150041, опубл. 27.05.2000), включающее стянутые между собой шпильками два фланца и уплотнительный элемент, выполненный из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки, установленные в камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля на фланцах, соединенных между собой, причём уплотнительный элемент концевыми участками расположен в канавках фланцев таким образом, что половина концевых участков, включающая выступающую из кольца эластичную прокладку и часть кольца в зоне расположения паза, соответствует их форме, другая половина концевых участков выполнена с зазором, а средняя часть его, соединяющаяся с концевыми участками, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками обеих аналогов устройства являются:
- низкая герметичность фланцевого соединения на устье при ремонте скважины,
обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек шпилек производят поочередно с разными крутящими моментами;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- сложность в обслуживании, обусловленная необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки шпилек при креплении устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение устьевого оборудования, содержащее стянутые между собой через совмещённые отверстия устьевой и опорный фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями (патент RU № 2170807, опубл. 20.07.2001). Уплотнительное кольцо выполнено из упругого материала с припуском на деформацию, учитывающим наличие дополнительного кольца, причём устьевой и опорный фланцы стянуты между собой шпильками, при этом дополнительное кольцо выполнено из металла, соединено с уплотнительным кольцом из упругого материала и имеет концентрические конусные симметричные буртики, расположенные на внутренней его части для центрирования канавок при контакте с их конусными поверхностями, при этом внешняя часть дополнительного кольца выполнена плоской для опоры за пределами канавок торцевых поверхностей фланцев и служит в качестве замыкающего размерного звена в элементах соединения.
Недостатками устройства являются:
- низкая герметичность фланцевого соединения на устье при ремонте скважины,
обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек шпилек производят поочередно с разными крутящими моментами, поэтому для обеспечения герметичности приходится дотягивать ослабшие гайки шпилек;
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- сложность в обслуживании, обусловленная необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки шпилек при креплении устройства.
Техническими задачами изобретения являются повышение герметичности фланцевого соединения на устье при ремонте скважины, сокращение продолжительности сборки фланцевого соединения устьевого оборудования и упрощение обслуживания устройства в работе.
Поставленные технические задачи решаются устройством для соединения фланцев при ремонте скважины, содержащим стянутые между собой через совмещённые отверстия опорный и устьевой фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями.
Новым является то, что опорный и устьевой фланцы стянуты между собой фиксаторами, количество фиксаторов от 4 до 12, причём  каждый фиксатор состоит из штока, оснащённого снизу резьбой, эксцентричной рукоятки, шарнирно закрепленной к верхнему концу штока, опорной шайбы и регулировочной гайки, размещённой ниже опорной шайбы и ввернутой на резьбу штока, при этом в исходном положении штоки фиксаторов установлены в совмещенные отверстия опорного и устьевого фланцев, а регулировочные гайки ввернуты в резьбы штоков, при этом регулировочные гайки верхними торцами  взаимодействует с нижним торцом опорного фланца, а  нижние торцы эксцентричных рукояток взаимодействуют через опорные шайбы с верхним торцом устьевого фланца, при этом в рабочем положении для стягивания опорного и устьевого фланцев между собой посредством совмещённых отверстий последовательно поворачивают эксцентричные рукоятки фиксаторов до упора боковых торцов эксцентричных рукояток через опорные шайбы в верхний торец устьевого фланца с ограниченным перемещением штоков вверх и герметизации уплотнительного кольца в канавках с конусными поверхностями опорного и устьевого фланцев.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для соединения фланцев при ремонте скважины.
На фиг. 2 схематично изображён увеличенный вид А устройства для соединения фланцев при ремонте скважины в исходном положении.
На фиг. 3 схематично изображен вид Б устройства для соединения фланцев при ремонте скважины в исходном положении.
На фиг. 4 схематично изображён увеличенный вид А устройства для соединения фланцев при ремонте скважины в рабочем положении.
На фиг. 5 схематично изображен вид Б устройства для соединения фланцев при ремонте скважины в рабочем положении.
На фиг. 6 схематично изображен вид В устройства для соединения фланцев при ремонте скважины.
На фиг. 7 схематично изображен вид С устройства для соединения фланцев при ремонте скважины.
Устройство для соединения фланцев при ремонте скважины содержит стянутые между собой через совмещённые отверстия опорный 1 (см. фиг. 1-5, 7) и устьевой 2 (см. фиг. 1-6) фланцы, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1-2, 4).
1
2
3
4
5
6
7
8
Опорный 1 и устьевой 2 фланцы стянуты между собой через отверстия 4 (см. фиг. 1-2, 4) фиксаторами 5 (см. фиг. 2-6), причём количество фиксаторов от 4 до 12 определено опытным путём с целью обеспечения герметичности фланцевого соединения в зависимости от воспринимаемого фланцевым соединением гидравлического давления. Количество фиксаторов не больше количества совмещённых отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев, но не меньше четырех с целью равномерного охвата по периметру опорного 1 (см. фиг. 1 и 4) и устьевого 2 фланцев и обеспечения герметичности уплотнительного кольца 3 при минимальном давлении, например 3,0 МПа. Опытным путём установлено, что максимальное количество совмещённых отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев равно 12, при максимальном давлении, воспринимаемым фланцевым соединением, например 35,0 МПа. Примем количество совмещённых отверстий опорного 1 и устьевого 2 фланцев равным 8: 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4.
ф
ф
1
2
3
4
5
6
7
8
Наружные диаметры (D) опорного 1 и устьевого 2 фланцев равны между собой и, например равны D = 300 мм. Так как количество совмещённых отверстий фланцев равно 8, то центральный угол – α между совмещенными отверстиями 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4 опорного 1 и устьевого 2 фланцев равен: α = 360°/8 = 45°.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Каждый фиксатор 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 состоит соответственно из штока 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 (см. фиг. 2-5, 7), оснащённого снизу резьбой 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7, эксцентричной рукоятки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 2-6) шарнирно, например с помощью пальца 9 (см. фиг. 2-5), закрепленной к верхнему концу штока 6; 6; 6; 6; 6 ; 6; 6; 6, опорной шайбы 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10 (см. фиг. 2-6) и регулировочной гайки 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 (см. фиг. 2-5, 7).
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Регулировочная гайка 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 размещена ниже соответствующей опорной шайбы 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10. Регулировочная гайка 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 ввернута в соответствующую резьбу 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7 штока 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
В исходном положении штоки 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 установлены в совмещенные отверстия 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4 опорного 1 и устьевого 2 фланцев, а регулировочные гайки 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 ввернуты в резьбы 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7соответствующих  штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Регулировочные гайки 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 верхними торцами взаимодействуют с нижним торцом опорного фланца 1, а нижние торцы 12; 12; 12; 12; 12; 12; 12; 12 (см. фиг. 2-3) соответствующих эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8 ; 8 ; 8; 8 взаимодействуют через опорные шайбы 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10  с верхним торцом устьевого фланца 2.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
В рабочем положении для стягивания опорного 1 и устьевого 2 фланцев между собой посредством совмещённых отверстий 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4 последовательно поворачивают эксцентричные рукоятки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 до упора боковых торцов 13; 13; 13; 13; 13; 13; 13; 13 (см. фиг. 4-5) соответствующих эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 через опорную шайбу в верхний торец устьевого фланца 2 с ограниченным перемещением штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 вверх и герметизации уплотнительного кольца 3 в канавках с конусными поверхностями опорного 1 и устьевого 2 фланцев.
При работе устройства выполняется следующее равенство:
1
2
где а – а =с – b = ∆,
1
2
а - зазор между опорным 1 и устьевым 2 фланцами (см. фиг. 2 и 3) в исходном положении, мм; а- зазор между опорным 1 и устьевым 2 фланцами (см. фиг. 4 и 5) в рабочем положении, мм;
1
2
3
4
5
6
7
8
с - расстояние от центральной оси каждой из эксцентричной рукоятки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 до их бокового торца 13 (см. фиг. 5), мм;
1
2
3
4
5
6
7
8
b - расстояние от центральной оси каждой из эксцентричной рукоятки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 до их нижнего торца 12 (см. фиг. 3), мм;
1
2
3
4
5
6
7
8
∆ - разница на величину которой перемещаются вверх штоки 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6, мм или стягиваются опорный 1 и устьевой 2 фланцы между собой, мм.
1
2
Например, примем с = 18 мм, b=13 мм, а =15 мм; а = 10 мм.
Тогда ∆ = 18 мм - 13мм = 15 мм - 10 мм = 5 мм.
Устройство работает следующим образом.
В канавку (на фиг. 1, 2 и 4 показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1, 2, 4) устанавливают уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают устьевой фланец 2.
1
2
3
4
5
6
7
8
Вращением устьевого фланца 2 относительно опорного фланца 1 совмещают между собой, как указано выше 8 отверстий 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4 опорного 1 и устьевого 2 фланцев.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Далее поочередно вставляют фиксаторы 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 (см. фиг. 1 - 6) в соответствующие, совмещённые отверстия 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4; 4 опорного 1 и устьевого 2 фланцев.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Далее приводят устройство в исходное положение. Для этого поочерёдно вворачивают регулировочные гайки 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 (см. фиг. 2 и 3) по резьбам 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7соответствующих  штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 до упора верхних торцов гаек 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 в нижний торец опорного фланца 1, при этом нижние торцы 12; 12; 12; 12; 12; 12; 12; 12 соответствующих эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8 ; 8, 8; 8 через соответствующие опорные шайбы 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10; 10   прижаты к верхнему торцу устьевого фланца 2. Таким образом устройство находится в исходном положении.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
Далее приводят устройство в рабочее положение. Для этого поочередно поворачивают эксцентричные рукоятки 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 4 и 5) соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5, например на угол 90°. В результате каждый из штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 перемещается вверх как указано выше на величину  ∆ = с - b = 5 мм, при этом опорный 1 и устьевой 2 фланцы стягиваются между собой, сжимая уплотнительное кольцо 3 в канавках опорного 1 и устьевого 2 фланцев (зазор а = 15 мм (в исходном положении) между опорным 1 и устьевым 2 фланцем сокращается до а = 10 мм ( в рабочем положение) за счёт перемещения штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6  соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 вверх на 5 мм. Таким образом устройство занимает рабочее положение
Опорный 1 и устьевой 2 (см. фиг. 1) фланцы герметично соединены между собой. Далее производят технологическую операцию по ремонту скважины, например осуществляют промывку скважины. После окончания технологической операции по ремонту скважины производят разборку в обратной последовательности.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Повышается герметичность соединения опорного 1 и устьевого 2 фланцев между собой при ремонте скважины за счёт того, что все регулировочные гайки 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11 (см. фиг. 2-5 7) по резьбам 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7; 7соответствующих  штоков 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6; 6 сначала заворачиваются поочередно и равномерно (например, на 5 оборотов) и в ручную до упора верхних торцов регулировочных гаек 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11; 11  в нижний торец опорного фланца 1, а затем поочерёдным поворотом эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 2-6) соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 устройство герметизируется, что обеспечивает равномерное стягивание между собой опорного 1 и устьевого 2 фланцев.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Благодаря стягиванию между собой опорного 1 и устьевого 2 фланцев путём поочередного поворота эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 (см. фиг. 4 и 5) соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5 в 3-4 раза сокращается продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины для проведении технологической операции (промывка, перфорация и т.д.), при этом исключается необходимость заворачивания и затягивания на шпильки  с использованием двух гаечных ключей  24 гаек, как в прототипе.
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
Наличие эксцентричных рукояток 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8; 8 соответствующих фиксаторов 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5; 5исключает необходимость применения гаечных ключей для затягивания гаек при стягивании между собой опорного 1 и устьевого 2 фланцев, что упрощает обслуживание устройства в работе. Предлагаемое устройство для соединения фланцев при ремонте скважины позволяет:
- повысить герметичность фланцевого соединения на устье при ремонте скважины;
- сократить продолжительность сборки опорного фланцев на устье скважины;
- упростить обслуживание устройства в работе.