УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ МЕЖКОЛОННОГО ПРОСТРАНСТВА НА УСТЬЕ СКВАЖИНЫ
SEALING DEVICE OF TUBING-CASING ANNULUS ON WELL HEAD

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для герметизации и разобщения межколонного пространства на устье скважины.
Известна колонная головка, включающее цилиндрический корпус с боковыми патрубками, в котором размещен уплотнительный узел в виде упругой манжеты, установленной между верхней и нижней грундбуксами, упорное кольцо и центратор, выполненный в виде ступенчатой втулки с осевыми каналами. Между нижней грундбуксой и центратором размещена втулка. В верхней части корпуса на внутренней поверхности имеется кольцевой выступ для взаимодействия с верхней грундбуксой [1].
К недостаткам известной колонной головки следует отнести конструктивную сложность и недостаточную эксплуатационную надежность.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) предложенного технического решения может быть выбрано устройство для герметизации межколонного пространства. Последнее состоит из корпуса, крышки с осевым каналом для размещения эксплуатационной колонны и наружным кольцевым выступом в нижней части, герметизирующего узла в виде двух нажимных колец, между которыми размещен уплотнитель, кольцевого уплотнительного элемента, опорного кольца, устанавливаемого в муфте обсадной колонны, и центратора с осевыми каналами. В корпусе выполнены осевой и радиальные каналы и внутренняя кольцевая расточка для размещения герметизирующего узла. В нижней части корпуса предусмотрена наружная присоединительная резьба [2].
Основными недостатками известного устройства являются недостаточно качественное центрирование эксплуатационной колонны в осевом канале корпуса, вследствие чего возникает необходимость использования «плавающей» конструкции герметизирующего узла. В свою очередь, указанное обстоятельство вынуждает одновременно осуществлять поджатие уплотнительного элемента и кольцевого уплотнителя, что существенно снижает надежность герметизации кольцевого пространства между обсадной и эксплуатационными колоннами.
Недостаточное качество центрирования эксплуатационной колонны в осевом канале корпуса обусловлено значительной суммарной величиной радиальных зазоров, в т.ч.:
- между внутренней стенкой муфты обсадной колонны и опорным кольцом;
- между опорным кольцом и центратором;
- между центратором и наружной стенкой трубы эксплуатационной колонны.
Последний из перечисленных зазоров, как правило, многократно превышает величину остальных и, следовательно, имеет определяющее значение при центрировании эксплуатационной колонны внутри корпуса. К примеру, согласно требованиям ГОСТ 632-80 «Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия», предельные отклонения по наружному диаметру обсадных труб могут составлять до ±1,25%. Таким образом, для обсадной трубы условным диаметром 245 мм величина наружного диаметра может изменяться в пределах от 241,45 до 247,55 мм, причем внутренний диаметр проходного канала центратора должен быть рассчитан на обсадную трубу с максимальным наружным диаметром.
Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, выражающегося в повышении надежности герметизации межколонного пространства на устье скважины за счет улучшения качества центрирования эксплуатационной колонны в корпусе устройства.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для герметизации межколонного пространства на устье скважины, включающее корпус с фланцем, внутренней кольцевой расточкой в верхней части, центральным осевым и радиальными каналами под боковые патрубки, а также наружной присоединительной резьбой в нижней части для взаимодействия с муфтой обсадной колонны, опорное кольцо, выполненное с возможностью размещения в муфте обсадной колонны с опорой на торец ее обсадной трубы, центратор в виде втулки со ступенчатой наружной и цилиндрической внутренней поверхностями и со сквозными осевыми каналами, размещенный на опорном кольце соосно с ним, и герметизирующий узел, размещенный во внутренней кольцевой расточке корпуса с возможностью поджатия кольцевым выступом крышки с фланцем, ответным фланцу корпуса, снабжено распорными клиньями, установленными на срезных элементах с возможностью осевого и радиального перемещения относительно центратора в продольных клиновидных пазах, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности центратора и равномерно расположенных по его окружности, при взаимодействии с нижним торцом муфты эксплуатационной колонны.
Способствует достижению технического результата то, что герметизирующий узел выполнен в виде двух нажимных шайб, между которыми установлен кольцевой эластичный уплотнительный элемент, при этом на одной из сторон нажимных шайб, которая примыкает к кольцевому эластичному уплотнительному элементу, выполнен наружный кольцевой выступ трапецеидального сечения, а кольцевой эластичный уплотнительный элемент имеет на наружной поверхности верхнее и нижнее кольцевые углубления для взаимодействия с наружными кольцевыми выступами нажимных шайб. При этом кольцевой эластичный уплотнительный элемент может быть снабжен дополнительными кольцевыми уплотнительными элементами из эластичного материала меньшей твердости, чем эластичный материал самого кольцевого эластичного уплотнительного элемента, которые установлены в кольцевых проточках, выполненных на внешней и внутренней боковых поверхностях кольцевого эластичного уплотнительного элемента, а кольцевые проточки, выполненные на внешней и внутренней боковых поверхностях кольцевого эластичного уплотнительного элемента, а также дополнительные кольцевые уплотнительные элементы, установленные в них, имеют трапециевидное или треугольное поперечное сечение.
Также способствует достижению технического результата то, что количество продольных клиновидных пазов, выполненных на внутренней цилиндрической поверхности центратора, составляет не менее трех, а сквозные осевые каналы в центраторе размещены по его окружности и равномерно распределены между продольными клиновидными пазами.
Конструкция устройства поясняется с помощью чертежей, где: на фиг.1 показан общий вид устройства; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 и 4 - общий вид герметизирующего узла (варианты исполнения).
Устройство для герметизации межколонного пространства на устье скважины включает ступенчатый цилиндрический корпус 1 с присоединительным фланцем 2 в верхней части. В корпусе 1 выполнены центральный осевой и радиальные каналы под боковые патрубки 3. В нижней части корпуса 1 выполнена наружная присоединительная резьба для взаимодействия с муфтой 4 обсадной колонны 5, а в верхней - внутренняя кольцевая расточка 6.
Герметизирующий узел представляет собой кольцевой эластичный уплотнительный элемент 7, установленный между двумя нажимными шайбами 8 и 9. Герметизирующий узел размещен во внутренней кольцевой расточке 6 корпуса 1.
На одной из сторон нажимных шайб 8 и 9, которая примыкает к кольцевому эластичному уплотнительному элементу 7, выполнен наружный кольцевой выступ трапецеидального сечения. Кольцевой эластичный уплотнительный элемент 7 имеет на наружной поверхности верхнее и нижнее кольцевые углубления для взаимодействия с наружными кольцевыми выступами нажимных шайб 8 и 9. Кольцевые углубления эластичного уплотнительного элемента 7 в поперечном сечении имеют форму, ответную форме поперечного сечения наружных кольцевых выступов на нажимных шайбах 8 и 9 (фиг.3).
В частном случае кольцевой эластичный уплотнительный элемент 7 может быть снабжен дополнительными кольцевыми уплотнительными элементами 10. выполненными из эластичного материала меньшей твердости, чем эластичный материал самого кольцевого эластичного уплотнительного элемента 7. Дополнительные кольцевые уплотнительные элементы 10 размещены в кольцевых проточках, выполненных на внешней и внутренней боковых поверхностях кольцевого эластичного уплотнительного элемента 7. При этом кольцевые проточки, выполненные на внешней и внутренней боковых поверхностях кольцевого эластичного уплотнительного элемента 7, а также дополнительные кольцевые уплотнительные элементы 10, установленные в них, могут иметь трапециевидное или треугольное поперечное сечение (фиг.4).
На фланце 2 корпуса 1 установлена крышка 11 с фланцем, который выполнен ответным по отношению к фланцу 2 корпуса 1. На нижней части крышки 11 выполнен наружный кольцевой выступ 12, который имеет возможность взаимодействия с верхней нажимной шайбой 9 для поджатия кольцевого эластичного уплотнительного элемента 7. В крышке 11 также имеется центральный осевой канал, предназначенный для размещения в нем эксплуатационной колонны, состоящей из труб 13 и муфт 14.
Крышка 11 прикрепляется к корпусу 1 с помощью шпилечных соединений (на чертеже не показаны).
Опорное кольцо 15 имеет возможность размещения в муфте 4 обсадной колонны 5 с опорой на торец ее обсадной трубы. Центратор 16 выполнен в виде втулки со ступенчатой наружной и цилиндрической внутренней поверхностями. Центратор 16 размещен на опорном кольце 15 соосно с ним. На цилиндрической внутренней поверхности центратора 16 выполнены продольные клиновидные пазы 17, равномерно расположенные по окружности (обычно в количестве не менее трех). Кроме этого в центраторе 16 имеются сквозные осевые каналы 18, которые размещены по окружности и равномерно распределены между продольными клиновидными пазами 17.
В каждом из пазов 17 установлен распорный клин 19. Клинья 19 установлены на срезных элементах (на чертеже не показаны) с возможностью осевого и радиального перемещения относительно центратора 16 при взаимодействии с нижним торцем муфты 14 эксплуатационной колонны.
В исходном положении (т.е. в выдвинутом над верхним торцом центратора 16 положении) клинья 19 размещены и зафиксированы в пазах 17 при помощи срезных элементов. При этом клинья 19 не выступают за пределы внутренней цилиндрической поверхности центратора 16.
Подвеска эксплуатационной колонны внутри корпуса 1 осуществляется с помощью опорного кольца 15 и центратора 16. Опорное кольцо 15 размещено в муфте 4 обсадной колонны 5. Центратор 16 соосно установлен на опорном кольце 15, труба 13 эксплуатационной колонны размещена внутри центратора 16, а муфта 14 эксплуатационной колонны своим нижним торцом имеет возможность взаимодействия с клиньями 19.
Предлагаемое устройство для герметизации межколонного пространства на устье скважины работает следующим образом.
Перед спуском эксплуатационной колонны в зацементированную обсадную колонну 5, в муфте 4 последней устанавливают опорное кольцо 15. После этого осуществляют спуск эксплуатационной колонны внутрь обсадной колонны 5. Перед навинчиванием последней трубы 13 центратор 16 размещают на ее наружной поверхности таким образом, чтобы он оказался под муфтой 14 эксплуатационной колонны. При этом клинья 19 находятся в пазах 17 центратора 16 в исходном положении и закреплены с помощью срезных элементов.
Перед спуском последней трубы 13 эксплуатационной колонны в обсадную колонну 5 обеспечивают устойчивое размещение центратора 16 на опорном кольце 15. Затем эксплуатационную колонну опускают в обсадную колонну 5 до упора нижнего торца муфты 14 в клинья 19, после чего плавно разгружают на них вес эксплуатационной колонны. При взаимодействии нижнего торца муфты 14 с клиньями 19 происходит разрушение срезных элементов, что обеспечивает возможность свободного перемещения клиньев 19 в пазах 17.
Под воздействием веса эксплуатационной колонны клинья 19 постепенно задавливаются в пазы 17 центратора 16. В процессе перемещения клиньев 19 в осевом и радиальном направлениях относительно центратора 16, последний равномерно отжимается от наружной поверхности трубы 13. За счет этого обеспечивается качественное центрирование муфты 14 эксплуатационной колонны в центральном осевом канале корпуса 1.
Затем корпус 1 присоединяют к муфте 4 обсадной колонны 5. Во внутренней кольцевой расточке 6 корпуса 1 размещают герметизирующий узел (в сборе), после чего сверху на корпус 1 устанавливают крышку 11, которая своим наружным кольцевым выступом 12 взаимодействует с верхней нажимной шайбой 9.
В процессе затягивания шпилечных соединений между корпусом 1 и крышкой 11 уплотнитель 7 деформируется, обеспечивая надежную герметизацию муфты 14 эксплуатационной колонны внутри корпуса 1.
Установка в кольцевых проточках, выполненных на внешней и внутренней боковых поверхностях кольцевого эластичного уплотнительного элемента 7 дополнительных кольцевых уплотнительных элементов 10, которые обладают меньшей твердостью и, следовательно, более высокой эластичностью, в значительной степени способствует повышению надежности герметизацию муфты 14 эксплуатационной колонны в корпусе 1.
На заключительном этапе работ в радиальных каналах корпуса 1 устанавливают боковые патрубки 3, которые обвязывают запорно-регулирующей арматурой, манометром с запорно-разрядным устройством и т.д.
Источники информации
1. А.с. СССР №1677255, E21B 33/03, опубл. 15.09.1991.
2. Патент РФ №2311525, E21B 33/03, опубл. 27.11.2007.