Устройство для перекрытия нагнетательного канала устьевой компановки скважины

Полезная модель относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройству устьевой компоновки скважины, предназначенному для полного или частичного перекрытия потока рабочей жидкости (проходных каналов) в фонтанном, устьевом, нагнетательном оборудовании, в манифольдах обвязки нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин, трубопровода, используемом преимущественно при гидравлическом разрыве пластов, а так же при освоении, эксплуатации, ремонте нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.
При гидравлическом разрыве пласта через задвижку в скважину закачивают геле-песчаную смесь. Перекрытие потока геле-песчаной смеси происходит в задвижках с шибером при уплотнении металл-металл, а именно поверхности шибера и седла, которые должны точно подходить друг к другу.
Геле-песчаная смесь интенсивно размывает поверхность седла задвижки, увеличивая зазор между шибером и седлом, преждевременно нарушая тем самым герметичность задвижки. Исходя из опыта работы с шиберными задвижками, их средняя наработка прокачки составляет около 300 тонн геле-песчаной смеси, после чего седло теряет герметичность.
Кроме того, шиберные задвижки не обеспечивают возможности подвески колонны насосно-компрессорных или технологических труб (НКТ) на устье скважины. Для обеспечения подвески НКТ на устье скважины для перекрытия нагнетательного канала устьевой компоновки скважины приходится применять дополнительное оборудование, а именно подвесную фланцевую катушку.
Известно устройство для гидравлического разрыва пласта газовой скважины, включающее отсекающий элемент высокого давления в виде задвижки высокого давления (см. описание полезной модели к патенту Российской Федерации №52919, МПК Е21В 43/26, опубл. 27.04.2006).)
Колонна насосно-компрессорных труб и отсекающий элемент высокого давления в известном устройстве подвешены на подвесном патрубке (подвесной фланцевой катушке), закрепленном над устьевой арматурой.
Известная задвижка обеспечивает возможность подвески НКТ на устье скважины только с использованием дополнительного оборудования в виде подвесной фланцевой катушки.
Кроме того, в известном устройстве в качестве отсекающего элемента высокого давления применяют задвижку высокого давления с маховиком, установленным на приводном винте для передвижения запорного элемента-шибера. Использование приводного винта не обеспечивает надежную работу запорного устройства. В процессе эксплуатации, в случае поломки приводного винта, закрытие или открытие задвижки становится невозможным, что приводит к аварийной ситуации, предотвращение которой является очень долговременной, трудоемкой и дорогостоящей операцией.
Известна задвижка запорно-регулируемая, содержащая корпус с подводящим и отводящим каналами и запорным органом (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2506483, МПК F16K 3/312, опубл. 10.02.2014).
Седла известной задвижки, контактирующие с запорным органом, расположены в подводящем и отводящем каналах.
Запорный орган выполнен в виде перемещаемого от приводного винта вдоль своей оси шибера, взаимодействующего нижней профилированной частью с пятой, опирающейся при открытии задвижки заплечиками на проточки кольцевых седел и подпружиненной через нижнее цилиндрическое окно корпуса.
Известная задвижка не обеспечивает возможность подвески НКТ на устье скважины без использования дополнительного оборудования, а именно, подвесной фланцевой катушки.
Использование приводного винта не обеспечивает надежную работу запорного устройства. В процессе эксплуатации, в случае поломки приводного винта, закрытие или открытие задвижки становится невозможным, что приводит к аварийной ситуации, предотвращение которой является очень долговременной, трудоемкой и дорогостоящей операцией.
Известно запорное устройство, принятое в качестве прототипа, включающее полый корпус с подводящим и отводящим каналами, внутри которого установлен запорный элемент со сквозным отверстием для прохода рабочей среды диаметром равным сквозному проходному каналу корпуса, при этом запорный элемент выполнен со ступенчатой наружной поверхностью, сопрягаемой со ступенчатой внутренней поверхностью полости, образованной корпусом и крышкой, и снабжен двумя выходящими наружу за корпус и крышку концами: одним - для соединения с приводом с возможностью поворота вокруг своей оси на 90 градусов и другим - для соединения с устройством для нагнетания смазки, а также имеет два седла, установленные по обе стороны от запорного элемента, снабженные сквозными отверстиями, расположенными на одной оси с подводящим и отводящим каналами, (см. описание полезной модели к патенту №161426, МПК F16K 5/04, опубл. 20.04.2016).
Известное устройство не может одновременно выполнять функцию по перекрытию и в то же время выполнять функцию подвески НКТ на устье скважины.
Соединение в известном устройстве патрубков и корпуса посредством резьбового соединения не позволит обеспечить приложение усилия через известное устройство в осевом направлении (обеспечить подъем) всей устьевой компоновки и присоединенного к ней подземного оборудования (весом до 100 тонн).
Наличие резьбового соединения увеличивает вероятность не герметичности известного устройства, в результате чего возникает необходимость ввода дополнительных уплотнительных элементов. Кроме того, увеличивается вероятность выхода из строя известного устройства в случае интенсивного размыва внутреннего канала патрубков при прокачке гелепесчаной смеси, так как уплотнительные элементы на торцах патрубков расположены в торце в непосредственной близости к внутреннему каналу задвижки.
Известное устройство имеет низкую ремонтопригодность, так как при выходе из строя уплотнения между патрубками и корпусом для его замены придется выкручивать патрубки, которые приклеены. Для разрушения клея придется местно нагревать резьбовое соединения до высоких температур, что приведет к изменению геометрических параметров резьбы (расширение металла при нагреве), что может привести к последующему ослаблению и уменьшению прочностных характеристик резьбы.
Технической задачей и результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности одним устройством обеспечить герметичное перекрытие нагнетательного канала устьевой компоновки скважины и подвеску НКТ и повысить надежность, ремонтопригодность и безопасность устройства в процессе его эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что устройство для перекрытия нагнетательного канала устьевой компоновки скважины, включающее полый корпус с подводящим и отводящим каналами, внутри которого установлен запорный элемент со сквозным отверстием для прохода рабочей среды диаметром, равным сквозному проходному каналу корпуса, при этом запорный элемент выполнен со ступенчатой наружной поверхностью, сопрягаемой со ступенчатой внутренней поверхностью полости, образованной корпусом и крышкой, и снабжен двумя выходящими наружу за корпус и крышку концами: одного - для соединения с приводом с возможностью поворота вокруг своей оси на 90 градусов и другого - для соединения с устройством для нагнетания смазки, а также два уплотнительных вкладыша, установленных по обе стороны от запорного элемента, снабженных сквозными отверстиями, расположенными на одной оси с подводящим и отводящим каналами, отличающееся тем, что большая ступень запорного элемента установлена с зазором относительно большей ступени полости корпуса, при этом в зазоре по обе стороны от запорного элемента вдоль оси сквозного проходного канала корпуса размещены сухари, закрепленные в корпусе неподвижно, выполненные в форме цилиндрического сегмента со скошенными торцами для фиксации от прокручивания уплотнительных вкладышей, снабженных уплотнительными манжетами из эластомера, размещенных перпендикулярно оси корпуса и выполненных в виде цилиндрического сегмента со сквозным отверстием в средней части, диаметр которого равен диаметру сквозного проходного канала, и фигурными торцами, взаимодействующими с торцами сухарей, при этом нижний торец корпуса выполнен в виде фланца для соединения с устьевым оборудованием и внутренней резьбой, расположенной в проходном отверстии фланца и соответствующей резьбе подвешиваемой колонны насосно-компрессорных или технологических труб, а верхний торец корпуса выполнен с наружной резьбой быстроразъемного соединения.
Предлагаемое устройство заменяет в схеме фонтанной арматуры два изделия задвижку и подвесную фланцевую катушку и выполняет функцию, как по перекрытию канала, так и подвеску НКТ.
Предлагаемое устройство значительно упрощает схему фонтанной арматуры, а также уменьшает число соединительных элементов, увеличивает герметичность и безопасность эксплуатации, уменьшает высоту и вес фонтанной арматуры, что облегчает эксплуатацию и обслуживание.
Предлагаемое устройство монтируют непосредственно в устьевую компоновку скважины, а для приведения в действие запорного элемента не требуется его перемещение вдоль оси, что позволяет исключить из конструкции приводной винт. Для приведения запорного элемента в рабочее положение необходимо повернуть его на 90 градусов вокруг своей оси.
Использование предлагаемого устройства позволит увеличить среднюю наработку прокачки гелепесчаной смеси до 800 тонн.
Устройство для перекрытия нагнетательного канала устьевой компоновки скважины поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид устройства в изометрии;
на фиг. 2 – продольное сечение общего вида устройства;
на фиг. 3 – сечение А – А на фиг. 2;
на фиг. 4 – продольное сечение общего вида устройства ;
на фиг. 5 – сечение Б – Б на фиг. 4;
на фиг. 6 – общий вид запорного элемента;
на фиг. 7 – уплотнительное седло с манжетой, общий вид;
на фиг. 8 – сухарь, общий вид.
Устройство для перекрытия нагнетательного канала устьевой компоновки скважины состоит из корпуса 1, запорного элемента 2 и крышки 3.
Корпус 1 выполнен со сквозным цилиндрическим проходным каналом 4, образованным подводящим и отводящим каналами, и двумя сквозными отверстиями: одно - для установки конца 5 запорного элемента 2 и другое - для размещения крышки 3, устанавливаемой в корпус 1 перпендикулярно его продольной оси, и снабженной сквозным отверстием для установки конца 6 запорного элемента 2 (сквозные отверстия на чертеже не показаны).
Запорный элемент 2 установлен с возможностью поворота от привода (привод на чертеже не показан).
Запорный элемент 2 выполнен со ступенчатой наружной поверхностью, сопрягаемой со ступенчатой внутренней поверхностью полости, образованной корпусом 1 и крышкой 2, при этом концы 5 и 6 выходят наружу за корпус 1 и крышку 3. Запорный элемент 2 выполнен со сквозным проходным отверстием 7, размещенным перпендикулярно продольной оси запорного элемента 2 (сквозное отверстие полости корпуса и сквозное ступенчатое отверстие крышки на чертеже не показаны). Причем большая ступень запорного элемента 2 установлена с зазором относительно большей ступени полости корпуса 1 (зазор на чертеже не показан). Диаметр проходного отверстия 7 запорного элемента 2 равен сквозному цилиндрическому проходному каналу 4. В зазоре по обе стороны от запорного элемента 2 размещены сухари 8 и уплотнительные вкладыши 9, толщина которых равна величине кольцевого зазора между запорным элементом 2 и корпусом 1, причем сухари 8 размещены вдоль оси сквозного проходного канала 4 корпуса 1, а уплотнительные вкладыши торцом перпендикулярно оси корпуса 1.
Уплотнительные вкладыши 9 выполнены в виде металлического корпуса, имеющего форму цилиндрического, сегмента, в средней части которого выполнено сквозное отверстие 10, диаметр которого равен диаметру сквозного проходного канала 4. Уплотнительные вкладыши 9 снабжены манжетами 11 из эластомера, размещенными в канавках, выполненных в корпусах уплотнительных вкладышей 9 (канавки на чертеже не показаны). Манжета 11 уплотнительного вкладыша 9 обеспечивает его поджатие к запорному элементу 2 за счет упругих свойств манжет 11 из эластомера. Дополнительную герметизацию сопрягаемых поверхностей корпуса 1, уплотнительных вкладышей и запорного элемента 2, обеспечивает смазывание их арматурной смазкой.
Уплотнительные вкладыши 9 обеспечивают герметичность устройства путем исключения попадания рабочей жидкости из сквозного проходного канала 4 корпуса 1 и сквозным проходным отверстием 7 запорного элемента 2 в зазоры между запорным элементом 2 и корпусом 1.
Торцы 12 корпусов уплотнительных вкладышей 9 выполнены фигурными для взаимодействия с торцами сухарей 8, имеющих форму цилиндрического сегмента со скошенными торцами. Сухари 8 закреплены в корпусе 1 неподвижно (без возможности вращения совместно с запорным элементом 2 при его повороте) любым известным способом и выполняют функцию фиксатора уплотнительных вкладышей 9 от прокручивания.
Крышка 3 закреплена на корпусе 1 винтами (винты на чертеже не показаны).
Запорный элемент 2 имеет систему смазочных каналов (каналы на чертеже не показаны).
Один конец 5 запорного элемента 2 предназначен для подсоединения привода устройства, а другой конец 6 снабжен резьбовым отверстием для соединения с устройством для нагнетания смазки в каналы, в отсутствии которого установлена заглушка 13 (привод и устройство для нагнетания смазки на чертеже не показаны).
Нижний торец корпуса 1 выполнен в виде фланца 14 с параметрами, соответствующими ГОСТ 28919-91. Во фланце 14 выполнена внутренняя резьба 15, типоразмер которой соответствует резьбе подвешиваемой колонне труб НКТ. Верхний торец корпуса 1 выполнен с наружной резьбой 16 быстроразъемного соединения (БРС).
Устройство для перекрытия нагнетательного канала устьевой компоновки скважины, монтируют непосредственно в устьевую компоновку скважины.
Устройство работает следующим образом.
Закрытие (перекрытие) устройства производят поворотом запорного элемента 2 вокруг своей оси на 90 градусов с помощью привода устройства относительно сухарей 8 и корпусов уплотнительных вкладышей 9. При этом сквозное проходное отверстие 6 запорного элемента 2 занимает положение, не совпадающее со сквозным проходным каналом 4 и сквозным отверстием 10, при котором их оси расположены под углом 90 градусов друг к другу. При вращении запорного элемента 2 в обратном направлении сквозное проходное отверстие 6 запорного элемента 2 расположено соосно сквозному проходному каналу 4 и сквозному отверстию 10, и устройство открывается.