Стенд для опрессовки превентора
PREVENTER PRESSURE TEST STAND

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для опрессовки превентора на скважине и/или на стендовой скважине базы производственного обслуживания.
1
2
Известно устройство для опрессовки превентора на скважине (патент RU № 2719878, МПК Е21В 33/03, опубл. 23.04.2020), включающее опорную трубу, проходящую через корпус превентора, и резиновую манжету, размещённую на опорной трубе, при этом резиновая манжета выполнена в виде фигурного эластичного рукава, снабжённого снаружи лепестковым уплотнителем, выполненным изнутри в форме обратного конуса, сужающегося сверху вниз, при этом верхний и нижний концы фигурного эластичного рукава жестко закреплены на опорной трубе, причём опорная труба снабжена рядом радиальных отверстий, выполненных напротив уплотняющегося изнутри под действием гидравлического давления фигурного эластичного рукава, при этом наружная поверхность опорной трубы выше фигурного эластичного рукава сначала оснащена фигурным пазом, а затем - наружной ступенчатой кольцевой выборкой, состоящей из нижней и верхней ступеней, причём фигурный паз состоит из продольных короткого и длинного участков, при этом напротив фигурного паза на наружной поверхности опорной трубы подвижно размещена подпружиненная наружу цанга с направляющим штифтом, размещенным в фигурном пазу, при этом продольные короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги относительно опорной трубы направляющий штифт будет расположен то в продольном коротком участке фигурного паза - транспортное положение, в котором цанга взаимодействует с нижней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборки опорной трубы, то в продольном длинном участке фигурного паза - рабочее положение, при этом цанга взаимодействует с верхней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборки опорной трубы, причём нижний конец опорной трубы внутри оснащён сбивным клапаном, а ниже - жестким центратором с наружными переточными каналами, причём в исходном положении наружный диаметр d жесткого центратора больше наружного диаметра d фигурного эластичного рукава.
Недостатками устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством деталей (сбивной клапан, обратный клапан, радиальные каналы опорной трубы и т.д.);
- во-вторых, низкая надежность в работе, связанная с высокой вероятностью заклинивания подпружиненных захватных элементов цанги в нижней и/ или верхней ступенях ступенчатой кольцевой выборки в процессе фиксации в стыке муфты;
- в-третьих, низкий срок службы резиновой манжеты. Это связано с тем, что она выполнена в виде фигурного эластичного рукава, в нижней части снаружи снабжённого лепестковым уплотнителем , выполненным с зазором изнутри в форме обратного конуса, сужающегося сверху вниз и при высоких давлениях опрессовки 30-35 МПа фигурный эластичный рукав лопнет или появятся утечки по месту крепления рукава к опорной трубе;
- в-четвертых, трудоёмкость применения, так как после каждой опрессовки превентора необходимо производить его разборку, для замены сбивного клапана, с последующей сборкой стенда, что увеличивает стоимость обслуживания устройства при опрессовке превентора;
- в-пятых, отсутствует возможность контроля утечек через резиновую манжету при опрессовке превентора, так как при опрессовке жидкость подаётся в опорную трубу, то при негерметичной посадке резиновой манжеты возможны пропуски в межколонном пространстве сверху вниз через резиновую манжету.
1
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является стенд для опрессовки превентора на скважине (патент RU № 2719879, МПК Е21В 33/03, опубл. 23.04.2020), включающий опорную трубу, проходящую через корпус превентора, установленный в опорной трубе полый шток и размещённую на опорной трубе резиновую манжету, при этом наружная поверхность опорной трубы оснащена закрытым фигурным пазом, а выше закрытого фигурного паза оснащена ступенчатой кольцевой выборкой, состоящей из нижней и верхней ступеней, причём фигурный паз состоит из продольных короткого и длинного участков, при этом напротив фигурного паза на наружной поверхности опорной трубы подвижно размещена цанга с направляющим штифтом, при этом цанга подпружинена захватными элементами наружу и направлена вверх, а направляющий штифт размещен в фигурном пазу, при этом продольные короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги относительно опорной трубы направляющий штифт будет расположен то в продольном коротком участке фигурного паза - транспортное положение, в котором цанга взаимодействует с нижней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборкой опорной трубы, то в продольном длинном участке фигурного паза - рабочее положение, в котором цанга взаимодействует с верхней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборки опорной трубы, причём нижняя часть резиновой манжеты, выполненная в виде полого цилиндра, жестко закреплена на нижней части опорной трубы, при этом верхняя часть резиновой манжеты надета на дорн, жестко закреплённый на опорной трубе, при этом выше дорна, но ниже фигурного паза опорная труба оснащена рядом радиальных отверстий, а напротив дорна снабжена сквозными продольными пазами, в которые установлены подвижные пальцы, которые с одной стороны соединены с дорном, а с другой стороны соединены с полым штоком, который сверху оснащён обратным клапаном, а снизу подпружинен от опорной трубы, причём в транспортном положении полый шток герметично перекрывает ряд радиальных отверстий опорной трубы, при этом снизу полый шток гидравлически сообщает пространства над и под опорной трубой, причём в рабочем положении полый шток имеет возможность осевого ограниченного перемещения вниз в пределах сквозных продольных пазов опорной трубы до открытия ряда радиальных отверстий опорной трубы, причём опорная труба ниже резиновой манжеты снабжена пружинным центратором, а наружный диаметр d пружинного центратора больше наружного диаметра d резиновой манжеты в транспортном положении, при этом верхний конец опорной трубы гидравлически обвязан с насосом.
Недостатками устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством деталей (полый шток, пружина, пружинный центратор, радиальные каналы опорной трубы, уплотнительные элементы и т.д.);
- во-вторых, низкая надежность в работе, связанная с наличием пружины сжатия, которая при знакоопеременных нагрузках и частых опрессовках превентора особенно при высоких давлениях опрессовки 30-35 МПа может выйти из строя, что приведёт к поломке стенда в целом. Также высока вероятность заклинивания подпружиненных захватных элементов цанги в нижней и/ или верхней ступенях ступенчатой кольцевой выборки в процессе фиксации в стыке муфты. Кроме того, гидравлическая посадка резиновой манжеты менее надёжна чем механическая, так как сопрягаемые детали должны быть герметичными, что требует значительного количества уплотнительных колец на сопрягаемых поверхностях;
- в-третьих, низкий срок службы резиновой манжеты, связанный с её износом и повреждением. Это обусловлено конструкцией воротниковой манжеты посадка которой производится с помощью дорна, приводимого в действие гидравлически, поэтому если передавить дорном резиновую манжету, то она потеряет герметичность. Кроме того, при высоких давлениях опрессовки 30-35 МПа высока вероятность потери герметичности резиновой манжеты;
- в-четвертых, трудоёмкость применения, так как посадка пакера производится гидравлическим путём, то после каждой опрессовки превентора необходимо производить его разборку, ревизию, сборку, на предмет герметичности уплотнительных колец, что увеличивает стоимость обслуживания устройства при опрессовке превентора;
- в-пятых, отсутствует возможность контроля утечек через резиновую манжету при опрессовке превентора, так как при опрессовке жидкость подаётся в опорную трубу, то при негерметичной посадке резиновой манжеты возможны пропуски в межколонном пространстве сверху вниз через резиновую манжету.
Техническими задачами изобретения являются упрощение конструкции, повышение надёжности стенда в работе, увеличение срока службы стенда, а также снижение трудоёмкости при работе со стендом и возможность контроля наличия утечек жидкости при опрессовке превентора.
Технические задачи решаются стендом для опрессовки превентора, включающим опорную трубу, проходящую через корпус превентора, наружная поверхность опорной трубы оснащена замкнутым фигурным пазом, а напротив фигурного паза на наружной поверхности опорной трубы подвижно размещена цанга с подпружиненными наружу захватными элементами и с направляющим штифтом, а также резиновую манжету, размещённую на опорной трубе.
Новым является то, что опорная труба ниже цанги оснащена верхней и нижней наружными цилиндрическими выборками, на верхней наружной цилиндрической выборке расположены верхняя втулка, снаружи снабженная конусной поверхностью, сужающейся снизу вверх и верхняя резиновая манжета, при этом на нижней наружной цилиндрической выборке расположены металлическое кольцо, нижняя резиновая манжета и нижняя втулка с переточными каналами, причём нижняя втулка жестко закреплена на нижнем конце опорной трубы, при этом цанга подпружиненными захватными элементами направлена вниз, при этом захватные элементы оснащены внутренними конусными поверхностями, идентичными конусной поверхности верхней втулки, с которой они взаимодействуют в рабочем положении, после контакта подпружиненных захватных элементов цанги со стыком муфты колонны скважины, причем на наружной поверхности опорной трубы выполнен замкнутый фигурный паз с чередующимися продольными короткими и длинными проточками, при этом при возвратно-поступательном перемещении цанги относительно опорной трубы направляющий штифт поочередно перемещается то в короткую проточку - транспортное положение, то в длинную проточку - рабочее положение, при этом затрубное пространство скважины гидравлически обвязано с насосом, а на верхнем конце опорной трубы установлена задвижка.
На фиг. 1 схематично изображен стенд для опрессовки превентора на скважине в транспортном положении в процессе спуска в скважину.
На фиг. 2 - развёртка фигурного паза.
На фиг. 3 и 4 схематично изображен предлагаемый стенд для опрессовки превентора на скважине в рабочем положении.
Cтенд для опрессовки превентора включает опорную трубу 1 (фиг. 1, 3, 4), проходящую через корпус 2 превентора 3.
Наружная поверхность опорной трубы 1 оснащена замкнутым фигурным пазом 4 (фиг. 1-4), а напротив фигурного паза 4 на наружной поверхности опорной трубы 1 подвижно размещена цанга 5 (фиг. 1, 3, 4) с подпружиненными наружу захватными элементами 6 (например, в количестве 6 штук) и с направляющим штифтом 7 (фиг. 1-4).
Опорная труба 1 ниже цанги оснащена верхней 8 (фиг. 1, 3, 4) и нижней 9 наружными цилиндрическими выборками.
На верхней наружной цилиндрической выборке 8 расположены верхняя втулка 10 снаружи снабженная конусной поверхностью 11, сужающейся снизу вверх и верхняя резиновая манжета 12.
На нижней наружной цилиндрической выборке 9 расположены металлическое кольцо 13, нижняя резиновая манжета 14 и нижняя втулка 15 с переточными каналами 16, выполняющая роль центратора в процессе работы устройства.
Верхняя 12 и нижняя 14 резиновые манжеты выполнены различной твердости. Например, нижняя резиновая манжета мягкая и имеет твёрдость по Шору 35-45 условных единиц. Верхняя резиновая манжета 12 твёрдая и имеет твёрдость по Шору 70-90 условных единиц.
Нагрузки для сжатия верхней 12 и нижней 14 резиновых манжет, выполненных в виде полого цилиндра, и их радиального расширения определяют опытным путём.
1
2
3
1
2
3
Наружный диаметр d (фиг. 1) нижней втулки 15 (фиг. 1, 3, 4) с переточными каналами 16 на 10 мм больше наружного диаметра d первой резиновой манжеты 12 и наружного диаметра d второй резиновой манжеты 14 равных между собой: т.е. d > d = d в транспортном положении.
Нижняя втулка 15 жестко закреплена на нижнем конце опорной трубы 1.
Цанга 5 подпружиненными захватными элементами 6 направлена вниз.
Подпружиненные захватные элементы 6 цанги 5 оснащены внутренними конусными поверхностями 17 (фиг. 1, 3, 4), идентичными конусной 11 поверхности верхней втулки 10, с которой они взаимодействуют в рабочем положении.
Цанга 5 с подпружиненными захватными элементами 6 взаимодействует в рабочем положении со стыком 18 (фиг. 1, 3, 4) муфты 19 колонны труб 20, при этом должно соблюдаться неравенство:
а < b,
где а - высота фиксирующей части захватного элемента 6 (фиг. 1) цанги 5, например, 13 мм;
b - высота стыка 18 муфты 19, например, 18 мм.
1
1
Наружный диаметр d нижней втулки 15 с переточными каналами 16 принимают на 6 мм меньше внутреннего диаметра колонны труб 20. Например, если внутренний диаметр колонны труб 20 равен 150 мм, то d = 150 мм - 6 мм = 144 мм. Тогда наружные диаметры верхней 12 и нижней 14 резиновых манжет будут равны 144 - 10 мм = 134 мм.
Замкнутый фигурный паз 4 (фиг. 2) выполнен с чередующимися продольными короткими 21 (фиг. 2) и длинными 22 проточками.
Направляющий штифт 7 цанги 5 размещен в замкнутом фигурном пазе 4 (см. Фиг.2) так, что при возвратно-поступательном перемещении цанги 5 с подпружиненными захватными элементами 6 относительно корпуса 1 направляющий штифт 7 поочередно перемещается, то в короткую продольную проточку 21 - транспортное положение, то в длинную продольную проточку 22 - рабочее положение.
Стенд для опрессовки превентора на скважине работает следующим образом.
Стенд собирают как показано на фиг. 1, при этом направляющий штифт 7 находится в транспортном положении (см. фиг. 2) и размещен на короткой продольной проточке 21 замкнутого фигурного паза 4.
Для проведения спуско-подъёмных операций при работе стенда используют грузоподъёмное сооружение, если в полевых условиях, то используют грузоподъёмноый агрегат, например АПРС-40, если на базе производственного обслуживания, то кран-балку.
Грузоподъёмным сооружением опорную трубу 1 в собранном виде (см. фиг. 1) при помощи элеватора 23 (фиг. 1, 3, 4) через корпус 2 превентора 3 при открытой задвижке 24 (фиг. 1, 3, 4) патрубка 25 спускают в колонную головку 26 и далее в колонну труб 20, при этом наружные поверхности верхней 12 и нижней 14 резиновых манжет, благодаря нижней втулке 15 с переточными каналами 16 не находятся в контакте с внутренними стенками колонны труб 20 (фиг. 1).
В качестве колонны труб 20 может быть буровая труба, обсадная труба и т.д. В процессе спуска в колонну труб 20 опорная труба 1 перепускает жидкость снизу вверх, при этом нижняя втулка 15 с переточными каналами 16 центрирует устройство относительно оси колонны труб 20.
Опорную трубу 1 спускают в скважину так, чтобы цанга 5 находилась ниже муфты 19 на 2-3 метра.
Приподнимают опорную трубу 1 вверх примерно на 1 метр и вновь опускают, в результате чего направляющий штифт 7 перемещается из верхней части короткой проточки 21 в верхнюю часть длинной проточки 22 замкнутого фигурного паза 4 (см. фиг. 2). Это происходит потому, что подпружиненные захватные элементы 6 своими наружными поверхностями (см. фиг. 1) находятся в плотном контакте с внутренними стенками колонны труб 20, благодаря чему цанга 5 с подпружиненными захватными элементами 6 остается неподвижной, а опорная труба 1 совершает относительно него возвратно-поступательное движение.
Затем опорную трубу 1 начинают поднимать вверх, при этом цанга 5 с подпружиненными захватными элементами 6 продолжают оставаться неподвижными, благодаря плотному контакту наружных поверхностей подпружиненных захватных элементов 6 с внутренними стенками трубы 20 до тех пор, пока опорная труба 1 не поднимется вверх, при этом направляющий штифт 7 (см. фиг. 2) переместится из верхней части длинной проточки 22 в ее нижнюю часть.
В определенный момент произойдет контакт конусной поверхности 11 (см. фиг. 3) верхней втулки 10 с идентичными ей внутренними конусными поверхностями 17, которыми снабжены подпружиненный захватные элементы 6 цанги 5.
Подъем опорной трубы 1 вверх продолжают, при этом под действием нагрузки, действующей на подпружиненные захватные элементы 6 снизу, благодаря контакту конусной поверхности 11 верхней втулки 10 с внутренними конусными поверхностями 17, которыми снабжены подпружиненные захватные элементы 6 цанги 5, происходит перемещение подпружиненных захватных элементов 6 вверх до тех пор, пока они не попадут в стык 18 муфты 19 скважины, о чем свидетельствует появление нагрузки на индикаторе веса (на фиг. 1-4 не показано).
Далее работы производят по двум вариантам в зависимости от давления опрессовки превентора.
Первый вариант. Если необходимо опрессовать превентор на давление до 20,0 МПа
Например, превентор необходимо опрессовать на 19,0 МПа. Для этого помощью грузоподъёмного агрегата или кран-балки увеличивают натяжку опорной трубы вверх например до 2500 Н (250 кг), при этом происходит запакеровка нижнего уплотнительного элемента резиновой манжеты 14 благодаря тому, что нагрузка с цанги 5 через внутренние конусные поверхности 17, подпружиненных захватных элементов 6 передается на конусную поверхность 11 верхней втулки 10, которая в свою очередь, верхним уплотнительным элементом резиновой манжетой 12 большей твёрдости, чем нижний уплотнительный элемент 14 и металлическим кольцом 13 воздействует сверху, сжимает вышеупомянутый нижний уплотнительный элемент резиновой манжеты 14 ( см. фиг. 3), поскольку нижняя втулка 15 жестко закреплена на нижнем конце корпуса 1. Нижний уплотнительный элемент 14 радиально расширяется и плотно прижимается к внутренним стенкам колонны труб 20.
Второй вариант. Если необходимо опрессовать превентор на давление до 35,0 МПа
Например, превентор необходимо опрессовать на 30,0 МПа. Для этого помощью грузоподъёмного агрегата или кран-балки увеличивают натяжку опорной трубы 1 вверх например до 5000 Н (500кг), при этом происходит запакеровка сначала нижнего уплотнительного элемента резиновой манжеты 14 благодаря тому, что нагрузка с цанги 5 через внутренние конусные поверхности 17 подпружиненных захватных элементов 6 передается на конусную поверхность 11 верхней втулки 10, которая в свою очередь, через верхний уплотнительный элемент резиновую манжету 12 большей твёрдости, чем нижний уплотнительный элемент резиновая манжета 14 и металлическое кольцо 13 воздействует сверху, сжимает вышеупомянутый нижний уплотнительный элемент резиновую манжету 14 (при нагрузке 2500 Н), поскольку нижняя втулка 15 жестко закреплена на нижнем конце корпуса 1, а затем уже при достижении нагрузки 5000 Н нагрузка с цанги 5 через внутренние конусные поверхности 17, подпружиненных захватных элементов 6 передается на конусную поверхность 11 верхней втулки 10, которая в свою очередь, приводит к сжатию верхнего уплотнительного элемента резиновую манжету 12 ( при нагрузке 5000 Н) ( см. фиг. 4)
Нижняя 14 и верхняя 12 резиновые манжеты последовательно и радиально расширяется и плотно прижимаются к внутренним стенкам колонны труб 20.
Выполнив работы по первому или второму варианту задвижку 24 патрубка 25 (затрубное пространство скважины) гидравлически обвязывают с насосом 27 (фиг. 3), а на верхнем конце опорной трубы 1 устанавливают задвижку 28 и открывают её. Закрывают плашки 29 превентора 3 (см. фиг. 3 и 4), так, чтобы они плотно охватывали наружную поверхность опорной трубы.
В качестве насоса 27 может использоваться насос любой известной конструкции, предназначенный для закачки жидкости в скважину, например цементировочный агрегат марки ЦА-320, производства ООО «Ижнефтегаз» (Российская Федерация, Республика Удмуртия, г. Ижевск).
Например, необходимо произвести работы по второму варианту, т.е. опрессовать превентор на 30,0 МПа.
Для этого с помощью насосного агрегата через открытую задвижку 24 патрубка 25 нагнетают жидкость в затрубное пространство между колонной головкой 26 и опорной трубой 1 и поднимают давление до намеченного давления опрессовки превентора, например, 30,0 МПа. Выдерживают превентор 3 под вышеуказанным давлением, например, в течение 30 мин, причём падение давления более чем на 5 % не допускается, т.е. по окончании времени опрессовки избыточное давление должно быть не ниже 28,5 МПа. Таким образом производят опрессовку превентора 3.
Превенторы не выдержавшие испытания (давление опрессовки ниже 28,5 МПа) направляются в ремонт, а превенторы успешно прошедшие испытания (давление опрессовки от 28,5 до 30,0 МПа) направляются на скважину для дальнейших работ.
В процессе выдержки превентора в течение 30 мин, также контролируют наличие утечек жидкости по опорной трубе через открытую задвижку 28. Таким образом, можно контролировать герметичность посадки верхней 12 и нижней 14 резиновых манжет в колонне труб 20. Контроль утечек жидкости не доступен в прототипе. Кроме того, в предложенном стенде в случае появления утечек жидкости через задвижку 28 можно догерметизировать верхнюю резиновую манжету 12. Например, увеличив нагрузку натяжения опорной трубы до 6000 (600 кг).
После окончания опрессовки превентора 3 с помощью насоса стравливают избыточное давление до атмосферного в затрубном пространстве между колонной головкой 26 и опорной трубой 1, т.е. выше верхней 12 и нижней 14 резиновых манжет.
Далее открывают плашки 29 превентора 3 и снимают превентор 3 со стенда, после чего приспускают опорную трубу 1 примерно на 1-2 метра вниз, при этом происходит сначала разгерметизация резиновых манжет 12 и 14, которые возвращаются в исходное положение, а затем опорную трубу 1 опускают вниз относительно направляющего штифта 7, который как и цанга 5 остается неподвижным, благодаря тому, что подпружиненные захватные элементы 6 находятся в стыке 18 муфты 19. При этом направляющий штифт 7 (см. фиг. 2) из нижней части длинной проточки 22 перемещается в верхнюю часть короткой проточки 21 замкнутого фигурного паза 4 по направлению движения опорной трубы 1. При этом конусная поверхность 11 верхней втулки 10 выходит из контакта с внутренними конусными поверхностями 17 подпружиненных захватных элементов 6 цанги 5 (см. фиг. 1), после чего опорную труб 1 свободно извлекают из колонной головки 26.
В предложенном стенде в сравнении с прототипом упрощается конструкция стенда, сокращается количеством деталей, что снижает себестоимость изготовления стенда.
Повышается надежность в работе, поскольку из конструкции исключены: пружина сжатия и уплотнительные кольца, снижающие надёжность работы стенда (поломка пружины и/или утечки жидкости через сопрягаемые уплотнительными кольцами поверхности). Посадка резиновых манжет производится механическим путём за счёт натяжения опорной трубы, а не гидравлически как в прототипе, что гораздо надёжнее Также исключается вероятность заклинивания подпружиненных захватных элементов цанги в процессе фиксации в стыке муфты , так как из конструкции исключены нижняя и верхняя ступень ступенчатой кольцевой выборки, выполненные на наружной поверхности опорной трубы, а подпружиннные захватные элементы цанги направлены вниз.
Увеличивается срок службы резиновых манжет выполненных с различной твердостью до износа и/или повреждения. Это обусловлено тем, что в зависимости от требуемого давления опрессовки работает либо только нижняя резиновая манжета 14 (при давлении опрессовки превентора до 20, МПа), либо верхняя 12 и нижняя 14 резиновые манжеты одновременно (при давлении опрессовки превентора до 35 МПа). Это позволяет в щадящем режиме эксплуатировать резиновые манжеты, тем самым кратно снизить вероятность их износа и/или повреждения.
Снижается трудоёмкость применения, так как посадка резиновых манжет производится механическим путём, а отсутствие уплотнительных колец, не требует производить ревизию на предмет герметичности стенда, что снижает стоимость обслуживания при опрессовке превентора.
Стенд для опрессовки превентора позволяет:
- упростить конструкцию стенда;
- повысить надёжность работы стенда;
- увеличить срок службы стенда;
- снизить стоимость обслуживания при проведения работ по опрессовке превентора;
- контролировать наличие утечек жидкости при опрессовке превентора.