Герметизатор устьевой роторный

Предлагаемая полезная модель относится к горной промышленности, к оборудованию, которое используется при проведении работ на нефтяных и газовых скважинах и предназначено для герметизации скважин при выполнении работ, связанных с вращением ведущей трубы и колонны бурильных труб ротором с механическим приводом, а также при производстве спускоподъемных операций.
Известны различные технические решения в данной области техники. Например, известно устройство для герметизации устья скважины (патент RU 2142552, 1999 г.), содержащее корпус, имеющий нижний фланец для крепления с ответным фланцем арматуры устья скважины, верхний фланец для установки на него механического ротора и центральный осевой канал в форме конической поверхности. В корпус установлена герметизирующая вставка, состоящая из разъемного в диаметральной плоскости статора, неподвижно закрепленного в корпусе, жестко закрепленного к статеру уплотнительного элемента, герметизирующего полость между статором и конической расточкой корпуса и ротора установленного в статоре с возможностью вращения. Ротор имеет центральный осевой канал для пропуска труб через жестко закрепленный в его верхней части уплотнитель с выполненным в нем отверстием по форме приводной трубы. Недостатком известного устройства является высокая трудоемкость и низкая надежность в эксплуатации, обусловленные следующими моментами. Быстрый износ уплотнительного элемента между разъемным статером и конусной поверхностью корпуса из-за необходимости постоянного демонтажа герметизирующей вставки во время спускоподъемных операций. Недолговечность работы уплотнителя ведущей трубы и возможность нарушения герметичности в зоне их контакта по причине малой высоты уплотнителя и невозможности его поджатия. Быстрый износ поверхностей между статором и ротором, конструктивно используемых как подшипник скольжения во время вращения приводной трубы при котором возникают высоки осевые и радиальные нагрузки. При левом вращении приводной трубы, возможно свинчивание направляющей втулки расположенной в нижней части герметизирующей вставки и как следствие ее падение в скважину.
Известно устройство для герметизации устья скважины (патент RU 2270325, 2006 г.), содержащее корпус со сквозным центральным отверстием, имеющий верхний и нижний фланцы, вставной герметизатор, выполненный в виде статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в сквозной расточке статора с возможностью вращения. Ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей трубы через уплотнитель. Уплотнитель выполнен в виде манжеты из эластичного материала с внутренним и наружным герметизирующими выступами и установлен в верхней расточке ротора с возможностью радиального перемещения. Недостатками известного устройства являются: высокая трудоемкость при его эксплуатации, обусловленная сложностью установки вставного герметизатора на ведущую трубу и необходимостью его разборки-сборки и монтажа снятого уплотнителя на нижний переводник ведущей трубы; низкая надежность, обусловленная быстрым износом уплотнителя ведущей трубы не имеющего возможность регулировки поджатая, а так же быстрым износом поверхностей между статором и ротором, конструктивно используемых как подшипник скольжения во время вращения приводной трубы.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является вставка для герметизации устья скважины по патенту RU 55854, 2006 г., которая выбрана за прототип. Известная вставка содержит корпус (статор), центральный ствол (ротор) со сквозным осевым каналом для прохода ведущей трубы, установленный внутри корпуса посредством подшипника качения с возможностью вращения, гайку, навинченную сверху на ствол, уплотнительную манжету с центральным отверстием квадратной формы, заглубленную в ствол и опирающуюся на верхний торец ствола и гайку, и шайбу с центральным отверстием квадратной формы, закрепленную на гайке. Шайба выполнена разъемной в диаметральной плоскости, проходящей через вершины квадрата квадратного отверстия. Половины шайбы соединены между собой серьгой, расположенной в пределах окружности шайбы и со стороны одного из концов линии разъема шайбы. Серьга закреплена на шайбе двумя болтами с возможностью поворота относительно этих болтов. Болты расположены по разные стороны от плоскости разъема шайбы. Недостатками известного устройства являются:
- невысокая надежность, обусловленная:
• невозможностью регулировки величины поджатия уплотнительной манжеты, что в случае нарушения герметичности, требует оперативной ее замены;
• возможностью свинчивания гайки, установленной на поворотный ствол при проведении операции фрезерования с левым вращением, по причине фиксации данного узла при помощи упорного винта в одной точке;
• наличием только одного уплотнительного элемента на наружном конусе корпуса вставки, поэтому требуется частый демонтаж вставки, который приводит к износу контактных поверхностей конусов вставки и устьевого фланца скважины, из-за чего нарушается герметичность;
- высокая трудоемкость при его эксплуатации, обусловленная:
• необходимостью демонтажа вставки с устья скважины и самой приводной трубы для замены уплотнительной манжеты;
• необходимостью демонтажа муфты, соединяющей приводную трубу с породоразрушающим инструментом, по причине невозможности протягивания через муфту уплотнительной манжеты при проведении работ по установке вставки на устье скважины.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической проблемы по созданию конструкции герметизатора устьевого роторного, лишенного указанных выше недостатков и обладающего необходимыми эксплуатационными качествами.
Технический результат, который достигается при использовании предлагаемой полезной модели, заключается в повышении надежности и срока службы герметизатора устьевого роторного за счет применения регулируемого блока уплотнительных элементов, обеспечивающего герметизацию приводной трубы как в статике, так и при ее правом или левом вращении в процессе работы.
Для достижения указанного технического результата герметизатор устьевой роторный, включающий статор, состоящий из полого цилиндрического корпуса, наружная поверхность которого в нижней его части имеет коническую форму, сопрягающуюся с внутренней конической поверхностью устьевого фланца скважины, на наружной конической поверхности статора выполнена кольцевая проточка для захода ползунов, фиксирующих статор в устьевом фланце скважины, внутри статора посредством подшипникового узла установлен ротор со сквозным осевым каналом для пропуска труб, предлагается выполнить следующим образом:
ротор выполнить состоящим из поворотной гильзы и присоединенного к ней в верхней части при помощи резьбового соединения и фиксатора полого поворотного корпуса, во внутреннем канале которого установлен съемный регулируемый блок уплотнений, имеющий центральное отверстие по форме ведущей трубы и закрепленный в поворотном корпусе с помощью гайки. Причем съемный регулируемый блок уплотнений предлагается выполнить разъемным в вертикальной плоскости осевого канала, проходящей через противолежащие вершины квадрата ведущей трубы, делящей входящие в него детали пополам. При этом съемный регулируемый блок уплотнений состоит из металлического сектора опоры, металлического сектора прижима и расположенного между ними уплотнительного элемента, изготовленного из упругого эластичного материала, детали съемного регулируемого блока соединяются между собой болт стяжками, проходящими через четыре осевые канала круглого сечения, симметрично выполненные во всех деталях блока, гайки, установленные на болт стяжки, осуществляют регулировку поджатая уплотнительного элемента до обеспечения герметизации ведущей трубы, наружные боковые поверхности опорных секторов съемного регулируемого блока уплотнений имеют криволинейные боковые поверхности, сопрягающиеся с криволинейными боковыми поверхностями поворотного корпуса за счет чего обеспечивается передача крутящего момента ведущей трубы ротору. Причем на наружной конусной поверхности статора ниже кольцевой проточки предлагается выполнить две кольцевые канавки, в которые вставлены уплотнительные кольца.
Конструктивно, съемный регулируемый блок, кроме герметизации, обеспечивает передачу крутящего момента ведущей трубы ротору посредством сопряжения криволинейных боковых поверхностей выполненных в уступах металлических опорных секторов с ответными криволинейными поверхностями, выполненными в пазах осевого канала поворотного корпуса.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен герметизатор вид спереди с частичным разрезом;
На фиг. 2 изображено сечение герметизатора С-С;
На фиг. 3 изображено сечение герметизатора Д-Д;
На фиг. 4 изображен вид герметизатора Е;
На фиг. 5 изображена поэлементная схема герметизатора.
На фигурах использованы следующие обозначения:
1 - Корпус (статор)
2 - Поворотная гильза
3 - Кольцо
4 - Корпус поворотный
5 - Болт стяжка
6 - Сектор опоры
7 - Уплотнительный элемент
8 - Сектор прижима
9 - Гайка поворотного корпуса
10 - Втулка дистанционная
11 - Кольцо уплотнительное
12 - Опора скольжения
13 - Заглушка
14 - Фиксатор
15 - Винт
16 - Гайка
17 - Резиновое кольцо
18 - Стопор
19 - Фиксирующее кольцо
20 - Пружинное кольцо
21 - Подшипник упорный
22 - Войлочная лента
23 - Комбинированное штоковое кольцо
24 - Осевой канал
25 - Ротор
26 - Кольцевая проточка
27 - Ограничитель
28 - Съемный регулируемый блок уплотнений
29, 30, 31, 32 - Боковые поверхности фиксатора 14
33 - Наружная криволинейная поверхность фиксатора 14
34, 35 - Две параллельные друг другу лыски на головках болт стяжек 5
36, 37 - Боковые грани паза, выполненного в секторе опоры 6
38 - Криволинейная боковая поверхность
39 - Подшипниковый узел
Герметизатор состоит из корпуса (статора) 1 со сквозным осевым каналом 24, ротора 25, установленного в осевом канале 24 корпуса (статора) 1 при помощи подшипникового узла 39. Корпус (статор) 1 на наружной конической поверхности имеет две кольцевые канавки, в которые установлены резиновые уплотнительные кольца 11, обеспечивающие герметизацию сопрягаемых конических поверхностей корпуса (статора) и устьевого фланца скважины. Выше них выполнена кольцевая проточка 26 для захода ползунов (на рисунке не показаны), фиксирующих корпус (статор) в устьевом фланце скважины от осевого перемещения и установлен ограничитель 27, ограничивающий корпус (статор) 1 от вращения. Во внутреннем осевом канале 24 корпуса (статора) 1, соосно друг к другу и подшипниковому узлу установлен ротор 25, состоящий из гильзы поворотной 2, поворотного корпуса 4, съемного регулируемого блока уплотнений 28 и гайки поворотного корпуса 9, фиксирующей съемный регулируемый блок уплотнений 28 в поворотном корпусе. Гильза поворотная 2, имеющая осевой канал 24 для пропуска труб, установлена в корпус (статор) 1 при помощи подшипникового узла, состоящего из трех элементов, упорного подшипника 21, обеспечивающего восприятие осевых нагрузок, кольца 3 и опоры скольжения 12, выполняющих роль подшипников скольжения и обеспечивающих восприятие радиальных нагрузок. Кольцо 3 и опора скольжения 12 установлены в корпус (статор) 1 путем запрессовки и зафиксированы от проворота и выпадения при работе фиксирующими винтами 15. Для обеспечения герметичности между корпусом (статором) 1 и гильзой поворотной 2 в кольцевых канавках, выполненных на внутренней поверхности корпуса (статора) 1, установлены три комбинированных штоковых кольца 23, выполняющих кроме своей основной функции еще и роль дополнительной точки опоры в подшипниковом узле. Фиксация гильзы поворотной 2 и подшипникового узла во внутренней полости корпуса (статора) 1 осуществляется пружинным кольцом 20, ограничивающим их осевое перемещение. Для обеспечения смазки подшипникового узла в корпусе (статоре) 1 в межоперационный период, предусмотрено технологическое резьбовое отверстие под установку смазочного фитинга, которое в рабочем состоянии заглушено заглушкой 13. На гильзу поворотную 2 в верхней ее части, при помощи резьбового соединения установлен поворотный корпус 4, герметичность между ними обеспечивают два резиновых кольца 17, которые не дают возможность попадания пластовой жидкости в место стыка корпуса (статора) 1 и поворотного корпуса 4. От попадания наружной грязи данный стык защищен войлочной лентой 22. Для исключения возможности свинчивания корпуса поворотного 4 с гильзы поворотной 2, при левом вращении приводной трубы, между ними, в конструкции предусмотрена установка фиксатора 14, выполненного в виде плоской шайбы с внутренним шлицевым каналом для пропуска труб и наружной боковой поверхностью криволинейной формы. Фиксатор 14 боковыми поверхностями 29, 30, 31, 32 двух противолежащих шлицев сопрягается с боковыми поверхностями пазов, выполненными в верхней части поворотной гильзы 2, а наружной криволинейной поверхностью 33 фиксатор 14 сопрягается с идентичной поверхностью выборки, выполненной в осевом канале 24 нижней части поворотного корпуса 4. Фиксирующее кольцо 19 ограничивает фиксатор 14 от перемещения в осевом направлении. Во внутреннюю цилиндрическую полость поворотного корпуса 4, выполненную в верхней части, устанавливается съемный регулируемый блок уплотнений 28, имеющий наружную поверхность в форме цилиндра, внутренний осевой канал по форме приводной трубы и состоящий из сектора опоры 6, сектора прижима 8 и расположенного между ними уплотнительного элемента 7. Съемный регулируемый блок уплотнений 28 выполнен разъемным в вертикальной плоскости осевого канала, проходящей через противолежащие вершины квадрата приводной трубы и делящей детали блока пополам, при этом детали съемного регулируемого блока уплотнений 28 соединены между собой болт стяжками 5, проходящими через четыре осевые канала круглого сечения, выполненные симметрично во всех деталях съемного регулируемого блока уплотнений. Гайками 16, установленными на резьбовой участок болт стяжек 5 и зафиксированными на них от свинчивания стопорами 18, через дистанционные втулки 10 осуществляется равномерное сжатие съемного регулируемого блока уплотнений 28, в котором от действия осевой нагрузки уплотнительный элемент 7, выполненный из эластичного материала, деформируется и облегает боковые грани приводной трубы до обеспечения герметичности. Для исключения проворота болт стяжек 5 во время поджатая съемного регулируемого блока уплотнений 28, на головках болт стяжек имеются две параллельные друг другу лыски 34, 35, сопрягающиеся с боковыми гранями 36, 37 паза, выполненного в секторе опоры. Регулируемый блок уплотнений 28 кроме функции герметизации осуществляет передачу крутящего момента от приводной трубы ротору 25 посредством сопряжения криволинейных боковых поверхностей 38, выполненных в уступах опорных секторов 6 с ответными криволинейными поверхностями, выполненными в пазах поворотного корпуса 4. Фиксация съемного регулируемого блока уплотнений 28 в полости поворотного корпуса 4 осуществляется гайкой 9, имеющей осевой канал для пропуска труб.
Герметизатор устьевой роторный работает следующим образом. В скважину опускают бурильную компоновку, включающую доспускной клапан, колонну труб и породоразрушающий инструмент. Подвешивают ее на элеваторе за верхнюю муфту колонны труб на устьевой фланец скважины. Устанавливают герметизатор на устьевой канал скважины, предварительно убрав элеватор и повесив компоновку с прохождением патрубка через осевой канал герметизатора, с которого предварительно убран съемный регулируемый блок уплотнений 28. Устанавливают и закрепляют на устьевой фланец скважины ротор, свинчивают с бурильной компоновки переводник ведущей бурильной трубы. Перемещением по вертикали вниз переводник ведущей бурильной трубы проходит через осевой канал герметизатора, после чего съемный регулируемый блок уплотнений с установленными болт стяжками, собираются вокруг ведущей трубы, центрируясь по ее боковым граням и опускается в поворотный корпус 4, после чего на наружный резьбовой участок поворотного корпуса 4 навинчивается гайка поворотного корпуса 9. Герметизатор готов к работе.
После включения вращения ведущей трубы и подачи бурового раствора осуществляется операция бурения скважины, при которой происходит вертикальное перемещение приводной трубы вдоль осевого канала герметизатора. Герметичность приводной трубы осуществляется за счет упругого обжатия ее боковых поверхностей внутренними поверхностями уплотнительного элемента 7, прилегающими к ней, величина обжатия регулируется, по мере износа уплотнительного элемента 7, равномерной затяжкой гаек 16, установленных на болт стяжках 5. Момент от вращения приводной трубы передается ротору 25 посредством силы трения, возникающей между боковыми поверхностями приводной трубы и прилегающими к ней поверхностями уплотнительного элемента 7.
После проведения бурения на величину длины ведущей бурильной трубы, возникает необходимость наращивания колонны бурильных труб. Перед проведением спускоподъемной операции производят свинчивание гайки 9 с поворотного корпуса 4 и демонтаж съемного регулируемого блока уплотнений 28, после чего осуществляют спуск ведущей трубы и муфты колонны бурильных труб через центральный осевой канал вставки без демонтажа ротора. По окончании спуска повторяется операция монтажа съемного регулируемого блока уплотнений.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом:
- повышение долговечности и надежности работы, вследствие увеличения высоты уплотнительного элемента. Обеспечивается большая величина площади контакта приводной трубы и уплотнительного элемента, что в совокупности с возможностью регулировки силы сжатия уплотнительного элемента приведет к повышению герметичности данного узла;
- возможность применения герметизатора как при правом, так и при левом вращении приводной трубы без опасения в возможности свинчивания деталей герметизатора установленных в сборку при помощи резьбового соединения за счет введения фиксатора между поворотной гильзой и поворотным корпусом;
- возможность применения герметизатора при проведении спускоподъемных операций без демонтажа механического ротора;
- повышение герметичности между наружной конусной поверхностью герметизатора сопряженной с внутренним конусом устьевого канала скважины за счет установки дополнительного уплотнительного кольца.