ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЯ СКВАЖИНЫ РАЗЪЕМНЫЙ
WELLHEAD SPLIT SEALER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устьевому оборудованию, и может быть использовано для герметизации межтрубного пространства между кондуктором и промежуточной колонной на действующих скважинах, оборудованных однофланцевыми колонными головками типа ОКК-1, без их глушения.
Анализ существующего уровня техники показал следующее:
- в настоящее время устье большого числа действующих скважин, например, на подземных хранилищах газа оборудовано однофланцевыми колонными головками типа ОКК-1 без герметизации пространства между кондуктором и промежуточной колонной. В процессе длительной эксплуатации в этом пространстве отмечаются случаи выделения газа, а также возможно наличие эксцентриситета между колоннами. Открытое устье не позволяет контролировать заколонные проявления и управлять ими.
Известна серийно выпускаемая двухфланцевая колонная головка типа ОКК-2 (см. Абубакиров В.Ф., Архангельский В.Л. и др. Оборудование буровое, противовыбросовое и устьевое: Справ. пособ.: В 2 т. Т.1 - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007, с.613), которая обеспечивает герметичность пространства между кондуктором и промежуточной колонной. Однако для установки вышеуказанной колонной головки необходимо демонтировать колонную головку типа ОКК-1. Для этого требуется заглушить скважину, извлечь забойное оборудование, установить изолирующий цементный мост, а затем после переоборудования устья разбурить его и освоить скважину. Все это значительно увеличит время и стоимость работ. Кроме того, в большинстве скважин пространство между кондуктором и промежуточной колонной зацементировано, что также увеличивает время и трудозатраты на очистку уплотняемых поверхностей. К тому же для установки колонной головки типа ОКК-2 на кондукторе необходимо нарезать резьбу, что не всегда возможно ввиду изношенности и коррозии труб. При наличии эксцентриситета между кондуктором и промежуточной колонной установка колонной головки типа ОКК-2 без специальных устройств будет невозможна.
Известно устройство для герметизации устья скважины с надводным размещением противовыбросового оборудования (см. а.с. №1799996 от 08.05.91 г. по кл. E21B 33/035, опубл. 07.03.93 г.), включающее корпус со стойками колонной головки, жестко связанной с кондуктором, размещенным внутри водоотделяющей колонны. Между водоотделяющей колонной и кондуктором установлена опорная втулка с последовательно размещенными под ней уплотнительным элементом, кронбуксой, основными и дополнительными клиньями, распорными конусами, затяжными шпильками с гайками на верхних концах и подпружиненными кольцами. Герметизация осуществляется в межколонном пространстве между кондуктором и водоотделяющей колонной. Недостатками является следующее. Для установки в межколонное пространство устройства для герметизации необходимо произвести срез водоотделяющей колонны. Причем монтаж устройства возможен только в скважинах с большим зазором между колоннами. Малый зазор, а также наличие эксцентриситета между колоннами не позволят смонтировать устройство в межколонном пространстве. К тому же корпус колонной головки к кондуктору подсоединяют путем приварки, т.е. необходимо проведение огневых работ.
Известно устьевое оборудование скважины (см. п. РФ №2269641 от 18.01.2005 г. по кл. E21B 33/03, опубл. 10.02.2006 г.) Устьевое оборудование включает колонную головку, состоящую из корпуса с радиальными каналами, фланца, элементов соединения, подвески и герметизации обсадной колонны, и трубную головку. Корпус и фланец колонной головки выполнены разъемными. Недостатками указанного оборудования является следующее. Устьевое оборудование предназначено для использования на находящихся в эксплуатации ранее построенных скважинах с установкой такого оборудования во время капитальных ремонтов указанных скважин. Для установки оборудования необходимо: заглушить скважину, извлечь забойное оборудование, установить изолирующий цементный мост, после переоборудования устья разбурить мост и освоить скважину, что значительно увеличит время и стоимость работ.
Уплотнение кондуктора осуществляется по боковой поверхности. За длительный период эксплуатации скважины наружная и внутренняя поверхности кондуктора в результате коррозии становятся непригодными для осуществления герметизации без предварительной их обработки. Зачистка таких поверхностей трудоемка и невозможна при глубокой коррозии.
При герметизации эксцентричных колонн значительно усложнится конструкция и снизится технологичность изготовления.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает:
- надежную герметизацию пространства между кондуктором и промежуточной колонной за счет выполнения герметизатора разъемным;
- сокращение сроков переоборудования устья действующих скважин, оборудованных однофланцевыми колонными головками типа ОКК-1 за счет возможности установки герметизатора без демонтажа однофланцевых колонных головок типа ОКК-1, т.е. без глушения скважины и проведения других длительных и трудоемких операций;
- возможность установки герметизатора при эксцентричном расположении колонн за счет уплотнения кондуктора по торцу;
- исключение операции по нарезанию резьб и огневых работ при установке герметизатора, что позволит монтировать его при наличии давления в скважине и при возможных газовыделениях.
Технический результат достигается с помощью предлагаемого герметизатора устья скважины разъемного, включающего:
устанавливаемый на торце кондуктора с охватом части длины промежуточной колонны, эксцентрично расположенной в кондукторе, разъемный цилиндрический корпус, состоящий из двух полукорпусов, соединенных между собой встык и загерметизированных напряженно-деформированными медьсодержащими прокладками, причем плоскость стыков полукорпусов перпендикулярна направлению эксцентриситета кондуктора и промежуточной колонны;
на нижнем торце каждого полукорпуса приварена полупланшайба с кольцевой канавкой специальной конфигурации на ее нижней торцевой поверхности под разрезное уплотнительное кольцо, выполненное из мягкого металла, причем кольцевая канавка проточена с учетом максимальной толщины стенки кондуктора и максимального эксцентриситета кондуктора и промежуточной колонны, с обеспечением соосности разъемного цилиндрического корпуса относительно промежуточной колонны;
в верхней части на наружной боковой поверхности каждого полукорпуса приварен полуфланец, причем между полуфланцами и полупланшайбами приварены стяжные планки с косынками, а под полупланшайбами - стяжные планки с пластинами, при этом все стяжные планки имеют стяжные отверстия под шпильки с гайками, а в один из полукорпусов вварен патрубок;
в средней части на внутренней боковой поверхности каждого полукорпуса приварено полукольцо, верхняя торцевая поверхность которого выполнена конусной;
над полукольцами установлены самоуплотняющиеся конусные кольца, выполненные из эластичного материала и разрезанные по всей высоте, причем места разрезов смещены друг относительно друга;
над самоуплотняющимися конусными кольцами установлена разъемная грундбукса, половинки которой зафиксированы зацепами, причем нижняя торцевая поверхность разъемной грундбуксы выполнена конусной, а угол наклона φ ее торцевой поверхности к вертикальной оси герметизатора определяют из неравенства
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>≥</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mn>1</mn><mi>f</mi></mfrac></mrow>
,
где: f - коэффициент трения эластичного материала по металлу;
верхние торцевые поверхности полуколец и самоуплотняющиеся конусные кольца имеют конусность, соответствующую конусности нижней торцевой поверхности разъемной грундбуксы;
в верхней части разъемной грундбуксы и в полуфланцах выполнены сквозные отверстия под упорные шпильки с гайками, установленными над разъемной грундбуксой и полуфланцами;
над разъемной грундбуксой установлена разъемная упорная втулка с резьбовыми отверстиями, выполненными на нижней торцевой поверхности, с обеспечением фиксации верхней части упорных шпилек, причем разъемная упорная втулка в верхней части состыкована в единую деталь фиксирующими вкладышами, места стыков которых перпендикулярны местам стыков разъемной упорной втулки, а на внутреннюю боковую поверхность разъемной упорной втулки, выполненную конусно, опираются плашки.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.
Анализ изобретательского уровня показал следующее: из источников патентной документации и научно-технической литературы не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, обеспечивающими достигаемый технический результат, обусловленный неизвестными свойствами конструктивных элементов герметизатора и связями между конструктивными элементами. Таким образом, заявляемые существенные признаки не следуют явным образом из уровня техники, т.е. соответствуют условию изобретательского уровня.
Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен фронтальный разрез устройства;
на фиг.2 представлен профильный разрез устройства;
на фиг.3 представлен вид снизу.
Герметизатор устья скважины разъемный установлен на торце кондуктора 1 и охватывает часть длины промежуточной колонны 2, которая эксцентрично расположена в кондукторе 1. Герметизатор содержит разъемный цилиндрический корпус, который состоит из двух полукорпусов 3. Полукорпусы 3 соединены между собой встык, а места стыков загерметизированы напряженно-деформированными медьсодержащими прокладками 4. Плоскость стыков полукорпусов 3 перпендикулярна направлению эксцентриситета е кондуктора 1 и промежуточной колонны 2. На нижнем торце каждого полукорпуса 3 приварена полупланшайба 5 с кольцевой канавкой 6 специальной конфигурации на ее нижней торцевой поверхности под разрезное уплотнительное кольцо 7. Уплотнительное кольцо 7 выполнено из мягкого металла. Кольцевая канавка 6 специальной конфигурации проточена с учетом максимальной толщины стенки кондуктора 1 и максимального эксцентриситета е кондуктора 1 и промежуточной колонны 2, с обеспечением соосности разъемного цилиндрического корпуса относительно промежуточной колонны 2. В верхней части на наружной боковой поверхности каждого полукорпуса 3 приварен полуфланец 8. Между полуфланцами 8 и полупланшайбами 5 приварены стяжные планки 9 с косынками 10, а под полупланшайбами 5 - стяжные планки 11 с пластинами 12. Стяжные планки 9, 11 имеют сквозные отверстия 13 под шпильки 14 и гайки 15. В один из полукорпусов 3 вварен патрубок 16 для возможности проведения технологических операций, а также подсоединения манометра и кранов для сброса давления. В средней части на внутренней боковой поверхности каждого полукорпуса 3 приварено полукольцо 17, верхняя торцевая поверхность которого выполнена конусной. Над полукольцами 17 установлены самоуплотняющиеся конусные кольца 18, выполненные из эластичного материала. Самоуплотняющиеся конусные кольца 18 разрезаны по всей высоте, а места разрезов смещены друг относительно друга. Над самоуплотняющимися конусными кольцами 18 установлена разъемная грундбукса 19, половинки которой зафиксированы зацепами 20. Нижняя торцевая поверхность грундбуксы 19 выполнена конусной, а угол наклона φ ее торцевой поверхности к вертикальной оси герметизатора определяют из неравенства
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>≥</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mn>1</mn><mi>f</mi></mfrac></mrow>
,
где: f - коэффициент трения эластичного материала по металлу.
Верхние торцевые поверхности полуколец 17 и самоуплотняющиеся конусные кольца 18 имеют конусность, соответствующую конусности нижней торцевой поверхности разъемной грундбуксы 19. В верхней части разъемной грундбуксы 19 и в полуфланцах 8 выполнены сквозные отверстия 21, 22 под упорные шпильки 23 с гайками 24, 25. Гайки 24 установлены над разъемной грундбуксой 19, а гайки 25 - над полуфланцами 8. Над разъемной грундбуксой 19 установлена разъемная упорная втулка 26. Разъемная упорная втулка 26 имеет резьбовые отверстия 27, выполненные на ее нижней торцевой поверхности для фиксации верхней части упорных шпилек 23. Разъемная упорная втулка 26 в верхней части состыкована в единую деталь фиксирующими вкладышами 28, места стыков которых перпендикулярны местам стыков разъемной упорной втулки 26. На внутреннюю боковую поверхность разъемной упорной втулки 26, выполненную конусно, опираются плашки 29.
Герметизатор на устье скважины устанавливают в следующем порядке.
Для создания напряженно-деформированного состояния медьсодержащих прокладок 4 предварительно на заводе-изготовителе полукорпусы 3 с медьсодержащими прокладками 4 стягивают между собой шпильками 14 до образования герметичного стыка. При этом медьсодержащие прокладки 4 деформируются и частично заплывают внутрь разъемного цилиндрического корпуса. Далее начисто протачивают внутреннюю поверхность разъемного цилиндрического корпуса над полукольцами 17 и в собранном виде разъемный цилиндрический корпус поставляют на скважину. После разъединения полукорпусов 3 перед монтажом на скважине медьсодержащие прокладки 4 сохраняют форму сопрягаемых поверхностей и остаются в напряженно-деформированном состоянии, поэтому при монтаже не заплывают внутрь разъемного цилиндрического корпуса, обеспечивая надежную герметизацию пространства между разъемным цилиндрическим корпусом и промежуточной колонной 2.
Перед установкой герметизатора на устье скважины (фиг.1, 2) роликовым труборезом обрезают верхний конец кондуктора 1 и зачищают торцевую поверхность. Определяют направление эксцентриситета е между кондуктором 1 и промежуточной колонной 2. На подготовленный торец кондуктора 1 устанавливают полукорпусы 3 с кольцевой канавкой 6 специальной конфигурации (фиг.3), выполненной на нижней торцевой поверхности полупланшайб 5, и соединяют их между собой встык, стягивая шпильками 14 стяжные планки 9 и стяжные планки 11. Места стыков полукорпусов 3 герметизируют напряженно-деформированными медьсодержащими прокладками 4. Собранный разъемный цилиндрический корпус приподнимают и в кольцевую канавку 6 специальной конфигурации укладывают разрезное уплотнительное кольцо 7, выполненное из мягкого металла. Далее разъемный цилиндрический корпус с разрезным уплотнительным кольцом 7 устанавливают на торец кондуктора 1 таким образом, чтобы плоскость стыков полукорпусов 3 была перпендикулярна направлению эксцентриситета е кондуктора 1 и промежуточной колонны 2, а разъемный цилиндрический корпус был соосен промежуточной колонне 2.
В кольцевое пространство между разъемным цилиндрическим корпусом и промежуточной колонной 2 на полукольца 17 укладывают самоуплотняющиеся конусные кольца 18, конусность которых компенсирует неравномерность кольцевого пространства, обеспечивая надежную герметизацию межтрубного пространства. Смещение мест разрезов самоуплотняющихся конусных колец 18 друг относительно друга позволяет перекрыть места разрезов целой частью кольца. При этом пакет разрезных колец работает как пакет неразрезных колец. Предварительно собирают две компоновки, каждая из которых состоит из половины разъемной упорной втулки 26 с вкрученными упорными шпильками 23, гаек 24, половины разъемной грундбуксы 19 и гаек 25. Устанавливают их над разъемным цилиндрическим корпусом таким образом, чтобы нижний торец разъемной грундбуксы 19 уперся в самоуплотняющиеся конусные кольца 18, а упорные шпильки 23 вошли в соответствующие сквозные отверстия 21 разъемной грундбуксы 19 и сквозные отверстия 22 полуфланцев 8. Нижнюю торцевую поверхность разъемной грундбуксы 19 выполняют конусной, а угол наклона φ ее торцевой поверхности к вертикальной оси герметизатора определяют из неравенства
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>≥</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mn>1</mn><mi>f</mi></mfrac></mrow>
,
где: f - коэффициент трения эластичного материала по металлу.
При монтаже герметизатора возможны его перекосы, несоосность, а также овальность промежуточной колонны 2. Для их компенсации предусмотрены технологические зазоры в разъемной грундбуксе 19. При высоких контактных нагрузках возможно пластическое течение эластичного материала в эти зазоры. Этому препятствует сила трения, возникающая при контакте нижней торцевой конусной поверхности разъемной грундбуксы 19 с поверхностью самоуплотняющихся конусных колец 18. Достаточная сила трения возникает при угле наклона  φ, определяемом из вышеуказанного неравенства.
Пример. Разъемную грундбуксу 19 изготавливают из стали 45, нижняя торцевая конусная поверхность которой обработана по 4 классу шероховатости. Самоуплотняющиеся конусные кольца 18 выполняют из резины марки ИРП-1294. При сухом трении резины по стали коэффициент трения составляет 0,4-1,0 (см. Яворский Ю. Резина в автомобилях. / пер. с польского. Под редакцией В.М. Харчевникова. - Л.: Машиностроение, 1980. с.21, Интернет Сайт: http://shinyavto.ru/books/rezina_v_avto/rezina_v_avto_21.html.) Экспериментальным путем в лабораторных условиях было установлено, что коэффициент трения вышеуказанной марки резины по стали 45 без смазки равен f=0,7, тогда угол наклона φ торцевой поверхности разъемной грундбуксы 19 к вертикальной оси герметизатора определяют из неравенства
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>≥</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>0,7</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
то есть φ≥55°. Принимаем φ=60°.
Верхние торцевые поверхности полуколец 17 и самоуплотняющиеся конусные кольца 18 имеют конусность, соответствующую конусности нижней торцевой поверхности разъемной грундбуксы 19, т.е. 60°, что обеспечит надежную герметизацию за счет равномерного поджатая самоуплотняющихся конусных колец 18.
После установки данных компоновок половинки разъемной грундбуксы 19 соединяют в единую деталь зацепами 20, а половинки разъемной упорной втулки 26 соединяют с помощью фиксирующих вкладышей 28. После этого в пространство, образованное между внутренней боковой поверхностью разъемной упорной втулки 26 и промежуточной колонной 2, устанавливают плашки 29. Сначала проводят герметизацию кондуктора 1 по торцу, перемещая гайки 25 вниз по упорным шпилькам 23 и передавая тем самым осевое усилие через полуфланцы 8 разъемного цилиндрического корпуса на разрезное уплотнительное кольцо 7. Затем перемещением гаек 24 вниз по упорным шпилькам 23 задавливают разъемную грундбуксу 19 с контактным давлением, не превышающим предел текучести резины, герметизируя пространство между разъемным корпусом и промежуточной колонной.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности, а именно условию новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.