Превентор кольцевой вращающийся с тормозным устройством поршня

Полезная модель относится к оборудованию для герметизации устья нефтяных и газовых скважин при их строительстве, освоении и ремонте с целью обеспечения безопасности, предупреждения и ликвидации нефтегазовых проявлений, охраны недр и окружающей среды. Техническим результатом является повышение надежности и безопасности работы, а также увеличение общего межремонтного периода, снижение эксплуатационных расходов.
Известен аналог заявляемой полезной модели вращающийся универсальный гидравлический превентор (патент РФ №2208126, МПК Е21В 33/06, опубликовано 10.07.2003), содержащий:
- корпус с центральным проходным отверстием и кольцевой расточкой,
- крышку с центральным проходным отверстием,
- гильзу, вращающуюся в подшипниках качения, размещенных в корпусе и крышке, и имеющую сферическую выемку,
- поршень, подвижно установленный в кольцевой расточке корпуса,
- уплотнительный элемент, расположенный на торцевой поверхности поршня и взаимодействующий со сферической выемкой гильзы,
- планшайбу, выполненную в виде втулки, размещенную между поршнем и гильзой,
- гидравлические каналы для связи полостей крышки и корпуса с гидроприводом.
Недостатком известного превентора являются повышенные эксплуатационные трудозатраты при его техническом обслуживании или ремонте, обусловленные особенностями конструкции, которая требует для замены уплотнительного элемента демонтажа крышки и гильзы, установленной на подшипниках качения. Обратная сборка гильзы предполагает операцию установки подшипников качения с регулировкой натягов и центрирования, что в полевых условиях выполнить невозможно. Поэтому для разборки известное устройство необходимо транспортировать в цех по ремонту оборудования, что увеличивает время простоя буровой установки.
Совокупность перечисленных обстоятельств увеличивает трудоемкость и эксплуатационные затраты на обслуживание известного превентора, сокращает межремонтный период, снижает надежность и безопасность его работы.
В качестве прототипа принят патент «Превентор кольцевой сферический роторный» (патент РФ №2527054, МПК Е21В 33/06, опубликовано 27.08.2014), содержащий:
- корпус с центральным проходным отверстием и кольцевой расточкой,
- крышку с центральным проходным отверстием,
- гильзу, вращающуюся в подшипниках качения, размещенных в корпусе и крышке, и имеющую сферическую выемку,
- поршень, подвижно установленный в кольцевой расточке корпуса,
- уплотнительный элемент, расположенный на торцевой поверхности поршня и взаимодействующий со сферической выемкой гильзы,
- планшайбу, выполненную в виде втулки, размещенную между поршнем и гильзой,
- гидравлические каналы для связи полостей крышки и корпуса с гидроприводом,
- фланец, с центральным проходным отверстием и герметично соединенный с крышкой,
- радиальный стопор гильзы, установленный в крышке,
- опору верхнюю с центральным проходным отверстием, герметично соединенной с верхней частью полости гильзы и содержащую сферическую выемку,
- опору нижнюю с центральным проходным отверстием, герметично установленную на торце поршня с возможностью вращения на опорах качения и скольжения и герметично взаимодействующей с нижней частью гильзы,
- уплотнительный элемент расположен между верхней и нижней опорами и взаимодействует с ними.
В данном устройстве для решения задачи создается момент сопротивления вращению результате взаимодействия герметизирующих поверхностей уплотняющих манжет поршня и гильзы.
Момент сопротивления зависит от усилия прижатия герметизирующего материала и площади контакта в зоне герметизации. Технический результат достигается за счет большей площади контакта уплотняющих манжет поршня относительно уплотняющих манжет гильзы. Момент сопротивления вращению поршня будет больше, чем момент сопротивления вращению опоры нижней, и поршень будет неподвижен относительно корпуса.
Недостатками превентора прототипа являются:
1. Износ уплотнительных манжет при проведении бурильных работ. Спущенная колонна труб в процессе бурения создает силы трения, обеспечивающие вращение уплотнительного элемента, нижней опоры и гильзы, в то время как поршень остается неподвижным за счет большей площади уплотнительных элементов. По мере износа манжет, соотношение сил трения может изменяться и не обеспечивать статическое положение поршня, что крайне нежелательно.
2. Радиальный шариковый подшипник, на котором установлена гильза не зафиксирован в осевом направлении, что может привести к его неправильной работе и разрушению.
Задачей настоящей полезной модели является создание превентора, не обладающего перечисленными недостатками.
Для обеспечения этого технического результата известный превентор дополнительно снабжен: узлом торможения, включающим прикрепленный к планшайбе прижим с коническим отверстием, сопрягающимся своей внутренней поверхностью с кольцевым уплотнением ответной формы, обеспечивающий возможность регулировки обжатия поршня в радиальном направлении, и кольцевым толкателем, прикрепленным к фланцу поршня, и контактирующий в рабочем положении своей плоской поверхностью с соответствующей поверхностью прижима с усилием, необходимым для торможения вращения поршня, за счет пружин сжатия.
Поставленная задача решена нижеследующим. Конструкция заявляемого кольцевого вращающегося превентора с тормозным устройством поршня (отражена на фиг. 1.) содержит корпус 1 с центральным проходным отверстием и кольцевой расточкой, в которой размещены поршень 2 и планшайба 3, размещенная между поршнем и корпусом. В стенке кольцевой расточки выполнены гидравлические каналы для связи ее полостей с гидроприводом. На корпусе закреплена крышка 4 с установленной в ее центральном резьбовом отверстии крышкой ремонтной 5 с центральным проходным отверстием. В корпусе и крышке с возможностью вращения на опорах качения расположена полая гильза 6. С верхней частью полости гильзы 6 герметично соединена опора верхняя 7 с центральным проходным отверстием, содержащая сферическую выемку. Под опорой верхней расположена опора нижняя 8 с центральным проходным отверстием, герметично установленная на торце поршня с возможностью вращения на опорах качения и скольжения, и герметично взаимодействующая с нижней частью гильзы. Уплотнительный элемент 9 расположен между верхней и нижней опорами и взаимодействует верхней частью со сферической выемкой опоры верхней 7, а нижней - с торцевой поверхностью опоры нижней 8.
Согласно заявляемой полезной модели дополнительно снабжен узлом торможения, состоящим из прижима 10, прикрепленным к планшайбе 3 посредством винтов, уплотнительного элемента конической формы 11, кольцевого толкателя 12 закрепленного винтами 13 к верхней поверхности фланца поршня 2, пружинами сжатия 13.
Заявляемый превентор дополнительно снабжен дистанционным кольцом 14 для фиксации радиального шарикового подшипника, на котором установлена гильза.
Заявляемый превентор кольцевой вращающийся с тормозным устройством работает следующим образом.
Превентор устанавливают и закрепляют на устье скважины (посадочный фланец нижестоящего оборудования не показан).
При проведении спускоподъемных операций (фиг. 1) колонну труб 15 опускают через центральное проходное отверстие превентора, и уплотнительный элемент 9. Превентор при этом открыт, т.е. уплотнительный элемент 9 не сомкнут на трубе 15, т.к. не поджат поршнем 2.
Для осуществления герметизации устья скважины подают гидравлическую жидкость в гидравлический канал корпуса 1 превентора для создания давления под поршнем 2. Под действием давления жидкости поршень 2 (фиг. 2) поднимается вверх и через опору нижнюю 8 воздействует на уплотнительный элемент 9, перемещая его вверх по сферической выемке опоры верхней 7 превентора. Уплотнительный элемент 9, упруго деформируясь при взаимодействии со сферической выемкой, смыкается, охватывая спущенную трубу 15, и перекрывает центральное отверстие опоры верхней 7, тем самым, герметизируя устье скважины.
Для проведения бурильных работ начинают вращение спущенной колонны труб 15, которое от нее благодаря силам трения, возникающим в результате поджатая материала уплотнительного элемента 9 в зонах контактов к герметизируемой поверхности, передается опоре нижней 8 и опоре верхней 7, и, далее, гильзе 6, начинающей вращение на подшипниках качения.
Во время закрытия превентора кольцевой толкатель 12 упирается в прикрепленный к планшайбе прижим 10, с усилием необходимым для обеспечения торможения поршня обеспечиваемым пружинами сжатия 13, коническое отверстие прижима 10 сопрягается своей внутренней поверхностью с кольцевым уплотнением 11 имеющим ответную коническую поверхность, обеспечивая регулировку обжатия поршня 2 в радиальном направлении за счет возможности перемещения в осевом направлении, предотвращая тем самым его вращение, а также обеспечивая дополнительную герметизацию. Кроме того, одновременно на контакте поз. 10 и 12 усилие, создаваемое пружинами 13 образует дополнительный момент торможения, равный произведению:
m
M=F⋅R⋅μ,
где F - сила трения приведенная;
R - радиус окружности приложения силы F;
μ - коэффициент трения.
Вращение от колонны труб будет передаваться опоре нижней 8, которая будет вращаться относительно поршня 2 совместно с уплотнительным элементом 9 и гильзой 6.
При необходимости открытия превентора гидравлическая жидкость подается в гидравлический канал корпуса расположенный над поршнем (фиг. 1), поршень 2 под действием давления опускается вниз, уплотнительный элемент 9 под действием упругих свойств материала возвращается в исходное положение и освобождает колонну труб 15 для проведения необходимых работ.
Существенность отличий заявляемой полезной модели от прототипа заключается в следующем:
1. Превентор снабжен дополнительным узлом торможения поршня, включающим прикрепленный к планшайбе прижим 10 с коническим отверстием, сопрягающимся своей внутренней поверхностью с кольцевым уплотнением 11 ответной формы, обеспечивающий возможность регулировки обжатия поршня в радиальном направлении, и кольцевым толкателем 12, прикрепленным к фланцу поршня, и контактирующий в рабочем положении своей плоской поверхностью с соответствующей поверхностью прижима с усилием, необходимым для торможения вращения поршня, за счет пружин сжатия 13. Таким образом, при работе заявляемого превентора поршень 2 остается неподвижным, следовательно, уплотняющие манжеты, установленные на сопрягаемых с ним поверхностях меньше изнашиваются, обеспечивая дополнительную герметизацию, уменьшается вероятность выхода их из строя, что увеличивает общий межремонтный период превентора, снижает эксплуатационные расходы и повышает безопасность эксплуатации.
2. Радиальный шариковый подшипник зафиксирован по внутреннему кольцу гильзой 6, по внешнему кольцу дополнительно установлено дистанционное кольцо 14, фиксирующее подшипник в осевом направлении.