ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЕВОЙ
WELL HEAD STRIPPER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам, предназначенным для герметизации устья скважины во время спуска и подъема труб под давлением.
Известна головка герметизирующая ГГ 230×210 (А.И.Кутепов и др. Справочник-каталог по оборудованию и инструменту для предупреждения и ликвидации фонтанов, М., Недра, 1981 г., с.148, рис.II.36), состоящая из корпуса, имеющего на внутренней поверхности уступ, на котором установлено упорное кольцо. К упорному кольцу нажимной гайкой через шайбу прижат уплотнительный элемент из эластичного материала.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, обусловленная тем, что уплотнительный элемент, будучи неподвижно установленным в корпусе, не имеет возможности перемещения в радиальном направлении. Поэтому в процессе спуска или подъема труб по мере изменения нагрузки на крюкоблоке от увеличивающейся или уменьшающейся массы колонны труб основания буровой установки будет упруго деформироваться, что приведет к несовпадению продольной оси вышки с продольной осью устьевого оборудования, на котором жестко установлена известная герметизирующая головка. В результате подвешенная на крюкоблоке колонна труб будет смещаться в радиальном направлении, что ввиду отсутствия в известном устройстве жесткого центратора приведет к одностороннему смещению труб при прохождении через уплотнительный элемент. Вследствие этого в зоне контакта трубы с манжетой может образоваться зазор, через который возможен прорыв наружу флюидов, находящихся в скважине под давлением. Учитывая, что как буровой раствор, так и нефть или газ, имеют в своем составе твердую фазу и/или частицы горной породы, обладающие абразивными свойствами, истечение флюидов может повлечь за собой интенсивный абразивный износ уплотнительного элемента, увеличение зазора и, как следствие, привести к выбросу, переходящему в открытый фонтан.
Известна головка герметизирующая (В.Р.Радковский и др. Справочник «Оборудование и инструмент для предупреждения и ликвидации фонтанов», М., Недра, 1996, стр.214-215, рис.3.63,), содержащая:
- корпус с верхним и нижними фланцами, имеющим проход для пропуска труб, соединенных муфтами;
- и набор уплотнителей, зажатых между распорными втулками нажимной гайкой;
- каждый из которых включает центратор с уплотнительным элементом из эластичного материала, жестко соединенным с центратором связующими элементами, армированными в верхнюю часть уплотнительного элемента;
- при этом центратор размещен над уплотнительным элементом и герметично взаимодействует с верхней частью его проходного отверстия кольцевым цилиндрическим выступом, расположенным на нижнем торце центратора,
- а распорные втулки снабжены уплотнительными кольцами.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы ввиду недолговечности работы уплотнительного элемента, обусловленная тем, что он находится в подвешенном состоянии на центраторе. Поэтому при прохождении трубы через уплотнительный элемент, его нижняя часть, контактирующая с герметизируемой трубой и будучи эластичной, из-за трения в контакте элемент-труба будет растягиваться вниз и еще более плотно обжимать проходящую трубу, что интенсифицирует износ нижней части уплотнительного элемента. При этом возможна ситуация, когда этот износ может усиливаться радиальным смещением спускаемых труб из-за несовпадения продольных осей буровой вышки и устьевого оборудования.
Наличие в известном устройстве центраторов, внутренний диаметр которых должен быть больше наружного диаметра муфт, соединяющих трубы, не сможет предотвратить одностороннее смещение тела трубы. Это обусловлено тем, что разница наружных диаметров труб и муфт составляет 14…20 мм, поэтому смещение трубы в радиальном направлении внутри отверстия центратора возможно на 7…10 мм, что может повлечь за собой образование зазора в контакте трубы с рабочей частью уплотнительного элемента и прорыв скважинных флюидов наружу.
Задачей изобретения является создание устьевого герметизатора, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности работы устьевого герметизатора при спуске и подъеме труб под давлением за счет повышения ресурса работоспособности уплотнительного элемента.
Для достижения этого результата в известном герметизаторе устьевом, содержащем
- корпус с верхним и нижними фланцами, имеющим проход для пропуска труб, соединенных муфтами;
- уплотнительный элемент из эластичного материала, размещенный в корпусе и имеющий проходное отверстие, диаметр которого меньше наружного диаметра трубы;
- верхний центратор, размещенный над уплотнительным элементом и герметично взаимодействующий с верхней частью его проходного отверстия кольцевым цилиндрическим выступом, расположенным на нижнем торце центратора,
- поджимную гайку, взаимодействующую с верхним центратором,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- дополнительно содержит нижний центратор, установленный в корпусе под уплотнительным элементом;
- при этом полость корпуса сообщена с устьем скважины, например, отверстием, выполненным в нижнем центраторе, и с атмосферой, например, отверстием, выполненным в стенке корпуса и перекрываемым запорным устройством;
- расстояние между нижним торцом кольцевого цилиндрического выступа и верхним торцом нижнего центратора меньше длины муфты,
- а высота кольцевого цилиндрического выступа больше величины вертикальной деформации уплотнительного элемента, возникающей при пропуске вниз через уплотнительный элемент муфты, соединяющей трубы.
Достижению результата способствует также и то, что в заявляемом герметизаторе устьевом
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- уплотнительный элемент может быть выполнен составным из двух частей, зафиксированных от радиального перемещения относительно друг друга, например, конфигурацией взаимодействующих торцов.
- причем нижняя часть выполнена из более эластичного материала по сравнению с материалом, из которого выполнена верхняя,
На фиг.1 изображен заявляемый устьевой герметизатор в исходном положении, на фиг.2 - то же, в положении прохода муфты, соединяющей трубы, на фиг.3 - то же, с уплотнительным элементом, состоящим из двух частей
Заявляемый герметизатор устьевой (далее - герметизатор) состоит (фиг.1) из корпуса 1 с верхним 2 и нижним 3 фланцами, имеющим проход 4 для пропуска труб 5, соединенных муфтами 6. В расточке нижнего фланца 3 установлен нижний центратор 7 с проходным отверстием 8, диаметр которого больше наружного диаметра муфты 6. На центраторе 7 в полости 9 корпуса 1 установлен уплотнительный элемент 10 из эластичного материала, имеющий проходное отверстие 11, диаметр которого меньше наружного диаметра трубы 5. Над уплотнительным элементом 10 в полости 9 размещен верхний центратор 12 с проходным отверстием 13, диаметр которого больше наружного диаметра муфты 6 и равен диаметру проходного отверстия 8 нижнего центратора 7. Центратор 12 снабжен кольцевым уплотнением 14 и герметично взаимодействует с верхней частью проходного отверстия 11 уплотнительного элемента 10 кольцевым цилиндрическим выступом 15, расположенным на нижнем торце центратора 12. Поджатие уплотнительного элемента 10 для обеспечения герметичности в его контакте с верхним центратором 12 осуществляется нажимной гайкой 16. Гидравлическое сообщение полости 9 корпуса 1 с устьем скважины (не показана) осуществляется отверстием 17, выполненным в нижнем центраторе 7. Отверстие 18, выполненное в стенке корпуса 1, сообщает полость 9 с атмосферой и перекрывается запорным устройством 19.
1
2
2
1
Для обеспечения работоспособности в заявляемом герметизаторе (фиг.2) расстояние L между нижним торцом кольцевого цилиндрического выступа 15 и верхним торцом нижнего центратора 7 выполнено меньше длины L муфты 6, а высота Н кольцевого цилиндрического выступа 15 больше величины H вертикальной деформации уплотнительного элемента 10, возникающей при пропуске вниз через уплотнительный элемент 10 муфты 6, соединяющей трубы 5.
Уплотнительный элемент 10 заявляемого герметизатора может быть выполнен из двух частей (фиг.3) - верхней 20 и нижней 21, которые зафиксированы от радиального перемещения относительно друг друга конфигурацией взаимодействующих торцов 22 и 23. При этом в верхней части 20 диаметр проходного отверстия 24 в процессе эксплуатации может быть больше диаметра проходного отверстия 25 нижней части 21.
Заявляемый герметизатор работает следующим образом.
При монтаже герметизатора на устье скважины (фиг.1) нажимной гайкой 16 осуществляется поджим уплотнительного элемента 10 между центраторами 7 и 12. Тем самым достигается герметичность в контакте кольцевого цилиндрического выступа 15 со стенками верхней части проходного отверстия 11, а также в случае выполнения уплотнительного элемента 10 из двух частей (фиг.3) - в контакте конфигурации взаимодействующих торцов 22 и 23.
В контакте центратора 12 со стенками полости 9 корпуса 1 герметичность обеспечивается кольцевым уплотнением 14.
При проходе трубы 5 (фиг.1) через проходное отверстие 4 герметизатора благодаря тому, что уплотнительный элемент 10 из эластичного материала имеет проходное отверстие 11, диаметр которого меньше наружного диаметра трубы 5, герметичность в контакте элемента 10 с трубой 5 обеспечивается за счет обжима трубы 5 стенками проходного отверстия 11. Повышению запаса герметичности способствует также и давление флюидов на устье скважины, передаваемое в полость 9 корпуса 1 через отверстие 17, выполненное в нижнем центраторе 7. Усилием от этого давления, воздействующего снаружи на уплотнительный элемент 10, осуществляется дополнительный обжим трубы, препятствующий прорыву флюидов из скважины.
Так как в полости 9 корпуса 1 в начальный момент спуска трубы 5 находится воздух, сжимаемый по мере повышения давления на устье скважины, то с целью повышения безопасности работ полость 9 заполняют жидкостью из скважины, для чего воздух, заполняющий полость 9, выпускают в атмосферу через отверстие 18, после чего оно закрывается запорным устройством 19. Аналогичную операцию производят при накоплении в полости 9 растворенных газов, выделяющихся из бурового раствора или скважинных флюидов.
1
2
1
1
При проходе через уплотнительный элемент 10 муфты 6, имеющей наружный диаметр больше наружного диаметра труб 5, усилие обжима муфты 6 а, следовательно, и сила трения в ее контакте со стенками проходного отверстия 11, будут больше по сравнению с аналогичными при проходе трубы 5. Поэтому, уплотнительный элемент 10, будучи опертым на нижний центратор 7, будет испытывать деформацию сжатия, т.е. уменьшаться по высоте на величину H, одновременно увеличивая свой диаметр (фиг.2). При этом герметичность в контакте верхнего центратора 12 с уплотнительным элементом 10 будет сохранена благодаря тому, что высота H кольцевого цилиндрического выступа 15 больше величины вертикальной деформации H уплотнительного элемента 10, возникающей при пропуске вниз муфты 6, соединяющей трубы 5. Поэтому даже при уменьшении высоты элемента 10 на величину H верхняя часть его проходного отверстия 11 гарантированно будет находиться в контакте с кольцевым цилиндрическим выступом 15, обеспечивая герметичность в процессе спуско-подъемных операций, что повышает надежность работы заявляемого герметизатора.
Кроме того, по сравнению с прототипом, где уплотнительный элемент находится в подвешенном состоянии на центраторе и поэтому, растягиваясь при проходе муфты вниз, еще более плотно обжимает ее, что интенсифицирует износ уплотнительного элемента, в заявляемом герметизаторе уплотнительный элемент 10, будучи опертым на дополнительно введенный в конструкцию нижний центратор 7, будет испытывать деформацию сжатия с увеличением наружного диаметра, что снижает усилие обжима трубы 5 или муфты 6 и возникающее при этом усилие их трения о стенки проходного отверстия 11. Благодаря этому в заявляемом герметизаторе износ уплотнительного элемента 10 будет менее интенсивным по сравнению с аналогичным в прототипе.
3
Поскольку в заявляемом герметизаторе расстояние между нижним торцом кольцевого цилиндрического выступа 15 и верхним торцом нижнего центратора 7 меньше длины муфты 6, последняя при проходе через герметизатор (фиг.2) не сможет сместиться в радиальном направлении на величину зазора L между трубой 5 и проходными отверстиями 8 и 13 центраторов 7 и 12. Тем самым исключается возможность упора торца муфты 6 в верхний торец нижнего центратора 7 при спуске труб 5 или в нижний торец кольцевого цилиндрического выступа 15 при их подъеме, что предотвращает аварийность, повышает безопасность производимых работ и надежность работы заявляемого герметизатора.
При потаскивании труб 5 под давлением через уплотнительный элемент 10 его внутренняя поверхность подвергается износу, и он становится непригодным к эксплуатации. Для снижения эксплуатационных расходов уплотнительный элемент 10 в заявляемом герметизаторе может быть выполнен составным из двух частей 20 и 21. В процессе эксплуатации подвергаются износу обе части, и диаметры проходных отверстий 24 и 25 становятся больше наружного диаметра труб 5. Однако для обеспечения герметизации достаточно заменить только нижнюю часть 21 новой, диаметр проходного отверстия которой меньше наружного диаметра труб 5. Таким образом, более частой замене будет подвергаться только нижняя часть 21, составляющая лишь некоторую часть уплотнительного элемента 10, чем достигается экономия эластичного материала, из которого изготавливается уплотнительный элемент 10.
Кроме того, нижняя часть 21 уплотнительного элемента 10 может быть выполнена из более эластичного материала, что гарантирует большую надежность герметичности. Так как нижняя часть 21 выполнена из более эластичного материала по сравнению с материалом, из которого выполнена верхняя часть 20, материал нижней части 21 будет оказывать меньшее сопротивление воздействию давления жидкости, находящейся в полости 9 и, следовательно, стенки проходного отверстия 25 нижней части 21 будут более плотно облегать наружную поверхность трубы 5, повышая запас герметичности в их контакте.
Фиксацией обеих частей 20 и 21 от радиального перемещения относительно друг друга, например, конфигурацией взаимодействующих торцов 22 и 23, достигается соосность частей 20 и 21 как при монтаже, так и во время работы при проходе трубы 5 или муфты 6, чем обеспечивается работоспособность заявляемого герметизатора.
Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого герметизатора обеспечивает повышение надежности его работы и снижение эксплуатационных расходов.