ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЕВОЙ РОТОРНЫЙ

Полезная модель относится 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 проведением спускоподъемных операций вращаемой колонны бурильных труб.
Известно устройство для герметизации устья скважины, содержащее корпус с центральным сквозным каналом для пропуска труб бурильной колонны, имеющим коническую расточку, герметизирующую вставку с уплотнителем ведущей бурильной трубы, состоящую из разъемного в диаметральной плоскости статора, неподвижно закрепленного в корпусе, и ротора, установленного в статоре с возможностью вращения, при этом ротор имеет центральный сквозной канал для прохода ведущей трубы через уплотнитель, жестко закрепленный на роторе, а статор снабжен жестко присоединенным к нему уплотнительным элементом, взаимодействующим с ротором и герметизирующим полость между статором и конической расточкой корпуса (см. RU 2142552, 1999 г.). Недостатком известного устройства является низкая надежность работы из-за недолговечности работы уплотнителя и возможности нарушения герметичности в зоне его контакта с ведущей трубой, что обусловлено особенностями крепления уплотнителя.
Известно устройство для герметизации устья скважины, содержащее корпус со сквозным центральным отверстием, имеющий верхний и нижний фланцы, вставной герметизатор с уплотнителем ведущей бурильной трубы, 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 (см. RU 2270325, 2006 г.). Недостатками известного устройства являются: высокая трудоемкость при его эксплуатации, связанная со сложностью установки вставного герметизатора на ведущую трубу и с необходимостью его разборки-сборки и монтажа снятого уплотнителя на нижний переводник ведущей трубы; низкая производительность при проведении спускоподъемных операций на устье нефтяных и газовых скважин, обусловленная невозможностью прохода нижнего переводника ведущей трубы через верхнюю часть ротора, вызывающей необходимость демонтажа-монтажа вставного герметизатора из корпуса устройства при проведении спускоподъемных операций; низкая надежность из-за вероятности разрушения верхней части ротора переводником при чрезмерном подъеме ведущей трубы.
Ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели является герметизатор устьевой роторный, предназначенный для герметизации ведущей трубы при наличии давления на устье при ее вращении и осевом перемещении. Герметизатор содержит корпус со сквозным центральным отверстием и фланцами с возможностью установки нижним фланцем герметично на фланец устьевой компоновки и установки ротора на верхний фланец, герметизатор ведущей трубы, выполненный в виде уплотнительной манжеты, ротор для восприятия осевых и радиальных нагрузок от давления, опирающийся на манжету, подшипниковый узел для обеспечения возможности вращения ротора в корпусе и передачи нагрузок на корпус и автоматическое водило для передачи вращения ротору (см. «Герметизатор устьевой роторный ГУР1-80×10 производства НПО «СИББУРМАШ», рекламный проспект, г.Тюмень, 2005 г). Известный герметизатор имеет следующие недостатки: увеличенные высотные габаритные размеры и масса,
обусловленные наличием вынесенного из корпуса автоматического водила и возникшей, вследствие этого, необходимостью установки дополнительного фланца с креплением, с целью создания посадочной поверхности для роторов с минимальным проходным отверстием корпуса; трудоемкость при обслуживании, обусловленная необходимостью ручной регулировки взаимного положения плоскостей квадратных отверстий на манжете и автоматическом водиле, предназначенных для контакта с ведущей трубой - такая регулировка необходима для создания параллельности опорной поверхности (на которую опирается грань ведущей трубы при вращении) водила и герметизирующей поверхности манжеты с целью обеспечения их одновременного прилегания к граням ведущей трубы; в случае несовпадения этих поверхностей ведущая труба не будет загерметизирована после прилегания к опорной поверхности автоматического водила; низкая надежность при эксплуатации, обусловленная возможностью проворота манжеты (приводящего к несовпадению рабочих поверхностей с последующей потерей герметизации ведущей трубы) относительно автоматического водила при а) проходе муфт колонны труб и переводника ведущей трубы при спускоподъемных операциях, вследствие их несоосности и наклона относительно оси скважины и б) при вращении ведущей трубы без давления.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи 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 снижении высотного габарита и массы герметизатора за счет совмещения уплотнительной манжеты и водила, в снижении трудоемкости при обслуживании и в повышении надежности при эксплуатации и срока службы.
Для достижения указанного технического результата предлагается герметизатор устьевой роторный, включающий корпус со сквозным осевым каналом, имеющий верхний и нижний фланцы, и выполненный с возможностью установки нижним фланцем герметично на фланец устьевой компоновки и установки ротора на верхний фланец, и узел вращения, расположенный в осевом канале корпуса. Узел вращения содержит соосно установленные между собой и с центральной осью сквозного канала корпуса крышку (статор), ротор для восприятия осевых и радиальных нагрузок, уплотнительную манжету, на которую опирается ротор своим нижним основанием, и водило для передачи вращения ротору от ведущей бурильной трубы. Крышка неподвижно закреплена в корпусе и имеет центральное сквозное отверстие для прохода ведущей бурильной трубы квадратного сечения. Ротор установлен в крышке посредством подшипникового узла и имеет центральное сквозное отверстие под ведущую бурильную трубу и радиальные карманы, выполненные в его нижней части и открытые со стороны образующей поверхности его центрального отверстия и со стороны его нижнего основания. Уплотнительная манжета имеет центральное сквозное отверстие по форме ведущей бурильной трубы и две пары периферийных каналов, оси которых параллельны оси сквозного отверстия манжеты, а их проекции на горизонтальную плоскость лежат на одной окружности. Водило образовано двумя парами упорных стержней, каждый из которых содержит хвостовик, установленный в соответствующем периферийном канале манжеты, и рабочую головку, служащую для взаимодействия с поверхностью ведущей бурильной трубы. Стержни водила расположены попарно друг против друга таким образом, что рабочие головки каждой пары имеют возможность взаимодействия с двумя соседними соответствующими гранями бурильной трубы.
Хвостовики стержней водила и соответственно периферийные каналы манжеты имеют преимущественно цилиндрическую форму.
Рабочая головка каждого стержня водила имеет на своей поверхности, обращенной к центральной оси манжеты, контактный выступ с двумя скошенными противолежащими участками, служащими для взаимодействия с соответствующими гранями ведущей бурильной трубы, и образующими между собой угол в 140°.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид герметизатора, в разрезе;
на фиг.2 - вид герметизатора сверху;
на фиг.3 - стержень водила.
Герметизатор содержит корпус 1 со сквозным осевым каналом 2 и узел вращения 3, расположенный в осевом канале 2 корпуса 1. Корпус 1 имеет верхний фланец 4 и нижний фланец 5 и выполнен с возможностью установки нижним фланцем 5 герметично на фланец устьевой компоновки.
Узел вращения 3 включает в себя крышку (статор) 6, ротор 7, уплотнительную манжету 8 и водило для передачи вращения ротору от ведущей бурильной трубы 9, имеющей квадратное сечение.
Крышка 6 имеет центральное сквозное отверстие 10 для прохода через него ведущей трубы 9. Наружная поверхность крышки 6 цилиндрическая. Крепление крышки 6 в корпусе 1 неподвижное и осуществляется через резьбовое соединение 11. Крышка 6 имеет верхний фланец 12, который при размещении крышки в корпусе 1 опирается на ступень 13 в сквозном канале 2 корпуса 1.
Ротор 7 имеет центральное сквозное отверстие 14 для прохода через него ведущей трубы 9. В роторе 7 выполнены две пары радиальных карманов 15, которые расположены в нижней части ротора. Карманы 15 открыты со стороны образующей поверхности 16 центрального отверстия 14 ротора 7 и со стороны нижнего основания 17 ротора. Наружная поверхность ротора 7 выполнена ступенчатой, при этом каждая из ступеней имеет цилиндрическую форму.
Уплотнительная манжета 8 выполнена из упругого эластичного материала и расположена с гарантированным поджатием между ротором 7 и опорной шайбой 18 с подпятником 19. Ротор 7 опирается на манжету своим нижним основанием 17. В манжете 8 имеется центральное сквозное отверстие 20, выполненное по форме ведущей бурильной трубы 9 (т.е. форма центрального сквозного отверстия 20 квадратная), и две пары цилиндрических глухих каналов 21. Оси каналов 21 параллельны оси 22 сквозного отверстия 20 манжеты. При этом проекции осей каналов 21 на горизонтальную плоскость лежат на одной окружности 23.
Крышка 6, ротор 7 и уплотнительная манжета 8 расположены соосно друг другу, причем их общая ось лежит на центральной оси сквозного канала 2 корпуса 1.
Ротор 7 установлен в крышке 6 посредством подшипникового узла, который включает радиальный подшипник 24, посаженный на ступень 25 ротора, и упорный подшипник 26, посаженный на ступень 27 ротора.
Водило для передачи вращения ротору 7 от бурильной трубы 9 образовано парой противолежащих упорных стержней 28, 29 и парой противолежащих упорных стержней 30, 31. Каждый из стержней состоит из хвостовика 32 цилиндрической формы и рабочей головки 33, которая предназначена для взаимодействия с поверхностью ведущей бурильной трубы 9. Цилиндрические хвостовики 32 установлены в соответствующих цилиндрических каналах 21 манжеты 8. Рабочая головка 33 представляет собой многогранник с двумя противолежащими горизонтальными гранями 34 и 35 и четырьмя попарно противолежащими вертикальными гранями 36, 37 и 38, 39. Вертикальные грани 36 и 37 сопряжены с горизонтальной гранью 34 через скошенные участки 40 и 41. Поверхность вертикальной грани 36 обращена к центральной оси уплотнительной манжеты 8, и на этой поверхности имеется контактный выступ 42 с двумя скошенными противолежащими участками 43 и 44, которые образуют между собой угол в 140°.
Стержни 28, 29, 30 и 31 водила расположены вокруг центральной оси герметизатора таким образом, что их рабочие головки 33 размещаются в соответствующих радиальных карманах 15 ротора 7. При этом рабочие головки 33 стержней 28 и 30 служат для взаимодействия своими участками 43 и 44 с соседними гранями 45 и 46 ведущей бурильной трубы 9, а рабочие головки 33 стержней 29 и 31 - для взаимодействия своими участками 43 и 44 с соседними гранями 47 и 48 ведущей трубы 9.
Крышка (статор) 6, ротор 7, радиальный подшипник 24 и корпус 1 загерметизированы относительно друг друга уплотнительными кольцами 49.
Герметизатор устьевой роторный работает следующим образом.
В скважину опускают бурильную компоновку (не показана), включающую доспускной клапан, колонну труб и породоразрушающий инструмент; подвешивают ее на элеваторе за верхнюю муфту колонны труб на устьевой фланец скважины (не показан). Устанавливают герметизатор на устьевой фланец скважины, предварительно убрав элеватор и повесив компоновку с прохождением патрубка через манжету 8 и корпус 1 герметизатора. Корпус 1 закрепляется нижним фланцем 5 на устьевом фланце скважины через уплотнительную прокладку (не показана). Устанавливают и закрепляют на корпусе 1 герметизатора ротор (не показан), свинчивают с бурильной компоновки переводник ведущей бурильной трубы 9. Перемещением по вертикали вниз переводник ведущей бурильной трубы проталкивают через манжету 8. Вследствие жесткой фиксации манжеты 8 и стержней 28, 29, 30 и 31 их рабочие поверхности (герметизирующие у манжеты и контактные у стержней) не смещаются относительно друг друга при прохождении переходника ведущей бурильной трубы. Кратковременным вращением ведущая бурильная труба проворачивается в манжете 8 до контакта с рабочими головками стержней. Герметизатор готов к работе.
После включения во вращение ведущей бурильной трубы, с подачей бурового раствора, производят бурение скважины вращением
породоразрушающего инструмента и вертикальным перемещением ведущей бурильной трубы относительно герметизатора.
Герметичность ведущей бурильной трубы обеспечивается прилегающими поверхностями уплотнительной манжеты 8 за счет упругого обжатия, с дополнительным поджатием давлением. Герметичность манжеты 8 относительно ротора 7 обеспечивается поджатием за счет упругих свойств материала и дополнительным поджатием усилием давления. Герметичность крышки (статора) 6, ротора 7, радиального подшипника 24 и корпуса 1 относительно друг друга обеспечивается уплотнительными кольцами 49.
Усилие от вращения ведущей бурильной трубы передается на участки 43, 44 рабочих головок стержней и далее (за счет сил трения между опорными поверхностями) ротору 7. Нагрузка от ротора 7, при вращении ведущей бурильной трубы, воспринимается радиальным 24 и упорным 26 подшипниками с передачей усилий на крышку 6 и, далее, на корпус 1. Вследствие жесткой фиксации манжеты 8 и головок стержней исключается их проворот относительно друг друга при вращении ведущей бурильной трубы и рабочие поверхности (герметизирующие у манжеты и контактные у стержней) не смещаются относительно друг друга, обеспечивая, тем самым, надежную герметизацию и передачу вращения.
После проведения бурения на величину длины ведущей бурильной трубы возникает необходимость наращивания колонны бурильных труб. При проведении спускоподъемных операций производят подъем бурильной компоновки, притаскивая проводник бурильной ведущей трубы и муфты колонны бурильных труб через манжету 8 герметизатора без демонтажа ротора. Вследствие жесткой фиксации манжеты 8 и контактных поверхностей стержней их рабочие поверхности (герметизирующие у манжеты и контактные у стержней) не смещаются относительно друг друга при прохождении переходника ведущей бурильной трубы и муфт колонны бурильных труб.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом:
- меньший высотный габарит и массу, за счет совмещения манжеты и водила, образованного упорными стержнями, и исключения дополнительного фланца с крепежными деталями;
- повышение надежности работы вследствие зафиксированного положения манжеты и водила, образованного упорными стержнями, относительно друг друга.