СТЕНД ИСПЫТАНИЯ ЗАТРУБНОГО УПЛОТНЕНИЯ
ANNULAR SEAL TEST BENCH

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предлагаемое изобретение относится к нефтегазовой отрасли. В частности, к стенду испытания затрубного уплотнения, входящему в комплект испытательной оснастки системы подводных колонных головок и может применяться на стадии приемочных и приемосдаточных испытаний.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны конструкции, позволяющие проверить герметичность затрубного уплотнения при действии давления в трубном и затрубном пространствах. Затрубное уплотнение может быть использовано для герметизации затрубного пространства в подводной системе добычи в условиях высокого осевого давления. Как правило, затрубное уплотнение представляет собой комбинацию из нескольких кольцевых компонентов.
Из уровня техники известна полезная модель RU 119828, опубл. 27.08.2012, МПК F15B 19/00, G01M 13/00, раскрывающая стенд для испытания газодинамических уплотнений роторов нагнетателей природного газа, содержащий испытательную камеру, в которой предполагается установить уплотнения, систему подачи испытуемой среды и контроля утечек испытуемой среды через уплотнения. Недостатками известного технического решения является возможность искажения результатов испытаний, поскольку не обеспечена проверка правильности установки уплотнений в испытательную камеру.
Кроме того, из уровня техники также известен источник RU2604778, опубл. 10.12.2015, МПК F04B 51/00, G01M 3/04, F04D 29/19, раскрывающий стенд для испытаний торцевых уплотнений валов циркуляционных насосов. Известный стенд включает корпус, содержащий втулку-имитатор вала насоса для передачи усилия на уплотнение. Недостатком является также искажения результатов испытаний, поскольку не обеспечена проверка правильности установки уплотнений.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложен стенд испытания затрубного уплотнения для проверки герметичности затрубного уплотнения и установки затрубного уплотнения, выполненного с возможностью установки в пространство между колонной кондуктора и подвеской обсадной колонны, содержащий: по существу цилиндрический корпус, в нижней части которого установлен имитатор подвески обсадной колонны, имеющей цилиндрическую внутреннюю поверхность; испытательную крышку, выполненную с возможностью герметичного закрытия корпуса в ходе испытаний и с возможностью совместно с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью имитатора подвески обсадной колонны образования испытательной камеры, выполненной с возможностью установки в нее испытуемого затрубного уплотнения; установочную крышку, имеющую центральное отверстие и выполненную с возможностью герметичного закрытия корпуса при установке уплотнения; шток, выполненный в виде цилиндра с переменным диаметром, причем первый диаметр соответствует диаметру внутренней поверхности имитатора подвески обсадной колонны, второй диаметр соответствует диаметру внутренней поверхности корпуса, а третий диаметр соответствует диаметру отверстия в установочной крышке; систему подачи рабочей среды и контроля утечек рабочей и испытуемой среды через затрубное уплотнение.
Предлагаемый стенд может содержать вспомогательную крышку, выполненную с возможностью образования вместе с установочной крышкой и штоком первой герметичной функциональной полости, функционирующей в качестве гидроцилиндра, имитирующего вес колонны бурильных труб.
Предпочтительно в предлагаемом стенде наружная поверхность нижней части шока, нижняя поверхность средней части штока и внутренняя поверхность корпуса выполнены с возможностью образования второй герметичной функциональной полости.
Предпочтительно в предлагаемом стенде в средней части штока имеется площадка, на верхней поверхности средней части штока и с возможностью функционирования в качестве гидроцилиндра инструмента установки затрубного уплотнения при подаче давления во вторую герметичную функциональную полость, при этом представляет собой плоское кольцо, а толщина кольца представляет собой разницу между диаметрами D1 нижней части штока и D3 верхней части штока.
Предпочтительно в предлагаемом стенде между корпусом и имитатором подвески обсадной колонны образована герметичная дополнительная полость, обеспечивающая имитацию осевого усилия теплового расширения обсадной колонны.
Техническим результатом является надежная проверка прочности фиксации подвески осадной колонны относительно корпуса системы подводных колонных головок при помощи затрубного уплотнения при действии сил теплового расширения обсадной колонны; герметичности затрубного уплотнения после действия циклической нагрузки от теплового расширения обсадной колонны; работоспособность затрубного уплотнения при двухступенчатой герметизации, в которой первая ступень герметизации (или предварительная герметизация) происходит от веса колонны бурильных труб, а вторая ступень активации - от гидравлической системы инструмента установки затрубного уплотнения.
В контексте настоящего описания слова «верхний», «нижний», «первый», «второй» и т.д. используются в виде прилагательных исключительно для того, чтобы отличать существительные, к которым они относятся, друг от друга, а не для целей описания какой-либо конкретной связи между этими существительными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения, а также других его аспектов и характеристик описание приведено со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на Фиг. 1 схематично изображен стенд согласно изобретению в положении для установки затрубного уплотнения;
на Фиг. 2 схематично изображен стенд согласно изобретению в положении для испытания затрубного уплотнения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое изобретение представляет собой стенд испытания затрубного уплотнения для проверки герметичности затрубного уплотнения и установки затрубного уплотнения, входящего в комплект испытательной оснастки системы подводных колонных головок и может применяться на стадии приемочных и приемосдаточных испытаний.
В тексте настоящего описания под активацией уплотнения следует понимать процесс переходя уплотнения из исходного положения, в котором оно размещено в затрубном пространстве, в рабочее положение, при котором достигается герметизация кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора. Под деактивацией уплотнения следует понимать процесс переходя уплотнения из рабочего положения в исходное положение. Под предварительной герметизацией понимают состояние затрубного уплотнения, в котором происходит приложение усилия веса бурильной колонны, при этом возникает контактное давление между затрубным уплотнением и ответными уплотнительными поверхностями корпуса колонной головки колонны кондуктора и корпуса подвески обсадной колонны, достаточное для возможности работы гидравлической системы инструмента для установки затрубного уплотнения. Под активацией понимают процесс перехода затрубного уплотнения под действием усилия от инструмента для установки в состояние, при котором между уплотнением и ответными уплотнительными поверхностями корпуса колонной головки колонны кондуктора и корпуса подвески обсадной колонны создано расчетное контактное давление.
Затрубное уплотнение предназначено для установки в пространство между колонной кондуктора и подвеской обсадной колонны.
Стенд 1 образован корпусом 2, нижняя часть которого закрыта имитатором 3 подвески обсадной колонны. Корпус 2 имеет по существу цилиндрическую форму. Имитатор 3 подвески обсадной колонны имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность. Внутренняя поверхность корпуса 2 повторяет контуры внутренний поверхности корпуса колонной головки кондуктора, а наружная поверхность имитатора 3 подвески обсадной колонны повторяет контуры наружной поверхности подвески обсадной колонны.
Стенд также содержит три крышки: установочную крышку 4, вспомогательную крышку 5 и испытательную крышку 6. Установочная крышка 4 и вспомогательная крышка 5 используются для установки затрубного уплотнения 7 в кольцевое пространство между корпусом 2 и имитатором 3 подвески обсадной колонны. На фиг. 1 изображен стенд 1 в положении для установки затрубного уплотнения. В корпусе 2 стенда 1 размещен имитатор 3 подвески обсадной колонны. В имитаторе 3 подвески обсадной колонны выполнено выпускное отверстие 8 для стравливания воздуха из замкнутой полости, причем при испытании затрубного уплотнения 7 в выпускное отверстие 8 имитатора 3 подвески обсадной колонны встроена пробка 9.
Для установки затрубного уплотнения 7 в кольцевое пространство между внутренней поверхностью корпуса 2 и имитатором 3 само затрубное уплотнение 7 в сборе (поскольку оно обычно является комбинированным уплотнением и должно быть собрано из нескольких кольцеобразных деталей, на чертежах не показаны составные части уплотнения) размещают в корпусе 2 совместно с имитатором 3 подвески обсадной колонны. Имитатор 3 подвески обсадной колонны имеет внутреннюю цилиндрическою поверхность 10, в которую затем устанавливают шток 11. Шток 11 имеет переменный диаметр, а именно нижняя часть штока 11 имеет первый диаметр D1, средняя часть штока имеет наибольший второй диаметр D2, а верхняя часть штока имеет наименьший третий диаметр D3, причем D2>D1>D3. Средняя часть штока 11 является выступающей относительно нижней и верхней частей штока 11, как это видно на фиг. 1.
В средней части штока выполнены технологические отверстия 12, проходящие вдоль оси и на одинаковом расстоянии от оси, и необходимые для перетока рабочей среды при перемещении штока 11. При этом диаметр D1 нижней части штока 11 соответствует диаметру внутренней части имитатора 3 подвески обсадной колонны, так что отсутствуют зазоры между средней частью штока и внутренней частью корпуса 2, дополнительно для создания герметичности стыкующиеся поверхности штока 11 и имитатора 3 герметизированы уплотнениями (на чертеже не показаны).
Корпус 2 закрывают установочной крышкой 4, в которой выполнено отверстие 13 для верхней части штока 11, имеющей второй диаметр D3 так, что верхняя часть штока 11 выступает из отверстия 12. На установочную крышку 4 устанавливают вспомогательную крышку 5, которую закрепляют относительно установочной крышки 4 крепежными средствами 14, которые могут представлять собой болтовые соединения или иные подходяще соединения. Аналогичные крепежные средства 14 используют для закрепления установочной крышки 4 относительно корпуса 2, а также для закрепления испытательной крышки 6 относительно корпуса 2.
Вспомогательная крышка 5 вместе с установочной крышкой 4 и штоком 11 образуют герметичную функциональную полость А, как показано на фиг. 1, выполненную с возможностью подачи в нее рабочей среды под давлением. Вторая герметичная функциональная полость Е, выполненная с возможностью подачи в нее рабочей среды, образована наружными стенками штока 11, имитатором 3 подвески обсадной колонны и внутренними стенками корпуса 2.
Для подачи рабочей среды в соответствующие полости предусмотрены каналы: первый подающий канал 15, второй подающий канал 16, третий подающий канал 17 и четвертый подающий канал 18. Стравливание давления осуществляется соответственно через первый стравливающий канал 19, второй стравливающий канал 20, третий стравливающий канал 21 и четвертый стравливающий канал 22.
Следует понимать, что система подачи рабочей среды и контроля утечек рабочей среды через затрубное уплотнение включает насосы, манометры и вентили, причем каждому подающему и стравливающему каналу соответствует комбинация из насоса, вентиля и манометра. Так, например, первому подающему каналу 15 соответствует первый стравливающий канал 19, первый насос H1, первый вентиль В1 и первый манометр M1.
Для установки затрубного уплотнения 7 в кольцевое пространство между корпусом 2 и имитатором 3 в первую функциональную полость А подают первым насосом H1 через первый подающий канал 15 рабочую среду под давлением при этом работает верхняя часть штока 11, имеющая третий диаметр D3. На верхнюю часть штока 11 действует усилие, направленное вниз, при этом средняя часть штока 11, имеющая второй диаметр D2, давит на затрубное уплотнение 7 и способствует его установке в кольцевое пространство между корпусом 2 и имитатором 3 подвески обсадной колонны. При достижении заданного давления в первой функциональной полости А контролируют давление в ней посредством первого манометра M1.
Верхняя часть штока 11 вместе с установочной крышкой 4 и вспомогательной крышкой 5 действуют в качестве гидроцилиндра с рабочей полостью, т.е. первой функциональной полостью А, имитирующего вес колонны бурильных труб для предварительной установки (или иными словами предварительной герметизации) затрубного уплотнения 7.
Затем во вторую функциональную полость Е, образованную наружной поверхностью нижней части шока 11, нижней поверхностью средней части штока 11 и внутренней поверхностью корпуса 2, подают посредством второго насоса Н2 рабочую среду под давлением, до достижения давления, обеспечивающего полную установку затрубного уплотнения 7, затем перекрывают второй вентиль В2 и наблюдают посредством второго манометра М2 за тем, имеется ли падение давления.
Давление рабочей среды и время выдержки под давлением может быть выбрано специалистом в данной области техники, исходя из отраслевых стандартов с учетом особенностей работы оборудования.
После осуществления подачи давления в функциональные полости А и Е и обеспечения отсутствия утечек затрубное уплотнение 7 считается полностью установленным (или иными словами герметизированным) в кольцевое пространство между корпусом 2 и имитатором 3 подвески обсадной колонны.
В средней части штока 11 имеется площадка С, расположенная на верхней поверхности средней части штока 11. При подаче давления во вторую функциональную полость Е площадка С имитирует гидроцилиндр инструмента установки затрубного уплотнения 7. Площадка С представляет собой плоское кольцо, а толщина кольца представляет собой разницу между диаметрами D1 и D3.
После этого стенд 1 частично разбирают путем удаления вспомогательной крышки 5, затем - установочной крышки 4, затем - удалением штока 11.
На фиг. 2 изображен стенд 1 в положении для испытания затрубного уплотнения.
Далее, как показано на фиг. 2, на корпус 2 устанавливают испытательную крышку 6, которая герметично закрывает корпус 2 с образованием герметичной трубной полости F.
Затем в трубную полость F, образованную внутренними стенками корпуса 2, поверхностью имитатора 3 подвески обсадной колонны и испытательной крышкой 6, с установленным в ней затрубным уплотнением 7 посредством второго насоса Н2 через второй подающий канал 16 подают испытательную среду под давлением.
Давление испытательной среды и время выдержки под давлением может быть выбрано специалистом в данной области техники, исходя из отраслевых стандартов с учетом особенностей работы оборудования.
При достижении нужной величины давления в трубной полости F второй вентиль В2 закрывают и посредством второго манометра М2 контролируют величину давления: наблюдают имеется ли понижение давления. Если в трубной полости F отсутствует падение давления в течение времени выдержки, то давление из трубной полости F стравливают через второй стравливающий канал 20 и подают посредством третьего насоса Н3 испытательную среду под давлением в затрубную полость G.
Аналогично закрывают вентиль В3, наблюдают за тем, имеется ли падение давления в затрубной полости G при помощи манометра М3. Затем давление из затрубной полости G стравливают через канал 20. Затрубная полость G образована наружной поверхностью имитатора 3, внутренней поверхностью корпуса 2 и нижней частью затрубного уплотнения 7.
Полости F и G отделены друг от друга при помощи затрубного уплотнения 7 и соответствуют трубному и затрубному пространствам системы подводных колонных головок. Вместе полости F и G образуют испытательную камеру для испытания затрубного уплотнения, испытательная камера выполнена с возможностью установки в нее испытуемого затрубного уплотнения. Испытательная камера образована испытательной крышкой 6, установленной на корпус 2, совместно с внутренней поверхностью корпуса 2 и наружной поверхностью имитатора 3 подвески обсадной колонны. Кольцевое пространство между корпусом 2 и имитатором 3 подвески обсадной колонны имитирует пространство в системе подводных колонных головок, предназначенное для установки затрубного уплотнения 7.
При подаче давления в трубную полость F эта полость имитирует воздействие давления сверху на затрубное уплотнение 7 в реальных условиях работы.
Подача давления в затрубную полость G имитирует воздействие давления снизу на затрубное уплотнение 7 в реальных условиях работы.
Между корпусом 2 и имитатором 3 подвески обсадной колонны предусмотрена дополнительная полость K, в которую также подают испытательную среду посредством четвертого насоса Н4 через четвертый подающий канал 17. При подаче давления в дополнительную полость К эта полость имитирует осевое усилие теплового расширения обсадной колонны. Дополнительная полость К необходима для проверки прочности затрубного уплотнения 7 и для циклического ресурса компонентов затрубного уплотнения.
Затрубное уплотнение 7 должно быть установлено с небольшим люфтом, допускающим вертикальное перемещение затрубного уплотнения 7, не превышающим заданную величину. Поэтому затрубное уплотнение 7 может перемещаться в рамках этого люфта при нагрузке сверху и снизу. Для контроля величины люфта затрубное уплотнение снабжают фиксирующими деталями, например, сухарями (на чертежах не показаны): первая фиксирующая деталь установлена частично в уплотнении 7 и частично во внутренней части корпуса 2, а вторая фиксирующая деталь установлена частично в уплотнении 7 и частично в имитаторе 3 подвески обсадной колонны.
При подаче испытательной среды под давлением в полости G, K затрубное уплотнение может испытывать такую нагрузку снизу, что фиксирующие детали будут разрушены. Перемещение затрубного уплотнения вниз ограничено имитатором 3.
Рабочая и испытуемая среды выбираются специалистом в данной области техники.
Следует понимать, что предлагаемое изобретение ограничено только объемом формулы изобретения. Модификации и улучшения вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения без выхода за рамки формулы изобретения очевидны специалистам в данной области техники. Настоящее описание представлено только в качестве примера и не накладывает никаких ограничений на объем охраны предлагаемого изобретения. Таким образом, объем настоящей технологии ограничен только объемом прилагаемой формулы изобретения.