МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА В СКВАЖИНЕ
METAL SEALING ASSEMBLY FOR SEALING ANNULAR SPACE IN WELL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству, используемому при эксплуатации морских и наземных скважин, а именно к конструкции затрубного уплотнения, предназначенного для герметизации межтрубного пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора. Предлагаемый металлический уплотнительный узел может найти широкое применение при строительстве, как морских, так и наземных скважин в химической, нефтедобывающей, энергетической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для герметизации межтрубного (кольцевого) пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора используются уплотнения различных видов, предназначенные для предотвращения или уменьшения утечки жидкости или газа через зазоры между деталями.
В тексте настоящего описания под начальным состоянием понимается состояние металлического уплотнительного узла от завершения спуска в межтрубное пространство до приложения осевого усилия при установке.
Предварительная герметизация - это процесс установки металлического уплотнительного узла, при котором происходит приложение усилия веса бурильной колонны. При этом возникает контактное давление между уплотнительным элементом и ответными уплотнительными поверхностями корпуса колонной головки колонны кондуктора и корпуса подвески обсадной колонны, достаточное для возможности работы гидравлической системы инструмента для установки уплотнения.
Активация - это процесс перехода металлического уплотнительного узла под действием усилия инструмента в состояние, при котором между уплотнительным элементом и ответными уплотнительными поверхностями корпуса колонной головки колонны кондуктора и корпуса подвески обсадной колонны создано расчетное контактное давление. При этом должна быть обеспечена жесткая фиксация металлического уплотнительного узла между соответствующими корпусами.
Известно затрубное уплотнение металл по металлу для системы подводных колонных головок, выбранное в качестве прототипа (US 5174376, опубликовано 29.12.1992), включающее металлический уплотнительный элемент, корпус вдавливающий, уплотнительные выступы уплотнительного элемента, уплотнительную поверхность корпуса подвески обсадной колонны, имеющего форму усеченного конуса, расширяющегося к низу скважины.
Недостатками технического решения является:
- для предварительной герметизации при большом радиальном зазоре между металлическим уплотнительным элементом и уплотнительной поверхностью корпуса колонной головки колонны кондуктора требуется сила, которая может превышать весовое усилие бурильной колонны;
- на этапе активации происходит чрезмерное пластическое деформирование верхнего уплотнительного выступа уплотнительного элемента, которая может приводить к разрушению этого выступа.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Техническим результатом изобретения является повышение надежности герметизации межтрубного пространства при одновременном обеспечении посредством большого радиального зазора защиты уплотнительной поверхности колонны кондуктора от загрязнений и механических повреждений в процессе монтажа элементов системы подводных колонных головок за счет сниженного усилия предварительной герметизации и отсутствия чрезмерного деформирования верхнего внешнего уплотнительного выступа уплотнительного элемента.
Технический результат достигается следующим образом. Металлический уплотнительный узел для герметизации межтрубного пространства в скважине включает:
металлический уплотнительный элемент, выполненный в виде полого цилиндра и состоящий из основания; внутренней трубчатой части и наружной кольцевой кромки,
корпус вдавливающий,
герметизирующие выступы на уплотнительном элементе,
уплотнительная поверхность корпуса подвески обсадной колонны имеет форму усеченного конуса, расширяющегося к низу скважины,
фиксирующее кольцо,
по изобретению,
металлический уплотнительный элемент и корпус вдавливающий включают верхние и нижние участки,
верхняя часть внутренней поверхности кольцевой кромки уплотнительного элемента выполнена в виде комбинации двух усеченных конусов,
верхняя часть одного конуса сужается к верху скважины,
нижняя часть другого конуса расширяется к верху скважины,
при этом угол раствора а выбирается в диапазоне 0°-10°,
верхняя часть внешней поверхности корпуса вдавливающего выполнена в виде комбинации двух усеченных конусов, верхняя и нижняя части которых сужаются к низу скважины,
при этом угол раствора β верхнего конуса выбирается в диапазоне 0°-10°,
радиус окружности R, по которой сопрягаются верхняя и нижняя части поверхности корпуса вдавливающего равен радиусу цилиндра, образуемого верхней частью внутренней поверхности внешней кромки металлического уплотнительного элемента на этапе предварительной герметизации.
Величина длины образующей конической поверхности верхней части внутренней поверхности кольцевой кромки металлического уплотнительного элемента находится между значениями расстояния от верхнего торца кольцевой кромки металлического уплотнительного элемента до верхнего и нижнего внешних герметизирующих выступов уплотнительного элемента соответственно.
Фиксирующее кольцо обеспечивает механическую связь между металлическим уплотнительным элементом и корпусом вдавливающим.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - представлен общий вид металлического уплотнительного узла для герметизации межтрубного пространства в скважине в начальном состоянии (разрез);
на фиг. 2 - представлен металлический уплотнительный узел для герметизации межтрубного пространства в скважине в состоянии предварительной активации (разрез);
на фиг. 3 - представлен металлический уплотнительный узел для герметизации межтрубного пространства в скважине в активированном состоянии (разрез);
на фиг. 4 - представлен уплотнительный элемент (разрез);
на фиг. 5 - представлена нижняя часть корпуса вдавливающего;
На чертежах выполнены следующие обозначения:
1 - корпус колонной головки колонны кондуктора;
2 - металлический уплотнительный элемент;
3 - корпус вдавливающий;
4 - корпус подвески обсадной колонны;
5 - уплотнительная поверхность корпуса подвески обсадной колонны;
6 - опорный заплечник корпуса подвески обсадной колонны;
7 - верхний внешний герметизирующий выступ уплотнительного элемента;
8 - нижний внешний герметизирующий выступ уплотнительного элемента;
9 - внутренние герметизирующие выступы уплотнительного элемента;
10 - кольцевая кромка уплотнительного элемента;
11 - верхняя часть внутренней поверхности кольцевой кромки уплотнительного элемента;
12 - нижняя часть внутренней поверхности кольцевой кромки уплотнительного элемента;
13 - верхняя часть внешней поверхности корпуса вдавливающего;
14 - нижняя часть внешней поверхности корпуса вдавливающего;
15 - фиксирующее кольцо.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Металлический уплотнительный узел для герметизации межтрубного пространства в скважине включает:
металлический уплотнительный элемент 2, выполненный в виде полого цилиндра и состоящий из основания, внутренней трубчатой части и наружной кольцевой кромки,
корпус вдавливающий 3,
герметизирующие выступы на уплотнительном элементе,
уплотнительная поверхность 5 корпуса подвески обсадной колонны имеет форму усеченного конуса, расширяющегося к низу скважины,
фиксирующее кольцо.
Металлический уплотнительный элемент 2 включает верхний 11 и нижний 12 участки.
Корпус вдавливающий 3 включает верхний 13 и нижний 14 участки.
Верхняя часть внутренней поверхности 11 кольцевой кромки уплотнительного элемента выполнена в виде комбинации двух усеченных конусов,
верхняя часть одного конуса 11 сужается к верху скважины,
нижняя часть другого конуса 12 расширяется к верху скважины,
при этом угол раствора α выбирается в диапазоне 0°-10°,
верхняя часть внешней поверхности 13 корпуса вдавливающего выполнена в виде комбинации двух усеченных конусов, верхняя 13 и нижняя 14 части которых сужаются к низу скважины,
при этом угол раствора β верхнего конуса выбирается в диапазоне 0°-10°,
радиус окружности R (фиг. 5), по которой сопрягаются верхняя и нижняя части поверхности корпуса вдавливающего равен радиусу цилиндра (на рисунках не представлен), образуемого верхней частью внутренней поверхности внешней кольцевой кромки 10 металлического уплотнительного элемента на этапе предварительной герметизации.
Величина длины образующей конической поверхности верхней части внутренней поверхности 11 кольцевой кромки металлического уплотнительного элемента находится между значениями расстояния от верхнего торца кольцевой кромки 10 металлического уплотнительного элемента до верхнего и нижнего внешних герметизирующих выступов 7 уплотнительного элемента соответственно.
Фиксирующее кольцо 15 обеспечивает механическую связь между металлическим уплотнительным элементом 2 и корпусом вдавливающим 3.
Установку металлического уплотнительного узла осуществляют следующим образом. Металлический уплотнительный узел спускают в подводную скважину (фиг. 1). К корпусу вдавливающему 3 прикладывается осевая нагрузка.
На этапе предварительной герметизации (фиг. 2) осевая нагрузка обеспечивается весом бурильной колонны, а на этапе активации установки создается инструментом для установки уплотнения.
При внедрении корпуса вдавливающего 3 в уплотнительный элемент 2 происходит отгибание его кольцевой кромки 10 в направлении корпуса 1 колонной головки колонны кондуктора.
Также под воздействием осевой нагрузки происходит вдавливание уплотнительного элемента 2 в коническую поверхность 5 корпуса подвески обсадной колонны.
При определенной величине осевого усилия (усилием предварительной герметизации), возникает контакт между верхним внешним герметизирующим выступом 7 уплотнительного элемента и поверхностью корпуса 1 колонной головки колонны кондуктора, и одной или несколькими герметизирующими внутренними выступами 9 уплотнительного элемента и конической поверхностью 5 корпуса подвески обсадной колонны.
При этом возникает предварительная герметизация межтрубного пространства, что позволяет создать гидравлическое давление в пространстве над металлическим уплотнительным узлом, необходимое для работы инструмента при его установке.
Далее под действием осевого усилия, создаваемого инструментом, происходит внедрение корпуса вдавливающего 3 в металлический уплотнительный элемент 2 и происходит движение металлического уплотнительного элемента 2 до контакта с опорным заплечником 6 корпуса подвески обсадной колонны, который ограничивает осевое перемещение металлического уплотнительного элемента 2. В процессе этого движения между внутренними герметизирующими выступами 9 металлического уплотнительного элемента и уплотнительными поверхностями корпуса 1 колонной головки колонны кондуктора и корпуса 4 подвески обсадной колонны, достигается расчетное контактное давление и далее происходит закрепление металлического уплотнительного узла в корпусе 1 колонной головки колонны кондуктора и корпусе 4 подвески обсадной колонны с помощью фиксирующего кольца 15. С этого момента уплотнение считается активированным (фиг. 3).
Фиксирующее кольцо 15 в межтрубном пространстве аналогично устройству прототипа (патент US 005174376).
Технический результат обеспечивается тем, что в процессе предварительной герметизации уплотнения и возникающем при этом деформировании кольцевой кромки 10 уплотнительного элемента, область передачи усилия от корпуса вдавливающего 3 к уплотнительному элементу 2 (зона контакта корпуса уплотнения 3 и уплотнительный элемент 2) сохраняется в верхней части кольцевой кромки 10 уплотнительный элемент за счет того, что верхняя часть внутренней поверхности кольцевой кромки 11 уплотнительного элемента сужается к верху скважины (имеет «обратный наклон») и путем соответствующего выбора угла наклона и длины этого участка в зависимости от величины радиального зазора между уплотнительным элементом 2 и корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора. Характер этого наклона сохраняется до завершения этапа предварительной герметизации.
Передача усилия от корпуса вдавливающего 3 к кольцевой кромке 10 уплотнительного элемента в ее верхней части обеспечивает максимально возможное плечо силы, создающей изгибающий момент в основании кольцевой кромки 10 уплотнительного элемента. Тем самым обеспечивается снижение усилия предварительной активации по сравнению с прототипом, так как в его конструкции область контакта корпуса вдавливающего 3 и кольцевой кромки 10 уплотнительного элемента смещается к низу скважины при отгибании кольцевой кромки 10 уплотнительного элемента в процессе установки металлического уплотнительного узла.
После этапа предварительной герметизации контактирующие поверхности, а именно верхняя часть внешней поверхности 13 корпуса уплотнения и верхняя часть внутренней поверхности кольцевой кромки 11 уплотнительного элемента становятся практически параллельными. В процессе активации при движении корпуса вдавливающего 3 в металлическом уплотнительном элементе 2 не происходит чрезмерного деформирования верхнего внешнего герметизирующего выступа 7 уплотнительного элемента.
Таким образом, предложенный металлический уплотнительный узел для герметизации межтрубного пространства в скважине позволяет повысить надежность герметизации межтрубного пространства при наличии большого радиального зазора между металлическим уплотнительным узлом и корпусом колонной головки колонны кондуктора, за счет сниженного усилия предварительной герметизации и отсутствия чрезмерного деформирования верхнего внешнего уплотнительной выступа уплотнительного элемента.
Модификации и улучшения вышеописанных вариантов осуществления понятны для специалистов в данной области техники. Вышеприведенное описание приведено исключительно в качестве примера, и не является ограничивающим.