Крепление фланцевого соединения на устье скважины
FASTENING A FLANGE CONNECTION AT THE WELLHEAD

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при ремонте скважин с целью крепления различного устьевого оборудования на опорном фланце скважины, а также для крепления устьевого фланца при эксплуатации скважины.
Известно фланцевое соединение деталей (патент RU № 2150041, опубл. 27. 05.2000), включающее стянутые шпильками между собой два фланца и уплотнительный элемент, выполненный из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки, установленные в камере, образованной кольцевыми канавками трапецеидального профиля на фланцах, соединенных между собой, причем уплотнительный элемент концевыми участками расположен в канавках фланцев таким образом, что половина концевых участков, включающая выступающую из кольца эластичную прокладку и часть кольца в зоне расположения паза, соответствует их форме, другая половина концевых участков выполнена с зазором, а средняя часть его, соединяющаяся с концевыми участками, имеет прямоугольный профиль.
Недостатками устройства являются:
- длительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- требование в обслуживании, обусловленное необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки шпилек при креплении устройства;
- высокая продолжительность времени крепление гаек на шпильку. Это обусловлено тем, что применяемые шпильки и гайки имеют мелкий шаг резьбы обычно 1,0-1,5, что увеличивает количество оборотов гаек при затягивании их на шпильки;
- высокая металлоемкость конструкции, связанная с применением 12 шпилек и 24 гаек.
Известно устройство для соединения фланцев при ремонте скважины (патент RU № 2749686, опубл. 16.06.2021), содержащее стянутые между собой через совмещенные отверстия опорный и устьевой фланцы, и уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями. При этом опорный и устьевой фланцы стянуты между собой от 4 до 12 фиксаторов. Причем каждый фиксатор состоит из штока, оснащенного снизу резьбой, эксцентричной рукоятки, шарнирно закрепленной к верхнему концу штока, опорной шайбы и регулировочной гайки, размещенной ниже опорной шайбы и ввернутой на резьбу штока. В исходном положении штоки фиксаторов установлены в совмещенные отверстия опорного и устьевого фланцев, а регулировочные гайки ввернуты в резьбы штоков. При этом регулировочные гайки верхними торцами взаимодействуют с нижним торцом опорного фланца, а нижние торцы эксцентричных рукояток взаимодействуют через опорные шайбы с верхним торцом устьевого фланца. В рабочем положении для стягивания опорного и устьевого фланцев между собой посредством совмещенных отверстий последовательно поворачивают эксцентричные рукоятки фиксаторов до упора боковых торцов эксцентричных рукояток через опорную шайбу в верхний торец устьевого фланца с ограниченным перемещением штоков вверх и герметизации уплотнительного кольца в канавках с конусными поверхностями опорного и устьевого фланцев.
Недостатки устройства:
- низкая герметичность фланцевого соединения, так как фиксаторы крепятся на фланцевом соединении путем поворота рукояток от руки, что не обеспечивает герметичность при давлении свыше 5,0 МПа. В результате начинаются пропуски жидкости через уплотнительное кольцо;
- сложность конструкции фиксатора для крепления фланцевого соединения;
- высокая стоимость изготовления фиксаторов для крепления фланцевого соединения;
- высокая металлоемкость конструкции, связанная с большим количеством деталей для крепления фланцевого соединения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение устьевого оборудования, содержащее устьевой и опорный фланцы, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями (патент RU № 2170807, опубл. 20.07.2001). Уплотнительное кольцо выполнено из упругого материала с припуском на деформацию, учитывающим наличие дополнительного кольца, причем устьевой и опорный фланцы стянуты между собой шпильками, при этом дополнительное кольцо выполнено из металла, соединено с уплотнительным кольцом из упругого материала и имеет концентрические конусные симметричные буртики, расположенные на внутренней его части для центрирования канавок при контакте с их конусными поверхностями, при этом внешняя часть дополнительного кольца выполнена плоской для опоры за пределами канавок торцевых поверхностей фланцев и служит в качестве замыкающего размерного звена в элементах соединения.
Недостатками устройства являются:
- высокая продолжительность сборки фланцевого соединения устьевого оборудования при ремонте скважины, обусловленная необходимостью практически после каждой технологической операции (промывка, перфорация и т.д.) герметизировать устье скважины, т.е. производить фиксацию и крепление между собой устьевого и опорного фланцев с помощью 12 шпилек и 24 гаек;
- высокие требования в обслуживании, обусловленные необходимостью использования двух гаечных ключей для затяжки гаек на шпильках при герметизации фланцевого соединения;
- высокая длительность времени крепление гаек на шпильку. Это обусловлено тем, что применяемые шпильки и гайки имеют мелкий шаг резьбы обычно 1,0-1,5, что увеличивает количество оборотов гаек при затягивании их на шпильки;
- высокая металлоемкость конструкции, связанная с применением 12 шпилек и 24 гаек;
- необходим периодический контроль за состоянием гаек, ввернутых на шпильки в связи с возможностью их прослабления в процессе эксплуатации, требующего затяжки для обеспечения герметичности фланцевого соединения, а это увеличивает межоперационный срок периодических осмотров крепления фланцевого соединения на устье скважины на герметичность.
Техническими задачами изобретения являются сокращение продолжительности сборки фланцевого соединения устьевого оборудования, упрощение обслуживания устройства в работе, а также снижение длительности времени крепления гаек на шпильки или болты, снижение металлоемкости конструкции и снижение межремонтного срока обслуживания - периодических осмотров крепления фланцевого соединения на устье скважины на герметичность.
Поставленные технические задачи решаются креплением фланцевого соединения на устье скважины, содержащим опорный и устьевой фланцы с отверстиями для крепления, уплотнительное кольцо, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями, шпильки, гайки.
Новым является то, что опорный и устьевой фланцы выполнены с шестью отверстиями для крепления, шесть шпилек выполнены с боковыми глухими отверстиями, на конце шпилек размещены шесть сегментных элементов с боковыми резьбовыми отверстиями, при этом сегментные элементы навернуты на шпильки и жестко зафиксированы c помощью винтов, ввернутых в боковые резьбовые отверстия сегментных элементов до упора в торцы боковых глухих отверстий, при этом в боковых резьбовых отверстиях сегментных элементов над ввернутыми винтами выполнены внутренние кольцевые проточки, в которые вставлены разрезные пружинные стопорные кольца, фиксирующие винты в боковых резьбовых отверстиях сегментных элементов от самопроизвольного отворота, причем шпильки с сегментными элементами и гайки выполнены из материала группы прочности 12.8 с шагом 2,5-4, при этом шпильки с сегментными элементами снизу вставлены в отверстия для крепления опорного и устьевого фланца и образуют кольцо, контактирующее с опорным фланцем, а гайки на шпильки завернуты сверху.
На фиг. 1 схематично изображено крепление фланцевого соединения на устье скважины.
На фиг. 2 изображен вид снизу - А крепления фланцевого соединения на устье скважины.
На фиг. 3 изображен вид сверху - Б крепления фланцевого соединения на устье скважины.
На фиг. 4 схематично изображен увеличенный вид I элементов крепления фланцевого соединение на устье скважины.
На фиг. 5 изображен вид сбоку - С сегментного элемента.
Фланцевое соединение устьевого оборудования содержит опорный 1 (см. фиг. 1 и 2) и устьевой 2 (см. фиг. 1 и 3) фланцы с отверстиями (на фиг. 1 показано условно). В качестве устьевого фланца, например применяется планшайба 2 (на фиг. 1 показано схематично), крепящаяся на опорный фланец при эксплуатации скважины.
Опорный фланец 1 и планшайба 2 оснащены канавками с конусной поверхностью под уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1).
ф
Наружные диаметры опорного 1 фланца и планшайбы 2 равны между собой и составляют, например D = 300 мм.
Для крепления опорного 1 фланца и планшайбы 2 применяют шесть шпилек 4 (см. фиг. 1-5) с боковыми глухими отверстиями 5 (см. фиг. 2 и 4), выполненными на концах шпилек 4.
Также крепление фланцевого соединения на устье скважины содержит шесть сегментных элементов 6 (см. фиг. 1-2) с боковыми резьбовыми отверстиями 7 (см. фиг. 2).
Сегментные элементы 6 навернуты на шпильки 4 и жестко зафиксированы c помощью винтов 8 (см. фиг. 2, 4, 5), ввернутых в боковые резьбовые отверстия 7 сегментных элементов 6 до упора в торцы боковых глухих отверстий 5.
В боковых резьбовых отверстиях 7 сегментных элементов 6 над ввернутыми винтами 8 выполнены внутренние кольцевые проточки 9 (см. фиг. 4), в которые вставлены разрезные пружинные кольца 10 (см. фиг. 4-5), фиксирующие винты 8 в боковых резьбовых отверстиях 7 сегментных элементов 6 от самопроизвольного отворота.
Шпильки 4 (см. фиг. 1 и 3) с сегментными элементами 6 и гайки 11 (см. фиг. 1-3) выполнены из материала группы прочности 12.8 по ГОСТ Р 52627-2006 с шагом 2,5-4, например 2,5.
н
в
После совмещения и установки шпилек 4 в отверстия опорного 1 фланца и нижнего фланца планшайбы 2 сегментные элементы 6 шпилек 4 образуют между собой кольцо 12 (см. фиг. 2) с наружным диаметром - D и внутренним диаметром - D,
Наружный диаметр кольца 12 определяют по формуле:
мц
где D - межцентровой диаметр окружности установки шпилек 4, мм,
1
k = 1,12 - коэффициент, полученный опытным путем.
Внутренний диаметр кольца 12 определяют по формуле:
мц
где D - межцентровой диаметр окружности установки шпилек,
2
k=0,88 - коэффициент, полученный опытным путем.
н
в
1
2
Наружный и внешний диаметры D и D кольца 12 определены благодаря значению коэффициентов kиk, определенных опытным путем в зависимости от диаметра шпилек, что с одной стороны исключает разрыв сегментных элементов 6 и шпилек 4 при стягивании опорного 1 фланца и планшайбы 2, а с другой стороны исключает излишнюю металлоемкость сегментных элементов 6 шпилек 4.
1
Наружную длину окружности - L одной из равных между собой сегментных элементов 6, соответствующих шпилек 4 определяют по зависимости:
где π = 3,14;
1
L - наружная длина окружности одной их равных между собой сегментных
элементов 6 шпилек 4;
н
D - наружный диаметр сегментных элементов 6, образующих кольцо 12, мм;
n - количество шпилек 4 с сегментными элементами 6: n=6 штук.
2
Внутреннюю длину окружности - L одной из равных между собой сегментных головок болтов определяют по зависимости
где π = 3,14;
2
L - наружная длина окружности одной их равных между собой сегментных
элементов 6 шпилек 4;
в
D - внутренний диаметр сегментных элементов 6, образующих кольцо 12, мм;
n - количество шпилек 4 с сегментными элементами 6: n=6 штук.
Угол α между сегментными элементами шпилек равен:
где, 360 - значение угла окружности кольца 12,°
n - количество шпилек 4 с сегментными элементами 6: n=6 штук.
Подставляя числовые значения в формулы 3-5 получим:
1
н
L = π× D /n = (3,14 × 280 мм)/6 = 219,8 мм.
2
в
L = π× D /n = (3,14 × 220 мм)/6 = 172,7 мм.
α = 360°/n = 360°/ 6 = 60°
Шпильки 4 с сегментными элементами 6 снизу вставлены в отверстия для крепления опорного 1 и устьевого 2 фланцев и образуют кольцо 12, контактирующее с опорным фланцем 1. Гайки 11 на шпильки 4 завернуты сверху.
В боковых резьбовых отверстиях 7 сегментных элементов 6 на глубине-h, например на глубине h = 10 мм выполнены внутренние кольцевые проточки 9, в которые вставлены разрезные стопорные пружинные кольца 10.
Фиксация разрезными стопорными пружинными кольцами 10 полностью исключает отворот винтов 8 и обеспечивает жесткое соединение между шпильками 4 и сегментными элементами 6 в условиях эксплуатации и вибрации. Шпильки 4 и сегментные элементы 6, например имеют метрическую резьбу М22.
Устройство работает следующим образом.
мц
Перед сборкой устройства изготавливают шесть шпилек 4 и шесть сегментных элементов 6 в зависимости от межцентрового диаметра окружности - D опорного фланца 1 и планшайбы 2, в отверстия которых устанавливают шпильки 4 по формулам (1-5).
мц
Примем: D = 250 мм. Тогда подставляя числовые значения в формулы 1-5 получим:
н
1
мц
D = k× D = 1,12 × 250 мм = 280 мм.
в
2
D = k× Dмц = 0,88 × 250 мм = 220 мм.
1
н
L = π× D /n = (3,14 × 280 мм)/6 = 146,53 мм.
2
в
L = π× D /n = (3,14 × 220 мм)/6 = 115,13 мм.
α = 360°/n = 360°/ 6 = 60°.
Из условия равнопрочного соединения сегментного элемента 6 и гайки 11 на резьбе шпильки 4 принимаем высоту - Н сегментных элементов 6 принимают равной высоте гайке 11, например равной 22 мм.
После изготовления сегментных элементов 6 с боковыми резьбовыми отверстиями 7 (см. фиг. 2) и шпилек 4 с боковыми глухими отверстиями 5 и внутренние кольцевые проточки 9 (см. фиг. 4), а также шесть винтов 8, например метрической резьбой М6, и разрезных пружинных стопорных колец 10. Все элементы изготавливают в количестве 6 штук.
Далее жестко соединяют между собой шпильку 4 и сегментный элемент 6. Сначала на шпильку 4 наворачивают сегментный элемент 6 до совмещения его резьбового отверстия 7 с боковым глухим отверстием шпильки 4. Далее вворачивают винт 8 в резьбовое отверстие 7 сегментного элемента до упора торца винта 6 в торец бокового глухого отверстия 5 шпильки 4. Затем вставляют разрезное пружинное стопорное кольцо 10 во внутреннюю кольцевую проточку 9 шпильки 4.
Далее приступают к креплению фланцевого соединения на устье скважины.
В канавку (на фиг. 1, 2 показано условно) с конусной поверхностью опорного фланца 1 (см. фиг. 1) устанавливают уплотнительное кольцо 3. Затем сверху на уплотнительное кольцо 3 канавкой с конусной поверхностью устанавливают планшайбу 2, после чего вращением планшайбы 2 относительно опорного фланца 1 совмещают их отверстия для крепления.
2
Далее в совмещенные отверстия опорного фланца 1 и фланца планшайбы 2 поочередно снизу сначала вставляют шпильку 4 (см. фиг. 1 и 2), жестко соединенную снизу с сегментным элементом 6, а потом сверху ( над планшайбой 2) наворачивают гайку 11 на шпильку 4, при этом наружная поверхность (длина окружности L) сегментного элемента 6 находится в положении на периферии (параллельно диаметру) опорного фланца 1 (см. фиг. 2). Аналогичным образом крепят оставшиеся пять шпилек 4 с сегментными элементами 6 с гайками 11. Далее с помощью одного гаечного ключа производят затяжку всех гаек 11. Кольцо 12, образованное сегментными элементами 6, исключает взаимное проворачивание шпилек 4 между собой при затягивании гаек 11.
Крепление фланцевого соединения на устье скважины завершено. При необходимости, например для извлечения штангового скважинного насоса, производят разборку в обратной последовательности.
В 4 раза сокращается продолжительность крепления фланцевого соединения на устье скважины, так как для герметизации устья скважины необходимо завернуть 6 гаек, а не 24, как в прототипе.
Из-за наличия крупного шага резьбы (на всех шпильках, сегментных элементах и гайках) из-за снижения количества оборотов вращения гаек относительно шпилек в процессе крепления фланцевого соединения в 1,5-3 раза снижается длительность времени крепления гаек на шпильки;
Упрощается обслуживание устройства в работе, так как используется всего один гаечный ключ, а не два как описано в прототипе, так как сверху сегментные элементы шпилек, образующие кольцо 12, самофиксируются между собой от вращения.
Снижается металлоемкость конструкции крепления фланцевого соединения, так
как устройство содержит 6 шпилек, 6 сегментных элементов и 6 гаек, а не 12 болтов и 24 гайки, как в прототипе.
В предлагаемом устройстве в два раза сокращается периодичность контроля крепления фланцевого соединения, так как осматривать и подтягивать нужно только один ряд гаек 6 и, соответственно, в 4 раза в сравнении с прототипом снижается количество гаек 11, подлежащих осмотру и подтяжке в процессе эксплуатации фланцевого соединения. Сокращение периодичности контроля крепления фланцевого соединения увеличивает межоперационный срок периодических осмотров крепления фланцевого соединения на устье скважины на герметичность, а это в свою очередь снижает затраты на обслуживающий персонал.
Предлагаемое крепление фланцевое соединение на устье скважины позволяет:
- сократить продолжительности сборки фланцевого соединения устьевого оборудования;
- упростить обслуживание устройства в работе;
- снизить длительность времени крепления гаек на шпильки или болты;
- снизить металлоемкость конструкции;
- увеличить межоперационный срок периодических осмотров крепления фланцевого соединения на устье скважины на герметичность.