ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ УСТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
FLANGE CONNECTION OF WELLHEAD EQUIPMENT

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к оборудованию для герметизации устья при бурении нефтяных и газовых скважин, и может применяться в случаях отклонения от вертикали буровой вышки или устьевого оборудования, включающего колонную головку и компоновку превенторов.
Известны фланцевые соединения устьевого оборудования (ГОСТ 28919-91. Фланцевые соединения устьевого оборудования. Типы, основные параметры и размеры), каждое из которых содержит
- два фланца с центральным сквозным проходным отверстием, соединенные посредством крепежных деталей,
- кольцевую прокладку с центральным сквозным проходным отверстием, размещенную в канавках фланцев, выполненных на торцах фланцев, обращенных друг к другу.
Недостатком известных фланцевых соединений является низкая надежность эксплуатации, обусловленная отсутствием защиты от коррозии взаимодействующих поверхностей канавок фланцев и кольцевой прокладки, что в результате разъедания металлов и их химического разрушения может привести к появлению зазоров в контакте уплотнительных поверхностей и, следовательно, к разгерметизации фланцевого соединения и в итоге может быть причиной нефтегазопроявления и последующего открытого фонтана.
Известно фланцевое соединение устьевого оборудования (патент РФ №2167265, МПК Е21В 33/03, опубл. 20.05.2001), содержащее
- два фланца с центральным сквозным проходным отверстием, соединенные резьбовыми элементами,
- уплотнительное кольцо с центральным сквозным проходным отверстием, установленное в канавках фланцев, выполненных на торцах фланцев, обращенных друг к другу,
- при этом уплотнительное кольцо имеет выполненные на его торцах кольцевые канавки, в которых установлены кольцевые уплотнительные элементы из упругодеформируемого материала.
При использовании известного устройства возможно несовпадение оси центра сквозного проходного отверстия фланцев с продольной осью спускаемой трубы, что может быть вызвано отклонением от вертикали верхней части устьевого оборудования или буровой вышки, обусловленным воздействием природных и техногенных факторов.
К природным факторам следует отнести состояние поверхностного слоя грунта, на котором расположены основания вышечного блока буровой установки. Так, например, при монтаже буровой установки на слабых по несущей способности фундаментах (на болотах и плывунах или многолетнемерзлых породах, имеющих целики льда), в результате циклического оттаивания пород от взаимодействия с обсадной колонной, имеющей положительную температуру в результате воздействия циркулирующего бурового раствора, и обратного промерзания от пород в зонах вечной мерзлоты может происходить одностороннее смещение поверхностного слоя пород, что может привести к отклонению от вертикали верхней части обсадной колонны с устьевым оборудованием, в результате чего оно будет несоосным с ведущей или верхней трубой компоновки бурильной колонны. Эксцентричность этих труб относительно проходного отверстия устьевой компоновки не позволит при необходимости герметично закрыть трубные плашки превентора, что может привести к нефтегазопроявлению и последующему открытому фонтану. Эти же последствия могут быть возможны вследствие того, что герметизирующие элементы плашек превенторов будут подвержены одностороннему абразивному износу при трении об них труб, смещенных от центра сквозного проходного отверстия устьевого оборудования, во время спуско-подъемных операций.
Таким образом, применение известного фланцевого соединения может привести к вероятному отказу компоновки превенторов, что снижает его эксплуатационную надежность и безопасность.
Одновременно со смещением устьевого оборудования от вертикали возможно и смещение труб, обусловленное техногенными факторами, такими как:
- неравномерное проседание оснований вышечного блока из-за неравнопрочности грунта под ними, например, из-за протаивания целиков льда в многолетнемерзлых породах. В результате этого образуется наклон вышки, и подвешенная на крюкоблоке труба будет иметь угловое смещение относительно сквозного проходного отверстия устьевого оборудования;
- одностороннее размещение свечей на одном из подсвечников вышечного блока. Нагрузка в несколько десятков тонн от массы бурильной колонны может продавить одну из сторон вышечного блока, наклонив его вместе с вышкой.
Для устранения этих последствий производят оттягивание вышки тросами до вертикального положения и крепление их к якорям, а чтобы избежать выполнения этих трудоемких операций, возможно использование фланцевых соединений устьевого оборудования, предназначенных для применения на скважинах с наклонным устьем. Однако угол наклона вышки и его направление по азимуту со временем может меняться, поэтому применение таких нерегулируемых фланцевых соединений устьевого оборудования неэффективно.
Таким образом, известное фланцевое соединение обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, а применение его требует дополнительных временных затрат на выравнивание вышки, повышает трудоемкость и снижает удобство эксплуатации.
Совокупность перечисленных недостатков известного фланцевого соединения устьевого оборудования существенно снижает его надежность и безопасность при эксплуатации, а также ограничивает его эксплуатационные возможности.
Задачей изобретения является создание технического решения фланцевого соединения устьевого оборудования, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является расширение эксплуатационных возможностей известного фланцевого соединения устьевого оборудования и повышение надежности и безопасности буровых работ при его эксплуатации.
Для обеспечения этого результата известное фланцевое соединение устьевого оборудования, содержащее
- два фланца с центральным сквозным проходным отверстием, соединенные посредством шпилек с гайками и шайбами,
- уплотнительное кольцо с центральным сквозным проходным отверстием, установленное в расточках фланцев, выполненных на торцах фланцев, обращенных друг к другу,
- при этом на торцах уплотнительного кольца выполнены кольцевые канавки, в которых установлены уплотнительные элементы из упругодеформируемого материала,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- расточки фланцев выполнены в виде сферических невыпуклых сегментов с радиусом R1,
- в каждом из фланцев на стороне, противоположной сферическому невыпуклому сегменту, размещены резьбовые отверстия для крепления ответного фланца дополнительного устьевого оборудования и канавка для уплотнительного кольца ответного фланца,
- торцы уплотнительного кольца выполнены в виде сферических выпуклых сегментов с радиусом R1 и взаимодействуют с расточками фланцев,
- диаметр центрального сквозного проходного отверстия уплотнительного кольца больше диаметра центрального сквозного проходного отверстия фланцев, а в исходном положении вертикальные оси сферических сегментов фланцев и уплотнительного кольца совпадают между собой и с осями их центральных сквозных проходных отверстий,
- отверстия для шпилек имеют на стороне фланцев, противоположной сферическому невыпуклому сегменту, расточку в форме сферического невыпуклого сегмента с радиусом R2, а шайбы на торце, взаимодействующем с отверстием для шпилек, имеют форму сферического выпуклого сегмента с радиусом R2.
Изобретение поясняется чертежом.
Заявляемое фланцевое соединение состоит из двух одинаковых фланцев 1, каждый из которых имеет центральное сквозное проходное отверстие 2 и расточку 3. Расточки 3 фланцев 1 выполнены в виде сферических невыпуклых сегментов с радиусом R1. Между расточками 3 расположено уплотнительное кольцо 4, имеющее центральное сквозное проходное отверстие 5, диаметр которого больше диаметра центрального сквозного проходного отверстия 2 фланцев 1. Торцы 6 уплотнительного кольца 4 выполнены в виде сферических выпуклых сегментов с радиусом R1. В исходном положении вертикальные оси сферических сегментов фланцев 1 и уплотнительного кольца 4 совпадают между собой и с осями их центральных сквозных проходных отверстий 2 и 5.
На торцах 6 кольца 4 выполнены кольцевые канавки 7, в которых размещены уплотнительные элементы 8 из упругодеформируемого материала.
В каждом из фланцев 1 на стороне, противоположной сферическому невыпуклому сегменту, выполнены резьбовые отверстия 9 для крепления ответных фланцев дополнительного устьевого оборудования и канавка 10 для уплотнительного кольца ответных фланцев (не показано).
По периферии фланцев 1 выполнены сквозные отверстия 11, в которых установлены шпильки 12 с гайками 13 и шайбами 14, причем отверстия 11 для шпилек 12 имеют на стороне фланцев 1, противоположной сферическому невыпуклому сегменту, расточку 15 в форме сферического невыпуклого сегмента радиусом R2, а шайбы 14 на торце, взаимодействующем с отверстием 11 для шпилек 12, имеют форму сферического выпуклого сегмента с радиусом R2. Тем самым при непараллельности фланцев 1 обеспечивается прямолинейное расположение шпилек 12 без их изгиба, а при рабочей нагрузке шпильки 12 будут испытывать только деформацию растяжения, что повышает их работоспособность и долговечность.
Заявляемое фланцевое соединение работает следующим образом.
Все гайки 13, за исключением четырех, расположенных диаметрально крестообразно, навинчивают, не затягивая их, на концы шпилек 12 с шайбами 14, расположенными сферическим выпуклым сегментом к сферическому невыпуклому сегменту отверстий 11. Четырьмя шпильками 12, расположенными диаметрально крестообразно, выставляют фланцы 1 параллельно относительно друг друга и затягивают гайки 13 с шайбами 14.
Подсобранное таким образом заявляемое фланцевое соединение нижним фланцем 1 устанавливают и закрепляют на фланце устья (колонный или верхний фланец крестовины), а на верхнем фланце 1 устанавливают и закрепляют противовыбросовое устьевое оборудование (превентор, герметизирующее устройство и т.д.). Затем в скважину опускают на 2-3 метра нижний конец трубы 16, подвешенной на крюкоблоке, четырьмя шпильками 12, расположенными диаметрально крестообразно, регулируют непараллельность фланцев 1 относительно друг друга под углом, обеспечивающим соосность устьевого оборудования, расположенного на верхнем фланце 1, и спущенной трубы 16, а затем затягивают все остальные гайки 13 на шпильках 12. Благодаря выполнению расточек 3 и торцов 6 в виде сферических сегментов обеспечивается как непараллельность фланцев 1, так и герметичность в контакте расточки 3 и уплотнительного кольца 4 в сочетании с уплотнительными элементами 8 из упругодеформируемого материала.
При спуске труб 16 и наборе веса бурильной колонны, а также при подъеме труб 16 и односторонней нагрузке на подсвечнике буровая вышка может отклониться от первоначального положения, и в этом случае возможна корректировка соосности устьевого оборудования, расположенного на верхнем фланце 1, что осуществляется следующим образом: вначале на несколько витков со шпилек 12 свинчивают гайки 13, затем заявляемым фланцевым соединением корректируют соосность труб 16 с устьевым оборудованием, после чего вновь затягивают гайки 13.
Таким образом, заявляемое техническое решение фланцевого соединения устьевого оборудования обеспечивает повышение надежности и безопасности при эксплуатации вследствие отсутствия несовпадения оси центра сквозного проходного отверстия 2 фланцев 1 с продольной осью спускаемой трубы 16, а следовательно, значительное снижение вероятности износа плашек превенторов и отказа компоновки превенторов, а также расширение эксплуатационных возможностей благодаря отсутствию необходимости устранения наклона буровой вышки путем оттягивания ее и крепления к якорям, и, следовательно, будут отсутствовать дополнительные временные затраты, снижена трудоемкость и повышено удобство эксплуатации.