ЗАТРУБНОЕ УПЛОТНЕНИЕ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ УПЛОТНЕНИЕМ
ANNULAR SEAL WITH NON-METALLIC SEAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству, используемому при эксплуатации морских и наземных скважин, а именно к конструкции затрубного уплотнения с неметаллическим уплотнением и может быть использовано для герметизации кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора. Предлагаемое уплотнение может найти широкое применение при строительстве, как морских, так и наземных скважин в химической, нефтедобывающей, энергетической и других отраслях промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для герметизации 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.
Обычно применяют уплотнение металл по металлу. Также, при повреждении уплотнительных поверхностей обычно используют аварийное затрубное уплотнение с неметаллическим уплотнителем.
Частным вариантом затрубного уплотнения является уплотнение, требующее сжатия для своей активации.
В тексте настоящего документа под активацией упругих уплотнений понимается процесс перехода уплотнения из исходного положения в рабочее положение, в котором посредством сжатия упругого уплотнения достигается герметизация кольцевого пространства между корпусом подвески обсадной колонны и корпусом колонной головки колонны кондуктора.
Под деактивацией упругих уплотнений следует понимать процесс перехода уплотнения из рабочего положения в исходное положение для его извлечения.
При использовании затрубного уплотнения, требующего сжатия для активации, необходимо обеспечить фиксацию сжимающего механизма для гарантированного сохранения деформации затрубного уплотнения с целью поддержания его герметичности.
Известна СКВАЖИННАЯ УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (публикация №2015151588, дата публикации заявки: 08.06.2017 Бюл. №16), содержащая по меньшей мере одно расширяемое уплотнение; по меньшей мере один деформируемый элемент; при этом деформируемый элемент содержит или по меньшей мере частично образует принимающую уплотнение канавку, и канавка принимает или может принимать по меньшей мере часть расширяемого уплотнения так, что расширяемое уплотнение расширяется для деформирования деформируемого элемента и при этом увеличивает наружный диаметр или протяженность деформируемого элемента.
Наиболее близкое техническое решение, выбранное в качестве прототипа - КОМБИНИРОВАННЫЙ УПЛОТНИТЕЛЬ ОБСАДНЫХ ТРУБ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ СКВАЖИН (публикация RU №2691416 (13) С1; опубликовано: 13.06.2019 Бюл. №17; МПК: Е21В 33/035; Е21В 33/043), содержащий герметизирующий узел, кольцевую втулку, якорь с сухарями и клиновыми плашками, хвостовик, зафиксированный относительно якоря стопорным кольцом. Герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры с пазом, упругих уплотнений и металлических уплотнений металл-металл, размещенных в составном корпусе, выполненном из двух частей, соединенных между собой и снабженных осью, которая через паз имеет возможность ограничения перемещения кольцевой опоры в составном корпусе, причем упругие уплотнения выполнены из резины и содержат резиновое уплотнение в форме трапеции в продольном сечении с вогнутым большим основанием, с округленными вершинами и зеркально ему расположенным резиновым уплотнением, между которыми размещено резиновое уплотнение в форме многоугольника в продольном сечении с округленными вершинами, отделенное от резиновых уплотнений металлическими тарелками соответственно, которые повторяют форму этих резиновых уплотнений и являются разделителями в транспортном положении комбинированного уплотнителя и которые имеют возможность изменять форму в соответствии с изменением формы всех резиновых уплотнений и являются металлическими уплотнениями металл-металл в рабочем положении комбинированного уплотнителя, кроме того, герметизирующий узел содержит срезной штифт с возможностью взаимодействия кольцевой опоры с одной из частей составного корпуса, а вторая часть составного корпуса соединена срезным штифтом с кольцевой втулкой с пазами на торце, в которых размещены клиновые плашки с коническими пружинами якоря, при этом кольцевая втулка расположена на якоре и подпружинена с ним пружиной, кроме того, на якоре расположена одна из частей составного корпуса, связанная с ним через стопорное кольцо, также на якоре размещены сухари для фиксации комбинированного уплотнителя в пазу на кондукторе и сухари для фиксации комбинированного уплотнителя в пазу на технической колонне, которые имеют возможность взаимодействия с хвостовиком, выполненным со стопорным кольцом для фиксации на якоре, соединенным с инструментом автономной посадки комбинированного уплотнителя в подводную скважину и имеющим возможность фиксирования комбинированного уплотнителя на кондукторе и на технической колонне одновременно, при этом металлические тарелки в качестве металлических уплотнений металл-металл одновременно со всеми резиновыми уплотнениями образуют в совокупности герметизирующий узел комбинированного уплотнителя.
Недостатком технического решения является фиксация упругих уплотнений комбинированного уплотнителя в сжатом состоянии относительно корпуса кондуктора, которая осуществляется при помощи плашек, которые внедряясь в корпус колонны кондуктора повреждают ее, а также в случае возникновения осевых нагрузок от температурных расширений колонн будут воспринимать все нагрузки на себя, что при циклических нагрузках приводит к ослаблению усилия сжатия уплотнительного элемента. Также недостатком является то, что для деактивации требуется значительное усилие в связи с необходимостью произвести срыв плашек с корпуса колонны кондуктора.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом является повышение надежности активации затрубного уплотнения за счет фиксации величины усилия сжатия, необходимой для активации затрубного уплотнения, достигаемое за счет ограничения обратного линейного перемещения элементов, сжимающих затрубное уплотнение. При этом величина усилия сжатия не зависит от параметров установки, в частности, от сцепления корпуса затрубного уплотнения с корпусом подвески обсадной колонны, наличия шлама на опорном торце, смещения корпусов относительно друг друга. Степень сжатия затрубного уплотнения не зависит от осевых нагрузок, воздействующих на конструктивные элементы затрубного уплотнения со стороны подвески обсадной колонны и корпуса колонной головки колонны кондуктора, в том числе, возникающих вследствие термического расширения обсадных труб. Таким образом достигается повышение надежности герметизации обсадных труб при эксплуатации.
Предлагаемая конструкция так же обеспечивает упрощение процесса деактивации затрубного уплотнения за счет снижения величины усилия, которую необходимо приложить для деактивации. При этом величина усилия деактивации затрубного уплотнения в разы меньше, чем усилие его активации и усилия, которые воспринимает затрубное уплотнение во время эксплуатации. Усилие деактивации не зависит от усилия активации и может произвольно регулироваться при помощи срезных элементов затрубного уплотнения. Процесс деактивации не может инициироваться нагрузками, которые воспринимает затрубное уплотнение во время эксплуатации.
Технический результат достигается следующим образом.
Затрубное уплотнение с неметаллическим уплотнением, предназначенное для герметизации кольцевого пространства между корпусом колонной головки колонны кондуктора и корпусом подвески обсадной колонны,
содержащее
герметизирующий узел, якорь с сухарями, хвостовик, корпус составной,
герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры, упругих уплотнений, размещенных в корпусе составном,
корпус составной выполнен из двух частей, соединенных между собой при помощи осей,
кольцевая опора содержит паз,
паз кольцевой опоры выполнен с возможностью ограничения перемещения кольцевой опоры в корпусе составном,
корпус составной содержит стопорный элемент,
на якоре расположена одна из частей корпуса составного, связанная с ним через стопорный элемент,
сухари для фиксации затрубного уплотнения в кольцевой канавке на корпусе колонной головки колонны кондуктора и в кольцевой канавке на корпусе подвески обсадной колонны, выполнены с возможностью взаимодействия с хвостовиком,
хвостовик выполнен со стопорным элементом для фиксации на якоре,
по изобретению,
кольцевая опора состоит из упора нижнего, корпуса среднего и запирающих сегментов,
упор нижний, содержащий кольцевой паз, выполнен с возможностью установки в него корпуса среднего и размещения запирающих сегментов,
корпус средний, содержащий не менее одного кольца пружинного стопорного нижнего, выполнен с возможностью блокировки перемещения упора нижнего относительно корпуса среднего, и не менее одной канавки на внешней и внутренней стороне, в каждой из которых размещены не менее одного кольца пружинного стопорного верхнего,
запирающие сегменты выполнены с возможностью упора в канавки на внешней стороне корпуса среднего,
якорь содержит сегментированные выступы, размещенные в сегментированных пазах корпуса составного и предназначенные для фиксации в радиальном направлении колец пружинных стопорных верхних относительно канавок в корпусе среднем,
внутренняя и наружная части корпуса составного, содержат кольцевые уступы,
корпус составной содержит сегментированные и закрытые пазы,
якорь содержит ограничительные винты, размещенные в закрытых пазах корпуса составного, при этом ограничительные винты выполняют функцию стопорного элемента,
корпус составной выполнен с возможностью соединения с якорем.
Упругие уплотнения могут быть выполнены из эластомера.
Соединение корпуса составного с якорем может быть выполнено посредством множества срезных винтов.
Хвостовик может быть соединен с инструментом автономной посадки затрубного уплотнения в подводную скважину и выполнен с возможностью фиксации затрубного уплотнения в кольцевой канавке на корпусе колонной головки колонны кондуктора и в кольцевой канавке на корпусе подвески обсадной колонны одновременно.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид затрубного уплотнения с неметаллическим уплотнением (разрез);
на фиг. 2 представлен увеличенный фрагмент А по фиг. 1.
На чертежах выполнены следующие обозначения:
1 - корпус колонной головки колонны кондуктора;
2 - корпус подвески обсадной колонны;
3 - упругие уплотнения;
4 - корпус средний;
5 - упор нижний;
6 - запирающие сегменты;
7 - кольцо пружинное стопорное нижнее;
8 - корпус составной;
9 - якорь;
10 - срезные винты;
11 - ограничительные вины;
12 - ось;
13 - кольца пружинные стопорные верхние;
14 - закрытые пазы корпуса составного;
15 - сегментированные выступы якоря;
16 - сегментированные пазы корпуса составного;
17 - закрытые пазы корпуса среднего;
18 - кольцевой уступ подвески обсадной колонны;
19 - кольцевой паз упора нижнего;
20 - канавка корпуса среднего;
21 - кольцевые уступы корпуса составного.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затрубное уплотнение с неметаллическим уплотнением, предназначенное для герметизации кольцевого пространства между корпусом 1 колонной головки колонны кондуктора и корпусом 2 подвески обсадной колонны.
Корпус 2 подвески обсадной колонны содержит кольцевой уступ 18.
Герметизирующий узел, якорь 9 с сухарями, хвостовик, корпус составной 8.
Герметизирующий узел состоит из кольцевой опоры, упругих уплотнений 3, размещенных в корпусе составном 8.
Корпус составной 8 выполнен из двух частей, соединенных между собой при помощи осей 12.
Кольцевая опора содержит паз 17.
Паз кольцевой опоры выполнен с возможностью ограничения перемещения кольцевой опоры в корпусе составном.
Корпус составной 8 содержит стопорный элемент (на рисунках не представлен).
На якоре 9 расположена одна из частей корпуса составного, связанная с ним через стопорный элемент.
Сухари, хвостовик, стопорное кольцо, инструмент автономной посадке на рисунках не представлены.
Сухари для фиксации затрубного уплотнения в кольцевой канавке на корпусе колонной головки колонны кондуктора и в кольцевой канавке на корпусе подвески обсадной колонны, выполнены с возможностью взаимодействия с хвостовиком.
Хвостовик выполнен со стопорным элементом для фиксации на якоре.
Кольцевая опора состоит из упора нижнего 5, корпуса среднего 4 и запирающих сегментов 6.
Упор нижний 5, содержащий кольцевой паз, выполнен с возможностью установки в него корпуса среднего 4 и размещения запирающих сегментов 6.
Корпус средний 4, содержащий не менее одного кольца пружинного стопорного нижнего 7, выполнен с возможностью блокировки перемещения упора нижнего 5 относительно корпуса среднего 4, и не менее одной канавки на внешней и внутренней стороне, в каждой из которых размещены не менее одного кольца пружинного стопорного верхнего 13.
Запирающие сегменты 6 выполнены с возможностью упора в канавки на внешней стороне корпуса среднего 4.
Якорь 9 содержит сегментированные выступы 15, размещенные в сегментированных пазах 16 корпуса составного и предназначенные для фиксации в радиальном направлении колец пружинных стопорных верхних относительно канавок в корпусе среднем.
Внутренняя и наружная части корпуса составного, содержат кольцевые уступы.
Корпус составной содержит сегментированные и закрытые пазы.
Якорь 9 содержит ограничительные винты 11, размещенные в закрытых пазах корпуса составного 14, при этом ограничительные винты 11 выполняют функцию стопорного элемента.
Корпус составной 8 выполнен с возможностью соединения с якорем 9.
Упругие уплотнения 3 могут быть выполнены из эластомера.
Соединение корпуса составного 8 с якорем 9 может быть выполнено посредством множества срезных винтов 10.
Хвостовик может быть соединен с инструментом автономной посадки затрубного уплотнения в подводную скважину и выполнен с возможностью фиксации затрубного уплотнения в кольцевой канавке на корпусе колонной головки колонны кондуктора и в кольцевой канавке на корпусе подвески обсадной колонны одновременно.
Устройство работает следующим образом.
При установке затрубного уплотнения с неметаллическим уплотнением в кольцевой зазор между корпусом подвески обсадной колонны 2 и корпусом колонной головки колонны кондуктора 1,
упор нижний 5 упирается в уступ 18 корпуса подвески обсадной колонны 2,
а на якорь 9 прикладывается осевая сила, сжимающая конструкцию.
Корпус средний 4 задвигается в кольцевой паз 19 упора нижнего 5,
происходит сжатие упругих уплотнений 3.
В исходном состоянии кольцо пружинное стопорное нижнее 7 установлено на корпусе среднем 4 в разжатом состоянии.
При совмещении канавки 20 в корпусе среднем 4 с кольцом пружинным стопорным нижним 7,
оно сжимается и блокирует обратное перемещение корпуса среднего 4,
тем самым упругие уплотнения 3 остаются в сжатом состоянии.
В дальнейшем проводятся действия для включения сухарей для фиксации затрубного уплотнения в пазу на корпусе колонной головки колонны кондуктора и сухари для фиксации затрубного уплотнения в пазу на корпусе подвески обсадной колонны (на рисунках не показаны).
При необходимости извлечения затрубного уплотнения с неметаллическим уплотнением к якорю 9 прикладывается осевая растягивающая сила.
При этом происходит срез срезных винтов 10 и корпус составной 8 может перемещаться относительно якоря 9 в пределах перемещения ограничительных винтов 11 в закрытом пазу 14 корпуса составного 8.
Под действием осевой растягивающей силы якорь 9 выдвигается из корпуса составного 8.
Происходит освобождение колец пружинных стопорных верхних 13 от фиксации сегментированными выступами 15 якоря 9.
Под действием упругих сил кольца пружинные стопорные верхние 13 разжимаются, в результате чего прекращают ограничивать перемещение корпуса среднего 4 относительно корпуса составного 8.
Корпус средний 4 перемещается относительно корпуса составного 8 под действием упругих сил упругих уплотнений 3 в пределах перемещения осей корпуса составного 12 в закрытом пазу 17 корпуса среднего 4.
Таким образом, предложенное затрубное уплотнение с неметаллическим уплотнением позволяет повысить надежность активации затрубного уплотнения за счет фиксации величины усилия сжатия, необходимой для активации затрубного уплотнения, достигаемое за счет ограничения обратного линейного перемещения элементов, сжимающих затрубное уплотнение. При этом величина усилия сжатия не зависит от параметров установки, в частности, от сцепления корпуса затрубного уплотнения с корпусом подвески обсадной колонны, смещения корпусов относительно друг друга.
Степень сжатия затрубного уплотнения не зависит от осевых нагрузок, воздействующих на конструктивные элементы затрубного уплотнения со стороны подвески обсадной колонны и корпуса колонной головки колонны кондуктора, в том числе, возникающих вследствие термического расширения обсадных труб. Таким образом достигается повышение надежности герметизации обсадных труб при эксплуатации.
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. Предшествующее описание представлено только в качестве примера и не несет никаких ограничений.