Устройство для крепления фланцевого соединения на устье скважины
DEVICE FOR 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 в процессе герметизации устья скважин фланцевым соединением.
Известны фланцевые соединения оборудования по ГОСТ 28919-91 "Типы и основные размеры", содержащие уплотнительные металлические кольца в канавках фланцев, при этом фланцы между собой стянуты шпилечным соединением.
Также известно фланцевое соединение деталей (патент RU №2150041, опубл. 27. 05.2000), включающее стянутые между собой шпильками два фланца и уплотнительный элемент, выполненный из металлического кольца с двумя торцевыми пазами - канавками под эластичные, например полиуретановые, прокладки, установленный 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 обеих аналогов устройства являются:
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек шпилек производят поочередно с разными крутящими моментами;
- 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;
- высокие затраты на изготовление устьевого фланца, обусловленная необходимостью выполнения 12 отверстий под равными углами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является фланцевое соединение устьевого оборудования (патент RU №2170807, опубл. 20. 07.2001), содержащее стянутые между собой устьевой и опорный фланцы, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо. 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 симметрические 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:
- низкая герметичность фланцевого соединения устьевого оборудования, обусловленная неравномерным стягиванием уплотнительного кольца между устьевым и опорным фланцами вследствие того, что затягивание гаек на шпильках производят поочередно с разными крутящими моментами;
- 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;
- высокие затраты на изготовление устьевого фланца, обусловленная необходимостью выполнения 12 отверстий под равными углами.
Техническими задачами изобретения являются повышение герметичности фланцевого соединения на устье скважины, сокращение продолжительности сборки фланцевого соединения на устье скважины и снижение затрат на изготовление устьевого фланца при ремонте скважин.
Поставленные технические задачи решаются устройством для крепления фланцевого соединения на устье скважины, содержащим стянутые между собой опорный и устьевой фланцы, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо.
Новым является то, что устройство содержит два корпуса прямоугольной формы, причем каждый прямоугольный корпус размещен на равноудаленном расстоянии от центра фланцевого соединения, внутренние торцы коротких сторон каждого прямоугольного корпуса имеют радиус равный наружному диаметру опорного и устьевого фланцев, а длина длинных сторон каждого прямоугольного корпуса ограничена обсадной трубой опорного фланца, при этом по середине на одной из длинных сторон каждого прямоугольного корпуса выполнено резьбовое отверстие, причем в резьбовое отверстие каждого корпуса ввернут резьбовой шток, а в нижней части штока установлена опора, закрепленная на штоке гайкой, при этом в верхней части штока выполнено поперечное сквозное отверстие, а в поперечное сквозное отверстие штока установлена рукоятка для вращения штока, причем рукоятка на обеих конца снабжена цилиндрическими выступами, при этом устройство имеет возможность механической фиксации опорного и устьевого фланцев с помощью сдвоенного корпуса между неподвижной длинной стороной прямоугольного корпуса и опорой, имеющей возможность продольного перемещения, причем оба прямоугольных корпуса жестко закреплены между собой двумя параллельно установленными фиксаторами.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для крепления фланцевого соединения на устье скважины в исходном положении.
На фиг. 2 схематично изображен вид А устройства для крепления фланцевого соединения на устье скважины.
На фиг. 3 схематично изображено устройство для крепления фланцевого соединения на устье скважины в рабочем положении.
На фиг. 4 схематично и увеличенно изображен Вид I - соединение фиксатора с прямоугольным корпусом.
Устройство для крепления фланцевого соединение на устье скважины содержит опорный 1 (см. фиг. 1, 3) и устьевой 2 (см. фиг. 1-3) фланцы, установленное между фланцами в канавках с конусными поверхностями уплотнительное кольцо 3 (см. фиг. 1, 3).
ф=
Наружный диаметр опорного 1 и устьевого 2 фланцев составляет, например D380 мм.
Устройство снабжено двумя корпусами 4' (см. фиг. 1-4) и 4'' (см. фиг. 1-3) прямоугольной формы с длинной стороной длиной - L и с короткой стороной высотой - Н. Прямоугольные корпуса 4' и 4'', например имеют круглое сечение диаметром d=30 мм (см. фиг. 2).
Каждый из прямоугольных корпусов 4' и 4'' (см. фиг. 2) размещен на равноудаленном расстоянии -- S от центра фланцевого соединения в зависимости от наружного диаметра (D=168 мм) обсадной колонны и определяется опытным путем, например S=180 мм.
По середине на одной из длинных сторон L/2 (см. фиг. 1 и 3) каждого прямоугольного корпуса 4' и 4'' выполнено резьбовое отверстие 5' и 5'' (фиг. 1, 3), соответственно.
Длина - L длинных сторон каждого прямоугольного корпуса 4' и 4'' при их установке на опорные 1 и устьевые 2 фланцы ограничена обсадной трубой (на фиг. 1 и 3 показана условно), в которую прямоугольные корпуса 4' и 4'' упираются торцом нижней длинной стороны - L.
ф
Примем наружный диаметр обсадной трубы D=168 мм. Длина - L длинных сторон каждого прямоугольного корпуса 4' и 4'' определяется опытным путем в зависимости от наружного диаметра (D=380 мм) опорного 1 и устьевого 2 фланцев, а также от наружного диаметра (D=168 мм) обсадной колонны, например, L=290 мм.
Внутренние торцы коротких сторон высотой - Н каждого прямоугольного корпуса 4' и 4'' имеют радиус R (см. фиг. 2) равный половине наружного диаметра (D) опорного 1 и устьевого 2 фланцев, т.е. R=D/2 380 мм / 2=190 мм. Это обеспечивает плотное прилегание коротких сторон высотой - Н каждого прямоугольного корпуса 4' и 4 к боковым торцам опорного 1 и устьевого 2 фланцев.
В резьбовое отверстие 5' и 5'' каждого соответствующего корпуса 4' и 4'' ввернут резьбовой шток 6' и 6'' (фиг. 1-3), соответственно.
В нижней части штоков 6' и 6'' установлены опоры 7' и 7'', соответственно.
o=
Опоры 7' и 7'', закреплены на штоках 6' и 6'' гайками 8' и 8'' (фиг. 1, 3), соответственно. Каждая опора 7' и 7'', например имеет диаметр d60 мм и высоту b=40 мм.
Высота - H коротких сторон каждого прямоугольного корпуса 4' и 4'' больше суммы соответствующей высоты - b опор 7' и 7'' и высоты - h опорного 1 и устьевого 2 фланцев, с установленным между ними уплотнительным кольцом 3, т.е. H>(h+b).
Например, h=150 мм, как указано выше b=40 мм, тогда H>(150 мм+40 мм)>190 мм. Примем H=220 мм.
В верхней части штоков 6' и 6'' выполнены соответствующие поперечные сквозные отверстия 9' и 9'', соответственно.
В поперечные сквозные отверстия 9' и 9'' (фиг. 1, 3) соответствующих штоков 6' и 6'' установлены, соответственно, рукоятки 10' и 10'' (фиг. 1-3) для вращения соответствующих штоков 6' и 6''.
Рукоятки 10' и 10'' на обеих концах снабжены, соответственно, цилиндрическими выступами 11' (фиг. 1-3) и 12', а также 11'' и 12'' для ограничения перемещения рукоятки 10' и 10'' относительно соответствующих штока 6' и 6''.
Устройство имеет возможность механической фиксации опорного 1 (см. фиг. 1 и 3) и устьевого 2 фланцев с помощью сдвоенного прямоугольного корпуса 4' и 4'', между неподвижной длинной стороной - L прямоугольного корпуса и опорой 7' и 7'', имеющей возможность продольного перемещения.
Оба прямоугольных корпуса 4' и 4'' жестко закреплены между собой двумя параллельно установленными фиксаторами 13' (фиг. 1-4) и 13'' (см. фиг. 1, 2, 3) с С-образными захватами на концах (см. фиг. 4).
Устройство работает следующим образом.
В канавку (на фиг. 1 и 3 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 устьевой фланец 2.
Изначально устройство находится в исходном положении - опоры 7' и 7'' (см. фиг. 1) находятся в контакте с длинными сторонами - L прямоугольных корпусов 4' и 4'', соответственно. Далее одновременно с разных сторон (под углом 180°) заводят прямоугольные корпуса 4' и 4'' на опорный 1 и устьевой 2 фланцы, с установленным между ними уплотнительным кольцом 3.
Размещают прямоугольные корпуса 4' и 4'' параллельно относительно друг друга. Затем сверху фиксаторами 13' и 13'' накидывают и отодвигают параллельно размещенные относительно друг друга прямоугольные корпуса 4' и 4'', при этом фиксаторы 13' и 13'', выполненные С-образными (см. фиг. 4) обеспечивают их надежную параллельную и жесткую фиксацию относительно прямоугольных корпусов 4' и 4''.
Далее вручную вращают по часовой стрелке рукоятки 10' и 10'', соответствующих штоков 6' и 6'', при этом благодаря цилиндрическим выступам 11' и 12', а также 11'' и 12'', выполненным на концах рукояток 10' и 10", соответственно, рукоятки 10' и 10'' не выпадают из поперечных сквозных отверстий 9' и 9" соответствующих штоков 6' и 6''. В результате вращения рукояток 10' и 10", соответствующие штоки 6' и 6" продольно перемещаются по соответствующим резьбовым отверстиям 5' и 5", при этом опоры 7' и 7'', находящиеся на концах соответствующих штоков 6' и 6'', отходят от длинных сторон - L прямоугольных корпусов 4' и 4'', соответственно, продольно перемещаются внутрь устройства и прижимаются к верхнему торцу устьевого фланца 2 (см. фиг. 3), т.е. занимают рабочее положение.
Далее производят стягивание между собой опорный 1 (см. фиг. 1 и 3) и устьевой 2 фланцы 2 с установленным между ними уплотнительным кольцом 3. Далее продолжают вращать рукоятки 10' и 10'' вручную до упора (см. фиг. 3).
В итоге опорный 1 (см. фиг. 1 и 3) и устьевой 2 фланцы 2 с установленным между ними уплотнительным кольцом 3 оказываются зафиксированными между неподвижной длинной стороной - L прямоугольного корпуса и опорой 7' и 7''. Устройство механически зафиксировало между собой опорный 1 (см. фиг. 3) и устьевой 2 фланцы с установленным между ними уплотнительным кольцом 3.
Фланцевое соединение закреплено. Далее производят технологическую операцию по ремонту скважины, например осуществляют перфорацию пласта в скважине. После окончания технологической операции по ремонту скважины производят разборку в обратной последовательности.
В четыре раза сокращается продолжительность крепления фланцевого соединения при ремонте скважины для проведения технологической операции (промывка, перфорация и т.д.), так как для герметизации устья скважины достаточно разместить устройство на устье скважины и закрепить между собой устьевой и опорный фланцы с помощью вращения рукояток, соответствующих штоков.
Снижаются затраты на изготовление устьевого фланца, так как для крепления фланцев между собой нет необходимости выполнения 12 отверстий под равными углами.
Предлагаемое устройство для крепления фланцевого соединения позволяет:
- повысить герметичность фланцевого соединения на устье скважины;
- сократить продолжительность сборки фланцевого соединения на устье скважины;
- снизить затраты на изготовление устьевого фланца.