Устьевой самоцентрирующийся обтиратор
WELLHEAD SELF-CENTERING WIPER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для повышения безопасности труда и охраны окружающей среды, при ремонте скважин. Устройство предназначено для перекрытия устья скважины при проведении спуска-подъема колонны труб с целью предотвращения падения в скважину посторонних предметов, а также для очистки труб от скважинной жидкости, поднимаемой из скважины.
Известен обтиратор производства ООО «УралПромСнабКомплект» включающий корпус, состоящий из двух широких металлических колец с внутренними фасками, между которыми закреплены два слоя сменных эластичных манжет. Металлические кольца имеют внутренние упоры, благодаря которым сменные манжеты не выдавливаются под весом колонны в момент удержания спайдером. По наружному диаметру резиновые манжеты повторяют контур корпуса, а по внутреннему диаметру насосно-компрессорных труб (НКТ) с небольшим припуском. Внутреннее отверстие эластичной манжеты надрезано в пяти местах в радиальном направлении для образования «лепестков», которые отгибаются в момент очистки муфты или технологического замка.
Недостатки устройства:
- низкая надежность работы, обусловленная преждевременным износом эластичной манжеты обтирающего элемента. Преждевременный износ эластичной манжеты обусловлен односторонним износом манжеты вследствие отсутствия возможности самоцентрирования эластичной манжеты относительно колонны НКТ при радиальных колебаниях, возникающих в процессе подъёма колонны НКТ из скважины;
- низкое качество очистки поверхности как по телу, так и по муфте труб колонны НКТ или бурильных труб (БТ) ввиду несовершенной конструкции эластичной манжеты, которая в результате одностороннего износа плохо очищает поверхность тела трубы. Кроме того, при прохождении через эластичную манжету муфты трубы, надрезанные в пяти местах «лепестки» отгибаются вверх и полностью не охватывают поверхность муфты особенно в месте надреза «лепестков» манжеты;
- длительность извлечения колонны труб из скважины. Это обусловлено наличием фасок на металлических кольцах, соприкасающихся с муфтами труб и создающих дополнительные сопротивление, поэтому при прохождении муфт труб через устройство необходимо замедлять скорость подъёма колонны НКТ или БТ, что затягивает время извлечения колонны труб из скважины.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для очистки насосных штанг (патент RU № 2052072, опубл. 10.01.1996), включающее корпус с центральным отверстием и со средствами его крепления на устье скважины, состоящий из двух частей с узлом их фиксации относительно друг друга, и расположенный в полости корпуса обтирающий элемент, в виде эластичных манжет с центральным отверстием, причём эластичные манжеты закреплены между верхним и нижним металлическими кольцами с помощью штифтов, при этом верхняя часть корпуса выполнена с прорезью, сопрягающейся с центральным отверстием, а узел фиксации частей корпуса выполнен в виде шпилек и упора на одной части корпуса и фигурной прорези под шпильки и защелки для взаимодействия с упором на другой части корпуса, причем эластичные манжеты выполнены с радиальными разрезами со смещением разрывов на 45° в смежных диафрагмах.
Недостатки устройства:
- сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;
- низкая надежность работы, обусловленная преждевременным неравномерным износом эластичной манжеты обтирающего элемента. Преждевременный неравномерный износ эластичной манжеты обусловлен односторонним износом манжеты вследствие отсутствия возможности самоцентрирования эластичной манжеты относительно колонны НКТ или бурильных труб (БТ) при радиальных колебаниях, возникающих в процессе подъёма колонны НКТ из скважины;
- низкое качество очистки поверхности как по телу, так и по муфте труб колонны НКТ (БТ) ввиду несовершенной конструкции эластичной манжеты, которая в результате одностороннего износа плохо очищает поверхность тела трубы. Кроме того, при прохождении через эластичную манжету муфты трубы, надрезанные в пяти местах «лепестки» отгибаются вверх и полностью не охватывают поверхность муфты особенно в месте надреза «лепестков» манжеты;
- длительность извлечения колонны труб из скважины. Это обусловлено наличием фасок на металлических кольцах, соприкасающихся с муфтами труб и создающих сопротивление при подъёме колонны труб из скважины, поэтому при прохождении муфт труб через устройство необходимо замедлять скорость подъёма колонны НКТ или БТ, что затягивает время извлечения колонны труб из скважины.
Техническими задачами изобретения являются упрощение конструкции, повышение надёжности работы устройства и качества очистки поверхности муфт колонны труб НКТ или БТ, поднимаемых их скважины, а также исключение потерь времени при прохождении муфт колонны труб через устройство.
Технические задачи решаются устьевым самоцентрирующимся обтиратором, содержащим корпус с центральным отверстием и с прорезью, сопрягающейся с центральным отверстием, также корпус оснащён отверстиями для крепления обтиратора на устье скважины, а внутри корпуса установлен обтирающий элемент, выполненный в виде эластичной манжеты, закреплённой между верхним и нижним металлическими кольцами с помощью штифтов, эластичная манжета оснащена с центральным отверстием и радиальными разрезами.
1
2
1
1
1
2
2
к
с
Новым является то, что корпус снизу оснащён внутренней цилиндрической выборкой, в которую с возможностью вращения относительно корпуса, а также  с возможностью ограниченного осевого и радиального перемещения относительно корпуса установлен обтирающий элемент, эластичная манжета обтирающего элемента, оснащённая центральным отверстием, выполнена двухступенчатой: сверху меньшим диаметром – d под тело колонны труб, а снизу большим диаметром – d под муфту трубы, причём верхняя ступень двухступенчатой эластичной манжеты диаметром – d оснащена радиальными разрезами, при этом верхняя ступень диаметром – d двухступенчатой эластичной манжеты имеет большую толщину – h, чем толщина hнижней ступени диаметром – d, причём в корпусе сверху и снизу под углом 180° по отношению друг к другу и со смещением 45° выполнены два ряда резьбовых отверстий под шпильки для крепления обтиратора сверху к спайдеру, а снизу к устьевому фланцу скважины, при этом внутренние диаметры – D верхнего и нижнего металлических колец больше или равны внутреннему проходному диаметру – D эксплуатационной колонны скважины.
На фиг. 1 схематично в продольном разрезе изображён устьевой самоцентрирующийся обтиратор.
На фиг. 2 изображён вид А устьевого самоцентрирующегося обтиратора.
Устьевой самоцентрирующийся обтиратор содержит корпус 1 (см. фиг. 1 и 2) с центральным отверстием 2 и с прорезью 3 (см. фиг. 2), сопрягающейся с центральным отверстием 2. Внутри корпуса 1 установлен обтирающий элемент 4 (см. фиг. 1), выполненный в виде эластичной манжеты 5 (см. фиг. 1 и 2), закреплённой между верхним 6 (см. фиг. 1) и нижним 7 металлическими кольцами с помощью штифтов 8.
Корпус 1 снизу оснащён внутренней цилиндрической выборкой 9, в которую с возможностью вращения относительно корпуса 1, а также с возможностью ограниченного осевого и радиального перемещения относительно корпуса 1 установлен обтирающий элемент 4.
1
2
Эластичная манжета 5 обтирающего 4 элемента, оснащенная центральным отверстием 10 (см. фиг. 1 и 2), выполнена двухступенчатой. Эластичная манжета 5 сверху выполнена с меньшим внутренним диаметром d под тело 11 (см. фиг. 1) наружной поверхности трубы 12 (см. фиг. 1 и 2), а снизу большим внутренним диаметром – d под муфту 13 (см. фиг. 1) трубы 12. Верхняя ступень двухступенчатой эластичной манжеты оснащена радиальными разрезами 14 (см. фиг. 2) в форме «лепестков».
1
2
В качестве колонны труб 12 используют колонну НКТ или БТ. Например, используют колонну НКТ диаметром 73 мм по ГОСТ 633-80. Согласно ГОСТ 633- 80 колонна НКТ диаметром 73 мм имеет диаметр по телу трубы 73 мм, а по муфте трубы диаметр 88,9 мм. Тогда для двухступенчатой эластичной манжеты 5 с припуском например: 1-2 мм на обтирание поверхности колонны труб, примем: d = 72,0 мм; d = 87,5 мм.
1
1
2
2
1
2
Эластичную манжету 5 изготавливают из сортов резины с повышенной прочностью и стойкостью к нефти и нефтепродуктам, что обеспечивает их долговечность и надежность в эксплуатации, например ГОСТ 7338-90 «Пластины резиновые и резинотканевые. Технические условия».  Верхняя ступень внутренним диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты имеет меньшую толщину – h, например 25 мм, чем толщина h нижней ступени внутренним диаметром – d, например 15 мм (h > h).
В корпусе сверху и снизу под углом 180° по отношению друг к другу и со смещением 45° выполнены два ряда резьбовых отверстий 15 (см. фиг. 2) и 16 (см. фиг. 1 и 2) под шпильки для крепления обтиратора к спайдеру (на фиг. 1 и 2 не показано) и к устьевом фланцу 17 (см. фиг. 1) эксплуатационной колонны 18 скважины.
к
э
э
к
э
к
Внутренние диаметры – D верхнего 6 и нижнего 7 металлических колец больше или равны внутреннему проходному диаметру – D эксплуатационной колонны 18 скважины. Например, D = 130 мм, тогда примем D = 130 мм (D = D).
к
Диаметр центрального отверстия 2 корпуса 1 равен диаметру D верхнего 6 и нижнего 7 металлических колец, т.е. 130 мм.
Устройство работает следующим образом.
Корпус 1 с помощью ряда резьбовых отверстий 15 (см. фиг. 2) крепят к основанию «спайдера» с помощью двух болтов (на фиг. 1 и 2 не показано). Далее устанавливают обтирающий элемент 4 на устьевой фланец 17 эксплуатационной колонны 18 скважины. Затем устанавливают корпус 1, закрепленный к «спайдеру», поверх устьевого фланца 17 и обтирающего элемента 4 так, чтобы обтирающий элемент 4 вошёл во внутреннюю цилиндрическую выборку 9 корпуса 1. Вворачивают два болта 19 в ряд резьбовых отверстий 16 корпуса 1. Таким образом крепят устьевой самоцентрирующийся обтиратор на устье скважины между «спайдером» и устьевым фланцем 17 эксплуатационной колонны 18 скважины.
Упрощается конструкция устройства, которое имеет несложные в изготовлении детали.
Далее начинают подъём колонны труб 12 из скважины.
В процессе работы устройства при прохождении колонны труб через эластичную манжету 5 за счет возможности вращения обтирающего элемента 4 вокруг своей оси и возможности его ограниченного осевого перемещения на величину - а и радиального перемещения в пределах внутренней цилиндрической выборки 9 корпуса 1 на величину - b выполняется самоцентрирование обтирающего элемента 4 относительно центральной оси колонны труб 12.
Например, величина смещения обтирающего элемента 4 относительно корпуса 1 в пределах внутренней цилиндрической выборки 9 составляет:
- в осевом направлении: а = 10 мм;
- в радиальном направлении (от одной стороны до другой): 2·b, т.е. при b = 15мм: 2·15 мм = 30 мм.
В результате самоцентрирования обтирающего элемента 4 относительно центральной оси колонны труб 12 происходит полный охват эластичной манжетой как по телу 11, так и по муфте 13 колонны труб 12. Таким образом самоцентрирование исключает односторонний износ эластичной манжеты при радиальных колебаниях поднимаемой из скважины колонны труб, что позволяет продлить срок службы эластичной манжеты 5 обтирающего элемента 4, и следовательно повысить надежность работы устройства.
В процессе подъёма колонны труб 12 из скважины происходит обтирание наружной части тела 11 и муфты 13 колонны труб 12 с помощью двухступенчатой манжеты 5.
1
1
При прохождении тела 11 трубы 12 через устройство работает верхняя ступень диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5, при этом в процессе подъема колонны труб 12 из скважины  сам обтирающий элемент 4, как описано выше смещается в осевом и радиальном направлении, а также вращается благодаря чему обеспечивается плотный охват по всей площади тела 11 трубы 12 верхней ступенью диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5. В результате происходит качественная очистка тела 11 трубы 12.
2
1
При дохождении муфты 13 трубы 12 до устройства в работу вступает нижняя ступень диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5, при этом верхняя ступень диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5 благодаря радиальным разрезам 14 в форме «лепестков» отгибается вверх и не препятствует прохождению муфты 13 трубы 12 через устройство.
2
Отсутствие разрезов 14 в форме «лепестков» в конструкции нижней ступени двухступенчатой эластичной манжеты 5 позволяет нижней ступени диаметром d плотно охватить муфту 13 трубы 12 по всей площади контакта, что несомненно позволяет повысить качество очистки поверхности муфты 13 трубы 12 при её прохождении через устройство.
1
После прохождения муфты 13 трубы 12 через устройство первая ступень диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5, выполненная с радиальным разрезам 14 в форме «лепестков» возвращается вниз и занимает положение показанное на фигуре 1.
1
Далее в работу вновь вступает, как описано, выше верхняя ступень диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты 5 и процесс работы устройства повторяется.
1
1
2
2
1
2
Площадь очистки поверхности тела 11 трубы 12 кратно больше площади очистки поверхности муфты 13 трубы 2, поэтому верхняя ступень внутренним диаметром d двухступенчатой эластичной манжеты имеет большую толщину – h, чем толщина h нижней ступени внутренним диаметром – d, (h > h). Это выравнивает износ двухступенчатой манжеты на обеих ступенях и продляет срок службы двухступенчатой эластичной манжеты.
Таким образом усовершенствованная конструкция эластичной манжеты позволяет повысить качество очистки поверхности колонны труб НКТ или БТ как по телу, так и по муфте труб.
к
э
э
к
к
Конструктивно внутренние диаметры – D верхнего 6 и нижнего 7 металлических колец больше или равны внутреннему проходному диаметру – D эксплуатационной колонны (D = D), а диаметр центрального отверстия 2 корпуса 1 равен диаметру D верхнего 6 и нижнего 7 металлических колец, как описано выше 130 мм. Благодаря этому внутренний диаметр устройства больше или равен внутреннему диаметру эксплуатационной колонны, что исключает как необходимость выполнения внутренних фасок на металлических кольцах, так и исключает соприкосновение металлических колец устройства с муфтами труб, что в свою очередь исключает сопротивление подъёму колонны труб и не замедляет скорость подъёма колонны НКТ или БТ из скважины. В результате сокращаются потери времени на очистку поверхности колонны труб при подъёме её из скважины.
Упрощается конструкция устройства, которое имеет несложные в изготовлении детали.
Устройство позволяет:
- упростить конструкцию устройства;
- повысить надежность работы;
- повысить качество очистки поверхности тела и муфт колонны труб;
- сократить потери времени на очистку поверхности колонны труб при подъёме её из скважины.