ТРУБНАЯ ГОЛОВКА
CASING HEAD

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в качестве устьевого оборудования при эксплуатации нефтяных и газовых скважин для герметизации устья скважины, подвески колонны лифтовых труб, контроля и регулирования режима работы скважины, перекрытия и направления добываемой продукции в манифольд, а также проведения различных технологических операций.
Известны трубные головки, включающие шаровые запорные клапаны, включающие шаровой запорный орган и уплотнительные кольца (патент РФ №2170328, 2230177, Е21В 33/03). Их недостатком является низкая эксплуатационная надежность, заключающаяся в высокой вероятности заклинивания запорного органа при длительной работе в открытом положении.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является трубная головка, включающая цилиндрический корпус с верхним и нижним присоединительными фланцами, с двумя верхними и двумя нижними боковыми отводами, имеющими присоединительные фланцы для установки задвижек, установленный в осевом канале корпуса трубодержатель, узел крепления и герметизации трубодержателя в осевом канале корпуса, размещенный в осевом канале корпуса над трубодержателем шаровой запорный орган со сквозным осевым и глухим боковым каналами, оси которых взаимно перпендикулярны, а также с верхним и нижним седлами с уплотнениями, находящимися на сферической рабочей поверхности седел, узел управления шаровым запорным органом в виде связанного с ним вала, ось которого перпендикулярна осям сквозного и глухого бокового каналов и проходит через точку их пересечения, размещенный на цилиндрическом корпусе переходный фланец (Патент РФ №2182218, Е21В 33/03. Трубная головка).
Недостатками данной установки являются малая надежность и низкие эргономические показатели. Это обусловлено тем, что после длительного пребывания шарового запорного органа в открытом положении происходит отложение солей между поверхностью шара и уплотнениями. В результате при закрытии шарового запорного органа возникают повышенные силы трения, приводящие в ряде случаев к деформации или же поломке деталей. При этом увеличивается время закрывания, приходится прикладывать значительные усилия, а кроме того, повышается опасность возникновения аварийной ситуации на скважине.
Задачей изобретения является повышение надежности фонтанной арматуры за счет повышения герметичности ее запорных органов, исключения заклинивания запорного органа и уменьшения усилия управления после длительного простоя. Таким образом улучшаются показатели надежности и эргономики устройства.
Указанная цель достигается за счет того, что в трубной головке, включающей цилиндрический корпус с верхним и нижним присоединительными фланцами, с двумя верхними и двумя нижними боковыми отводами, имеющими присоединительные фланцы для установки задвижек, установлен в осевом канале корпуса трубодержатель с узлом крепления и герметизации. Над трубодержателем в осевом канале корпуса размещен шаровой запорный орган со сквозным осевым и глухим боковым каналами, оси которых взаимно перпендикулярны. Имеются верхние и нижние седла с уплотнениями, находящимися на сферической рабочей поверхности седел. Узел управления шаровым запорным органом выполнен в виде связанного с ним вала, ось которого перпендикулярна осям сквозного и глухого бокового каналов и проходит через точку их пересечения, на цилиндрическом корпусе размещен переходный фланец. На сферических рабочих поверхностях верхнего и нижнего седел выполнены кольцевые канавки, внутренний диаметр которых превышает наружный диаметр уплотнений седел, выполненных в виде уплотнительных колец и установленных соответственно над и под указанными кольцевыми канавками. На наружной цилиндрической поверхности верхнего седла выполнена канавка, с одной стороны связанная с выполненным в цилиндрическом корпусе трубной головки каналом для подачи смазки. С другой стороны она связана с кольцевой канавкой, расположенной на сферической поверхности седла посредством радиальных каналов, выполненных в седле. При этом шаровой запорный орган выполнен с каналами, расположенными вдоль оси сквозного осевого канала. Отверстия упомянутых каналов при открытом положении шарового запорного органа совпадают с кольцевыми канавками на рабочих сферических поверхностях седел, а один из этих каналов соединен с выполненным в шаровом запорном органе дополнительным каналом, ось которого перпендикулярна оси сквозного осевого канала. Вал узла управления шаровым запорным органом выполнен в виде двух соосных валов, торцы которых имеют канавки, а между торцами валов размещен диск с выполненными на его торцевых поверхностях взаимно перпендикулярными выступами для взаимодействия с канавками валов. Валы и диск выполнены с осевыми каналами для сообщения с дополнительным каналом шарового запорного органа.
Указанная совокупность признаков заявляемого изобретения дает возможность исключить проникание отложений солей и парафинов в зазоры между поверхностью шарового элемента и седел, несущих уплотнительные элементы, а так же уменьшить усилия страгивания при открытии задвижки, что повышает надежность трубной головки.
На фиг.1 представлен общий вид трубной головки, на фиг.2 - поперечное сечение трубной головки.
Трубная головка (фиг.1) представляет собой корпус 1, на боковой поверхности которого расположены два верхних 2, 3 и два нижних 4, 5 боковых отвода, соединенных с ним посредством фланцевых соединений. Внутри корпуса имеется центральный канал, который посредством фланцевого соединения соединен с верхним отводом 6. Все отводы снабжены задвижками.
В корпусе 1 (фиг.2) расположен шаровой запорный орган 7, который располагается между верхним 8 и нижним 9 седлами, сферические рабочие поверхности которого снабжены уплотнениями 10, 11. Нижнее седло 9 прижимается к шаровому запорному органу 7 набором пружин 12, расположенных в отверстиях кольца 13. Над верхним седлом расположена гайка 14, крепящая весь пакет деталей. Нижний торец гайки 14 взаимодействует с верхним торцом верхнего седла 8. Гайка 14 и седло 8 выполнены в виде двух отдельных деталей, что позволяет обеспечить точную центровку седла 8 относительно шарового запорного органа 7 с одной стороны, а с другой - позволяет выполнять точную регулировку его положения подбором толщины пакета регулировочных шайб (не показаны) и вращением гайки 14.
Шаровой запорный орган 7 имеет сквозной осевой канал 15 и один боковой канал 16, ось которого перпендикулярна сквозному осевому каналу. При повороте шарового клапана в различные положения он перекрывает или сквозной канал, или каналы боковых отводов 2 и 3. Кроме того, шаровой запорный орган снабжен каналами 17, 18, расположенными вдоль оси сквозного отверстия, а один из каналов 18 соединен с дополнительным отверстием 19, ось которого перпендикулярна оси центрального отверстия 15.
На сферических поверхностях верхнего 8 и нижнего 9 седла выполнены кольцевые канавки 20, 21, внутренний диаметр которых меньше наружного диаметра уплотнительных колец 10 и 11 соответственно. Верхнее седло снабжено канавкой 22, находящейся на наружной цилиндрической поверхности, соединенной радиальными каналами 23 с канавкой, расположенной на сферической поверхности. Каналы отверстий 17, 18 при открытом положении шара совпадают с канавками 20, 21 на рабочих поверхностях седел.
Для управления шаровым запорным органом служит узел управления 24, состоящий из двух валов - ведомого 25 и ведущего 26 и диска 27, расположенного между их торцами и снабженного двумя взаимно перпендикулярными выступами, расположенными в ответных торцевых канавках валов. Для восприятия осевых усилий служит упорный подшипник 28, расположенный в крышке 29. Все детали узла управления имеют центральное отверстие 30, которое соединено с дополнительным отверстием 19 шарового запорного органа 7. В корпусе установлен разгрузочный клапан 31, который соединяет полость под шаровым запорным органом с полостью, расположенной между верхним 8 и нижним 9 седлом.
Ниже шарового запорного органа в корпусе расположен трубодержатель 32, наружная поверхность которого снабжена уплотнением 33. Зазор между корпусом 1 и трубодержателем 32 сообщается с нижними боковыми отводами 3, 5. В нижней части трубодержателя имеется резьба для подвески колонны лифтовых труб.
Для подачи смазки к седлам и уплотнению трубодержателя имеются штуцера 34.
Арматура работает следующим образом.
После обвязки устья трубную головку устанавливают на колонную головку. При этом трубодержатель 32 и верхний отвод 6 не устанавливают. Далее через сквозной осевой канал в корпусе 1 выполняют спуск лифтовой колонны и к ее верхней трубе прикрепляют трубодержатель 32, снабженный уплотнениями 33. Трубодержатель с помощью монтажного патрубка опускается в корпус трубной головки вниз до упора, после чего его в верхней части фиксируют стопорными винтами (не показаны). После извлечения монтажного патрубка на верхнем фланце корпуса устанавливается верхний отвод. После монтажа кольцевое пространство между колонной лифтовых труб и эксплуатационной колонной сообщается с двумя нижними боковыми отводами 4, 5, а внутренняя полость лифтовых труб сообщается через шаровой запорный орган с верхним отводом 6 и боковыми верхними отводами 2 и 3.
При необходимости изменить направление потока пластовой жидкости, поступающей по колонне лифтовых труб, шаровой запорный орган 7 поворачивают таким образом, чтобы боковой канал 16 обеспечил соединение с соответствующим верхним боковым отводом (2 или 3).
Перед поворотом шарового запорного органа 7 в штуцер 34 подается смазка, которая, проникая по каналу в корпусе 1, попадает в канавку 22 и распространяется по ней, далее проникая по радиальным каналам 23 в кольцевую канавку 20 верхнего седла 8. Из кольцевой канавки 20 смазка проникает в зазор между верхним седлом 8 и шаровым запорным органом 7. При этом практически вся контактная поверхность смазывается, а сам шаровой запорный орган смещается под действием давления смазки вниз, увеличивая зазор между этими деталями.
Одновременно из кольцевой канавки 20 масло проникает по каналам 17 и 18 в кольцевую канавку 21 нижнего седла 9. Вытесняясь из нее избыточным давлением, под которым подается масло, оно вытесняется в зазор между шаровым запорным органом 7 и нижним седлом 9. В результате, как и в верхней части, происходит смазывание контактирующих поверхностей, при этом зазор между ними увеличивается за счет скользящей посадки нижнего седла, подпружиненного в нижней части.
Поворот шарового запорного органа осуществляется с помощью узла управления 24. При вращении ведущего вала 26 крутящий момент передается диском 27 ведомому валу 25, квадратный хвостовик которого расположен в прорези шарового запорного органа 7. При этом его вертикальное смещение под действием давления масла, а также неточности изготовления или преодоления неровностей, обусловленных отложением солей, компенсируются диском 27, играющим роль компенсационной муфты.
Поскольку наиболее опасной ситуацией является случай, когда после длительной, порядка года, работы трубной головки происходит заклинивание шарового запорного органа, то описанный порядок работы трубной головки является наиболее часто встречающимся.
Второй вариант подготовки устройства к повороту шарового запорного органа 7 может быть обеспечен при подаче масла через штуцер 34, установленный в торце ведущего вала 26. В этом случае масло направляется по осевому каналу в ведущем вале 26, канале диска 27 и по осевому каналу в ведомом вале 25 проникает в дополнительное отверстие 29. Из него масло, протекая вверх и вниз, попадает в кольцевые канавки 20 и 21, производя смазочный эффект, описанный выше.
Перед открытием клапана, находящегося в закрытом положении, для уменьшения усилия трения, обусловленного действием давления на нижнюю часть шарового запорного органа 7, служит разгрузочный клапан 31. Он должен быть открыт, в результате чего давление, действующее под шаровым запорным органом в полости лифтовой колонны, распространяется на боковую поверхность шара.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет существенно повысить надежность устройства по сравнению с известными изобретениями.
Источники информации
1. Патенты РФ №2170328, 2230177, Е21В 33/03 (аналоги).
2. Патент РФ №2182218, Е21В 33/03. Трубная головка (прототип).