ГЕРМЕТИЗАТОР ВЕДУЩЕЙ ТРУБЫ НА УСТЬЕ СКВАЖИНЫ С ВОСПРИЯТИЕМ РЕАКТИВНОГО МОМЕНТА ОТ ВРАЩЕНИЯ ТУРБОБУРА
KELLY SEALANT ON WELLHEAD WITH PERCEPTION OF REACTIVE TORQUE FROM TURBODRILL ROTATION

Изобретение относится к оборудованию для герметизации устья скважины при бурении турбинным способом.
Известно устройство герметизации устья скважины (патент РФ №2272123, МПК Е21В 33/03, опубл. 20.03.2006), содержащее:
- корпус с центральным сквозным каналом конической формы для пропуска труб, содержащий верхний и нижний фланцы,
- вставной герметизатор, состоящий из двух половин с диаметральным разъемом и содержащий верхний и нижний диски, соединенные посредством винтового соединения с поджимной гайкой, между которыми расположен уплотнительный элемент, имеющий сквозное продольное отверстие,
- узел фиксации вставного герметизатора в корпусе, выполненный в виде подвижных цилиндров с винтовым приводом, размещенных в радиальных отверстиях верхнего фланца корпуса.
Недостатком известного устройства являются ограниченные эксплуатационные возможности, не позволяющие использовать его при проведении бурильных работ с применением турбобура. Это обусловлено тем, что турбинный способ бурения предполагает использование ведущей трубы квадратного сечения, удерживаемой ротором для восприятия через колонну бурильных труб реактивного момента от турбобура, а известное устройство, предназначенное лишь для герметизации труб цилиндрического сечения с кабелем, не обеспечивает ни удержания ведущей трубы от вращения, ни герметизации ее квадратного сечения на устье скважины.
Известен герметизатор устья скважины и вставка для восприятия реактивного момента ведущей трубы и передачи его на основание устья скважины с одновременной герметизацией устья скважины (ПМ РФ №68053, МПК Е21В 33/03, опубл. 10.11.2007), содержащий:
- корпус герметизатора, с верхним основанием и нижним фланцем, в котором выполнен сквозной осевой канал для пропуска труб, при этом средний участок сквозного осевого канала имеет форму круглого усеченного конуса, расширяющегося вверх,
- вставку, содержащую полый корпус, нижняя часть которого взаимодействует с коническим участком сквозного осевого канала корпуса герметизатора, а верхняя часть расположена над верхним основанием и снабжена прижимной гайкой, причем в цилиндрической расточке полости верхней части корпуса вставки выполнен уступ,
- при этом нижняя часть корпуса вставки снаружи имеет форму круглого усеченного конуса, расширяющегося вверх, и снабжена кольцевым эластичным уплотнением,
- а в полости верхней части корпуса вставки на уступе установлен герметизирующий блок, состоящий из двух половин с диаметральным разъемом и включающий соединенные посредством стяжек с гайками цилиндрические опору и прижим, взаимодействующий с прижимной гайкой,
- между опорой и прижимом расположена уплотнительная манжета, выполненная в форме цилиндра, при этом в прижиме, опоре и уплотнительной манжете выполнено осевое квадратное отверстие,
- узел фиксации герметизирующего блока от проворота в корпусе вставки выполнен в виде выступов, расположенных на нижнем торце опоры и взаимодействующих с ответными пазами, выполненными в уступе в полости верхней части корпуса вставки,
- узел фиксации вставки в корпусе герметизатора выполнен в виде подвижных ползунов с ручными винтовыми приводами, размещенных в радиальных отверстиях верхнего основания и взаимодействующих с кольцевой канавкой, выполненной на наружной поверхности верхней части корпуса вставки.
Недостатком известного устройства является трудоемкость и травмоопасность его установки и подготовки к эксплуатации, предполагающей выполнение следующих операций:
- перед началом бурильных работ и в процессе их проведения после каждого цикла бурения необходим демонтаж вставки из сквозного осевого канала корпуса герметизатора для установки слайдера с подвешенной на нем бурильной трубой, с которой должна свинчиваться ведущая труба, что обусловлено расположением корпуса вставки над верхним основанием;
- разборку вставки перед началом работы для установки ее на ведущую трубу;
- установку корпуса вставки нижней частью в конический участок сквозного осевого канала корпуса герметизатора;
- предварительное навинчивание прижимной гайки на верхнюю часть корпуса вставки;
- ввод подвешенной на крюкоблоке ведущей трубы вначале в проходное отверстие прижимной гайки, а затем корпуса вставки;
- свинчивание прижимной гайки с верхней части корпуса вставки, подъем и удерживание прижимной гайки в поднятом положении;
- сборку и установку вокруг ведущей трубы половин герметизирующего блока, включающих опору, уплотнительную манжету, прижим и соединяющие их стяжки с гайками;
- установку половин герметизирующего блока в полость верхней части корпуса вставки с совмещением выступов опоры с ответными пазами уступа;
- окончательное свинчивание прижимной гайки с верхней частью корпуса вставки до взаимодействия с прижимом.
Операция ввода подвешенной на крюкоблоке ведущей трубы в проходное отверстие корпуса вставки с прижимной гайкой ввиду незначительной разницы диаметра ее отверстия с диаметром нижнего переводника ведущей трубы требует ручного удерживания и центрирования ведущей трубы для соблюдения соосности ее продольной оси с центром проходного отверстия корпуса вставки, что трудоемко и небезопасно для обслуживающего персонала при раскачивании ведущей трубы с вертлюгом и крюкоблоком от ветровой нагрузки, вследствие чего повышается травмоопасность эксплуатации известного герметизатора. Кроме того, выполнение комплекса перечисленных операций требует значительных затрат времени, а выполнение такой операции, как удерживание корпуса вставки и прижимной гайки на ведущей трубе с одновременной установкой половин герметизирующего блока в полость верхней части корпуса вставки с совмещением выступов опоры с ответными пазами уступа и последующее навинчивание прижимной гайки требует привлечения дополнительного персонала.
Другим недостатком известного герметизатора является неоперативность его перенастройки для проведения следующего цикла бурильных работ. Это обусловлено тем, что для проведения следующего цикла герметизации вставку необходимо переместить по ведущей трубе в исходное положение над нижним переводником, а выполнить это оперативно вручную невозможно, так как уплотнительная манжета на ведущей трубе зажата стяжками между опорой и прижимом. Поэтому для перемещения вставки известного устройства по ведущей трубе необходимо вначале ослабить стяжку уплотнительной манжеты герметизирующего блока до появления зазора между герметизируемыми поверхностями. Но поскольку квадратные поверхности ведущей трубы не могут быть гладкими, т.к. на них неизбежно присутствуют задиры и царапины с большой высотой вершин шероховатости от взаимодействия с плашками ключа или ротора, рабочие поверхности уплотнительной манжеты, даже при наличии зазора, неминуемо будут подвергаться износу от воздействия задиров и царапин ведущей трубы при перемещении вставки по ведущей трубе, что приведет к ускоренному износу уплотнительной манжеты, ее неработоспособности и необходимости замены. Для полного исключения износа рабочих поверхностей уплотнительной манжеты при перемещении по ведущей трубе вставку необходимо разобрать для извлечения герметизирующего блока, но это значительно увеличит время простоя процесса бурения, что, в свою очередь, может привести к аварии, т.к. неподвижную бурильную колонну, подвешенную на клиньях слайдера, может прихватить в скважине во время простоя с целью осуществления этих операций.
К недостаткам известного герметизатора также следует отнести низкую надежность выполнения эксплуатационных функций из-за того, что передача крутящего момента с корпуса вставки на корпус герметизатора осуществляется только за счет сил трения. Это обусловлено конструкцией герметизатора, в которой канавка для захода ползунов в корпусе вставки выполнена кольцевой, вследствие чего усилие фиксации корпуса вставки от вращения относительно корпуса герметизатора будет определяться лишь силой трения, возникающей при взаимодействии поверхностей ползунов и кольцевой канавки, чего может быть недостаточно для надежной фиксации от проворота корпуса вставки в корпусе герметизатора.
Кроме того, известный герметизатор обладает ограниченными эксплуатационными возможностями ввиду того, что на верхнее основание корпуса герметизатора невозможно установить дополнительное герметизирующее оборудование, поскольку верхнее основание выполнено сплошным, не имеет отверстий под шпильки и канавки под уплотнительное кольцо, а также вследствие того, что верхняя часть корпуса вставки расположена над поверхностью верхнего основания корпуса герметизатора и ее наружные габариты как по диаметру, так и по высоте могут не позволить установить какое-либо дополнительное герметизирующее оборудование, имеющее диаметр проходного отверстия меньше наружного диаметра верхней части корпуса вставки. Невозможность установки такого дополнительного герметизирующего оборудования при начавшемся нефтегазопроявлении ввиду негерметичности устья может привести к открытому фонтану, ликвидация которого потребует значительных затрат.
Совокупность перечисленных обстоятельств снижает удобство, надежность и безопасность, повышает трудоемкость и временные затраты при эксплуатации, а также ограничивает эксплуатационные возможности известного герметизатора устья скважины.
Задачей изобретения является создание технического решения герметизатора ведущей трубы на устье скважины, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности, безопасности и удобства эксплуатации, расширение эксплуатационных возможностей, а также снижение трудоемкости и временных затрат при использовании герметизатора устья скважины.
Для обеспечения этого результата известный герметизатор ведущей трубы на устье скважины с восприятием реактивного момента от вращения турбобура, содержащий:
- корпус, с верхним основанием и нижним фланцем, в котором выполнен сквозной осевой канал для пропуска труб, нижний участок которого под верхним основанием имеет форму круглого усеченного конуса, расширяющегося вверх,
- установленную в сквозном осевом канале корпуса вставку в виде герметизирующего блока, состоящего из двух половин с диаметральным разъемом и содержащего прижим, опору и расположенную между ними уплотнительную манжету, соединенные посредством шпилек с гайками,
- причем в прижиме, опоре и уплотнительной манжете выполнено центральное квадратное отверстие, а наружная поверхность манжеты выполнена конусной и взаимодействует с конусной поверхностью сквозного осевого канала корпуса,
- узел фиксации вставки в корпусе, выполненный в виде подвижных ползунов с винтовым приводом, размещенных в радиальных отверстиях верхнего основания и взаимодействующих со вставкой без возможности ее осевого перемещения,
- узел фиксации вставки от проворота в корпусе.
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- верхнее основание корпуса выполнено в виде фланца с отверстиями под шпильки и с кольцевой канавкой под уплотнительное кольцо,
- диаметрально разъемные половины вставки шарнирно связаны между собой, а в сомкнутом состоянии соединены защелкой,
- верхняя часть вставки в виде прижима расположена ниже верхней поверхности основания и взаимодействует с ползунами конусной поверхностью, выполненной на верхнем торце прижима,
- при этом взаимодействующий с прижимом торец ползунов имеет форму ответной конусной поверхности,
- а узел фиксации вставки от проворота в корпусе выполнен в виде двух диаметрально противоположных опорных выступов, расположенных на конусной поверхности прижима и взаимодействующих с ползунами.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг. 1 изображен заявляемый герметизатор в рабочем положении;
- на фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
- на фиг. 3 - вид сверху на разомкнутую вставку, демонтированную с ведущей трубы;
- на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1;
- на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 1.
Заявляемый герметизатор содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором выполнен сквозной осевой канал 2, нижний участок 3 которого имеет форму круглого усеченного конуса, расширяющегося вверх, верхнее основание 4, нижний фланец 5 для присоединения к устью скважины, вставку 6, узел фиксации 7 вставки 6 в корпусе 1, выполненный в виде ползунов 8 с конусной поверхностью 9 и винтовых приводов 10 с рукоятками управления 11, размещенных в радиальных отверстиях 12 верхнего основания 4, и узел фиксации 13 вставки 6 от проворота в корпусе 1. Верхнее основание 4 (фиг. 2) для установки дополнительного герметизирующего оборудования выполнено в виде фланца с отверстиями 14 под шпильки (не показаны) и с кольцевой канавкой 15 под уплотнительное кольцо (не показано).
Вставка 6 (фиг. 1) включает герметизирующий блок, состоящий из прижима 16 с конусной поверхностью 17, опоры 18 и расположенной между прижимом 16 и опорой 18 уплотнительной манжеты 19 с конусной поверхностью 20, и выполненный из двух половин с линиями разъемов 21, 22, 23. Линия разъема 22 манжеты 19 для повышения герметичности выполнена в виде выступов и ответных впадин. Прижим 16 расположен ниже верхней поверхности основания 4 и взаимодействует с ползунами 8.
Узел фиксации 13 вставки 6 от проворота в корпусе 1 выполнен в виде двух диаметрально противоположных опорных выступов 24, расположенных на конусной поверхности 17 прижима 16, взаимодействующих с ползунами 8.
Соединение прижима 16, уплотнительной манжеты 19 и опоры 18 осуществляется шпильками 25 и гайками 26. При этом (фиг. 2) в прижиме 16, манжете 19 и опоре 18 выполнено центральное квадратное отверстие 27. Разъемные половины прижима 16, а следовательно, уплотнительной манжеты 19 и опоры 18, шарнирно соединены между собой посредством осей 28. Для фиксации разъемных половин вставки 6 в сомкнутом состоянии на ведущей трубе 29 прижим 16 снабжен защелкой 30 (фиг. 3).
Ползуны 8 в передней части, взаимодействующей с прижимом 16, имеют в сечении прямоугольную форму 31 (фиг. 4), а в задней части - цилиндрическую форму 32 (фиг. 5). Соответственно отверстия 33, фиксирующие ползуны 8 от проворота, имеют ответную прямоугольную форму 34 в передней части и цилиндрическую форму 35 в задней части.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Корпус 1 герметизатора (фиг. 1) монтируют и закрепляют на устьевом фланце (не показан), после чего в сквозной осевой канал 2 спускают ведущую трубу 29 с присоединенной к ней компоновкой бурильной колонны, включающей бурильные трубы, турбобур и породоразрушающий инструмент (не показаны).
При необходимости герметизации устья предварительно производят монтаж вставки 6 на ведущей трубе 29, для чего отжимают защелку 30, разъемные половины вставки 6 разводят (фиг. 3) и сводят вокруг ведущей трубы 29 до срабатывания защелки 30 для закрепления вставки 6 на ведущей трубе 29 (фиг. 2).
По сравнению с прототипом эта операция у заявляемого герметизатора менее трудоемка, поскольку для установки необходимо только охватить ведущую трубу 29 разъемными половинами вставки 6 и зафиксировать защелку 30, более безопасна, поскольку монтаж вставки 6 на ведущей трубе 29 не требует ручного удерживания и центрирования ведущей трубы 29 для соблюдения соосности ее продольной оси с центром квадратного отверстия 27 вставки 6 и менее продолжительна, что снижает время простоя процесса бурения.
После этого смонтированную на ведущей трубе 29 вставку 6 (фиг. 1) путем спуска ведущей трубы 29 устанавливают в сквозной осевой канал 2 до контакта уплотнительной манжеты 19 с конусным участком 3 сквозного осевого канала 2 и закрепляют в корпусе 1 вращением рукояток 11. При установке вставки 6 визуально контролируют расположение опорных выступов 24 относительно ползунов 8, обеспечивая проворот опорных выступов 24 относительно направления перемещения ползунов 8 с целью гарантированного контакта конусных поверхностей 9 ползунов 8 с конусными поверхностями 17 прижима 16. При закреплении вставки 6 в корпусе 1 винтовые приводы 10 перемещают ползуны 8, которые, взаимодействуя конусными поверхностями 9 с конусными поверхностями 17 прижима 16, перемещают вставку 6 вниз, утапливая уплотнительную манжету 19 в конусном участке 3 сквозного осевого канала 2 с одновременным обжатием уплотнительной манжетой 19 наружной квадратной поверхности ведущей трубы 29, обеспечивая надежную герметизацию устья скважины. При этом фиксация ползунов 8 от проворота в отверстиях 33 (фиг. 4 и 5) обеспечивается прямоугольной формой 31 сечения ползунов 8 и аналогичной формой 34 сечения отверстий 33.
Комплекс операций необходимых для установки и подготовки к эксплуатации заявляемого герметизатора менее трудоемок и требует существенно меньших затрат времени по сравнению с прототипом, поскольку исключается выполнение нескольких операций и не требуется привлечения усилий дополнительного персонала, чем также обеспечивается удобство эксплуатации заявляемого герметизатора.
После установки вставки 6 в корпус 1 начинают процесс бурения скважины с подачей под давлением бурового раствора. Ведущая труба 29 перемещается вдоль уплотнительной манжеты 19 вставки 6, реактивный момент от турбобура передается на прижим 16 вставки 6 и, далее, с опорных выступов 24 на ползуны 8 и корпус 1 герметизатора. Передача крутящего момента с опорных выступов 24 на ползуны 8 посредством упора повышает надежность фиксации вставки 6 от проворота.
При возникновении пропусков в процессе бурения, в случае износа рабочей поверхности уплотнительной манжеты 19, вращением гаек 26 на шпильках 25 обеспечивается более плотный обжим герметизирующего материала манжеты 19 вокруг поверхности ведущей трубы 29.
После проведения цикла бурения с целью последующего наращивания бурильной колонны, проведения спускоподъемных операций и перемещения вставки 6 по ведущей трубе 29 в исходное положение над нижним переводником, что необходимо для проведения следующего цикла герметизации, сбрасывают давление, вращением рукояток 11 разводят ползуны 8, вставку 6 подъемом ведущей трубы 29 извлекают из осевого канала 2 и снимают с ведущей трубы 29 посредством открытия защелки 30 (фиг. 3).
По сравнению с прототипом эта операция у заявляемого герметизатора менее трудоемка, поскольку для снятия вставки 6 с ведущей трубы 29 необходимо только расфиксировать защелку 30, развести и снять с ведущей трубы 29 разъемные половины вставки 6, при этом необходимость в разборке вставки 6 отсутствует. Кроме того, эта операция более безопасна по сравнению с прототипом, поскольку снятие вставки 6 с ведущей трубы 29 не требует ручного удерживания ведущей трубы 29, и менее продолжительна, что снижает время простоя процесса бурения и вероятность прихвата в скважине неподвижной бурильной трубы, подвешенной на клиньях слайдера, чем предотвращается возникновение аварийной ситуации.
Благодаря демонтажу вставки 6 с ведущей трубы 29 исключается абразивное воздействие наружной квадратной поверхности ведущей трубы 29 на квадратное отверстие 27 уплотнительной манжеты 19 и ее абразивный износ.
Благодаря тому, что верхнее основание 4 корпуса 1 выполнено в виде фланца с отверстиями 14 под шпильки и с кольцевой канавкой 15 под уплотнительное кольцо (фиг. 2), а прижим 16 расположен ниже верхней поверхности основания 4 (фиг. 1), обеспечивается при необходимости возможность установки дополнительного герметизирующего оборудования, что повышает безопасность применения заявляемого герметизатора и расширяет его эксплуатационные возможности.
Таким образом, использование заявляемого устройства обеспечивает удобство эксплуатации, повышение надежности, безопасности работы, снижение трудоемкости и временных затрат при использовании, а также расширение эксплуатационных возможностей по сравнению с аналогом и прототипом.