устьевая герметизирующая головка

Формула изобретения

Устьевая герметизирующая головка, включающая корпус, закрепленный на верхней и нижней кольцевых втулках, размещенных в корпусе, эластичный герметизирующий элемент, образующий с последним гидравлическую рабочую камеру, отличающаяся тем, что она снабжена кольцевым поршнем, закрепленным на верхней втулке и размещенным в верхней части корпуса для образования гидравлической камеры возврата эластичного герметизирующего элемента в исходное состояние, при этом втулки установлены в корпусе с возможностью вращения, а на внутренней поверхности эластичного герметизирующего элемента выполнены лабиринтные канавки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, устьевому оборудованию для проведения капитального ремонта скважин без глушения.

Известны устройства по а. с. 825855, Е 21 В 33/06, 1981 и по заявке N 4206929, в которых описаны герметизирующие головки (универсальные превенторы), содержащие корпус, герметизатор и систему управления герметизатора.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является разработка СевКавНИИгаза "Герметизатор пневматический УПГ-114х11" (см. журнал "Газовая промышленность", N 7, 1987, с. 4 центральной вкладки), содержащий корпус, уплотнительный элемент с привулканизированными металлическими опорами. Устройство осуществляет герметизацию устья скважины при спуско-подъемных операциях в процессе капитального ремонта газовых и газоконденсатных скважин.

Основным недостатком известного устройства является недолговечность уплотнительного элемента в результате износа уплотнительного элемента, возникающего в результате повышенного контактного давления между спускаемой трубой и уплотнительным элементом при создании давления в полости последнего и его раздувании с образованием формы.

Такой герметизатор предназначен для узкого диапазона диаметров спускаемых труб, так как при прохождении через него труб (и особенно муфт) большого диаметра, контакт между трубой и герметизирующим элементом происходит по значительной площади поверхности последнего, что вызывает его повышенное напряженное состояние и снижает срок его службы. Кроме того, при вращении или поворачивании колонны спускаемых труб будет происходить дополнительный износ герметизирующего элемента, так как последний не будет поворачиваться в корпусе из-за поджатой от действия давления подвижной верхней опоры к уступу верхнего фланца.

Целью заявляемого предложения является повышение надежности герметизации устья скважины при спуске-подъеме (далее по тексту спуске) колонны труб под давлением за счет увеличения срока службы уплотнительного элемента, и повышение универсальности устройства за счет расширения номенклатуры спускаемых в скважину труб.

Для достижения этой цели в известной устьевой герметизирующей головке (герметизаторе пневматическом УПГ-114х17), включающей корпус с установленным в нем герметизирующим элементом, закрепленным на кольцевых втулках, установленных в корпусе с образованием рабочей гидравлической камеры, согласно изобретению, на верхней втулке закреплен кольцевой поршень, размещенный в верхней части корпуса с образованием гидравлической камеры возврата герметизирующего элемента в исходное состояние, при этом втулки установлены в корпусе с возможностью вращения, а на внутренней поверхности герметизирующего элемента выполнены лабиринтные канавки.

На чертеже изображена предлагаемая герметизирующая головка. Устройство содержит корпус 1, закрытый снизу съемным фланцем 2 с прокладкой 3. В цилиндрической расточке уступа съемного фланца 2 герметично установлена и зафиксирована кольцевой гайкой 4 втулка 5, на которой закреплен нижний край эластичного герметизирующего элемента 6. Кольцевая втулка 5 с гайкой 4 установлены на фланце 2 посредством шариков 7, размещенных в окружных канавках на торцах кольцевого уступа съемного фланца 2 и на торцах кольцевой гайки 4 и кольцевой втулки 5 соответственно, с возможностью вращения в образовавшемся шарикоподшипнике. Верхний край уплотнителя 6 закреплен на кольцевой втулке 8, герметично установленной в цилиндрической расточке кольцевого уступа корпуса 1 с возможностью осевого перемещения. Сверху на втулке 8 посредством гайки 9 закреплен кольцевой поршень 10, установленный в ответной расточке корпуса 1. Кольцевая полость между корпусом 1 и герметизирующим элементом 6 является рабочей гидравлической камерой 11, которая связана посредством канала 12 в корпусе 1 с гидромагистралью (не показана) от источника давления. Поршневая полость является камерой возврата 13 герметизирующего элемента в исходное состояние, которая аналогично связана с источником давления посредством канала 14 в корпусе 1. На внутренней поверхности герметизирующего элемента 6 выполнены лабиринтные канавки 15. Верхняя и нижняя кольцевые втулки 5 и 6 и поршень 9 герметизированы относительно посадочных поверхностей корпуса 1 уплотнительными кольцами 16.

Устьевая герметизирующая головка работает следующим образом.

Во внутреннюю полость устройства вводится спускаемая в скважину насосно-компрессорная труба. Через канал 12 в рабочую гидравлическую камеру 11 герметизирующей головки подается давление, которое плотно прижимает герметизирующий элемент 6 к поверхности спускаемой трубы.

Давление в рабочей камере 11 должно ненамного превышать скважинное для его запирания (что и является задачей устройства). При значительном превышении рабочего давления над скважинным возникает повышенное контактное давление между поверхностью трубы и уплотнителем 6, что вызывает интенсивный износ последнего. Кроме того, в этом случае охват спускаемой колонны труб герметизирующим элементом 6 происходит по значительной площади его поверхности в результате сильного выступания тела элемента 6, что вызывает его повышенное напряженное состояние и снижает срок его службы.

Одновременно с подачей рабочего давления производится подача давления через канал 14 в камеру возврата 13 герметизирующего элемента в исходное состояние. Поршень 10, закрепленный на верхней кольцевой втулке 8 посредством гайки 9, под действием давления рабочего агента перемещается вверх и натягивает эластичный герметизирующий элемент 6, закрепленный верхним краем на втулке 8, в осевом направлении, уменьшая тем самым выступание вогнутой части тела уплотнителя 6. В результате натяжения герметизирующего элемента 6 снижается величина контактного давления между ним и поверхностью спускаемой трубы, и уменьшается величина площади их контактной поверхности. Это уменьшает износ герметизирующего элемента 6 повышая тем самым долговечность устройства. Осевое натяжение герметизирующего элемента 6 уменьшает или даже исключает наволакивание тела элемента 6 на кромку муфты спускаемой колонны труб. Таким образом, установив определенный баланс давлений рабочих сред в рабочей камере 11 и камере возврата 13, устанавливают оптимальный режим работы герметизирующей головки для широкого диапазона диаметров спускаемых труб, в результате чего повышается ее универсальность. Рабочий агент (среда) должны обладать упругостью, что обеспечивается наличием пневмогидроаккумуляторов в гидросистеме управления предлагаемой герметизирующей головкой.

Лабиринтные канавки 15, выполненные на внутренней поверхности уплотнителя 6, служат для улучшения его герметизирующих свойств. Для снижения коэффициента трения лабиринтные канавки 15 заполняют консистентной смазкой, а уплотнительный элемент 6 подвергают физико-химической обработке (полиэтиленовое покрытие, пенно-плазменное фторирование и т.д.).

При вращении или поворачивании колонны спускаемых труб герметизирующий элемент 6 с кольцевыми втулками 5 и 8 будет вращаться совместно с трубами в корпусе 1 посредством упорного шарикоподшипника, образованного шариками 7, размещенными в окружных канавках на торцах уступа съемного фланца 2 и на торцах кольцевой гайки 4 и кольцевой втулки 5 соответственно. Съемный фланец 2 герметизирован относительно корпуса 1 посредством прокладки 3. Кольцевые втулки 5 и 8 и поршень 10 герметизированы относительно корпуса 1 посредством уплотнительных колец 16.

Предлагаемая устьевая герметизирующая головка является одним из основных узлов установки для спуска труб в скважину под давлением и обеспечивает надежную работу установки при проведении спуско-подъемных операций под давлением. В результате расширения номенклатуры спускаемых труб повышается универсальность всей установки.