устройство для герметизации устья скважины

Формула изобретения

Устройство для герметизации устья скважины, содержащее, цилиндрический корпус с фланцами, в котором последовательно относительно устья скважины размещены выполненные с центральным осевым каналом нижний уплотнительный элемент, размещенный в стакане, и верхний уплотнительный элемент, отличающееся тем, что оно снабжено подпружиненным клиновым элементом и нажимными гайками, фиксирующими относительно корпуса нижний и верхний уплотнительные элементы, при этом нижний уплотнительный элемент снабжен лабиринтными гребешками и жестко закреплен в стакане, верхний уплотнительный элемент снабжен зацепом от выворота и лабиринтными гребешками, уплотнительные элементы выполнены цилиндрическими, стакан размещен с возможностью осевого перемещения, на внутренней поверхности корпуса выполнена коническая поверхность, подпружиненный клиновой элемент размещен между упомянутой конической поверхностью корпуса и верхним уплотнительным элементом, а между нижним уплотнительным элементом и стаканом образована герметичная полость.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности.

Известно устройство для герметизации устья скважины, содержащее цилиндрический корпус с верхним и нижним фланцами, в котором последовательно размещены кольцевые уплотнительные элементы с центральными осевыми каналами и обоймами, распорные втулки, нажимное кольцо и кольцевая камера для смазочного материала (см. а.с. 1668629 Е 21 В 33/03) - прототип.

Известное устройство используют для герметизации устья скважины при спуске-подъеме колонны труб НКТ при капитальном ремонте и снабжено резиновыми манжетами в качестве уплотнительных элементов. Резиновые манжеты имеют существенные недостатки, а именно.

Для спуска первой трубы колонны необходимо прилагать значительные усилия, преодолевая трение труб, и особенно соединительных муфт, в уплотнительных элементах, предназначенных для герметизации устья скважины в случае появления в ней газа под давлением. Для спуска первой и последующих труб до набора в колонне необходимого веса, при котором колонна перемещается без усилия, можно применить специальный домкратный блок, действующий на колонну через хомуты, удерживающие колонну. Эта операция требует больших затрат времени и наличия специального оборудования.

Герметизация устья скважины в случае появления в ней газа под давлением происходит благодаря обжатию трубы круговым лепестком манжеты. Чем больше давление газа, тем сильнее обжатие. В случае малых давлений в существующем герметизаторе возможны пропуски газа, поскольку усилие обжатия трубы лепестком манжеты может оказаться недостаточным.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для герметизации устья скважины, в котором за счет конструкции герметизирующих элементов обеспечивается повышение надежности работы устройства путем спуска колонны труб НКТ с минимальным трением за счет низкой жесткости герметизирующих элементов.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для герметизации устья скважины, содержащем цилиндрический корпус с фланцами, в котором последовательно относительно устья скважины размещены выполненные с центральным осевым каналом нижний уплотнительный элемент, размещенный в стакане, и верхний уплотнительный элемент, новым является то, что оно снабжено подпружиненным клиновым элементом и нажимными гайками, фиксирующими относительно корпуса нижний и верхний уплотнительные элементы, при этом нижний уплотнительный элемент снабжен лабиринтными гребешками и жестко закреплен в стакане, верхний уплотнительный элемент снабжен зацепом от выворота и лабиринтными гребешками, уплотнительные элементы выполнены цилиндрическими, стакан размещен с возможностью осевого перемещения, на внутренней поверхности корпуса выполнена коническая поверхность, подпружиненный клиновой элемент размещен между упомянутой конической поверхностью корпуса и верхним уплотнительным элементом, а между нижним уплотнительным элементом и стаканом образована герметичная полость.

Предлагаемая конструкция устройства для герметизации устья скважины при спускоподъемных операциях при капитальном ремонте скважин позволяет производить спуск колонны труб НКТ с минимальным трением за счет небольшой жесткости герметизирующих элементов, что не вызывает необходимости в использовании специального оборудования. При возникновении в скважине малых давлений газа герметизация устья происходит за счет нижнего уплотнительного элемента, при возникновении больших давлений газа - за счет воздействия клинового элемента на верхний уплотнительный элемент. При этом, чем больше давление газа, тем сильнее обжатие.

Нижний элемент служит для герметизации колонны НКТ при воздействии малых давлений. Лабиринтные гребешки выполняют функцию лабиринтных уплотнений, в которых за счет торможения потока у вершин гребешков с последующим расширением во впадинах происходит герметизация колонны НКТ.

Стакан служит для поджима пружины. Поджим стакана осуществляется нажимной гайкой.

Нижний элемент и стакан образуют герметичную полость, которая обеспечивает обжим колонны НКТ.

Верхний элемент служит для герметизации колонны НКТ при воздействии больших давлений.

Зацеп от выворота служит для предотвращения выворачивания верхнего элемента при подъеме колонны НКТ.

Нажимная гайка фиксирует верхний элемент в корпусе.

Коническая поверхность, выполненная в корпусе, служит для создания радиального усилия, передаваемого от клинового элемента к верхнему элементу.

Клиновой элемент 13 служит для создания нагрузки на верхний элемент при возникновении больших давлений, а также, взаимодействуя с зацепом от выворота, препятствует вывороту верхнего элемента при подъеме колонны НКТ.

На чертеже изображено устройство для герметизации устья скважины, расположенное на крестовине фонтанной арматуры.

Устройство для герметизации устья скважины состоит из:

Цилиндрического корпуса 1, снабженного фланцами 2. Цилиндрический корпус 1 содержит нижний относительно устья скважины уплотнительный элемент (далее по тексту - нижний элемент) 3, который выполнен цилиндрическим и снабжен лабиринтными гребешками 4. Устройство снабжено стаканом 5, который размещен в корпусе 1 устройства. Между внутренней поверхностью стакана 5 и нижним элементом 3 оборудована герметичная полость 6. Устройство снабжено нажимной гайкой 7. Верхний относительно устья скважины уплотнительный элемент (далее по тексту - верхний элемент) 8 выполнен цилиндрическим и снабжен зацепом от выворота 9, лабиринтными гребешками 10. Цилиндрический корпус 1 снабжен нажимной гайкой 11, конической поверхностью 12, которая выполнена на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Устройство снабжено клиновым элементом 13, расположенным между конической поверхностью 12 цилиндрического корпуса 1 и верхним элементом 8. Клиновой элемент 13 опирается на пружину 14, которая неподвижно расположена на стакане 5. Нижний элемент 3 жестко закреплен в стакане 5 винтом 15. Герметичность полости 6 и герметизация пространства между цилиндрическим корпусом 1 и стаканом 5 обеспечивается за счет применения уплотнительных колец 16.

Устройство используется при капитальном ремонте скважин и монтируется на крестовине фонтанной арматуры (КФА) при помощи фланца 2 при проведении спуско-подъемных операций.

При капитальном ремонте газ в скважину не может поступать:

1) за счет снижения противодавления на пласт. Газ поступает в скважину с большим давлением.

2) за счет физико-механических процессов, происходящих на границе двух сред: жидкость глушения - пластовый флюид - явление диффузии. При этом в стволе образуется пачка газа с малым давлением.

При спуске колонна НКТ проходит через верхний элемент 8, фиксированный относительно корпуса 1 нажимной гайкой 11. Герметизация трубы колонны НКТ происходит уплотнительными гребешками 10 за счет торможения потока у вершин последних с последующим расширением в их впадинах, а также за счет обжатия трубы колонны НКТ верхним элементом 8, поскольку диаметр вершин уплотнительных гребешков 10 меньше наружного диаметра трубы колонны.

При прохождении муфты, являющейся соединительным элементом труб в колонне НКТ и имеющей наружный диаметр больше, чем диаметр трубы, происходит растяжение резины, из которой выполнен верхний элемент 8. При этом клиновой элемент 13 перемещается, сжимая пружину 14. Герметизация муфты происходит за счет обжима последней верхним элементом 8.

После прохождения муфты клиновой элемент 13 возвращается в исходное положение под действием пружины 14. Исходное положение клинового элемента 13 - прилегание к конической поверхности 12 цилиндрического корпуса 1 без расклинивания верхнего элемента 8. Регулировка жесткости пружины 14, опирающейся свободной частью на стакан 5, осуществляется поджатием нажимной гайки 7.

При прохождении муфты герметизация достигается за счет обжатия последней нижним элементом 3, внутренний диаметр которого меньше наружного диаметра муфты колонны НКТ. Деформирующийся нижний элемент 3 создает давление на среду, находящуюся внутри герметичной полости 6. Давление внутри полости 6 растет в связи с герметичностью последней, что создает дополнительное усилие обжатия муфты колонны НКТ. Требования к герметичности полости 6, оборудованной нижним элементом 3 и стаканом 5, обуславливают применение уплотнительных колец 16.

Винт 15 жестко фиксирует нижний элемент 3 в стакане 5, препятствуя перемещению нижнего элемента 3 вниз под действием нагрузки, создаваемой колонной НКТ при спуске.

При подъеме труб верхний уплотнительный элемент 8 работает следующим образом: под действием подъемного механизма установки для капитального ремонта скважины колонна НКТ двигается поступательно вверх относительно устья скважины. Герметизация трубы и муфты происходит уплотнительными гребешками 10. Причем при прохождении муфты через верхний элемент 8 происходит растягивание материала последнего. Вывороту верхнего элемента 8 препятствует зацеп от выворота 9, взаимодействующий с ответной канавкой клинового элемента 13.

Малые давления удерживаются лабиринтными гребешками 4 нижнего элемента 3. Герметизация происходит за счет торможения потока у вершин уплотнительных гребешков 4 и с последующим расширением в их впадинах.

При поступлении газа из скважины под большим давлением газ, который не удерживается нижним элементом 3, оказывает воздействие на клиновой элемент 13, расположенный на коническом элементе 12 корпуса 1. При этом клиновой элемент 13, перемещаясь вверх относительно устья скважины по коническому элементу 12 корпуса 1, создает радиальную нагрузку на верхний элемент 8. При этом верхний элемент 8 обжимает либо муфту, либо трубу колонны НКТ, производя герметизацию.