устройство для герметизации устья скважины

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации устья скважины, содержащее корпус с патрубком и уплотнительный элемент с осевым каналом, который в верхней части сформирован в виде конуса, в нижней части имеет уплотняющее сужение, переходящее в расширение с обратной конусностью, при этом внешняя сторона уплотнительного элемента конусовидными формами расширяется от нижней свободно свисающей части к верхней части, которая посредством металлической юбки с окнами заделана в металлический кольцевой фланец, отличающееся тем, что уплотнительный элемент выполнен многослойным и включает, по крайней мере, внутреннюю и внешнюю эластичные обечайки, соединенные с металлическим кольцевым фланцем, и размещенное между ними эластичное передаточное звено, осевой канал внутренней обечайки имеет форму неправильного однополюсного гиперболоида со смещенным книзу уплотняющим сужением, наружная поверхность внутренней обечайки и внутренняя поверхность внешней обечайки сформированы таким образом, что эластичное передаточное звено в сечении выполнено в виде сегментовидной фигуры, острая кромка которой вверху срезана, образовавшаяся при этом кольцевая плоскость примыкает к металлическому кольцевому фланцу, а выпуклость этой фигуры направлена в сторону оси канала, при этом нижние свободно свисающие части обечаек имеют окантовку из более твердого эластичного материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность внутренней обечайки имеет форму неправильного однополюсного гиперболоида, выполненного таким образом, что толщина обечайки плавно возрастает по мере приближения к уплотняющему сужению в осевом канале.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность внешней обечайки выполнена конусной.

4. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что наружная поверхность внешней обечайки образована двумя последовательно размещенными сужающимися книзу конусами.

5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что верхняя часть обечаек имеет металлические кольцевые опоры, которые посредством резьбовых элементов скреплены с металлическим кольцевым фланцем.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обечайки выполнены из резины повышенной твердости, а передаточное звено - из мягкой резины.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эластичное передаточное звено установлено между обечайками с натягом.

8. Устройство по п.1 или 7, отличающееся тем, что эластичное передаточное звено установлено на консистентной смазке.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что осевой канал внутренней обечайки имеет упрочненный поверхностный слой с модулем упругости, в 10-60 раз превышающим соответствующий показатель сердцевины обечайки.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что глубина упрочненного поверхностного слоя составляет 1,5-2,0 мм.

11. Устройство по п.1 или 9, отличающееся тем, что взаимодействующие поверхности обечаек и эластичного передаточного звена имеют упрочненный поверхностный слой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к герметизаторам устья скважины при бурении, в том числе посредством квадратного вращателя, а также при спуске и подъеме труб в скважину.

Известно устройство для герметизации устья скважины, содержащее корпус с фланцами, уплотнительный элемент с осевым каналом, выполненным цилиндрическим в верхней и нижней частях и с кольцевой полостью в средней части, внутри уплотнительного элемента в зоне цилиндрических частей выполнены кольцевые полости, соединенные между собой каналами и заполненные несжимаемой жидкостью (SU № 998731, МПК³ Е 21 В 33/03, 33/06, 1983).

Технический недостаток известного устройства для герметизации устья скважины: ограниченные функциональные возможности, в частности не предусмотрено роторное бурение скважины посредством квадратного вращателя с отводом флюидов из затрубного пространства; недостаточная надежность при повышенном давлении среды - повреждение уплотнительного элемента влечет за собой разгерметизацию системы.

Известно также устройство для герметизации устья скважины, названное “Пакер рабочей штанги и превентор”, содержащее корпус с патрубком и уплотнительный элемент с осевым каналом, который в верхней части сформирован в виде конуса, в нижней части имеет уплотняющее сужение, переходящее в расширение с обратной конусностью, при этом внешняя сторона уплотнительного элемента конусовидными формами расширяется от нижней свободно свисающей части к верхней части, которая посредством металлической юбки с окнами заделана в металлический кольцевой фланец (патент США № 2862735, национальный класс 286-16.2, 1958 г.). Утверждается, что при таком исполнении уплотнительного элемента достигается гарантированная герметизация устья скважины, в том числе при протаскивании квадратного вращателя определенного размера.

Технический недостаток данного устройства: высокая жесткость уплотнительного элемента, необходимая для герметизации устья, и, как следствие, высокие контактные давления между трубой и особенно между углами квадратного вращателя и деформируемой поверхностью осевого канала; это приводит к повышенным силам трения, увеличению энергозатрат на протаскивание труб и квадратного вращателя и к снижению износостойкости уплотнительного элемента.

Техническая задача: снижение контактных давлений, силы трения и энергозатрат, повышение износостойкости за счет особого выполнения уплотнительного элемента, что приводит к кратному снижению жесткости и податливости при повышении герметизирующих свойств.

Согласно изобретению уплотнительный элемент выполнен многослойным и включает, по крайней мере, внутреннюю и внешнюю эластичные обечайки, соединенные с металлическим кольцевым фланцем, и размещенное между ними передаточное звено, осевой канал внутренней обечайки имеет форму неправильного однополюстного гиперболоида со смещенным книзу уплотняющим сужением, наружная поверхность внутренней обечайки и внутренняя поверхность внешней обечайки сформированы таким образом, что эластичное передаточное звено в сечении выполнено в виде сегментовидной фигуры, острая кромка которой вверху срезана, образовавшаяся при этом кольцевая плоскость примыкает к металлическому кольцевому фланцу, а выпуклость этой фигуры направлена в сторону оси канала, при этом нижние свободно свисающие части обечаек имеют окантовку из более твердого эластичного материала.

Наряду с этим наружная поверхность внутренней обечайки имеет форму неправильного однополюсного гиперболоида, выполненного таким образом, что толщина обечайки плавно возрастает по мере приближения к уплотняющему сужению в осевом канале; внутренняя поверхность внешней обечайки выполнена конусной; наружная поверхность внешней обечайки образована двумя последовательно размещенными конусами; верхняя часть обечаек имеет металлические кольцевые опоры, которые посредством резьбовых элементов скреплены с металлическим кольцевым фланцем; обечайки выполнены из резины повышенной твердости, а эластичное передаточное звено - из мягкой резины; эластичное передаточное звено установлено между обечайками с натягом и на консистентной смазке; осевой канал внутренней обечайки имеет упрочненный поверхностный слой с модулем упругости, в 10-60 раз превышающим соответствующий показатель сердцевины обечайки; глубина упрочненного поверхностного слоя составляет 1,5-2,0 мм; взаимодействующие поверхности обечаек и эластичного передаточного звена имеют упрочненный поверхностный слой.

На фиг.1 изображен общий вид устройства для герметизации устья скважины; на фиг.2 - уплотнительный элемент в сборе, с частичным разрезом; на фиг.3-5 - выноски I-III из фиг.2 соответственно; на фиг.6 - условно прозрачная внутренняя обечайка уплотнительного элемента (схема); на фиг.7 - конструктивная схема взаимодействия уплотнительного элемента с квадратным вращателем; на фиг.8 - разрез А-А на фиг.7.

Устройство для герметизации устья скважины несет функции роторного герметизатора и включает разъемный корпус 1 с патрубком 2 (фиг.1) и уплотнительный элемент 3 с осевым каналом 4 (фиг.2). Уплотнительный элемент выполнен многослойным и включает, по крайней мере, внутреннюю 5 и внешнюю 6 эластичные обечайки. Между обечайками размещено эластичное передаточное звено 7. Осевой канал 4 внутренней обечайки 5 имеет форму неправильного однополюсного гиперболоида 8 (фиг.2, 6) со смещенным книзу сужением 9 диаметра d₁. Под неправильным гиперболоидом подразумевается “искажение” формы при несимметричном размещении плоскости OYZ - ее смещении вниз на величину 1₁, где 1₁>0,5 1₂ (фиг.6). Наружная поверхность 10 внутренней обечайки 5 также имеет форму неправильного однополюсного гиперболоида, выполненного таким образом, что толщина обечайки 5 плавно возрастает по мере приближения к уплотняющему сужению 9 в осевом канале 4. Следовательно, размер 0,5 (d₂-d₁) несколько больше размера 0,5 (D₂-D₁). Внутренняя поверхность 11 внешней обечайки 6 выполнена конусной. Наружная поверхность 12 внешней обечайки 6 фиг.2 образована двумя последовательно размещенными конусами. В связи с этим наружная поверхность 10 внутренней обечайки 5 и внутренняя поверхность 11 внешней обечайки 6 сформированы таким образом, что эластичное передаточное звено 7 в сечении (фиг.2) выполнено в виде сегментовидной фигуры, острая кромка которой вверху срезана. Образовавшаяся при этом кольцевая плоскость 13 примыкает к кольцевому металлическому фланцу 14, а выпуклость 15 этой фигуры направлена в сторону оси OZ осевого канала 4 (фиг.2, 6). Нижние свободно свисающие части обечаек 5 и 6 имеют окантовки 16 и 17 из более твердого эластичного материала (фиг.2, 4).

Верхние части обечаек 5 и 6 прикреплены к металлическому кольцевому фланцу 14. Для этого каждая обечайка имеет свою металлическую кольцевую опору 18 и 19 соответственно (фиг.2, 5). Продолжением опор являются юбки соответственно 20 и 21 с окнами. Эластичный материал, преимущественно резина, обечаек 5 и 6 посредством вулканизации скреплен с соответствующими опорами и юбками 18-21; дополнительной надежностью крепления служат окна в юбках 20 и 21, которые заполнены резиной. В свою очередь, металлические кольцевые опоры 18 и 19 обечаек посредством резьбовых элементов 22 скреплены с металлическим кольцевым фланцем 14. Для фиксации и дополнительного крепления обечаек в металлическом кольцевом фланце 14 выполнены углубления 23 и кольцевой паз 24, куда введены соответствующие опоры 18 и 19 обечаек. Уплотнительный элемент 3 с помощью металлического кольцевого фланца 14 (фиг.1, 2) известным образом крепится к вращающейся части устройства (роторного герметизатора).

Эластичная часть обечаек 5 и 6 выполнена из резины повышенной твердости, а эластичное передаточное звено 7 - из мягкой резины. Окантовки 16 и 17 нижних частей обечаек могут быть выполнены из резиноткани или полимерного материала. Эластичное передаточное звено 7 установлено между обечайками 5 и 6 с некоторым натягом и на консистентной смазке (желательно на графитовой основе). Осевой канал 4 обечайки 5 имеет упрочненный поверхностный слой 25 (фиг.3), который выполнен методом диффузионной поверхностной модификации этой резиновой детали, включая соответствующую плоскость окантовки 16 (в случае ее выполнения из резины). Модуль упругости Е на поверхности упрочненного слоя в 10-60 раз превышает соответствующий показатель Е₀ сердцевины обечайки 5, т.е. коэффициент модификации к=Е/Е₀=10-60. Значение модуля Е по экспоненте снижается до Е₀ по мере удаления от наружной поверхности; глубина h упрочненного (модифицированного) слоя 25 составляет 1,5-2,0 мм. Взаимодействующие поверхности обечаек 5 и 6 и эластичного передаточного звена 7 также могут иметь упрочненный поверхностный слой. Это означает, что модификации могут подвергаться готовые детали 5-7 полностью (включая нерабочую поверхность 12 обечайки 6) до их монтажа в уплотнительном элементе 3. Кроме повышения твердости и прочности поверхностного слоя после модификации примерно в 2 раза снижается коэффициент трения стали по резине.

Устройство для герметизации устья скважины работает следующим образом.

Устройство (герметизатор) работает, по крайней мере, в трех режимах - при протаскивании через уплотнительный элемент гладкой трубы, ее муфтовой части и квадратного вращателя. Герметизатор может комплектоваться несколькими типоразмерами уплотнительных элементов 3 в зависимости от диаметра трубы. При взаимодействии трубы с осевым каналом 4 внутренней обечайки 5 последняя и до некоторой степени другие эластичные детали уплотнительного элемента - эластичное передаточное звено 7 и внешняя обечайка 6 - деформируются и обжимают трубу; наибольший объем деформации - в сужении 9 осевого канала 4. Одновременно с этим детали 5-7 несколько проскальзывают друг относительно друга. Этому способствует наличие упрочненного поверхностного слоя (с меньшим коэффициентом трения) и наличие смазки в контактирующих парах: наружная поверхность 10 обечайки 5 и внутренняя поверхность эластичного передаточного звена 7, внутренняя поверхность 11 обечайки 6 и наружная поверхность эластичного передаточного звена 7. Наряду с деформацией отдельно каждой эластичной детали 5-7 возникает сила трения и контактное давление в местах взаимодействия трубы с выпуклостью осевого канала 4. Это приводит к повышению энергоемкости процесса протаскивания, сопровождающегося износом поверхностного слоя осевого канала 4 (главным образом возле его сужения 9). Снижению энергоемкости этого процесса и повышению износостойкости внутренней обечайки 5 способствует диффузионная поверхностная модификация поверхностного слоя 25 осевого канала 4 и снижение примерно в 2 раза коэффициента трения между обечайкой и стальной трубой. При выполнении уплотнительного элемента 3 многослойным повышается податливость всей системы, снижается контактное давление в местах взаимодействия трубы с осевым каналом, уменьшается объем деформации (за счет увеличения проходных диаметров осевого канала) при сохранении и стабилизации герметизирующих свойств системы. При прохождении через уплотнительный элемент замково-муфтового соединения труб (муфты) характер деформации и перемещений эластичных деталей имеет примерно такую же картину с той лишь разницей, что объем деформации увеличивается, а муфта (своим скосом) гонит перед собой дополнительную волну деформации в осевом направлении.

Эффективности работы уплотненного элемента и герметизатора в целом способствует также дифференцированное распределение жесткости и податливости системы по длине и в поперечном сечении деталей 5-7. Наибольшая жесткость системы и практическое отсутствие деформации в поперечном сечении - в месте заделки обечаек 5 и 6 в опоры 18, 19 (в этом месте обечайка 5 гарантированно удалена от рабочих органов трубы, муфты и квадрата). Ближе к середине (по высоте) уплотнительного элемента и внутреннего однополюсного гиперболоида 8 жесткость системы в поперечном направлении снижается. Но в этом месте сужается и осевой канал 4, и происходит взаимодействие со всеми рабочими органами. Повышению податливости системы в этом месте способствуют и плавный перегиб внутренней обечайки 5, и повышенная площадь эластичного передаточного звена 7 из мягкой резины, и снижение жесткости и площади поперечного сечения внешней обечайки 6. Основная причина высокой податливости системы заключается в том, что эластичные детали 5-7 работают не как одно целое, а отдельно и независимо. Сужение 9 смещено книзу уплотнительного элемента, что вызвано целесообразностью ухода от жесткой заделки обечаек в металлические опоры 18, 19 и от их неподвижного центрированного крепления к металлическому кольцевому фланцу 14.

С другой стороны, сужение 9 недопустимо опускать максимально вниз, поскольку при обратном ходе (вверх) трубы с муфтой может произойти загиб в осевой канал 4 конца внутренней обечайки 5. Поэтому в нижней части уплотнительного элемента диаметр D₁ гиперболоида 8 равен аналогичному диаметру в месте заделки в опору 18. Нижние части обеих обечаек 5 и 6 имеют окантовки 16 и 17 из более твердого эластичного материала, в самом низу поперечное сечение эластичного передаточного звена 7 сведено на нет. Благодаря этому при высокой общей податливости всей системы свободно свисающие части обечаек 5 и 6 имеют повышенную жесткость. Это, в свою очередь, препятствует загибу внутренней обечайки 5 при движении трубы с муфтами вверх, гарантированно исключая контакт нижней части с рабочим органом, и обеспечивает надежное функционирование всей системы при ограниченных энергозатратах, снижении силы трения и минимуме деформации.

Протаскивание рабочего органа происходит при наличии некоторого давления флюидов в скважине. Это давление воздействует на внутренний нижний раствор обечайки 5, пытаясь разгерметизировать систему; на торец окантовок 16 и 17; на всю наружную поверхность 12 внешней обечайки 6; давление и вертикальная сила создаются также из-за разности диаметров наружной поверхности 12 вверху и внизу внешней обечайки 6. Равнодействующая всех сил, вызванных давлением флюидов скважины, направлена под углом вверх и в сторону центральной оси OZ осевого канала 4. Это способствует некоторому дополнительному поджатию уплотнительного элемента к рабочему органу. Из-за препятствия в прохождении флюидов по осевому каналу 4 жидкость изменяет направление движения и отводится из корпуса 1 в сторону посредством патрубка 2.

Наиболее сложный характер деформации уплотнительного элемента 3, определяющий надежное функционирование герметизатора, происходит при взаимодействии осевого канала 4 с квадратным вращателем. В этом режиме деформация и контактные давления каждой эластичной детали 5-7 (фиг.7-8) в сечении и по высоте уплотнительного элемента 3 (фиг.1) являются неравномерными. Главное требование - обеспечить герметизацию квадрата, т.е. предотвратить остаточные зазоры между сторонами квадрата и внутренней поверхностью 8 (фиг.2) (по крайней мере, вблизи наибольшего сужения 9). За счет высокой податливости эластичных деталей уплотнительного элемента и относительно независимого действия каждой детали 5-7 это достигается при минимуме деформации - при большем диаметре d в месте сужения. Наиболее сложным деформациям подвергаются внутренняя обечайка 5 и передаточное звено 7 (фиг.8). В местах взаимодействия с вершинами квадрата их толщина несколько уменьшается, но зазоры между сторонами квадрата и обечайкой 5 не остаются за счет общей сложной деформации системы со стороны всех трех эластичных деталей 5-7.

Контактные давления и сила трения между квадратным вращателем и осевым каналом, а также внутреннее трение и контактные давления между деталями 5-7 распределяются неравномерно, но они снижаются из-за высокого модуля упругости поверхностных слоев деталей 5-7 и меньшего коэффициента трения. В этом режиме работы герметизатора происходит проскальзывание между взаимодействующими поверхностями обечаек 5, 6 и эластичного передаточного звена 7 не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости, т.е. обеспечивается дифференцированная податливость уплотнительного элемента 3 во всех направлениях при минимуме энергозатрат на протаскивание квадратного вращателя. Описанные явления в уплотнительном элементе 3 происходят одновременного с его вращением (вместе с квадратным вращателем) относительно вертикальной оси.

В итоге достигается снижение контактных давлений, силы трения и энергозатрат, повышение износостойкости уплотнительного элемента и эффективная работа роторного герметизатора.