Патент на изобретение №2272124

(54) УСТРОЙСТВО ГЕРМЕТИЗАЦИИ УСТЬЯ СКВАЖИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к буровому и нефтепромысловому оборудованию и предназначено для герметизации устья нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение надежности работы и расширение эксплуатационных возможностей устройства. Сущность изобретения: устройство включает плашечный превентор с верхним фланцем и центральным сквозным каналом для пропуска труб, в верхней части которого выполнено конусное посадочное седло. Вставной герметизатор содержит корпус и основание, между которыми расположен уплотнительный элемент в виде усеченного конуса, взаимодействующий с конусным посадочным седлом. Вставной герметизатор выполнен разъемным по диаметральной плоскости и состоит из двух половин, шарнирно соединенных между собой. Каждая половина корпуса и основания вставного герметизатора и уплотнительного элемента соединены между собой винтовым соединением с поджимной гайкой. На поверхности разъема выполнены выступы и впадины, совпадающие в рабочем положении между собой. Узел фиксации вставного герметизатора выполнен в виде планшайбы с центровочным кольцом, соединенной шпильками с верхним фланцем превентора. При этом не менее чем две шпильки имеют дополнительную часть, выступающую над верхним торцом планшайбы. Продольные оси основной и дополнительной частей смещены относительно друг друга. Планшайба имеет винтовые упоры, взаимодействующие с корпусом вставного герметизатора. Кроме того, в ней выполнен паз от центрального отверстия до наружной поверхности, ширина которого превышает диаметр труб. 4 ил.

Изобретение относится к буровому и нефтепромысловому оборудованию и предназначено для герметизации устья нефтяных и газовых скважин с целью предотвращения выбросов и открытых фонтанов при проведении спускоподъемных операций с трубами или геофизическими приборами, спускаемыми в скважину на бронированном геофизическом кабеле.

Известно устройство для герметизации устья скважины (SU 1786240 А1, Е 21 В 33/03, опубл.07.01.1993, бюл.№1), содержащее превентор, герметизирующую вставку и узел фиксации герметизирующей вставки [1].

Недостатком известного устройства является невозможность присоединения к верхнему фланцу превентора навесного противофонтанного оборудования с ответными фланцами стандартных размеров.

Известно устройство герметизации устья скважины (RU 2212515 С1, Е 21 В 33/03, опубл. 20.09.2003), включающее:

– плашечный превентор, в верхнем фланце корпуса которого выполнено конусное посадочное седло;

– взаимодействующую с конусным посадочным седлом герметизирующую вставку, содержащую корпус в виде усеченного конуса с верхним и нижним патрубками и уплотнительные манжеты,

– узел фиксации герметизирующей вставки в корпусе, выполненный в виде планшайбы с центровочным кольцом, установленной на верхний фланец и содержащей винтовые упоры, взаимодействующие с фигурной канавкой, выполненной на корпусе герметизирующей вставки.

Недостатком известного устройства являются низкая монтажеспособность, связанная с повышенной трудоемкостью установки планшайбы на верхний фланец превентора, в случае если в скважине находится колонна труб, для чего необходимы как минимум следующие операции:

– монтаж нижнего элеватора под муфту верхней трубы и спуск колонны спускаемых/поднимаемых труб с нижним элеватором с ее установкой на верхний фланец превентора;

– свинчивание с муфтой верхней трубы вспомогательного верхнего патрубка с муфтой;

– установку планшайбы на вспомогательный верхний патрубок,

– монтаж верхнего элеватора на вспомогательный верхний патрубок;

– соединение крюкоблока буровой установки с верхним элеватором;

– подъем колонны труб и демонтаж нижнего элеватора;

– монтаж планшайбы на верхний фланец превентора;

– установку на планшайбу нижнего элеватора и его вторичный монтаж под муфту верхней трубы;

– спуск колонны труб и ее установку на нижний элеватор;

– отвинчивание от муфты верхней трубы вспомогательного верхнего

патрубка с муфтой.

Аналогично высокой трудоемкостью характеризуется эксплуатация известного устройства в случае необходимости герметизации устья скважины при возникновении выбросов бурового раствора и нефтегазопроявлениях. Это объясняется тем, что процесс установки герметизирующей вставки в корпус превентора при спущенных в скважину трубах включает выполнение следующих обязательных операций:

– установку нижнего элеватора на планшайбу и его монтаж под муфту верхней трубы;

– спуск колонны спускаемых/поднимаемых труб с нижним элеватором с ее установкой на планшайбу;

– монтаж верхнего элеватора на верхнем патрубке герметизирующей вставки;

– соединение крюкоблока буровой установки с верхним элеватором и подъем герметизирующей вставки,

– свинчивание нижнего патрубка герметизирующей вставки с муфтой верхней трубы;

– подъем колонны труб с герметизирующей вставкой и демонтаж нижнего элеватора, установленного на планшайбе;

– спуск колонны труб с герметизирующей вставкой в конусное посадочное седло верхнего фланца превентора;

– закрепление герметизирующей вставки винтовыми упорами планшайбы.

Выполнение комплекса перечисленных операций, включающих операции по установке элеваторов, свинчиванию и спуску герметизирующей вставки требует значительных временных затрат, что в случае начавшегося перелива раствора и последующего нефтегазопроявления, где счет времени действий буровой бригады идет на минуты и даже секунды, не обеспечит оперативности герметизации устья и может привести к аварии в виде открытого фонтана.

В этом случае, с целью ликвидации аварии, предусматривается установка противофонтанного навесного оборудования на верхний фланец превентора, для чего необходимо демонтировать планшайбу. Однако, если в скважине находится колонна труб, то демонтаж планшайбы по трудоемкости и временным затратам сравним с монтажом, а зачастую и невозможен, если из труб и затрубного устьевого пространства уже открыто фонтанируют скважинные флюиды.

Кроме того, известное устройство не обладает достаточной надежностью работы, так как оно будет неработоспособным в случае прихвата колонны спускаемых/поднимаемых труб. Это обусловлено тем, что при неподвижной колонне прихваченных труб будут невозможны операции по установке элеваторов, навинчиванию герметизирующей вставки и спуск колонны труб с герметизирующей вставкой в конусное посадочное седло превентора.

И, наконец, известное устройство обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, так как на планшайбу возможны установка и крепление только одного типоразмера дополнительного оборудования, например гидроротора или механического ключа, у которых в основании расстояние между отверстиями для крепежных шпилек должно быть обязательно равно диаметру окружности расположения шпилек на планшайбе или, что то же самое – на верхнем фланце превентора.

Задачей изобретения является создание устройства для герметизации устья скважины, лишенного перечисленных недостатков.

Техническим результатом решения этой задачи является повышение монтажеспособности известного устройства, повышение надежности его работы и расширение эксплуатационных возможностей и, как следствие, повышение надежности герметизации устья скважины при проведении работ, связанных с выполнением спускоподъемных операций с колонной труб.

Для обеспечения этих результатов в заявляемом устройстве для герметизации устья скважины, включающем:

– плашечный превентор с центральным сквозным каналом для пропуска труб, в верхней части которого выполнено конусное посадочное седло;

– взаимодействующий с конусным посадочным седлом вставной герметизатор с центральным сквозным отверстием, содержащий корпус и уплотнительный элемент в виде усеченного конуса,

– узел фиксации вставного герметизатора в корпусе, выполненный в виде планшайбы с центровочным кольцом, соединенной шпильками с верхним фланцем превентора и содержащей винтовые упоры, взаимодействующие с корпусом вставного герметизатора;

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

– вставной герметизатор дополнительно содержит основание, выполнен разъемным по диаметральной плоскости, состоит из двух половин, шарнирно соединенных между собой, и имеет центральное сквозное отверстие, диаметр которого не менее диаметра труб;

– уплотнительный элемент размещен между корпусом и основанием, и каждая половина корпуса, основания вставного герметизатора и уплотнительного элемента соединены между собой винтовым соединением с поджимной гайкой;

– на поверхности разъема одной половины уплотнительного элемента выполнены выступы и впадины, например, треугольной формы, совпадающие в рабочем положении с ответными впадинами и выступами, выполненными на поверхности разъема другой половины уплотнительного элемента;

– в планшайбе от центрального отверстия до наружной поверхности выполнен паз, ширина которого превышает диаметр труб,

– при этом не менее чем две шпильки, соединяющие своей основной частью планшайбу с верхним фланцем превентора, имеют дополнительную часть, выступающую над верхним торцом планшайбы, причем продольные оси основной и дополнительной частей смещены относительно друг друга.

На фиг.1 показан общий вид заявляемого устройства в рабочем положении, на фиг.2 – вид сверху на заявляемое устройство, на фиг.3 – вид А на фиг.1, на фиг.4 – вид сверху на вставной герметизатор перед установкой на трубу.

Заявляемое устройство для герметизации устья скважины (фиг.1) включает плашечный превентор 1 с верхним фланцем 2 и центральным сквозным каналом 3 для пропуска труб 4, в верхней части которого выполнено конусное посадочное седло 5.

Вставной герметизатор 6 (фиг.1, 2 и 3) содержит корпус 7 и основание 8, между которыми расположен уплотнительный элемент 9 в виде усеченного конуса, взаимодействующий с конусным посадочным седлом 5. В корпусе 7, основании 8 и уплотнительном элементе 9 выполнено центральное сквозное отверстие 10, диаметр которого не менее диаметра труб 4. При этом вставной герметизатор 6 выполнен разъемным по диаметральной плоскости и состоит из двух половин 11 и 12, соединенных между собой шарнирами 13. Каждая половина корпуса 7, основания 8 и уплотнительного элемента 9 соединены между собой винтовым соединением 14 с поджимной гайкой 15. На поверхности разъема 16 половины 11 уплотнительного элемента 9 выполнены выступы и впадины 17, например, треугольной формы, совпадающие в рабочем положении с ответными впадинами и выступами, выполненными на плоскостях разъема 16 половины 12 уплотнительного элемента 9. Фиксация вставного герметизатора 6 в рабочем положении на трубе 4 осуществляется защелкой 18.

Узел фиксации вставного герметизатора 6 в конусном посадочном седле 5 превентора 1 выполнен в виде планшайбы 19 с центровочным кольцом 20, взаимодействующим с кольцевой канавкой 21, выполненной на верхнем фланце 2, и соединенной шпильками 22 с верхним фланцем 2. При этом не менее чем две шпильки 23, соединяющие своей основной частью планшайбу 19 с верхним фланцем 2, имеют дополнительную часть 24, выступающую над верхним торцом планшайбы 19, причем продольные оси основной 23 и дополнительной 24 частей шпилек смещены относительно друг друга. Фиксация вставного герметизатора 6 осуществляется винтовыми упорами 25, установленными в радиальных отверстиях планшайбы 19 и взаимодействующими с корпусом 7. В планшайбе 19 от центрального отверстия до наружной поверхности выполнен паз 26, ширина которого превышает диаметр труб 4.

Заявляемое устройство для герметизации устья скважины работает следующим образом. Перед началом спускоподъемных операций с трубами 4 на верхний фланец устьевого оборудования (не показано) устанавливается нижним фланцем и закрепляется шпильками плашечный превентор 1, на верхний фланец 2 которого в кольцевую канавку 21 устанавливается центровочным кольцом 20 планшайба 19 и закрепляется шпильками 22 и 23. При этом планшайбу 19 можно установить и при наличии на устье спущенных в скважину труб 4 благодаря тому, что в ней от центрального отверстия до наружной поверхности выполнен паз 26, ширина которого превышает диаметр труб 4.

Подготавливается вставной герметизатор 6 с центральным сквозным отверстием 10, диаметр которого не менее диаметра спускаемых/поднимаемых труб 4, после чего производят различные технологические операции в скважине, предполагающие и спуско-подъемные операции с колонной труб 4 через центральный сквозной канал 3 превентора 1.

При необходимости герметизации устья скважины в случае перерывов в работе или при возникновении из скважины перелива раствора или нефтегазопроявления спускаемую или поднимаемую трубу 4 оставляют в подвешенном состоянии на крюкоблоке буровой установки (не показан). Раздвинув на шарнирах 13 половины 11 и 12 вставного герметизатора 6, монтируют последний на трубе 4, фиксируя его в этом положении защелкой 18. При этом труба 4 размещается в центральном сквозном отверстии 10. После этого трубу 4 спускают вместе со вставным герметизатором 6 до его размещения в конусном посадочном седле 5 и фиксируют винтовыми упорами 25 до их взаимодействия с корпусом 7.

Причем установка вставного герметизатора 6 в конусное посадочное седло 5 возможна даже в случае прихвата колонны труб 4, так как, по сравнению с прототипом, не требует операций по установке элеваторов, свинчиванию вставного герметизатора 6 с трубой 4 и спуска колонны труб 4 со вставным герметизатором 6 в конусное посадочное седло 5 превентора 1. В этом случае вставной герметизатор 6, размещенный на трубе 4, перемещают по последней вниз до захода в конусное посадочное седло 5 превентора 1.

Благодаря взаимодействию уплотнительного элемента 9, выполненного в виде усеченного конуса, с конусным посадочным седлом 5, взаимодействию поверхности центрального сквозного отверстия 10 уплотнительного элемента 9 с поверхностью трубы 4 и взаимодействию поверхностей разъема 16 уплотнительного элемента 9 между собой осуществляется герметичное перекрытие устья скважины.

При повышении давления на устье и возникновении пропусков скважинных флюидов вращением гаек 15 на винтовых соединениях 14 осуществляют стягивание корпуса 7 и основания 8 между собой, механически увеличивая давление на уплотнительный элемент 9, который, будучи выполненным из эластичного материала, уменьшает свою высоту. Одновременно с этим увеличивается наружный диаметр уплотнительного элемента 9 и уменьшается диаметр его центрального сквозного отверстия 10, герметизируются зазоры в контактах половин уплотнительного элемента 9 по поверхностям разъема 16 между собой и в контактах с трубой 4 и конусным посадочным седлом 5. Тем самым обеспечивается устранение пропусков скважинных флюидов и повышение надежности работы заявляемого устройства. Этому же способствует выполнение на поверхностях разъема 16 половин уплотнительного элемента 9 выступов и впадин 17, например, треугольной формы, совпадающих в рабочем положении между собой и увеличивающих площадь контакта на поверхностях разъема уплотнительного элемента 9.

Таким образом, вручную за время, необходимое для поворота гаек 15 на несколько оборотов, будет осуществлена первоначальная герметизация устья скважины. При этом нет необходимости завинчивать гайки 15 с достаточно большим усилием, т.к. после перекрытия конусного посадочного седла 5 центрального сквозного канала 3 вставным герметизатором 6 возникает эффект самоуплотнения. Это обусловлено тем, что при повышении устьевого давления увеличивается усилие, воздействующее на сжатые гайками 15 половины 11 и 12 уплотнительного элемента 9. Воздействие этого усилия, равное произведению величины площади отверстия конусного посадочного седла 5 на величину устьевого давления, вызывает более интенсивное сжатие уплотнительного элемента 9. Он, еще более уменьшая свою длину с одновременным увеличением наружного диаметра и уменьшением диаметра отверстия 10, более интенсивно и плотнее заполняет зазоры в контактах по поверхностям разъема 16, с трубой 4 и конусным посадочным седлом 5.

При необходимости установки и крепления на планшайбе 19 дополнительного оборудования, например гидроротора или механического ключа, у которых в основании расстояние между отверстиями для крепежных шпилек не равно диаметру окружности расположения шпилек 22 на планшайбе 19 или, что то же самое – на верхнем фланце 2 превентора 1, осуществляют поворот основной части шпилек 23. При этом расстояние между двумя диаметрально расположенными осями дополнительных частей 24 шпилек 23, которые выполнены с осевым смещением относительно основной, будет изменяться в большую или меньшую сторону, по сравнению с диаметром окружности расположения шпилек 22 на планшайбе 19 на удвоенную величину осевого смещения. Это позволяет закрепить на планшайбе необходимое дополнительное оборудование.

При необходимости установки дополнительного противовыбросового оборудования на верхний фланец 2 превентора 1 при наличии на устье труб 4 осуществляется демонтаж планшайбы 19, для чего отсоединяются шпильки 22 и планшайба 19 демонтируется с верхнего фланца 2. При этом съем планшайбы 19 возможен благодаря пазу 26, выполненному в ней от центрального отверстия до наружной поверхности, ширина которого превышает диаметр труб 4.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство обладает более высокой монтажеспособностью и меньшей трудоемкостью при подготовке к работе, так как установка планшайбы 19 не требует операций по свинчиванию и отвинчиванию вспомогательного патрубка, установку и снятие двух элеваторов, спуск и подъем колонны труб 4. В заявляемом устройстве за счет разъемной конструкции вставного герметизатора 6 значительно уменьшается время его монтажа на трубе 4. А благодаря пазу 26 в планшайбе 19 устройство обладает меньшей трудоемкостью демонтажа. Все это обеспечивает оперативность действий буровой бригады по герметизации устья скважины и позволяет предотвратить нефтегазопроявления из скважины или ликвидировать аварию в виде открытого фонтана.

К тому же за счет размещения уплотнительного элемента 9 между корпусом 7 и основанием 8 обеспечивается возможность дополнительного сжатия уплотнительного элемента 9, что повышает надежность его работы. Этому же способствует и выполнение на поверхности разъемов 16 выступов и впадин17, совпадающих в рабочем положении между собой. А наличие дополнительных частей 24 на шпильках 23 расширяет эксплуатационные возможности устройства.

Формула изобретения

Устройство для герметизации устья скважины, включающее плашечный превентор с центральным сквозным каналом для пропуска труб, в верхней части которого выполнено конусное посадочное седло; взаимодействующий с конусным посадочным седлом, вставной герметизатор с центральным сквозным отверстием, содержащий корпус и уплотнительный элемент в виде усеченного конуса; узел фиксации вставного герметизатора в корпусе, выполненный в виде планшайбы с центровочным кольцом, соединенной шпильками с верхним фланцем превентора и содержащей винтовые упоры, взаимодействующие с корпусом вставного герметизатора, отличающееся тем, что вставной герметизатор дополнительно содержит основание, выполнен разъемным по диаметральной плоскости, состоит из двух половин, шарнирно соединенных между собой, и имеет центральное сквозное отверстие, диаметр которого не менее диаметра труб; уплотнительный элемент размещен между корпусом и основанием, и каждая половина корпуса и основания вставного герметизатора и уплотнительного элемента соединены между собой винтовым соединением с поджимной гайкой; на поверхности разъема одной половины уплотнительного элемента выполнены выступы и впадины, например, треугольной формы, совпадающие в рабочем положении с ответными впадинами и выступами, выполненными на поверхности разъема другой половины уплотнительного элемента; в планшайбе от центрального отверстия до наружной поверхности выполнен паз, ширина которого превышает диаметр труб, при этом не менее чем две шпильки, соединяющие своей основной частью планшайбу с верхним фланцем превентора, имеют дополнительную часть, выступающую над верхним торцом планшайбы, причем продольные оси основной и дополнительной частей смещены относительно друг друга.

РИСУНКИ