Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для опрессовки превентора на скважине

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для опрессовки превентора на скважине.

Известно устройство для опрессовки превентора на скважине (патент RU № 2364701, МПК Е21В 33/03, опубл. 20.08.2009 в бюл. № 23), включающее опорную трубу, проходящую через корпус превентора, две резиновые манжеты с шайбой между ними, опорную и зажимную тарелки, заглушку с внутренней резьбой, установленный в опорной трубе шток, предназначенный для сжатия резиновых манжет, причем на верхнем торце зажимной тарелки имеется цилиндрическая выборка. При опрессовке превентора усилие для сжатия резиновых манжет передается при повороте болта, завернутого на гайку, которая неподвижно завернута в муфту опорной трубы. Болт взаимодействует на шток, который перемещает вниз толкатель, расположенный в выборке зажимной тарелки. При этом толкатель проходит через продольный сквозной паз опорной трубы. При перемещении вниз зажимная тарелка давит сверху на резиновые манжеты и увеличивает их в диаметре для изоляции нижней части ствола скважины. Опорная тарелка в прототипе расположена снизу резиновых манжет, а зажимная тарелка расположена сверху резиновых манжет.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции устройства, обусловленная наличием большого количества узлов и деталей (две резиновые манжеты с шайбой между ними, опорную и зажимную тарелки, заглушку с внутренней резьбой, установленный в опорной трубе шток и т.д.);

- во-вторых, низкая надёжность в работе при высоких давлениях (25–35 МПа), обусловленная не совершенной конструкцией герметизации резиновой манжеты, так как уплотнение резиновой манжеты происходит путём её сжатия между заглушкой и зажимной тарелкой и, соответственно, радиального расширения резиновой манжеты, поэтому при недостаточном сжатии резинового уплотнения при давлениях опрессовки 10–15 МПа высока вероятность потери герметичности, что не даёт возможности опрессовать превентор;

- в-третьих, трудоёмкость применения, так как устройство одноразового применения, т.е. после каждой опрессовки превентора необходимо производить его разборку, ревизию, сборку, что увеличивает стоимость обслуживания устройства при опрессовке превентора;

- в-четвёртых, низкая экологическая безопасность, наносимая вред окружающей среде, связанная с изливом скважинной жидкости на устье при спуске устройства в колонную головку скважины для проведения опрессовки. Это происходит потому, что резиновые манжеты из-за своей конструкции в процессе спуска устройства, выдавливают жидкость, находящуюся в колонной головке скважины, на устье скважины, кроме того, необходимо каждый раз после спуска устройства в колонную головку, т.е. перед опрессовкой превентора, заполнять колонную головку скважины технологической жидкостью;

- в-пятых, низкий срок службы резиновой манжеты, связанный с износом и повреждением манжеты в процессе установки и извлечения устройства из колонной головки, вследствие отсутствия наружной защиты резиновых манжет при проведении спуско-подъёмных операций (СПО), а также отсутствия центровки устройства в процессе СПО и опрессовки.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для опрессовки превентора на скважине (патент RU № 2680618, МПК Е21В 33/03, опубл. 25.02.2019 в бюл. № 6), включающее опорную трубу, проходящую через корпус превентора, установленный в опорной трубе полый шток и размещённую на опорной трубе резиновую манжету. Также устройство включает опорную и зажимную тарелки, заглушку с внутренней резьбой, две резиновые манжеты с шайбой между ними. Полый шток предназначен для сжатия резиновых манжет. На верхнем торце зажимной тарелки имеется цилиндрическая выборка. Полый шток выполнен из трубы, имеющей на обоих концах наружную цилиндрическую резьбу, причем заглушка выполнена с внутренней цилиндрической резьбой, завернута в цилиндрическую резьбу нижнего конца штока и снабжена стопорным винтом, причем опорная тарелка расположена сверху резиновых манжет и посажена прессовой посадкой на опорную трубу, при этом зажимная тарелка расположена снизу резиновых манжет и выполнена с плоским верхним торцом. Между зажимной тарелкой и заглушкой на шток надета шайба из антифрикционного материала. Внутрь опорной трубы с верхнего торца установлена прессовой посадкой втулка с внутренней цилиндрической резьбой, соответствующей резьбе штока. В эту втулку завернут верхний конец полого штока с цилиндрической резьбой. С верхнего торца полого штока выполнена проточка, со дна проточки выполнены два радиальных отверстия, расположенных по диаметру полого штока.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, низкая надёжность в работе при высоких давлениях (25–35 МПа), обусловленная не совершенной конструкцией герметизации резиновой манжеты, так как уплотнение резиновой манжеты происходит путём её сжатия между заглушкой и зажимной тарелкой и, соответственно, радиального расширения резиновой манжеты, поэтому при недостаточном сжатии резинового уплотнения при давлениях опрессовки 10–15 МПа высока вероятность потери герметичности, что не даёт возможности опрессовать превентор, либо приходится подтягивать зажимные тарелки (дожимать резиновую манжету) и повторно опрессовывать превентор;

- во-вторых, трудоёмкость применения, так как устройство одноразового применения, т.е. после каждой опрессовки превентора необходимо производить его разборку, ревизию, сборку, что увеличивает стоимость обслуживания устройства при опрессовке превентора;

- в-третьих, низкая экологическая безопасность, наносимая вред окружающей среде, связанная с изливом скважинной жидкости на устье при спуске устройства в колонную головку скважины для проведения опрессовки. Это происходит потому, что резиновые манжеты из-за своей конструкции в процессе спуска устройства, выдавливают жидкость, находящуюся в колонной головке скважины, на устье скважины, кроме того, необходимо каждый раз после спуска устройства в колонную головку, т.е. перед опрессовкой превентора, заполнять колонную головку скважины технологической жидкостью;

- в-четвёртых, низкий срок службы резиновой манжеты, связанный с их износом и повреждением в процессе установки и извлечения устройства из колонной головки, вследствие отсутствия наружной защиты резиновых манжет при проведении СПО, а также отсутствия центровки устройства в процессе СПО и опрессовки.

Техническими задачами изобретения являются повышение надёжности устройства в работе, снижение трудоёмкости его в применении, увеличение срока службы устройства, повышение экологической безопасности.

Поставленные технические задачи решаются устройством для опрессовки превентора на скважине, включающим опорную трубу, проходящую через корпус превентора, установленный в опорной трубе полый шток и размещённую на опорной трубе резиновую манжету.

Новым является то, что снизу опорная труба оснащена сверху вниз верхним и нижним рядами радиальных каналов, причём на опорной трубе жестко закреплены верхняя и нижняя втулки между которыми установлена резиновая манжета, выполненная в виде самоуплотняющейся манжеты, при этом опорная труба снабжена сквозными продольными пазами, в которые установлены пальцы, которые с одной стороны соединены с кожухом, установленным на наружной поверхности корпуса под нижней втулкой, а с другой – с заглушенным сверху полым штоком, размещенным внутри опорной трубы, причём в исходном положении полый шток сверху герметично перекрывает верхний ряд радиальных каналов опорной трубы, а снизу полый шток гидравлически сообщает пространство под опорной трубой с пространством выше самоуплотняющейся манжеты посредством сквозных продольных каналов, выполненных в полом штоке напротив нижнего ряда радиальных каналов опорной трубы, причем в исходном положении самоуплотняющаяся манжета находится внутри кожуха, а в рабочем положении, кожух и полый шток имеют возможность осевого ограниченного перемещения по сквозным продольным пазам опорной трубы до упора кожуха в наружный цилиндрический выступ, выполненный на нижнем конце опорной трубы, при этом полый шток герметично перекрывает нижний ряд радиальных каналов опорной трубы, причём опорная труба снизу снабжена жестким центратором, оснащённым наружными переточными каналами, и снизу подпружинивающим кожух, причём наружный диаметр d₁ жесткого центратора больше наружного диаметра d₂ кожуха, в котором находится самоуплотняющаяся манжета в исходном положении, при этом верхний конец опорной трубы гидравлически обвязан с насосом.

На фигуре 1 и 2 схематично изображено предлагаемое устройство для опрессовки превентора на скважине в исходном и рабочем положениях.

На фиг. 3 – сечение А-А устройства.

Устройство для опрессовки превентора на скважине включает опорную трубу 1 (фиг. 1), проходящую через корпус 2 превентора 3.

Снизу опорная труба 1 сверху вниз оснащена: верхним 4 и нижним 5 рядом радиальных каналов. На опорной трубе 1 жестко закреплены верхняя 6 и нижняя 7 втулки, между которыми установлена резиновая манжета 8, выполненная в виде самоуплотняющейся манжеты. Верхняя 6 и нижняя 7 втулки закреплены на опорной трубе 1 жестко, например, с помощью резьбового соединения.

Опорная труба 1 снабжена сквозными продольными пазами 9. В сквозные продольные пазы 9 опорной трубы 1 установлены пальцы 10, которые с одной стороны соединены с кожухом 11, установленным на наружной поверхности опорной трубы 1, под нижней втулкой 7. А с другой стороны пальцы 10 жестко соединены с заглушенным сверху полым штоком 12, размещенным внутри опорной трубы 1.

В исходном положении полый шток 12 сверху герметично перекрывает верхний ряд 4 радиальных каналов опорной трубы 1, а снизу полый шток 12 гидравлически сообщает пространство 13 под опорной трубой 1 с пространством 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 посредством сквозных продольных каналов 15, выполненных в полом штоке 12 напротив нижнего ряда 5 радиальных каналов опорной трубы 1.

В рабочем положении кожух 11 и полый шток 12 имеют возможность осевого ограниченного перемещения по сквозным продольным пазам 9 опорной трубы 1 с открытием верхнего ряда 4 радиальных каналов опорной трубы 1 до упора кожуха 11 в наружный цилиндрический выступ 16, выполненный на нижнем конце опорной трубы 1. При этом полый шток 12 герметично перекрывает нижний ряд 5 радиальных каналов опорной трубы 1.

В исходном положении самоуплотняющаяся манжета 8 находится внутри кожуха 11. Опорная труба 1 снизу снабжена жестким центратором 17, оснащённым наружными переточными каналами 18. Жесткий центратор 17 жёстко соединён с опорной трубой 1, например, с помощью резьбового соединения.

Жесткий центратор 17 подпружинивает снизу пружиной 19 кожух 11, причём наружный диаметр d₁ жесткого центратора 17 больше наружного диаметра d₂ кожуха 11, в котором находится самоуплотняющаяся манжета 8 в исходном положении.

Герметичность устройства в процессе перемещения полого штока 12 относительно опорной трубы 1 обеспечивают уплотнительные кольца 20.

Устройство для опрессовки превентора на скважине работает следующим образом.

Устройство собирают как показано на фиг. 1 и при помощи элеватора 21 и при открытой задвижке 22 патрубка 23 колонной головки 24 спускают вниз через корпус 2 превентора 3 до расположения самоуплотняющейся манжеты 9 под патрубком 23 в колонной головке 24 скважины.

В процессе спуска устройства происходит заполнение канала 25 (фиг. 1 и 3) полого штока 12 жидкостью, находящейся в скважине, которая свободно перетекает снизу вверх из пространства 13 под опорной трубой 1 в пространство 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 через сквозные продольные каналы 15 полого штока 12 (фиг. 1 и 2).

После расположения самоуплотняющейся манжеты 8 (фиг.1) под патрубком 23 в колонной головке 24 скважины полого штока 12 устанавливают элеватор 21 под муфту 26 опорной трубы 1.

Вращением штурвала (на фиг. 2 показано условно) на 7–10 оборотов привода 27 (фиг. 2) превентора двигают плашки 28 превентора друг к другу. Плашки 28 герметично обжимают снаружи опорную трубу 1.

Центратор 17, имеющий наружный диаметр d₁ больше наружного диаметра d₂ кожуха 11, позволяет исключить контакт наружной поверхности кожуха 11 со стенками колонной головки 24 в процессе спуска устройства в колонную головку 24 скважины. Доливают пространство 14 до перелива технологической жидкости через патрубок 22, после чего закрывают задвижку 22 и создают в ней избыточное давление, например 5,0 МПа. Обвязывают насос 29 с верхним концом опорной трубы 1 и нагнетают технологическую жидкость, например пресную воду плотностью 1000 кг/м³ в опорную трубу 21

В качестве насоса 29 может использоваться насос любой известной конструкции, предназначенный для закачки жидкости в скважину, например цементировочный агрегат марки ЦА-320, производства ООО «Ижнефтегаз» (Российская Федерация, Республика Удмуртия, г. Ижевск).

Под действием избыточного давления полый шток 12, герметично установленный посредством уплотнительных колец 20 внутри опорной трубы 1, совместно с кожухом 11, с которым он соединен посредством пальцев 10, начинают перемещаться вниз, сжимая пружину 19, упертую снизу в верхний торец жёсткого центратора 17.

В результате этого кожух 11 опускается вниз относительно самоуплотняющейся манжеты 8, которая посредством верхней 6 и нижней 7 втулок находится в неподвижном положении на наружной поверхности опорной трубы 1, при этом самоуплотняющаяся манжета 8 выходит из кожуха 11, а ее воротник, в исходном положении находящийся внутри кожуха 11, начинает выпрямляться и прилегать к внутренней стенке колонной головки 24.

Давление в опорной трубе 1 продолжают поднимать, при этом полый шток 12 совместно с пальцами 10 и кожухом 11 продолжают двигаться вниз по продольным сквозным пазам 9 опорной трубы 1, при этом воротник самоуплотняющейся манжеты 8 продолжает выпрямляться и более плотно прилегать к внутренней стенке колонной головки 24 по мере выхода самоуплотняющейся манжеты из кожуха 11 (фиг. 2).

В определенный момент нижний торец кожуха 11 упирается в верхний торец наружного цилиндрического выступа 16 опорной трубы 1 и сжатие пружины 19 прекращается, при этом открывается верхний ряд 4 радиальных каналов опорной трубы 1.

Наружный цилиндрический выступ 16 опорной трубы 1 предохраняет пружину 19 от поломки при воздействии избыточного давления, что положительно отражается в надёжности работы устройства.

В результате (фиг. 2) полый шток 12 оказывается ниже верхнего ряда 4 радиальных каналов корпуса 1 и создает гидравлическую связь между внутренним пространством 30 опорной трубы 1 и пространством 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 через вышеуказанный верхний ряд 4 радиальных каналов опорной трубы 1. В итоге давление во внутреннем пространстве колонны 30 опорной трубы 1 и пространстве 14 над самоуплотняющейся манжетой 8 выравнивается.

Далее продолжают нагнетать технологическую жидкость в опорную трубу 1 и поднимают давление до намеченного давления опрессовки превентора, например, 25,0 МПа, при этом создаваемое избыточное давление будет с одной стороны дожимать прижатую ранее к внутренней стенке колонной головки 24 самоуплотняющуюся манжету 8, а с другой стороны воздействовать на плашки 28 герметично обжимающие опорную трубу 1. Выдерживают превентор 3 под вышеуказанным давлением, например, в течении 30 мин, причём падение давления более чем на 5 % не допускается, т.е. по окончании времени опрессовки избыточное давление должно быть не ниже 23,75 МПа. Таким образом производят опрессовку превентора 3.

По окончании опрессовки превентора 3 стравливают давление, открыв задвижку 22 на патрубке 23 колонной головки 24 скважины, при этом избыточное давление в пространстве 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 снижается, а кожух 11 под действием возвратной силы пружины 19 возвращается в исходное положение, сжимая воротник самоуплотняющейся манжеты 8 внутрь, при этом сама самоуплотняющаяся манжета 8 оказывается внутри кожуха 1 (фиг. 1 и 2).

При извлечении устройства из колонной головки 24 скважины технологическая жидкость свободно перетекает сверху вниз из пространства 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 через нижний ряд 5 радиальных каналов опорной трубы 1 сквозные продольные каналы 15 и канал 25 полого штока 12 в пространство 13 под опорной трубой 1. Это позволяет произвести подъем устройства из колонной головки 24 без перелива на устье скважины.

Благодаря тому, что резиновая манжета выполнена в виде самоуплотняющейся манжеты 8 повышается надёжность в работе устройства при высоких давления (25–35 МПа), поскольку с повышением избыточного давления самоуплотняющаяся манжета 8 дожимается к внутренним стенкам колонной головки 24 скважины. Это кратно снижает вероятность потери герметичности устройства в процессе опрессовки превентора.

Снижается стоимость обслуживания устройства при опрессовке превентора на скважине, а значит сокращаются финансовые затраты. Это обусловлено снижением трудоёмкости применения устройства, так как предлагаемое устройство многоразового использования, поэтому после каждой опрессовки превентора нет необходимости, как описано в прототипе, производить его разборку, ревизию, сборку.

Снижается вред окружающей среде за счёт исключения излива скважинной жидкости на устье, так как при спуске устройства, находящаяся в скважине жидкость свободно перетекает снизу вверх из пространства 13 под опорной трубой 1 в пространство 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 через сквозные продольные каналы 15 полого штока 12, а при подъёме устройства из колонной головки 24 скважины жидкость перетекает в обратном направлении – из пространства 14 выше самоуплотняющейся манжеты 8 в пространство 13 под опорной трубой 1. Также из-за этого нет необходимости каждый раз после спуска устройства в колонную головку 24, т.е. перед опрессовкой превентора заполнять колонную головку 24 скважины технологической жидкостью.

Увеличивается срок службы самоуплотняющейся манжеты 8, из-за снижения износа и повреждения, так как она находится в кожухе в процессе установки и извлечения устройства из колонной головки, а в процессе опрессовки, когда самоуплотняющаяся манжета 8 прижата к внутренним стенкам колонной головки 24, она отцентрована относительно колонной головки 24 скважины.

Предлагаемое устройство для опрессовки превентора на скважине позволяет:

- повысить надёжность работы устройства;

- снизить трудоёмкость применения устройства;

- исключить нанесение вреда окружающей среде в процессе работы устройства;

- увеличить срок службы устройства.