Результат интеллектуальной деятельности: Стенд для опрессовки превентора на скважине

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для опрессовки превентора на скважине и/или на стендовой скважине базы производственного обслуживания.

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 давления (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 25–35 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, высокая себестоимость опрессовки превентора, так как перед каждой опрессовки необходимо демонтировать оборудование;

- в-пятых, низкая герметичность резиновых манжет при их запакеровке в скважине, обусловленная затеканием резиновых манжет за опорную и зажимную тарелки.

Наиболее близким к предлагаемому 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, две резиновые манжеты с шайбой между ними, опорную и зажимную тарелки, заглушку с внутренней резьбой, установленный в опорной трубе полый шток, предназначенный для сжатия резиновых манжет, причем на верхнем торце зажимной тарелки имеется цилиндрическая выборка, что 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, причем между зажимной тарелкой и заглушкой на шток надета шайба из антифрикционного материала, причем внутрь опорной трубы с верхнего торца установлена прессовой посадкой втулка с внутренней цилиндрической резьбой, соответствующей резьбе штока, причем в эту втулку завернут верхний конец полого штока с цилиндрической резьбой, причем с верхнего торца полого штока выполнена проточка, при этом со дна проточки выполнены два радиальных отверстия, расположенных по диаметру полого штока.

Недостатками устройства являются:

- во-первых, низкая надёжность в работе при высоких давления (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 25–35 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 действия, т.е. после каждой опрессовки превентора необходимо производить его разборку, ревизию и сборку;

- в-третьих, высокая стоимость процесса опрессовки превентора, так как перед каждой опрессовкой необходимо демонтировать оборудование;

- в-четвёртых, низкая герметичность резиновых манжет при их запакеровке в колонной головке скважины, обусловленная затеканием резиновых манжет за опорную и зажимную тарелки;

- в-пятых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством 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.).

Техническими задачами изобретения являются повышение надёжности устройства в работе, снижение стоимости опрессовки превентора, увеличение срока службы устройства, повышение экологической безопасности и упрощение конструкции устройства.

Технические задачи решаются стендом 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 наружная поверхность опорной трубы оснащена закрытым фигурным пазом, а выше закрытого фигурного паза оснащена ступенчатой кольцевой выборкой, состоящей из нижней и верхней ступеней, причём фигурный паз состоит из продольных короткого и длинного участков, при этом напротив фигурного паза на наружной поверхности опорной трубы подвижно размещена подпружиненная наружу цанга с направляющим штифтом, размещенным в фигурном пазе, при этом продольные короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги относительно опорной трубы направляющий штифт будет расположен то в продольном коротком участке фигурного паза - транспортное положение, в котором цанга взаимодействует с нижней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборкой опорной трубы, то в продольном длинном участке фигурного паза - рабочее положение, в котором цанга взаимодействует с верхней ступенью наружной ступенчатой кольцевой выборки опорной трубы, причём нижняя часть резиновой манжеты, выполненная в виде полого цилиндра жестко закреплена на нижней части опорной трубы, при этом верхняя часть резиновой манжеты надета на дорн, жесткозакреплённый на опорной трубе, при этом выше дорна, но ниже фигурного паза опорная труба оснащена рядом радиальных отверстий, а напротив дорна снабжена сквозными продольными пазами, в которые установлены подвижные пальцы, которые с одной стороны соединены с дорном, а с другой стороны соединены с полым штоком, который сверху оснащён обратным клапаном, а снизу подпружинен от опорной трубы, причём в транспортном положении полый шток герметично перекрывает ряд радиальных отверстий опорной трубы, при этом снизу полый шток гидравлически сообщает пространства над и под опорной трубой, причём в рабочем положении полый шток имеет возможность осевого ограниченного перемещения вниз в пределах сквозных продольных пазов опорной трубы до открытия ряда радиальных отверстий опорной трубы, причём опорная труба ниже резиновой манжеты снабжена пружинным центратором, а наружный диаметр d₁ пружинного центратора больше наружного диаметра d₂, резиновой манжеты в транспортном положении, при этом верхний конец опорной трубы гидравлически обвязан с насосом.

На фиг. 1 схематично изображен стенд для опрессовки превентора на скважине в транспортном положении в процессе спуска в скважину.

На фиг. 2 – показан вид А - развёртка фигурного паза.

На фиг. 3 – сечение Б-Б.

На фиг. 4 схематично изображен предлагаемый стенд для опрессовки превентора на скважине в рабочем положении.

Cтенд для опрессовки превентора на скважине включает опорную трубу 1 (фиг. 1), проходящую через корпус 2 превентора 3, установленный в опорной трубе 1 полый шток 4 и размещённую на опорной трубе 1 резиновую манжету 5.

Наружная поверхность опорной трубы 1 оснащена закрытым фигурным пазом 6, а выше - ступенчатой кольцевой выборкой 7. Наружная ступенчатая кольцевая выборка 7 состоит из нижней 8 и верхней 9 ступеней.

Фигурный паз 6 (фиг. 1 и 2) состоит из продольных короткого 10 и длинного 11 участков. Напротив фигурного паза 6, на наружной поверхности опорной трубы 1 подвижно размещена подпружиненная наружу цанга 12 с направляющим штифтом 13, размещенным в фигурном пазу 6.

Продольные короткий 10 и длинный 11 участки фигурного паза 6 соединены между собой замкнутым фигурным участком 14 так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги 12 относительно опорной трубы 1 направляющий штифт 13 будет расположен то в продольном коротком 10 участке фигурного паза 6 - транспортное положение, в котором цанга 12 взаимодействует с нижней ступенью 8 наружной ступенчатой кольцевой выборкой 7 опорной трубы 1, то в продольном длинном 11 участке фигурного паза 6 - рабочее положение, цанга 12 взаимодействует с верхней ступенью 9 наружной ступенчатой кольцевой выборки 7 опорной трубы 1.

Нижняя часть резиновой манжеты 5 (фиг. 1), выполненная в виде полого цилиндра жестко закреплена на нижней части опорной трубы 1, при этом верхняя часть резиновой манжеты 5 надета на дорн 15, жесткозакреплённый на опорной трубе 1. Резиновая манжета может быть выполнена из рукава напорного с нитяным усилением неармированного по ГОСТ 10362-76.

Выше дорна 15, но ниже фигурного паза 6 опорная труба 1 оснащена рядом радиальных отверстий 16 (например, в количестве 4 отверстий диаметром 15 мм), а напротив дорна 15 снабжена сквозными продольными пазами 17, например, два паза, выполненные под углом 180° относительно друг друга, в которые установлены соответствующие подвижные пальцы 18, которые с одной стороны соединены с дорном 15, а с другой стороны соединены с полым штоком 4, который сверху, оснащён обратным клапаном 19, а снизу подпружинен пружиной 20 от опорной трубы 1.

В транспортном положении полый шток 4 герметично перекрывает ряд радиальных отверстий 16 опорной трубы 1.

Снизу полый шток 4 гидравлически сообщает пространства над и под опорной трубой 1.

В рабочем положении полый шток 4 имеет возможность осевого ограниченного перемещения вниз в пределах сквозных продольных пазов 17 опорной трубы 1 до открытия ряда радиальных отверстий 16 опорной трубы 1.

Опорная труба 1 ниже резиновой манжеты 5 снабжена пружинным центратором 21 (фиг. 1 и 3), а наружный диаметр d₁ пружинного центратора 21 больше наружного диаметра d₂ резиновой манжеты 5 в транспортном положении.

Верхний конец опорной трубы 1 гидравлически обвязан с насосом 22 (фиг. 4) с помощью нагнетательной линий 23.

В качестве насоса 22 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).

Стенд для опрессовки превентора на скважине работает следующим образом.

Стенд собирают как показано на фиг. 1, при этом направляющий штифт 13 устанавливают в транспортное положение в продольный короткий участок 10 закрытого фигурного паза 6. Затем устройство при помощи элеватора 24 (фиг. 1 и 4) через корпус 2 превентора 3 при открытой задвижке 25 патрубка 26 спускают в колонную головку 27 и далее в скважину 28, при этом резиновая манжета 5, выполненная в виде полого цилиндра не находится в контакте с внутренними стенками скважины 28 (фиг. 1). В качестве скважины 28 могут быть буровая труба, обсадная труба и т.д. В процессе спуска в скважину 28 устройство перепускает жидкость снизу вверх за счёт того, что обратный клапан 19 открывается (поднимается) под давлением жидкости снизу и скважинная жидкость из скважины 28 поступает внутрь опорной трубы 1, при этом пружинный центратор 21 центрирует устройство относительно оси скважины 28.

Спуск устройства останавливают за 2–3 м до достижения подпружиненной наружу цангой 12 муфты 29 скважины 28. После чего с устья скважины приподнимают устройство вверх примерно на 1 м и опускают вниз, при этом направляющий штифт 13 (фиг. 1 и 2) из продольного короткого участка 10 через замкнутый фигурный участок 14 фигурного паза 6 попадает в продольный длинный участок 11 и перемещается в верхнюю часть последнего. Спуск устройства вниз продолжают тех пор, пока цанга 12 (фиг. 4) не попадет в зазор муфты 29 скважины 28, при этом подпружиненная наружу цанга 12 выходит из взаимодействия с нижней ступенью 8, расходится наружу и упирается в верхнюю ступень 9 наружной ступенчатой кольцевой выборки 7. Спуск устройства в скважину прекращают, так как устройство фиксируется в скважине 28, при этом должно соблюдаться неравенство:

а < b,

где, а – высота фиксирующей части цанги 12, мм, например, 15 мм;

b – высота зазора муфты 29, мм, например, 20 мм.

После фиксации устройства в скважине обратный клапан 19 закрывается (опускается) под собственным весом, т.е. садится на верхний торец полого штока 4.

Далее устанавливают элеватор 24 под муфту опорной трубы 1. Вращением штурвала (на фиг. 1 и 4 показано условно) на 7–10 оборотов привода 30 (фиг. 4) превентора 3 двигают плашки 31 превентора 3 друг к другу. Плашки 31 герметично обжимают снаружи опорную трубу 1. Центратор 21, имеющий наружный диаметр d₁ больше наружного диаметра d₂ резиновой манжеты 5, позволяет исключить контакт наружной поверхности резиновой манжеты со стенками колонной головки 27 в процессе спуска устройства в колонную головку 27 скважины 28.

Обвязывают насос 22 с помощью нагнетательной линией 23 с верхним концом опорной трубы 1 и нагнетают технологическую жидкость, например, пресную воду плотностью 1000 кг/м³ в опорную трубу 1, создают в ней избыточное давление, например, равное 5,0 МПа.

Под действием избыточного давления полый шток 4, герметично установленный посредством уплотнительных колец (на фиг. 1 и 4, показы условно) внутри опорной трубы 1 (фиг. 4), совместно с дорном 15, с которым он соединен посредством подвижных пальцев 18, начинают перемещаться вниз в пределах сквозных продольных пазов 17, сжимая пружину 20, упертую снизу от опорной трубы 1 и прижимая к внутренним стенкам скважины резиновую манжету, жестко закреплённую на опорной трубе 1.

В момент, когда подвижные пальцы 18 упираются в нижние торцы сквозных продольных пазов 17 и сжатие пружины 20 прекращается, а резиновая манжета 5 герметично прижимается к внутренним стенкам скважины 28, открывается ряд радиальных отверстий 16 опорной трубы 1.

Для герметичной посадки резиновой манжеты 5 на внутренних стенках скважины должно соблюдаться неравенство:

c ≥ L,

где, с – длина дорнируемого участка резиновой манжеты 5, мм, например, 35 мм;

L – длина сквозных продольных пазов 17, мм, например, 30 мм.

Нижние торцы сквозных продольных пазов 17 опорной трубы 1 предохраняют пружину 20 от поломки при воздействии избыточного давления, что положительно отражается в надёжности работы устройства.

В результате полый шток 4 оказывается ниже ряда радиальных отверстий 16 опорной трубы 1 и создает гидравлическую связь между внутренним пространством опорной трубы 1 и пространством колонной головки 27 скважины 28 выше резиновой манжеты 5 через вышеуказанный ряд радиальных отверстий 16 опорной трубы 1. В итоге давление во внутреннем пространстве колонны опорной трубы 1 и пространстве над резиновой манжетой 5 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 воздействовать на резиновую манжету 5, загерметизированную дорном 15 к внутренним стенкам скважины 28, а с другой стороны воздействовать на плашки 31, герметично обжимающие опорную трубу 1. Выдерживают превентор 3 под вышеуказанным давлением, например, в течение 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.

После окончания опрессовки превентора 3 с помощью насоса 22 стравливают избыточное давление до атмосферного во внутреннем пространстве опорной трубы 1, при этом избыточное давление в пространстве выше резиновой манжеты 5 также снижается. В результате под действием возвратной силы пружины 20 полый шток 4, герметично установленный посредством уплотнительных колец (на фиг.1 и 4, показы условно) внутри опорной трубы 1 (фиг. 4), совместно с дорном 15, с которым он соединен посредством подвижных пальцев 18, начинают перемещаться вверх до упора в верхние торцы сквозных продольных пазов 17, т.е. занимают исходное положение (фиг. 1), при этом дорн 15 выходит из резиновой манжеты 5, которая выходит из взаимодействия (разгерметизируется) с внутренними стенками скважины 28, а радиальный ряд отверстий 16 опорной трубы герметично закрывается полым штоком 4. Вращением штурвала на 7–10 оборотов привода 30 превентора 3 раздвигают плашки 31 превентора 3 в направлении друг от друга. Плашки 31 выходят из взаимодействия с опорной трубой 1.

После чего с устья скважины приподнимают устройство за опорную трубу 1 с помощью элеватора 24 вверх примерно на 1 м и опускают вниз, при этом направляющий штифт 13 (фиг. 1 и 2) из продольного длинного участка 11 через замкнутый фигурный участок 14 фигурного паза 6 попадает в продольный короткий участок 10 и перемещается в верхнюю часть последнего, при этом подпружиненная наружу цанга 12 (фиг. 4) располагается под нижней ступенью 8 наружной ступенчатой кольцевой выборки 7 и выходит из зазора муфты 29 скважины 28. Далее производят извлечение устройства из скважины 28.

При извлечении (подъёме) устройства из скважины 28 технологическая жидкость свободно перетекает сверху вниз из пространства выше резиновой манжеты 5 в пространство ниже резиновой манжеты, так как резиновая манжета вышла из взаимодействия с внутренними стенками скважины 28. Это позволяет произвести подъем устройства из колонной головки 27 без перелива на устье скважины 28.

Благодаря тому, что резиновая манжета 5, выполненная в виде полого цилиндра, герметизируется на внутренних стенках скважины 28 принудительно за счёт её расширения дорном 15, что повышает надёжность в работе устройства при высоких давлениях (25–35 МПа). Это кратно снижает вероятность потери герметичности устройства в процессе опрессовки превентора, а значит повышается надёжность работы устройства.

Снижается стоимости 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.

Также из-за этого нет необходимости каждый раз после спуска устройства в колонную головку 27, т.е. перед опрессовкой превентора заполнять колонную головку 27 скважины 28 технологической жидкостью.

Снижается вред окружающей среде за счёт исключения излива скважинной жидкости на устье скважины 28, так как при спуске устройства, находящаяся в скважине 28 жидкость свободно перетекает из пространства ниже резиновой манжеты 5 в пространство выше резиновой манжеты 5, а при подъёме устройства из скважины 28 жидкость перетекает в обратном направлении из пространства выше резиновой манжеты 5 в пространство ниже резиновой манжеты 5.

Увеличивается срок службы устройства из-за снижения износа и повреждения резиновой манжеты 5, так как она отцентрована с помощью пружинного центратора 21 относительно оси скважины 28 в процессе спуска, герметизации и извлечения устройства.

Упрощается конструкция устройства, так как из конструкции устройства в сравнении с прототипом исключаются резиновые манжеты с шайбой между ними, опорная и зажимная тарелки, заглушка с внутренней резьбой и т.д.

Предлагаемый стенд для опрессовки превентора на скважине позволяет:

- повысить надёжность работы устройства;

- снизить стоимость обслуживания при проведения работ по опрессовке превентора;

- исключить нанесение вреда окружающей среде в процессе работы устройства;

- увеличить срок службы устройства;

- упростить конструкцию устройства.