Устройство для герметизации узлов скважинных приборов

 

Изобретение относится к области исследований скважин и предназначено для герметизации узлов приборов при их соединении с грузонесущим кабелем. Задачей изобретения является повышение надежности работы приборов при повышенных температуре и давлении. Устройство содержит жесткий охранный кожух в виде цилиндра, имеющего внутренние посадочную и резьбовые поверхности и резьбовую втулку для соединения с кожухом. В кожухе с зазором установлена головка. В проточке головки установлены резьбовая втулка, фиксированная от осевого смещения, и резиновое уплотнительное кольцо. Устройство снабжено высокопрочными втулками и установленными между ними плоскими колечками, поверх которых натянут эластичный не проницаемый для промывочной жидкости рукав, с посадочными втулками на концах с внешней его стороны. Посадочные втулки и рукав установлены внутри кожуха. В кожухе выполнены одно или несколько отверстий для передачи гидростатического давления на внешнюю поверхность рукава. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для геофизических исследований и предназначено для работы в глубоких и сверхглубоких скважинах.

Известны скважинные приборы с устройством для герметизации с толстостенным герметичным охранным кожухом, применяемым для защиты механизмов и электрической схемы от высоких давлений в скважине [1]. Устройство для герметизации таких узлов состоит из охранного кожуха в виде цилиндра, головки, устанавливаемой в верхней части кожуха, и пробки (наконечника), устанавливаемой в его нижней части. Головка и наконечник имеют одинаковую конструкцию посадочных поверхностей и соединяются с кожухом при помощи резьбовых соединений. Герметизация посадочных поверхностей выполняется уплотнительными резиновыми кольцами, которые устанавливаются в кольцевых проточках (канавках) посадочной поверхности головки и наконечника.

Различают охранные кожухи следующих типов: с завинчивающейся головкой, с завинчивающейся накидной гайкой, с завинчивающейся накидной гайкой и составной головкой. В зависимости от указанного типа кожуха при свинчивании вращаются уплотнительные кольца и внутренняя часть прибора (шасси), либо головка поступательно продвигается в трубу кожуха, при этом уплотнительные кольца и шасси не вращаются.

Головка скважинного прибора служит для механического и электрического соединения геофизических скважинных приборов или каротажных зондов с грузонесущим геофизическим кабелем.

Поверхность уплотнительных резиновых колец выполняется гладкой, без заусениц, трещин, пузырей и посторонних включений.

Недостатком конструкций описанного устройства является то, что исполнение их на высокое гидростатическое давление требует увеличения толщины стенки охранного кожуха, что очень затрудняет проектирование механизмов, узлов и деталей электрической схемы в условиях уменьшающегося рабочего объема прибора. Это обстоятельство является существенным, особенно для приборов, включающих датчики магнитного поля: инклинометры, магнитометры, пластовые наклономеры и другие, для которых кожух изготавливается из немагнитных материалов, например алюминиевых или титановых сплавов. Невысокие прочностные свойства этих материалов (σ = 40-60 кгс/мм²) не позволяют эффективно защитить от сминающего гидростатического давления внутреннюю полость скважинных приборов. В связи с этим они выполняются толстостенными на невысокое рабочее гидростатическое давление (60-100 МПа).

С целью защиты стенок охранного кожуха от сминающего давления, где это возможно, внутренние полости заполняются жидкостью, например минеральным маслом, находящимся под давлением, компенсирующим наружное гидростатическое давление [2].

Недостатком упомянутых конструкций охранного кожуха является то, что заполнение внутренних полостей жидкостью оказывает вредное влияние на качество работы электронной аппаратуры на высоких частотах, а также не позволяет использовать детали электронной аппаратуры (конденсаторы, полупроводниковые приборы и т.д.), которые не выдерживают компенсирующего давления.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для герметизации узлов скважинных приборов [3], принятое в качестве прототипа.

Устройство прототипа содержит головку с резиновыми уплотнительными кольцами, помещенными в канавки на цилиндрической части головки, служащей ее посадочной поверхностью, а также резьбовую деталь, являющуюся элементом резьбовой пары при работе с резьбой охранного кожуха герметизируемого узла и расположенную на участке между уплотнительными кольцами и вводимым в герметизируемый узел торцом головки. Резьбовая деталь представляет собой втулку с наружной резьбой и прорезанным с одной стороны продольным пазом. В месте установки резьбовой детали на головке имеется проточка с двумя лысками и буртами. При посадке резьбовой детали на головку плоскости паза ориентируются по плоскостям лысок и таким образом исключается возможность ее перемещения в осевом направлении, а также вращение относительно головки. Смещение резьбовой детали относительно головки возможно лишь в пределах имеющихся зазоров, превосходящих радиальные зазоры между посадочными поверхностями герметизируемого узла. В процессе герметизации головка ввинчивается в охранный кожух герметизируемого узла. При этом уплотнительные кольца выравнивают и запирают зазоры между посадочными поверхностями головки и кожуха.

Устройство прототипа по сравнению с аналогами обладает повышенной надежностью герметизации в скважинах с тяжелыми термобарическими условиями. Однако по конструкции кожуха и уплотнения практически не отличается от описанных аналогов, а следовательно, и обладает их недостатками, главным из которых является противоречие между толщиной стенки кожуха и рабочим объемом прибора для размещения электронной схемы и датчиков. В немагнитном или диэлектрическом исполнении устройство не обеспечивает эффективной защиты от сминающего высокого давления при высокой температуре. К уплотнительным резиновым кольцам конструкции прототипа предъявляются жесткие требования [1], а именно: - по физико-механическим показателям резина, применяемая для изготовления колец, должна соответствовать условиям эксплуатации; - поверхность колец должна быть гладкой, без заусениц, трещин, пузырей, посторонних включений; - облой по плоскости разъема прессформы должен быть тщательно удален без повреждения поверхности колец, при этом выступы облоя не должны быть более 0,1 мм на сторону. Утолщение колец в плоскости, перпендикулярной разъему прессформы, не должно быть более 0,15 мм сверх установленных допусков на сечение колец; - отклонения от геометрической формы сечения колец (смещение по плоскости разъема прессформы и др.) не должны выходить за пределы допускаемых отклонений по диаметру сечения кольца.

Кроме того, статистика показывает, что после пребывания в предельных условиях по давлению и температуре кольца принимают форму канавки и должны быть заменены для исключения прорыва, т.е. многократное использование колец в предельных условиях эксплуатации не допускается.

Как видно, жесткость технических требований и невозможность многократного использования уплотнительных резиновых колец, помещенных в канавки между посадочными поверхностями, увеличивают трудоемкость изделия в процессе изготовления и не обеспечивают высокой надежности при эксплуатации в предельных условиях.

Устройство прототипа не может быть использовано для реализации индукционного или электромагнитного зонда.

Целью изобретения является повышение надежности устройства для герметизации узлов электронной схемы и зондов скважинных приборов в повышенных термобарических условиях их эксплуатации и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для герметизации узлов скважинных приборов, содержащее жесткий охранный кожух в виде цилиндра с внутренними посадочной и резьбовой поверхностями, установленную в нем с зазором головку с наружной посадочной поверхностью, элемент резьбовой пары для соединения с кожухом, выполненный в виде резьбовой втулки, фиксированной от осевого смещения и установленной с радиальным зазором в проточке головки, составной уплотняющий элемент, включающий в себя резиновое кольцо, установленное в проточке головки, эластичный рукав с посадочными втулками на концах с внешней стороны, снабжено высокопрочными втулками с большим пределом текучести и установленными между ними плоскими колечками с меньшим пределом текучести, при этом составной уплотняющий элемент выполнен в виде эластичного непроницаемого для промывочных жидкостей рукава, натянутого поверх высокопрочных втулок с плоскими колечками, и установлен вместе с ними внутрь охранного кожуха так, что под воздействием резьбовой пары и гидростатического давления головка торцевой поверхностью упирается в плоское колечко крайней высокопрочной втулки с зазором между выступом головки и посадочным кольцом, торец эластичного рукава упирается в кольцевую проточку в выступе головки, при этом внутренняя поверхность эластичного рукава контактирует с резиновым кольцом и наружной посадочной поверхностью головки, образуя беззазорное уплотненное посадочное соединение головки и кожуха, а в кожухе выполнено отверстие или отверстия для передачи гидростатического давления промывочной жидкости на внешнюю поверхность эластичного рукава.

С целью обеспечения работы приборов, требующих немагнитного окружения датчиков, высокопрочные втулки могут быть выполнены из высокопрочной керамики, высокопрочных титановых или иных немагнитных материалов, а остальные детали - из немагнитных материалов с меньшей прочностью.

С целью обеспечения работы зондовой части скважинного индукционного прибора все элементы конструкции, кроме головки, могут быть изготовлены из непроводящего электрический ток материала, а при изготовлении кожуха из немагнитного металла отверстие для передачи гидростатического давления выполнено непрерывным по всей его длине, например по спирали, и частично может быть заполнено диэлектриком.

С целью обеспечения работы зондов специального назначения, например радиоактивного каротажа, высокопрочные втулки могут быть изготовлены также составными в виде секторов из разнородных высокопрочных материалов, например керамики, титанового или других сплавов.

Заявителю известны и другие технические решения (аналоги), в которых имеются признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа.

Известен аналог [4] , содержащий компенсированный от давления кожух из эластичного рукава, изготовленного из толстостенного фторопласта. Внутри этого кожуха размещен зонд скважинного индукционного прибора, а полость залита минеральным маслом. На конце эластичного рукава насажена металлическая втулка. Металлическая головка своей посадочной поверхностью с уплотнительными резиновыми кольцами устанавливается внутрь рукава под этой металлической втулкой, при этом элемент резьбовой пары выполнен также внутри эластичного рукава под этой втулкой. Зазор между посадочной поверхностью головки и посадочной поверхностью эластичного рукава уплотняется за счет резиновых колец. Объем внутренней полости, залитой минеральным маслом, и прочность эластичного рукава рассчитаны так, чтобы температурное расширение масла компенсировалось расширением эластичного рукава без нарушения его сплошности.

Как видно, в конструкции аналога, так же как и в заявляемом устройстве, имеются аналогичные элементы: эластичный рукав, металлическая втулка на конце эластичного рукава с внешней его стороны, посадочная поверхность эластичного рукава с внешней его стороны, посадочные поверхности эластичного рукава и головки под металлической втулкой, уплотнительные резиновые кольца. Однако функциональное назначение их иное. Так, эластичный рукав в данной конструкции служит в качестве термобарокомпенсатора, а не уплотняющего элемента. Резиновые кольца здесь выполняют роль уплотняющего (герметизирующего) элемента, металлическая втулка на конце рукава используется для придания жесткости этой части рукава, создания внутренней его поверхности и для обеспечения работы внешней резьбовой пары. Кожух из эластичного рукава как гибкий элемент обладает рядом недостатков. Он ухудшает стабильность индукционного зонда, который не должен изменять взаимного геометрического положения генераторных и измерительных катушек. Кроме того, гибкий кожух в виде эластичного рукава ненадежен в эксплуатации, так как не защищает внутренние части прибора от ударов и может повреждаться острыми металлическими и абразивными предметами. В таком кожухе нельзя разместить элементы электронной схемы, узлы и детали, не предназначенные для работы под воздействием высокого давления.

Известен аналог [5] - кожух зондовой части скважинного индукционного прибора, содержащий ряд полых керамических цилиндров, расположенных встык, два переходника, расположенных встык с обоих концов ряда керамических цилиндров, наружный пластмассовый цилиндр, выполненный из волокнистого наполнителя и связующего, снабженный фиксаторами, выполненными в виде штырьков, повышающих прочность кожуха на изгиб. Фиксаторы расположены в глухих отверстиях на наружных поверхностях концов переходников, при этом предварительно напряженный волокнистый наполнитель размещен вдоль оси кожуха и закреплен фиксаторами.

Как видно, устройство этого аналога сходно с заявляемым. Так же как и заявляемое оно имеет полые керамические цилиндры, которые могут рассматриваться в качестве высокопрочных втулок, служащих для защиты от сминающего гидростатического давления в скважине. Конструкция кожуха жесткая. Однако жесткость устройства достигнута за счет штыревых фиксаторов, волокнистого наполнителя и связующего - эпоксидной композиции.

К недостаткам его относятся высокая трудоемкость изготовления, значительным диаметр за счет штырей с внешней стороны керамических цилиндров, наполнителя и пластмассового цилиндра, а также невысокая надежность герметизации в скважинах с повышенными термобарическими условиями. Керамика, пластмасса, волокнистый наполнитель с затвердевшим связующим имеют различные коэффициенты объемного расширения и в связи с этим при воздействии значительных перепадов температуры и гидростатического давления кожух растрескивается и теряет герметичность. К недостаткам кожуха следует отнести и его узкие функциональные возможности - только для размещения зонда индукционного прибора.

Таким образом заявитель считает, что предлагаемое устройство позволяет получить новый эффект, выражающийся в повышении надежности герметизации и защите от сминающего гидростатического давления в скважинах с повышенными термобарическими условиями для более широкого класса скважинных приборов, включающих также измерение магнитных и электромагнитных полей, что неизвестно из мирового уровня техники.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит головку 1, резьбовую втулку 2, установленную в кольцевую проточку головки с радиальным зазором 3 и являющуюся элементом резьбовой пары при работе с резьбой 4 охранного цилиндра 5 кожуха с одним или несколькими отверстиями для прохода промывочной жидкости, эластичный рукав 6, посадочную втулку 7, стопорное кольцо 8, высокопрочные втулки 9 с плоскими колечками 10, имеющими меньший предел текучести по сравнению с высокопрочными втулками 9. Эластичный рукав натянут поверх высокопрочных втулок и плоских колечек, охватывая их снаружи. Головка имеет дополнительную торцевую кольцевую проточку 11 в кольцевом выступе 12 над наружной (внешней) посадочной поверхностью 13 головки, а также кольцевую проточку 14 с резиновым уплотнительным кольцом 15. Посадочные поверхности - внешняя головки, внутренняя и наружная эластичного рукава, а также посадочная поверхность 16 охранного кожуха и резиновое уплотнительное кольцо 15 находятся в месте расположения посадочной втулки по направлению к оси прибора.

Установка эластичного рукава, натянутого на высокопрочные втулки, с размещенной на нем посадочной втулкой производится в кожух по посадочной поверхности кожуха и посадочной втулки. При свинчивании резьбовой пары головка 1 по своей посадочной поверхности поступательно вдвигается в посадочную внутреннюю поверхность рукава 6 до упора в крайнее плоское колечко перед высокопрочной втулкой, выбирая зазоры между высокопрочными втулками 9 и плоскими колечками 12, при этом торец эластичного рукава упирается в торцевую кольцевую проточку 11, распирает коническую внутреннюю поверхность концевой части эластичного рукава под посадочным кольцом, создавая герметичное уплотнение по посадочной поверхности головки, при этом дополнительная герметизация при малом гидростатическом давлении или его отсутствии создается за счет уплотнения натягом резьбового соединения резинового уплотнительного кольца 15, контактирующего с проточкой 14 головки и внутренней поверхностью эластичного рукава. При высоком гидростатическом давлении (более 10 МПа) промывочная жидкость, находящаяся в буровой скважине, через отверстия в охранном кожухе воздействует на эластичный рукав, при этом герметизация осуществляется за счет уплотнения концов эластичного рукава между поверхностями посадочной втулки и головки.

Изготовлен опытный образец скважинного наклономера с кожухом, в котором использовано заявляемое техническое решение устройства герметизации узлов прибора. Проведены приемочные испытания, которые показали надежность конструкции в повышенных термобарических условиях.

Источники информации 1. Альбом нормалей на элементы конструкций скважинных приборов и на соединительные устройства. МГ СССР, ВНИИГеофизика, ОКБ ГП Главгеологии УССР, М., 1965 г. ОСТ НГ-100-64 - НГ-106-640 П.

2. Авторское свидетельство СССР 1283363, кл. Е 21 В 47/00, 1987 г. Девятов А. Ф. , Ширяев А.А., Дмитриев А.Н. "Компенсированный охранный кожух скважинного прибора".

3. Авторское свидетельство СССР 1283362, кл. Е 21 В 47/00, 1987 г. Д.В. Белоконь, М. Х. Гофман, А. Ф. Девятов, П.Д.Резник, З.В.Хирман и А.А.Ширяев "Устройство для герметизации узлов скважинных приборов" (прототип).

4. Патент US 2857451. Кожух для скважинных приборов.

5. Авторское свидетельство СССР 1242603, кл. Е 21 В 47/00, 07.07.86. 25. А. И. Анфитов, К. Л.Санто, Г.Я.Каган "Кожух зондовой части скважинного индукционного прибора (его варианты)".

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации узлов скважинных приборов, содержащее жесткий охранный кожух в виде цилиндра с внутренними посадочной и резьбовой поверхностями, установленную в нем с зазором головку с наружной посадочной поверхностью, элемент резьбовой пары для соединения с кожухом, выполненный в виде резьбовой втулки, фиксированной от осевого смещения и установленной с радиальным зазором в проточке головки, и составной уплотняющий элемент, включающий резиновое уплотнительное кольцо, установленное в проточке головки, отличающееся тем, что оно снабжено высокопрочными втулками с большим пределом текучести и установленными между ними плоскими колечками с меньшим пределом текучести, а составной уплотняющий элемент выполнен в виде эластичного, не проницаемого для промывочной жидкости рукава, натянутого поверх высокопрочных втулок с плоскими колечками, с посадочными втулками на концах с внешней его стороны, и установленного вместе с ними внутрь кожуха так, что под воздействием резьбовой пары и гидростатического давления головка торцевой поверхностью упирается в плоское колечко крайней высокопрочной втулки с зазором между выступом и посадочным кольцом, торец эластичного рукава упирается в кольцевую проточку в выступе головки, при этом внутренняя поверхность эластичного рукава контактирует с резиновым уплотнительным кольцом и наружной посадочной поверхностью головки, образуя беззазорное уплотненное посадочное соединение головки и кожуха, а в кожухе выполнено отверстие или отверстия для передачи гидростатического давления на внешнюю поверхность эластичного рукава.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высокопрочные втулки выполнены из высокопрочной керамики, высокопрочных титановых или иных высокопрочных немагнитных материалов, а остальные детали устройства - из немагнитных материалов с меньшей прочностью.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что все элементы конструкции, кроме головки, изготовлены из не проводящих электрический ток материалов, при этом кожух может быть изготовлен из немагнитного металла.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что кожух изготовлен из немагнитного металла с отверстием для передачи гидростатического давления, непрерывным по всей его длине, например по спирали, при этом большая часть его может быть заполнена диэлектриком.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что высокопрочные втулки изготовлены составными в виде секторов из разнородных высокопрочных материалов, например керамики, титанового или других сплавов, с установленными между ними по контактирующим поверхностям плоскими прокладками из материала с меньшим пределом текучести.

РИСУНКИ

Рисунок 1