Устройство для герметизации каната

 

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к герметизации подвижных элементов при использовании кабельно-контейнерных технологий, и может быть использовано для герметизации подвижного каната на устье скважин. Устройство для герметизации каната содержит корпус с узлом крепления, уплотнитель с упругой оболочкой, мультипликатор, соединенный трубкой с внутренней полостью упругой оболочки. Устройство для обеспечения герметизации подвижного каната снабжено дополнительным мультипликатором и дополнительным уплотнителем с дополнительной упругой оболочкой, соединенной трубкой с дополнительным мультипликатором. Уплотнители оснащены сменными уплотнительными элементами, которые внутренней поверхностью охватывают подвижный канат, а снаружи взаимодействуют с соответствующими упругими оболочками уплотнителей. Мультипликатор, находящийся под воздействием скважинного давления, оснащен усилителем, состоящим из цилиндра с поршнем. Дополнительный мультипликатор и усилитель мультипликатора находятся под воздействием внешнего регулировочного давления, а рабочие объемы каждого мультипликатора, которые сообщаются с соответствующими упругими оболочками уплотнителей, не превышают соответствующий им начальный объем сменного уплотнительного элемента. Каждый мультипликатор снабжен индикатором износа взаимодействующего с ним сменного уплотнительного элемента, выполненного в виде указателя положения поршня мультипликатора. Между уплотнителями размещена полость с дренажным каналом для сбора и удаления жидкости. При необходимости количество дополнительных уплотнений с дополнительными упругими оболочками со сменными уплотнительными элементами и соответствующих им дополнительных мультипликаторов может быть более одного каждого. Использование предлагаемой конструкции устройства дает возможность изоляции подвижных гибких носителей со сложной изолируемой поверхностью (например, канат), упрощение и удешевление обслуживания конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к уплотнительной технике, в частности к герметизации подвижных элементов при использовании кабельно-контейнерных технологий, и может быть использовано для герметизации подвижного каната на устье скважин при подъеме из них жидкости свабом.

Известно “Устройство для уплотнения подвижных и неподвижных элементов поршневых и плунжерных насосов” (см. А.с. СССР №227024, МКИ F 16 J 15/14, F 15 J 15/40, опубл. БИ №29 от 16.09.1968 г.), содержащее уплотнение, кольцевая камера которого заполнена сжатым газом, при этом с целью автоматического поддержания давления сжатого газа в кольцевой камере близким к давлению рабочей жидкости в цилиндре насоса кольцевая камера связана с гасителем пульсаций, заполненным сжатым газом и установленным на выходе из цилиндра.

Недостатками такой конструкции являются низкая надежность и сложность изготовления из-за использования сжатого газа, невозможность качественной герметизации при малых величинах давления герметизирующей среды, при этом в процессе работы нет возможности контроля процесса износа уплотнительных элементов.

Также известен “Сальник для уплотнения штока насоса” (см А.с. СССР №142529, МКИ F 16 J 15/40, опубл. БИ №21 от 1961 г.), состоящий из корпуса и пеньковой просаленной набивки, при этом с целью уплотнительной способности сальник снабжен резиновой втулкой, заделанной своими концами в корпусе и обжимаемой вместе с набивкой вокруг штока действием жидкости, подводимой из цилиндра насоса в кольцевые камеры с внешней стороны втулки.

Недостатками такой конструкции являются низкая надежность при герметизации подвижных элементов со сложной формой наружной поверхности особенно при малых величинах давления герметизируемой среды, сложность смены изношенных уплотнительных элементов - сальников, при этом в процессе работы нет возможности контроля процесса износа уплотнительных элементов при малых величинах давления герметизирующей среды.

Также известно “Уплотнение вала” (см. А.с. СССР, №723282, МКИ F 16 J 15/48, опубл. БИ №11 от 25.03.1980 г.), в расточке которого установлены уплотнительный элемент, охватывающий вал, и надувной эластичный кольцевой элемент, охватывающий уплотнительный элемент, при этом с целью повышения надежности и срока службы в расточке со стороны уплотняемой полости установлено упорное кольцо, взаимодействующее торцом с надувным эластичным элементом, причем в упорном кольце могут быть выполнены сквозные отверстия, соединяющие полость давления с торцом надувного эластичного элемента.

Недостатками такой конструкции являются низкая надежность при герметизации подвижных элементов со сложной формой наружной поверхности, особенно при малых величинах давления герметизируемой среды, сложность смены изношенных уплотнительных элементов, при этом в процессе работы нет возможности контроля процесса износа уплотнительных элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому известно “Водонепроницаемое уплотнение кабелей для объектов, работающих на малых и больших глубинах” (см. А.с. СССР, №153740, МКИ Н 01 В; Е 21 С 23/07, опубл. в БИ №7, 1963 г.), выполненное в виде сальника с упругой оболочкой, заполненной жировой смазкой, находящейся под воздействием забортного давления, при этом с целью обеспечения надежности уплотнения при небольших погружениях объекта применен мультипликатор, снабженный пружиной и соединенный трубкой с внутренней полостью уплотнения.

Недостатками такой конструкции являются сложность замены изношенных уплотнительных элементов, низкая надежность и долговечность работы из-за отсутствия возможности изменения степени увеличения давления поджима по мере износа уплотнителя, которая в известном устройстве жестко задается изначально соотношением диаметров ступеней поршня мультипликатора и остается в процессе работы устройства неизменной, при этом в процессе работы нет возможности контроля процесса износа уплотнительных элементов.

Целью изобретения является создание конструкции с возможностью изоляции подвижных гибких носителей со сложной изолируемой поверхностью, например канат, упрощение и удешевление обслуживания конструкции за счет простоты смены изнашиваемых элементов и визуального контроля за износом уплотнительных элементов, а также повышение надежности из-за невозможности контакта несменных элементов конструкции с подвижной уплотняемой поверхностью и долговечности его работы за счет внесения дополнительных уплотнительных элементов и возможности регулировки величины обжатия уплотняемой поверхности.

Поставленная цель достигается устройством для герметизации каната, содержащим корпус с узлом крепления, уплотнитель с упругой оболочкой, мультипликатор, соединенный трубкой с внутренней полостью упругой оболочки.

Новым является то, что устройство для обеспечения герметизации подвижного каната снабжено дополнительными мультипликатором и дополнительным уплотнителем с дополнительной упругой оболочкой, соединенной трубкой с дополнительным мультипликатором, при этом уплотнители оснащены сменными уплотнительными элементами, которые внутренней поверхностью охватывают подвижный канат, а снаружи взаимодействуют с соответствующими упругими оболочками уплотнителей, причем мультипликатор, находящийся под воздействием скважинного давления, оснащен усилителем, состоящим из цилиндра с поршнем, при этом дополнительный мультипликатор и усилитель мультипликатора находятся под воздействием внешнего регулировочного давления, а рабочие объемы каждого мультипликатора, которые сообщаются с соответствующими упругими оболочками уплотнителей, не превышают соответствующий им начальный объем сменных уплотнительных элементов, при этом каждый мультипликатор снабжен индикатором износа взаимодействующего с ним сменного уплотнительного элемента, выполненного в виде указателя положения поршня мультипликатора, причем между уплотнителями размещена полость с дренажным каналом для сбора и удаления жидкости.

Новым является также то, что количество дополнительных уплотнителей с дополнительными упругими оболочками со сменными уплотнительными элементами и соответствующих им дополнительными мультипликаторами может быть более одного каждого.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом устройстве, т.е. о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

На фиг.1 показано устройство для герметизации подвижного каната в рабочем положении;

на фиг.2 - устройство по фиг.1 в положении при замене сменных уплотнительных элементов.

Устройство для герметизации каната 1 содержит корпус 2 с узлом крепления 3, уплотнитель 4 с упругой оболочкой 5, мультипликатор 6, соединенный трубкой 7 с внутренней полостью 8 упругой оболочки 5. Устройство для обеспечения герметизации подвижного каната 1 снабжено дополнительным мультипликатором 9 и дополнительным уплотнителем 10 с дополнительной упругой оболочкой 11 с внутренней полостью 12, соединенной трубкой 13 с дополнительным мультипликатором 9. Уплотнители 4 и 10 оснащены сменными уплотнительными элементами 14 и 15, которые внутренней поверхностью 16 охватывают подвижный канат 1, а снаружи взаимодействуют с соответствующими упругими оболочками 5 и 11 уплотнителей 4 и 10. Мультипликатор 6, находящийся под воздействием скважинного давления Р_с, оснащен усилителем 17, состоящим из цилиндра 18 с поршнем 19, при этом дополнительный мультипликатор 9 и усилитель 17 мультипликатора 6 находятся под воздействием внешнего регулировочного давления Pp. Рабочие объемы V и V_д каждого мультипликатора 6 и 9, которые сообщаются с соответствующими упругими оболочками 5 и 11 уплотнителей 4 и 10, не превышают соответствующий им начальный объем V_c1 и V_c2 сменных уплотнительных элементов 14 и 15. Каждый мультипликатор 6 и 9 снабжен индикатором износа взаимодействующего с ним сменного уплотнительного элемента 13 и 14, выполненного в виде указателя положения 20 или 21 поршня 22 и 23 или 24 мультипликатора 6 или 9. Между уплотнителями 3 и 10 размещена полость 25 с дренажным каналом 26 для сбора и удаления жидкости. Количество дополнительных уплотнителей 10 с дополнительными упругими оболочками 11 со сменными уплотнительными элементами 15 и соответствующих им дополнительными мультипликаторами 9 может быть более одного каждого. От несанкционированных перетоков жидкости в устройстве предотвращают уплотнительные кольца 27, 28, 29, 30, 31 и 32.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии устройство (см. фиг.1) фиксируют узлом крепления 3 (см. фиг.1), состоящим из направляющих 34, 35, 36 и штифта 37, которые закрепляют в корпусе 2 сменные уплотнительные элементы 14 и 15. Поршни 19, 22, 23 и 24 устанавливают в исходном положении (крайнее нижнее положение на фиг.1). Внутренние полости 8 и 12 упругих оболочек 5 и 11 уплотнителей 4 и 9, трубки 7 и 13, а также рабочие объемы V и V_д мультипликаторов 6 и 9 и канал 33 для подачи регулировочного давления Р_р заполняют рабочей жидкостью, несжимаемой и незамерзающей во всем температурном диапазоне эксплуатации (например, трансформаторным маслом, жидкостью для гидросистем типа АМГ и др.). Устройство в собранном виде (фиг.1) устанавливают в верней части лубрикатора 38. К канату 1 присоединяют необходимое скважинное оборудование 39 (например, грузы, сваб) и вводят его в лубрикатор 38. Лубрикатор 38 герметично монтируют на буферном запорном органе устьевой арматуры скважины (не показано). Открывают буферный запорный орган, сообщая полость лубрикатора 38 со скважиной. Опускают на канате 1 сваба 39 в скважину и осуществляют процесс подъема из скважины жидкости периодическим погружением сваба 39 под уровень жидкости с последующим подъемом столба жидкости свабом 39. Для обеспечения герметичности и очистки каната от скважинной жидкости от источника переменного давления (насоса) подают по каналу 33 рабочую жидкость в мультипликатор 9 и усилитель 17 под давлением, минимально необходимым и достаточным для плотного обжатия уплотнительными элементами 14 и 15 каната 1. При возвратно-поступательном движении каната 1 он своей неровной поверхностью изнашивает прижатые к нему уплотнительные элементы 14 и 15. Объем уплотнительных элементов 14 и 15 уменьшается на величину износа. Рабочая жидкость из рабочих объемов V и V_д под давлением поршней 22 и 23 поступает во внутренние полости 8 и 12 упругих оболочек 5 и 11, которые, раздуваясь, деформируют изношенные уплотнительные элементы 14 и 15, плотно прижимая их внутренней поверхностью 16 к канату 1. По мере износа уплотнительного элемента 14 появляется утечка герметизируемой скважинной жидкости, которая собирается в полости 25 между уплотнительными элементами 14 и 15 и отводится по дренажному каналу 26 в сборную емкость (не показано). При увеличении утечки сверх допустимой величины или при пропуске герметизируемой среды в атмосферу через уплотнительный элемент 15 увеличивают величину регулировочного давления Р_р от источника переменного давления на минимально необходимую для восстановления герметичности величину. В случае возникновения в скважине избыточного давления Р_с вступает в работу мультипликатор 6. В результате давление во внутренней полости 8 упругой оболочки 5 и соответственно усилие поджима уплотнительного элемента 14 к поверхности каната 1 автоматически увеличивается (уменьшается) в соответствии с ростом (уменьшением) давления Р_с в скважине пропорционально отношению площадей поршней 22 и 23 мультипликатора 6. При необходимости усилие поджима уплотнительного элемента 14 может быть дополнительно увеличено путем увеличения давления под поршнем 19 усилителя от источника переменного давления. Благодаря жесткой связи поршней 22, 23 мультипликатора 6 и поршня 19 усилителя 17 обеспечивается сложение усилий, приложенных к поршню 23, и таким образом возможность управления работой устройства путем изменения величины давления источника переменного давления. Регулировка поджатия уплотнительного элемента 15 осуществляется при помощи дополнительного мультипликатора 9, коэффициент усиления которого определяется по формуле

где К - коэффициент усиления дополнительного мультипликатора 9;

Р_р - регулировочное давление;

D - диаметр поршня 24;

d - диаметр штока, который играет также роль указателя положения 21 поршня 24, дополнительного мультипликатора 9.

При отсутствии необходимости дополнительного усилия на уплотнительном элементе 15 шток 21 дополнительного мультипликатора 9 может играть роль только указателя положения 21 поршня 24 и имеет диаметр d значительно меньший, чем диаметр D поршня 24 дополнительного мультипликатора 9. В результате коэффициент усиления К дополнительного мультипликатора 9 принимаем равным единице, при этом дополнительный мультипликатор 9 играет роль индикатора износа сменного уплотнительного элемента 15 и защищает дополнительную упругую оболочку 11 от контакта с канатом 1. Уплотнительный элемент 15 при герметизации избыточного давления в скважине Р_с работает при существенно меньшем усилии поджима, чем уплотнительный элемент 14, поэтому он и изнашивается в существенно меньшей степени. Это обеспечивает повышение надежности и долговечности работы устройства в целом, поскольку при полном износе основного уплотнительного элемента 14 изношенный в меньшей степени уплотнительный элемент 15 может быть использован как основной путем увеличения до необходимой величины регулировочного давления _р в канале 33. Поскольку изменение объема уплотнительного элемента 15 при его износе компенсируется подачей в упругие оболочки 5 и 11 регулировочного давления Р_р рабочей жидкости, то уплотнительный элемент 15 может оставаться работоспособным при большой величине износа. Для предотвращения полного износа уплотнительных элементов 14 и 15 при работе устройства и предохранения упругих оболочек 5 и 11 от контакта с поверхностью каната рабочие объемы V и V_д каждого мультипликатора 6 и 9, которые сообщаются с соответствующими упругими оболочками 5 и 11 уплотнителей 4 и 10, не превышают соответствующий им начальный объем V_c1 и V_c2 сменных уплотнительных элементов 14 и 15. При достижении заданной предельно допустимой степени износа уплотнительного элемента рабочая жидкость из полости V (V_д) полностью перетекает в соответствующую внутреннюю полость 8 (12) упругих оболочек 5 (11), поршень 23, (24) доходит в мультипликаторе 6 (9) до упора и подача рабочей жидкости во внутреннюю полость 8 (12) упругих оболочек 5 (11), а следовательно, и его дальнейшая деформация прекращается. Постоянный контроль за состоянием уплотнительных элементов 14 и 15 (степенью износа) при работе устройства осуществляют визуально по величине выхода соответствующих указателей положения поршня 20 и 21 из мультипликаторов 6 и 9. Возможность постоянного контроля состояния уплотнительных элементов 14 и 15 обеспечивает высокую надежность работы устройства, поскольку позволяет своевременно принять меры к замене изношенных уплотнительных элементов 14 и 15, не допуская неожиданной разгерметизации устья скважины. При необходимости замену сменных уплотнительных элементов 14 и 15 и 22 осуществляют следующим образом. Скважинное оборудование 39 вводят в лубрикатор 38. Буферный запорный орган (не показан) закрывают, давление в полости лубрикатора 38 выравнивают с атмосферным. Штифты 37 извлекают из корпуса 2, после чего осуществляют движение каната 1 вверх до выхода из корпуса 2 (см. фиг.2) вместе с канатом 1 сменных уплотнительных элементов 14 и 15 с направляющими 34, 35 и элементов 14 и 15 с направляющими 34, 35 и направляющей 36, в которую упирается скважинное оборудование 39. Последующая замена уплотнительных элементов 14 и 15, благодаря продольному разрезу 40, не представляет труда. Сборку устройства после замены уплотнительных элементов 14 и 15 осуществляют в обратном порядке и устройство готово к последующей эксплуатации.

При использовании устройства в тяжелых технологических режимах (например, в скважинах с высоким внутрискважинным давлением) или в местах, где требуется соблюдение высоких экологических требований (например, вблизи населенных пунктов), количество дополнительных уплотнений 10 (см. фиг.1) с дополнительными упругими оболочками 11 со сменными уплотнительными элементами 15 и соответствующих им дополнительными мультипликаторами 9, которые регулируют степень обжатия уплотнительными элементами 15 каната 1, может быть более одного каждого.

Использование предлагаемой конструкции устройства дает возможность изоляции подвижных гибких носителей со сложной изолируемой поверхностью (например, канат), упрощение и удешевление обслуживания конструкции за счет простоты смены изнашиваемых элементов и визуального контроля за износом уплотнительных элементов, а также повышение надежности из-за невозможности контакта несменных элементов конструкции с подвижной уплотняемой поверхностью и долговечности его работы за счет внесения дополнительных уплотнительных элементов и возможности регулировки величины обжатия уплотняемой поверхности. При этом отсутствие возможности контакта атмосферы и прилегающей территории с жидкостью, извлекаемой из скважины, позволяет улучшить экологическую обстановку вокруг скважин, использующих для подъема жидкости свабы.

Формула изобретения

1. Устройство для герметизации каната содержит корпус с узлом крепления, уплотнитель с упругой оболочкой, мультипликатор, соединенный трубкой с внутренней полостью упругой оболочки, отличающееся тем, что устройство для обеспечения герметизации подвижного каната снабжено дополнительным мультипликатором и дополнительным уплотнителем с дополнительной упругой оболочкой, соединенной трубкой с дополнительным мультипликатором, при этом уплотнители оснащены сменными уплотнительными элементами, которые внутренней поверхностью охватывают подвижный канат, а снаружи взаимодействуют с соответствующими упругими оболочками уплотнителей, причем мультипликатор, находящийся под воздействием скважинного давления, оснащен усилителем, состоящим из цилиндра с поршнем, при этом дополнительный мультипликатор и усилитель мультипликатора находятся под воздействием внешнего регулировочного давления, а рабочие объемы каждого мультипликатора, которые сообщаются с соответствующими упругими оболочками уплотнителей, не превышают соответствующий им начальный объем сменного уплотнительного элемента, при этом каждый мультипликатор снабжен индикатором износа взаимодействующего с ним сменного уплотнительного элемента, выполненного в виде указателя положения поршня мультипликатора, причем между уплотнителями размещена полость с дренажным каналом для сбора и удаления жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество дополнительных уплотнений с дополнительными упругими оболочками со сменными уплотнительными элементами и соответствующих им дополнительными мультипликаторами может быть более одного каждого.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2