Стопорное устройство для скважинного оборудования, спускаемого на колонне труб

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для закрепления технологических средств наружной оснастки на колонне труб, спускаемой в скважину. Техническим результатом является повышение надежности работы стопорного устройства путем увеличения усилия страгивания. Стопорное устройство содержит муфту в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой и радиальными отверстиями для ввода в проточку стопорного элемента, выполненного в виде одностороннего клина с фиксирующими ребрами, имеющими в сечении треугольную форму. При этом кольцевая проточка муфты выполнена в сечении в виде дуги и превышает по ширине радиальное отверстие, расположенное в середине проточки. Поверхность, обратная наклонной плоскости клина, выполнена в поперечном сечении в виде дуги с радиусом меньшим, чем радиус кольцевой проточки муфты на величину от 2 до 5%. Стопорный клин выполнен с выборкой на утолщенном конце клина с дугообразной в сечении стороной, а размеры ее по длине и толщине не превышают 20% соответствующих размеров клина. Радиальные отверстия для ввода в проточку муфты стопорного элемента выполняют под углом 45÷90° к образующей наружной поверхности муфты. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для закрепления технологических средств для наружной оснастки на колонне труб, спускаемой в скважину.

Известен стопорный элемент для закрепления центраторов к обсадной колонне (см. руководящий документ АО "Татнефть", РД 39-0147585-152-97, введенной в действие с 01.01.98 г.), представляющий из себя болт с заостренным концом, ввинчиваемый в отверстие с резьбовой нарезкой в стопорной муфте или муфтовой части спускаемого в скважину оборудования.

Известно стопорное устройство для скважинного оборудования, спускаемого на колонне труб (см. тот же источник - РД 39-0147535-152-97 АО "Татнефть"), содержащее муфту в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой и радиальными отверстиями для ввода в упомянутую проточку, после установки кольца на трубе колонны витого стопорного элемента с выполненными на нем фиксирующими ребрами.

Известно также стопорное устройство для скважинного оборудования, спускаемого на колонне труб (см. Патент РФ №2190079, МПК7 Е21В 19/00, 17/10), содержащее муфту в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой и радиальными отверстиями для ввода в проточку стопорного элемента с выполненными на нем фиксирующими ребрами, при этом корпус стопорного элемента выполнен в виде одностороннего клина, а его фиксирующие ребра - в виде канавок и выступов, имеющих в сечении треугольную форму, выполненных в продольном направлении со стороны наклонной плоскости, при этом стопорный элемент изготовлен из гибкого металла с фиксирующими ребрами по твердости большими, чем материал труб.

Это устройство по технической сущности более близко к предлагаемому и может быть принято в качестве прототипа.

Общим недостатком как аналогов, так и прототипа является недостаточная надежность фиксирования технологической оснастки при больших знакопеременных нагрузках, поскольку фиксирующие ребра имеют ограниченную сопрягаемую поверхность с телом трубы и ограниченное радиальное усилие контакта с наружной поверхностью обсадной колонны, вследствие чего на практике имеются случаи смещения с места установки фиксируемого оборудования в процессе спуска колонны труб в скважину.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы стопорного устройства путем увеличения усилия страгивания закрепленных центраторов.

Поставленная задача решается описываемым стопорным устройством, содержащим муфту в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой и радиальными отверстиями для ввода в проточку стопорного элемента, выполненного в виде одностороннего клина с фиксирующими ребрами в виде канавок и выступов, имеющих в сечении треугольную форму, выполненных в продольном направлении со стороны наклонной плоскости.

Новым в настоящем изобретении является то, что кольцевая проточка муфты выполнена в сечении в виде дуги и превышает по ширине радиальное отверстие, расположенное в середине проточки, причем поверхность, обратная наклонной плоскости клина, выполнена в поперечном сечении в виде дуги с радиусом меньшим, чем радиус кольцевой проточки муфты на величину от 2 до 5%.

Новым является также и то, что стопорный клин выполнен с выборкой на утолщенном конце клина с дугообразной в сечении стороны, а размеры ее по длине и толщине не превышают 20% соответствующих размеров клина.

Угол заострения клина определяют из следующей формулы

где α - угол заострения стопорного клина, в град.;

Dmax - максимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;

Dmin - минимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;

L - длина стопорного клина, мм.

Радиальные отверстия для ввода в проточку муфты стопорного элемента выполнены под углом 45÷90° к образующей наружной поверхности муфты и рассчитаны по формуле

где β - угол наклона клина к образующей наружной поверхности муфты, в град.;

В - ширина проточки ограничительной муфты, мм;

L - длина стопорного клина, мм.

Патентные исследования по определению технического уровня и на новизну проводились по патентному фонду института "ТатНИПИнефть" на глубину 20 лет.

Результаты патентных исследований показали, что стопорные устройства, аналогичные предложенному, имеющему такую совокупность существенных отличительных признаков, не обнаружены, что позволяет сделать заключение о соответствии его требованиям "новизна".

Приведенные чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 показана муфта в виде кольца, где видны кольцевая проточка в разрезе, а также радиальное отверстие для ввода в проточку стопорного элемента;

на фиг.2 изображен стопорный элемент в виде одностороннего клина;

на фиг.3 - то же что на фиг.2. Вид со стороны фиксирующих ребер;

на фиг.4 - сечение по Б-Б фиг.3, где видны фиксирующие ребра;

на фиг.5 - сечение по А-А фиг.1, где видно радиальное отверстие муфты, на торцах которого со стороны ввода клиньев выполнены направляющие фаски.

Заявляемое стопорное устройство содержит муфту 1 (см. фиг.1), выполненную в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой 2 в сечении в виде дуги и радиальными отверстиями 3 для ввода в проточку стопорного элемента 4, выполненного в виде одностороннего клина, с фиксирующими ребрами 5 в виде канавок и выступов (см. фиг.2 и 3), имеющих в сечении треугольную форму, выполненных в продольном направлении со стороны наклонной плоскости 6. Кольцевая проточка 2 муфты 1 превышает по ширине радиальное отверстие 3, которое расположено в середине проточки и в количестве не менее двух. При этом поверхность 7, обратная наклонной плоскости 6 клина, выполнена в поперечном сечении в виде дуги с радиусом r меньшим, чем радиус R кольцевой проточки муфты. Причем на утолщенном конце стопорного клина с дугообразной в сечении стороны выполнена выборка 8, а радиус r дуги поверхности 7 клина выполнен меньшим, чем радиус R кольцевой проточки муфты 1 на величину до 5%. Угол α заострения клина можно определить из следующей формулы

где α - угол заострения стопорного клина, в град.;

Dmax - максимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;

Dmin - минимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;

L - длина стопорного клина, мм,

а радиальные отверстия для ввода в проточку муфты 1 стопорного элемента 4 выполняют под углом β=45÷90° к образующей наружной поверхности муфты, и их можно рассчитать по формуле

где β - угол наклона клина к образующей наружной поверхности муфты, в град.;

В - ширина проточки ограничительной муфты, мм;

L - длина стопорного клина, мм.

Стопорный элемент изготавливают из гибкого металла с фиксирующими ребрами, по твердости большими, чем материал трубы, на котором закрепляют технологическую оснастку (центраторы, турбулизаторы и т.д.).

Стопорное устройство работает следующим образом.

Сначала муфту 1 надевают на спускаемую трубу (не изображена) в необходимом месте и закрепляют ее с помощью стопорных элементов 4. Для этого через радиальные отверстия 3, сообщающие наружное пространство с кольцевой проточкой 2, вводят острый конец стопорного элемента, направив его наклонную плоскость 6 с фиксирующими ребрами 5 под углом к поверхности трубы. Затем ударами молотка стопорные элементы 4 последовательно забивают до полного их утопления через радиальные отверстия 3 в кольцевую проточку 2 в противоположных направлениях. При этом фиксирующие ребра 5 по мере движения в заданном направлении, прогибаясь по окружности кольцевой проточки, охватывают наружную поверхность трубы, врезаясь в ее тело, а выборка на утолщенном конце клина, за счет упругости последнего, врезаясь в кольцевую проточку, препятствует выходу и выпадению клина из проточки.

В процессе спуска колонны труб в скважину за счет трения наружной оснастки о стенки скважины муфта подвергается значительному осевому усилию, что может привести к частичному сдвигу ее относительно тела трубы и закрепленного на ней стопорного элемента, при котором происходит самозаклинивание клиньев, повышая надежность закрепления стопорного устройства, но при этом выпадение стопорных элементов из кольцевой проточки муфты во время работы, т.е. спуска колонны труб в скважину исключается, поскольку клинья с концевыми участками с выполненными выборками упираются на ограничительные уступы 9 (см. фиг.1), образованные при выполнении кольцевой проточки.

Далее в процессе работы сначала сдвигается относительно муфты конец стопорного клина, имеющий меньшую толщину, и занимает наклонное положение, при котором радиальные усилия, прижимающие клин к обсадной колонне, выравниваются по всей его длине. Затем происходит равномерный осевой сдвиг всего клина относительно муфты. Вследствие этого усилия, прижимающие стопорные клинья к стенке обсадной трубы, а следовательно, и осевая нагрузка, выдерживаемая крепежным узлом, кратно увеличиваются за счет самозаклинивающегося эффекта.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем.

Такое выполнение конструкции стопорного устройства позволяет кратно повысить надежность закрепления оборудования на спускаемой в скважину колонне труб, что обеспечивает точную установку его в заданном интервале скважины и позволяет избежать аварийных ситуаций.

На дату подачи заявки устройство изготовлено и испытано в промысловых условиях ОАО «Татнефть». Результаты испытаний положительные.

1. Стопорное устройство для скважинного оборудования, спускаемого на колонне труб, содержащее муфту в виде кольца с внутренней кольцевой проточкой и радиальными отверстиями для ввода в проточку стопорного элемента, выполненного в виде одностороннего клина с фиксирующими ребрами в виде канавок и выступов, имеющих в сечении треугольную форму, выполненных в продольном направлении со стороны наклонной плоскости, отличающееся тем, что кольцевая проточка муфты выполнена в сечении в виде дуги и превышает по ширине радиальное отверстие, расположенное в середине проточки, причем поверхность обратная наклонной плоскости клина выполнена в поперечном сечении в виде дуги с радиусом меньшим, чем радиус кольцевой проточки муфты на величину от 2 до 5%.

2. Стопорное устройство по п.1, отличающееся тем, что стопорный клин выполнен с выборкой на утолщенном конце клина с дугообразной в сечении стороны, а размеры ее по длине и толщине не превышают 20% соответствующих размеров клина.

3. Стопорное устройство по п.1, отличающееся тем, что угол заострения клина определяют из следующей формулы

где α - угол заострения стопорного клина, град.;
Dmax - максимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;
Dmin - минимальный диаметр проточки ограничительной муфты, мм;
L - длина стопорного клина, мм.

4. Стопорное устройство по п.3, отличающееся тем, что радиальные отверстия для ввода в проточку муфты стопорного элемента выполнены под углом 45÷90° к образующей наружной поверхности муфты и рассчитаны по формуле
,
где β - угол наклона клина к образующей наружной поверхности муфты, град.;
В - ширина проточки ограничительной муфты, мм,
L - длина стопорного клина, мм.