УСТЬЕВОЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

 

Непосредственно на устье скважины и над ним устанавли­вают оборудование, обеспечивающее выполнение работ с ко­лонной гибких труб при соблюдении правил безопасности. К этим устройствам относятся превентор, герметизатор устья сква­жины, транспортер с направляющей дугой и его основание.

ПРЕВЕНТОР

 

Назначение превентора - это обеспечение безопасности в процессе ведения работ при возникновении нештатных си­туаций. Под последними подразумевают аварийную потерю работоспособности основных устройств агрегата - транспор­тера и герметизатора, а также внезапные проявления скважи­ны - выбросы и фонтанирование.

Превентор должен включать секции, которые позволяют удерживать колонну гибких труб, перерезать ее, обеспечивать герметизацию полости скважины по всему ее поперечному сечению и при обжатии гибкой трубы плашками. Для этого применяют четырехсекционные превенторы, включающие сек­ции с клиновыми захватами тр> убы, обжимающими послед­нюю, и секцию со срезающими и глухими плашками.

Учитывая малую вероятность в необходимости использо­вания превентора, можно применять конструкцию с ручным приводом плашек. Однако использование комбинированных приводов - ручного и гидравлического - позволяет повысить комфортность управления агрегатом.

Превентор является изделием, широко применяющимся при бурении и добыче нефти и газа.

Ниже превентора устанавливают тройник, обеспечиваю­щий закачку технологической жидкости в кольцевое про­странство между колоннами КГТ и НКТ (или эксплуатаци­онной колонной). Этот же тройник используют для отвода отработанной жидкости.

 

ГЕРМЕТИЗАТОР УСТЬЯ СКВАЖИНЫ

 

Основное назначение герметизатора - это изоляция внут­ренней полости скважины и колонны лифтовых труб от внешней среды. При этом в изолируемых полостях могут на­ходиться под давлением 16 - 20 МПа продукция скважины (нефть, газ, вода), технологическая жидкость, используемая при обработке скважины (соляной раствор, жидкость на неф­тяной основе, растворы кислот), а также твердые включения (песок, окалина, частицы парафина). В процессе работы ком­плекса оборудования при выполнении технологических опе­раций в скважине и спуске или подъеме трубы КГТ соответ­ственно перемещается со скоростью 0, 01 - 0, 05 и 0, 4 - 1 м/с. В любом случае герметизатор должен исключать утечки в зазоре между его корпусом и поверхностью гибких труб.

Кроме того, герметизатор устья служит для пропуска в полость скважины инструментов и приборов, наружный диа­метр которых превышает наружный диаметр трубы в 1, 2 -1, 5 раза.

Условия эксплуатации агрегатов предопределяют оператив­ное управление герметизатором в зависимости от величины давления в полости скважины.

Но самым важным требованием является надежная работа уплотнительного элемента, в частности, обеспечение его ра­ботоспособности как при штатном режиме функционирова­ния агрегата, так и при отказе или остановке каких-либо сис­тем, например, при внезапной остановке приводного двигате­ля и последующей паузе при его запуске (или ремонте).

С учетом всех перечисленных требований герметизатор выполняют в виде контактного уплотнения с использованием в качестве уплотнительного элемента втулки из эластомера. Материалом для создания герметизатора служит маслобензоизносостойкая резина или полиуретан. Уплотнение осущест­вляют с принудительным поджимом к уплотняемой поверх­ности, для чего используют гидравлический привод, которым управляют из кабины оператора агрегата.

Один из вариантов схемы герметизатора приведен на рис. 3.1. Он включает корпус 7, в нижней части которого распо­ложен уплотнительный элемент 6. Выше него находится при­водной гидроцилиндр 4 диаметром D, полый шток 3 которого перемещается поршнем 2.

Рисунок 3.1 - Схема герметизатора устья с осевым расположением

Приводного цилиндра

 

Колонна гибких труб 1 проходит через полый шток 3, цен­трируется направляющей втулкой 5 и взаимодействует с уплотнительным элементом. Для установки нового и извлече­ния Изношенного уплотнительного элемента в нижней части корпуса предусмотрен затвор 8, положение которого относи­тельно корпуса фиксируется посредством упорной резьбы или байонетного соединения. Для крепления герметизатора на превенторе имеется фланец 9.

Описанная конструкция герметизатора наиболее проста, но ее недостатки - это значительные осевые габариты и су­щественная масса. Однако они компенсируются высокой на­дежностью и удобством обслуживания.

При необходимости повышения герметизирующей способ­ности уплотнительного элемента в процессе его работы в по­лости А увеличивают давление рабочей жидкости гидропри­вода, а для разгрузки уплотнительного элемента последнее или уменьшают в полости Л, или увеличивают в полости В. При этом уплотнительный элемент может быть полностью разгружен, и между ним и наружной поверхностью гибкой трубы образуется зазор.

В процессе работы в кольцевом пространстве С между гибкой трубой и полым штоком накапливается технологиче­ская жидкость, проникающая туда из полости скважины. При перемещении колонны гибких труб вниз необходимо следить за тем, чтобы эта жидкость постоянно там находилась, обес­печивая смазку поверхности трубы, взаимодействующей с уп­лотнением. Для этого, например, рекомендуют периодически уменьшать давление в приводном цилиндре, увеличивая утеч­ку до тех пор, пока жидкость не заполнит весь кольцевой объем. После его заполнения и появления жидкости у верх­ней кромки полого штока давление следует опять увеличить. Невыполнение этого условия приведет к тому, что уплотни­тельный элемент начнет " гореть" и интенсивно изнашиваться. Приводной гидроцилиндр должен иметь определенный за­пас хода, который в процессе работы позволяет сжимать из­ношенный уплотнительный элемент, обеспечивая сохранение работоспособности всего узла в целом. Этот запас хода дает возможность также выталкивать из корпуса изношенный уп­лотнительный элемент при его замене, что облегчает и уско­ряет проведение ремонтных работ в промысловых условиях.

Меньшей массой и меньшими осевыми габаритами обла­дают герметизаторы с радиальным расположением приводных цилиндров (рис. 3.2). При использовании подобной схемы усилие прижима уплотнительного элемента обеспечивается несколькими поршнями (плунжерами), размещенными в бо­ковой поверхности корпуса. Недостатком подобной конст­рукции является то, что равномерное прижатие уплотнитель­ного элемента к поверхности гибкой трубы начинает обеспечиваться при сравнительно высоких давлениях (порядка 5 -6 МПа). Это обусловлено тем, что эластомерный уплотни­тельный элемент, расположенный в замкнутом объеме корпу­са, только в этих случаях ведет себя подобно жидкости. При меньших давлениях он работает как упругое тело, подчи­няющееся закону Гука. Поэтому при высоких давлениях уп­лотняемой среды в полости скважины обеспечивается равно­мерное изнашивание по всей длине уплотнительного элемен­та, а при малых - неравномерное, в основном в средней его части.

1 - корпус герметизатора устья; 2 - цилиндр;

3 -плунжер; 4 - колонна гибких труб

 

 

Рисунок 3.2 - Схема герметизатора устья с радиальным расположением

приводных цилиндров.

 

Уплотнительный элемент является специфическим узлом, применяемым только для агрегатов ПРС. Поэтому расчет его основных элементов в технической литературе практически не освещен.

Выбор основных параметров. С точки зрения теории рас­сматриваемый тип уплотнительного элемента может быть от­несен к мягким сальниковым набивкам с принудительным поджимом к уплотняемой поверхности. Оценка возможности его работы осуществляется по критерию Р _K × v [12], где Р_к -контактное давление на поверхность, МПа; v - скорость от­носительного скольжения, м/с. При Р _K × v > 5, 6 - 6 МПа× (м/с) для нормальной работы уплотнительного элемента необходи­мо применять смазку рабочей средой или от постороннего источника. Применительно к условиям работы агрегата на скважине это означает, что при перемещении колонны гибких труб со скоростью 0, 5 м/с (перемещение труб на рабочую от­метку) давление на буфере не должно превышать 12 МПа.

В процессе работы уплотнительного элемента типа набив­ки осевые и радиальные (контактные) давления распределя­ются по экспоненциальному закону [13]

Р_ос = Р_о exp [2 af × ( L - х)/ b ]\

Р_к = аР_о exp [2 af × ( L - x )/ b ].

Здесь значение а характеризует жесткость материала уплотнительного элемента (при ориентировочных расчетах а при­нимают равным 0, 5); f - коэффициент трения (в рассматри­ваемых условиях f = 0, 1); b и L - радиальный и осевой раз­меры уплотнительного элемента.

Исходя из условия пропорциональности контактного дав­ления градиенту давления, величина давления жидкости в зазоре между уплотнительным элементом и поверхностью трубы определяется соотношением

 

Р (x) = Р_о [1 - ехр × (-a × х /A × b)]/[1 - ехр × (-a × L/A × b)], (3.1)

 

где А - параметр, характеризующий рабочие свойства уплот­нения

(А = 1, 0 ¸ 1, 2).

 

Неравномерность распределения контактного давления приводит к тому, что в зоне нижнего торца уплотнительного элемента, там где находится уплотняемая среда, P _к в 2 - 2, 5 раза выше, чем в верхней части. Большие значения имеют место при перемещении труб вниз, меньшие - вверх (рис. 3.3).

Для обеспечения оптимального распределения контактных давлений при использовании в качестве материала уплотнительного элемента эластомеров со средним значением твердо­сти следует принимать его наружный диаметр и высоту рав­ными 140 - 150 мм для гибкой трубы с наружным диаметром до 40 мм.

С учетом приведенных зависимостей (см. рис. 3.3) можно утверждать, что схема уплотнительного элемента с радиаль­ным поджимом обеспечивает ему лучшие условия работы по сравнению с осевым нагружением.

 

Рисунок 3.3 - Эпюра контактных давле­ний в уплотнительном элементе.

Жирной стрелкой показано усилие, сжимающее уплотнительный эле­мент

 

Кинематический расчет параметров. Этот расчет сводится к определению размеров приводного гидроцилиндра, обеспе­чивающего создание соответствующего контактного давления при заданном давлении рабочей жидкости гидропривода.

Рассматривая приводной цилиндр как гидравлический мультипликатор давления, можно записать

 

( d_y - d _тр )² × P _{к min} = ( D – d _п.ш. )² × Р_г

где D - рабочий диаметр приводного цилиндра;

d _п.ш. - наруж­ный диаметр полого штока;

d_y - наружный диаметр уплотни­тельного элемента;

d _тр - наружный диаметр гибкой трубы;

Р_{к min} - минимальное значение контактного давления;

P _г - ра­бочее давление в гидроприводе агрегата.

 

Из этой формулы при заданных значениях давлений и размеров уплотнительного элемента могут быть определены размеры гидроцилиндра.

Пример. Определим размеры приводного цилиндра для уплотнительного элемента 150x150 мм для гибкой трубы с наружным диаметром 33 мм, при максимальном давлении в полости скважины 20 МПа и давлении в гидроприводе агре­гата 10 МПа.

Из конструктивных соображений с учетом значения диа­метра гибкой трубы выберем наружный диаметр полого што­ка. В данном случае примем d _п.ш. = 80 мм. При d_y = 150 мм, d _тр = 33 мм, Р_к = 20, Р_г = 10

 

мм.

 

Полученный результат округляют в большую сторону до ближайшего (250 мм) нормализованного значения диаметров цилиндров, применяемых в гидроприводе.

Далее на основе зависимости (1.3) определяют фактическое значение давле­ния рабочей жидкости в гидроприводе, которое обеспечит заданные показатели. Естественно, оно будет меньше задан­ного значения Р_г.

Расчет на прочность. Расчет корпуса уплотнительного эле­мента на прочность выполняют по методике оценки прочно­сти цилиндров. При известном внутреннем диаметре цилинд­ра толщину его стенки d определяют по формуле [14]

 

 

где [ s] - допускаемое напряжение материала корпуса.

Расчет на прочность крепления затвора к корпусу выпол­няют согласно методам расчета резьб, принятых в машино­строении. При этом крепление затвора должно выдерживать осевую нагрузку, создаваемую приводным гидроцилиндром при подаче в его полость А рабочей жидкости гидропривода под максимальным рабочим давлением.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: