Головка колонная КГ-5х700 с усовершенствованием уплотнительного соединения фланцев

Рассмотрим строение обвязки устья скважины на примере колонной головки для четырех обсадных труб (рис. 1.2).

В данной конструкции колонной головки первую обсадную трубу закрепляют в нижнем крестовике 1 (он в свою очередь закреплен на плите при помощи косынок).

Вторая обсадная труба подвешивается в клиновой подвеске 2. Первое межтрубное пространство герметизируют сварным швом 3 (конец обсадной колонны приваривают к промежуточной катушке 4).

Третью обсадную колонну закрепляют во втором крестовике 8 на клиновой подвеске 5. Герметичность второго межтрубного пространства обеспечивается сварным швом 6, которым обсадная колонна приваривается ко второй промежуточной катушке 7. Наконец, последняя четвертая обсадная колонна подвешивается в подвеске 9, расположенной в крестовике 10. Межтрубное пространство между третьей и четвертой обсадными трубами герметизируют при помощи манжеты 11. На последний крестовик устанавливают катушку 12, которую соединяют сварным швом 13 с последней обсадной колонной и устанавливают фонтанную арматуру.

Задвижки 14 устанавливают на отводах всех крестовиков колонной головки. Они служат для контроля состояния межтрубных пространств. Заглушенные отводы крестовиков 15 при необходимости могут быть использованы для подсоединения задвижек, либо другой арматуры.

Колонные головки аналогичных конструкций выпускают в Румынии, Франции, Италии и США.

Установлено, что теоретически возможное число сочетаний обвязок обсадных колонн для двухколонных скважин составляет 110, для трехколенных 273, для четырехколонных 280, всего 663 схем обвязок.

1, 8, 10 – крестовик; 2, 5 – клиновая подвеска; 3, 6, 13 – сварной шов;

7, 12 – катушка; 9 – подвеска; 11 – манжета; 14 – задвижка;

15 – заглушенный отвод крестовика

 

Рисунок 1.2 – Колонная головка для обвязки четырех колонн обсадных труб

На практике же применяют значительно меньшее число сочетаний, так как большая часть их исключается при детальном рассмотрении вопросов обеспечения цементирования, последующего бурения, разумного использования материалов и средств и многих других факторов.

 

1.5 Постановка цели и  задачи проектирования

 

Известно, что недостатками известных колонных головок являются большая металлоемкость, неоправданно большие габариты, сложность монтажа, недостаточная эксплуатационная надежность и ограниченные функциональные возможности. Ограниченные функциональные возможности увеличивают капитальные и эксплуатационные расходы, увеличивают непроизводительное время при монтаже и демонтаже устьевого оборудования. На основании анализа условий эксплуатации, а также причин отказов в курсовом проекте ставиться задача по поиску решения увеличения надежности колонных головок.

 

1.6 Патентные исследования

 

Технический уровень и тенденции развития колонных головок представлены в таблице 1.3.

 

1.7 Эскизная проработка  узла конструкции

 

Предлагаемое уплотнение разъемного соединения (рис. 1.3) предназначено для уплотнения фланцев 1 и 2 (исполнение семь по ГОСТ 12815–80) сосудов высокого давления, арматуры, трубопроводов, насосов, оборудования нефти и газодобычи и в других отраслях промышленности. Уплотнительная металлическая прокладка установлена в камере, образованной кольцевыми канавками 3 трапецеидального профиля на фланцах 1 и 2 и может быть выполнена в виде овального в сечении кольца 4, либо в виде восьмиугольного в сечении кольца 5 (во фланцевом соединении условно показаны два вида уплотнительной металлической прокладки). Обе уплотнительные металлические прокладки (рис. 1.4, 1.5) состоят из трех частей - базовой части 6, обладающей высокой стойкостью к деформации при нагрузках, возникающих при осевом сжатии прокладки между фланцами 1 и 2, и двух сменных частей 7, расположенных соответственно на противоположных торцевых поверхностях базовой части. Твердость материала базовой части 6, по крайней мере, не ниже твердости материала фланцев 1 и 2, а твердость материала каждой сменной части 7 ниже твердости материала фланцев 1 и 2 и базовой части 6. На рис. 1.6 изображена восьмиугольная уплотнительная металлическая прокладка трапецеидального сечения 8. Такая прокладка имеет схожий профиль с обычными прокладками восьмиугольного сечения, но она имеет различные углы скоса с внешней и внутренней стороны кольца. Это делает ее самоуплотняющей (рабочее давление среды обеспечивает лучшее прижатие прокладки к фланцу). Такая прокладка может применяться при давлении рабочей среды до 70 МПа. Уплотнительную восьмиугольную металлическую прокладку квадратного сечения 9 (рис. 1.7) получают из квадратного сечения путем снятия одинаковых фасок по четырем углам. Такая прокладка может применяться при давлении рабочей среды до 138 МПа.

Сменные части 7 могут располагаться как непосредственно на торцевых поверхностях базовой части 6, так и располагаться в проточках 10 базовой части 6 (рис. 1.8). Расположение сменных частей 7 в проточках базовой части позволяет вернуть в эксплуатацию, ранее использованную уплотнительную металлическую прокладку путем ее доработки с выполнением на ней проточки под сменные части 7, превращая ее, таким образом, в базовую часть уплотнительной металлической прокладки. Однако при этом необходимо выполнить обязательное условие - твердость сменной части 7 должна быть ниже твердости вновь образованной базовой части 6 и твердости фланцев 1 и 2, в результате чего при затяжке фланцевого соединение деформации будут подвергнуты только сменные части. На рис. 1.8 изображена уплотнительная металлическая прокладка в виде овального в сечении кольца 4, но вместо овального в сечении кольца 4 аналогичным образом сменная часть 7 может быть размещена в проточке базовой части уплотнительной металлической прокладки в виде восьмиугольного в сечении кольца 5. На рис. 1.9 представлен один из возможных вариантов крепления сменной части 6 на базовой части 5 уплотнительной металлической прокладки. Крепление происходит за счет защелкивания частично отогнутого концевого участка уса 11 сменной части в кольцеобразное углубление 12, выполненное на базовой части. При этом длина этого углубления должна обеспечить свободное скольжение уса по базовой части в процессе сжатия уплотнительной металлической прокладки при затяжке фланцевого соединения.

При герметизации фланцевого соединения, связанного с установкой новой или заменой поврежденной уплотнительной металлической прокладки, для получения надежного герметичного разъемного соединения, уплотнительную прокладку 3 или 4 необходимо выставить вдоль продольной оси фланцев 1 и 2 соединения. Центрирование уплотнительной металлической прокладки осуществляется за счет ее расположение в канавке трапецеидального профиля одного из фланцев. При затягивании болтов фланцевого соединения (не показаны) фланцы 1 и 2 сближаются до момента соприкосновения трапецеидальных поверхностей канавок фланцев с ответными поверхностями уплотнительной металлической прокладки. При дальнейшем затягивании болтов, под действием усилия затяжки, сменные части 7 деформируются с образованием контактных напряжений в местах контакта прокладки с трапецеидальными канавкам и фланцев, противодействующих внутреннему давлению рабочей среды. При этом деформации подвергаются только сменные части 7 как обладающие меньшей твердостью и большей текучестью по сравнению с твердостью и текучестью фланцев 1 и 2 и твердостью и текучестью базовой части 6 (8, 9) уплотнительной металлической прокладки.

Предлагаемая конструкция уплотнения фланцевого соединения повышает прочность и надежность фланцевого соединения, обеспечивает необходимую герметичность от воздействия рабочей среды, предотвращает открытые выбросы взрывопожароопасных жидкостей и газов при возникновении аварийных ситуаций (пожаров) на нефтяных и газовых скважинах и трубопроводах, позволяет использовать базовую часть уплотнительной металлической прокладки многократно. Кроме того, предлагаемая конструкция уплотнения позволяет вернуть в эксплуатацию ранее использованные прокладки путем выполнения на них проточек под сменные части.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, 2 – фланец; 3 – кольцевые канавки; 4, 5 – кольцо

 

Рисунок 1.3 – Уплотнение разъемного соединения

6 – базовая часть; 7 –  сменная часть 

 

Рисунок 1.4 – Уплотнительная металлическая прокладка в виде овального в сечении кольца

 

6 – базовая часть; 7 –  сменная часть 

 

Рисунок 1.5 - Уплотнительная металлическая прокладка в виде восьмиугольника в сечении кольца

7 – сменная часть; 8 –  восьмиугольная уплотнительная металлическая прокладка трапецеидального сечения

 

Рисунок 1.6 - Уплотнительная восьмиугольная металлическая прокладка трапецеидального  сечения

 

7 – сменная часть; 9 –  восьмиугольную металлическая прокладка квадратного сечения

 

Рисунок 1.7 - Уплотнительная восьмиугольная металлическая прокладка квадратного  сечения

 

4 – кольцо; 6 (8, 9) – базовая  часть; 7 – сменная часть; 10 – проточки

 

Рисунок 1.8 - Уплотнительная металлическая прокладка со сменными частями, расположенными в проточках базовой части

7 – сменная часть; 6 (8, 9) – базовая часть; 11 – концевой участок уса; 12 – кольцеобразное углубление

 

Рисунок 1.9 – Один из возможных вариантов крепления сменной части на базовой части уплотнительной металлической прокладки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3 – Технический уровень и тенденция развития колонных головок

Основный тенденции развития данного вида техники и направления поиска ведущих организаций	Источники информации, подтверждающие тенденции и направления поиска	Средства реализации тенденции
		В объектах ведущих организаций	В объектах разработки
1	2	3	4
Уплотнение разъемного соединения	Российская федерация А.П. Епишов, И.П. Клепцов А.с. 2489633  15.06.12 – 10.08.13 [4]	Уплотнительная металлическая прокладка состоит из постоянной базовой части и сменных частей, расположенных соответственно на противоположных торцевых поверхностях базовой части, при этом твердость материала каждой сменной части ниже твердости материала фланцев и базовой части, а твердость базовой части, по крайней мере, не ниже твердости материала фланцев. Наличие сменных частей позволяет многократное использование базовой части при монтаже фланцевого соединения, за счет замены сменной части на новую часть при каждой разборке фланцевого соединения.	Уплотнительная металлическая прокладка состоит из постоянной базовой части и сменных частей, расположенных соответственно на противоположных торцевых поверхностях базовой части, при этом твердость материала каждой сменной части ниже твердости материала фланцев и базовой части, а твердость базовой части, по крайней мере, не ниже твердости материала фланцев. Наличие сменных частей позволяет многократное использование базовой части при монтаже фланцевого соединения, за счет замены сменной части на новую часть при каждой разборке фланцевого соединения.

Окончание таблицы 1.3

1	2	3	4
Корпус колонной головки	Российская федерация В.А. Чёлбин А.с. 2348791  28.04.07 – 10.03.09 [5]	Колонная головка содержит цилиндрический фланцевый корпус с внутренней конусной поверхностью и боковыми отверстиями с установленными в них патрубками, крышку с центральным осевым каналом, шпильки с гайками, вставленные в равномерно расположенные по окружности отверстия фланца корпуса и крышки, уплотнительные элементы.	Не используется
Корпус колонной головки	Российская федерация Э.М. Амиров, Н.А. Яковенко, А.Д. Сгибнев А.с. 2138614  10.02.98 – 27.09.99 [6]	Основной уплотняющий узел состоит из манжеты с кольцевой канавкой с размещенным в ней кольцом. Манжета установлена в кольцевой проточке колонного фланца. Грундбукса поджимает манжету и выполнена в форме стяжного фланца с кольцевым выступом. Стяжной фланец имеет круговую выточку для размещения дополнительного герметизатора. Использование изобретения обеспечивает надежную герметизацию соединения колонной головки и обсадной колонной и упрощает ее демонтаж	Не используется