Механический пакер

 

Использование: в нефтегазодобывающей промышленности, и может быть использовано при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение надежности работы устройства. Сущность изобретения: устройство содержит ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными, чередующимися, и продольными короткими и длинными участками. Со стволом жестко связана опора. Под ней расположены нажимной уплотнительный элемент и конус. Конус установлен с возможностью осевого перемещения относительно ствола. На стволе с возможностью осевого перемещения установлена обойма. На обойме равномерно по ее окружности размещены шлипсы. Они подпружинены в радиальном направлении относительно обоймы и выполнены в виде двуплечих рычагов. В нижней части обоймы установлено кольцо. Оно выполнено с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связано с ней в осевом направлении. На внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля. На наружной поверхности обоймы, в виде отдельных секторов, выполнены буртики прямоугольного профиля. Во внутренней части кольца вдоль одной оси, перпендикулярно оси пакера, по посадке с натягом, установлены два диаметрально противоположных направляющих штифта. Передний угол буртиков равен 10^o. 4 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, при проведении различных технологических операций по изоляции зон поглощения в процессе проводки скважин, при цементировании под давлением, гидроразрыве пластов и т.д.

Известен пакер (А.С. СССР N 1818461, МКИ E 21 B 33/12, 1993), содержащий шток с Г-образным пазом, имеющим длинную и короткую части, жестко связанный со штоком корпус, установленный на штоке уплотнительный элемент с конусом, плашки с хвостовиками, штифт, размещенный в Г-образном пазу штока, подпружиненный центратор, ступенчатую втулку, концентрично размещенную относительно штока и жестко связанную с ним нижним торцом, хвостовики плашек имеют цилиндрическую часть со скоcом на нижнем торце и размещенный между втулкой и штоком, при этом длина хвостовика по его цилиндрической образующей больше высоты короткой части Г-образного паза и меньше высоты длинной части Г-образного паза.

Недостатками известного технического решения являются сложность конструкции, большая металлоемкость и аварии, которые могут произойти в наклонно-направленных скважинах в результате развинчивания инструмента (насосно-компрессорных труб - НКТ) при распакеровке. (При распакеровке пакер необходимо снять с якоря, для этого нужно произвести вращение инструмента влево).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является механический пакер (А.С.СССР N 1686128, МКИ E 21 B 33/12, 1991 г.), содержащий ствол с кольцевым фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью радиально-осевого перемещения обойму с выступом на внутренней поверхности, размещенным в кольцевом фигурном пазу ствола, и установленные в обойме равномерно по ее окружности шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении, при этом пакер снабжен установленными на конусе кулачками, равномерно расположенными по окружности в продольных плоскостях коротких участков фигурного паза на расстоянии друг от друга не менее ширины шлипса, а внутренние поверхности кулачков выполнены наклонными к продольной оси ствола с вершиной угла наклона поверхности конуса к продольной оси ствола, при этом наружные поверхности шлипсов в верхней части выполнены ответными наклонным поверхностям кулачков для взаимодействия с последними в транспортном положении шлипсов.

Недостатком известного технического решения является ненадежность его в работе ввиду того, что при распакеровке посредством осевого перемещения производится проворот вокруг своей оси обоймы со шлипсами, а так как после длительного нахождения пакера в рабочем положении шлипсы практически всегда заклинивает, при провороте происходим их срыв. При этом пакер заклинивает в колонне, создается аварийная ситуация. Кроме того, при задании движения обойме имеющимся выступом происходит ее перекос на стволе, приводящий к заклинивании обоймы на последнем. При длительной работе пакера или его неправильной сборке фиксирующая деталь конуса на стволе выходит из строя, происходит его (конуса) радиальный проворот и, при переходе пакера в рабочее положение, шлипсы попадают под кулачки, тем самым они не занимают свое рабочее положение. Повторное распакерование становится невозможным. Кроме того, выполнение кулачков 14 повышает сложность изготовления, требующую необходимую точность, жесткую фиксацию конуса от радиального движения.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы пакера за счет предотвращения перекоса обоймы, радиального проворота обоймы и шлипсов и предотвращения последних от заклинивания.

Механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные над ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму, направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе, установленные в обойме, равномерно по ее окружности, шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов, согласно изобретения дополнительно содержит кольцо, установленное в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно обоймы и жестко связанное с ней в осевом направлении, на внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы в виде секторов выполнены буртики прямоугольного профиля, причем направляющий штифт установлен жестко по посадке с натягом во внутренней части кольца, где диаметрально противоположно ему установлен, жестко по посадке с натягом, дополнительный направляющий штифт; продольные короткие и продольные длинные участки фигурного паза выполнены обоюдно симметричными относительно ствола, а передний угол буртиков равен 10^o.

На фиг.1 представлен механический пакер, общий вид; на фиг.2 - обойма и кольцо в разрезе; на фиг.3 - сечение А-А фиг.2; на фиг.4 - развертка формы и направления фигурного паза ствола пакера.

Механический пакер содержит ствол 1 с фигурным пазом 2 на наружной поверхности с равномерно расположенными, чередующимися, обоюдно симметричными относительно оси ствола 1, двумя продольными короткими 3 и двумя продольными длинными 4 участками. Со стволом 1 жестко связана опора 5, под которой расположены нажимной уплотнительный элемент 6 и конус 7. Конус 7 установлен с возможностью осевого перемещения относительно ствола 1. На стволе 1 с возможностью осевого перемещения установлена обойма 8. На обойме 8 равномерно по ее окружности размещены шлипсы 9, поджимаемые в радиальном направлении относительно обоймы 8 пружиной 10 и в средней части удерживаемые ограничителем 11. Нижняя часть шлипсов 9 выполнена в виде заходного направляющего кулачка 12. Кольцо 13 выполнено разъемным и установлено в нижней части обоймы 8 с возможностью радиального вращения относительно последней (8), но жестко связанное с ней (8) в осевом направлении. На внутренней поверхности кольца 13 выполнена канавка 14 прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы 8 в виде отдельных секторов выполнены буртики 15 прямоугольного профиля. Буртики 15 с канавкой 14 образуют пару скольжения и дополнительно играют роль очистки канавки 14 от шлама. Во внутренней части кольца 13 вдоль одной оси, перпендикулярно оси пакера, жестко, по посадке с натягом, установлены два диаметрально противоположные направляющие штифты 16. Для обеспечения перехода штифтов 16 из длинных 4 участков в короткие 3 и наоборот на стволе 1 выполнены наклонные участки 17 и 18. В торце кольца 13 выполнена выемка 19 для фиксации заходных направляющих кулачков 12. Передний угол бортиков 15 равен 10^o.

Механический пакер работает следующим образом.

Перед началом работ пакер находится в вертикальном положении (фиг.1), при этом диаметрально противоположные направляющие штифты 16 за счет собственного веса обоймы 8 занимают начальное положение соответственно в точках l'_I и l'₂ (рис.4).

Пакер спускают на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважину. В начале списка заходные направляющие кулачки 12, своей нижней частью зафиксированные в выемках 19 обоймы 8 и находясь в контакте с колонной за счет сил трения, увлекают обоймы 8 вверх относительно пакера, заставляя диаметрально противоположные направляющие штифты 16 скользить по обоюдно симметричным наклонным 18, затем продольным коротким участкам 3 фигурного паза 2, в точки 2'₁ и 2'₂ - транспортное положение. При переходе из точек 1'₁> и 1'₂ в точки 2'₁ и 2'₂ радиальный проворот относительно оси ствола 1 пакера и обоймы 8 совершает кольцо 13, проходя буртиками 15 по канавке 14. (Обойма 8 в радиальном направлении остается неподвижной.) При дальнейшем спуске к зоне пакерования в контакте со стенкой колонны находятся заходные направляющие кулачки 12 шлипсов 9, а верхние части, содержащие зубья, прижаты к стволу 1 пакера, образуя гарантированннй зазор со стенкой колонны, который обеспечивает исключение контакта и износа зубьев шлипсов 9. При достижении заданной глубины пакерования производят подъем инструмента на 0,3 - 0,5м. При этом обойма 8 со шлипсами 9 за счет движения диаметрально противоположных направляющих штифтов 16 по обоюдно симметричным коротким продольным участкам 3 и наклонным участкам 17 фигурного паза 2 в точки 3'₁ и 3'₂ перемещается вниз вдоль оси ствола пакера. Причем за счет силы трения направляющих кулачков 12 о стенки скважины обойма 8 остается неподвижной, а радиальное движение совершает кольцо 13, проходя бортиками 15 по канавке 14. Дополнительно бортики 15 за счет выполнения переднего угла равным 10^o, при прохождении по канавке 14, очищают ее от набившегося шлама, который также может привести к заклиниванию деталей. Затем продолжают спуск колонны. При этом диаметрально противоположные направляющие штифты 16 из точек 3'₁ и 3'₂ перемещаются по обоюдно симметричным относительно оси ствола наклонным 18, затем длинным продольным участкам 4 фигурного паза 2 в точки 4'₁ и 4'₂ (рабочее положение), радиальное движение берет на себя кольцо 13. Шлипсы 9 входят в контакт с конусом 7, раздвигаясь от центра к стенкам скважины, и прижимаются к внутренней поверхности стенки колонны, что обеспечивает установку пакера в рабочее положение. Нижняя часть заходных направляющих кулачков 12 погружается в выемки 19 обоймы 8. Верхняя часть шлипсов 9, содержащая зубья, входит в зацепление с колонной труб. Приложенная к пакеру нагрузка от веса инструмента через опору 5 и конус 7 передается нажимному уплотнительному элементу 6. Он деформируется и герметизирует межтрубное пространство скважины.

Для перемещения инструмента вверх или вниз по стволу скважины производят его движение вверх. Диаметрально противоположные направляющие штифты 16 перемещаются вниз по длинным продольным участкам 4 и наклонным участкам 17 фигурного паза 2 в точки 1'₂ и 1'₁. Кольцо 13 совершает радиальный проворот. Нажимной уплотнительный элемент 6 восстанавливает свою форму, конус 7 освобождает шлипсы 9 и пакер снимается с места установки. Это дает возможность перемещать пакер вверх и вниз.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность работы пакера за счет исключения перекоса обоймы, радиального проворота обоймы со шлипсами и предотвращения их заклинивания и тем самым исключить аварийные ситуации, влекущие за собой большие материальные затраты.

Формула изобретения

Механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися и продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму, направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе, установленные в обойме, равномерно по ее окружности, шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов, отличающийся тем, что дополнительно содержит кольцо, установленное в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно обоймы и жестко связанное с ней в осевом направлении, на внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы в виде секторов выполнены буртики прямоугольного профиля, причем направляющий штифт установлен жестко по посадке с натягом во внутренней части кольца, где вдоль одной с ним оси, перпендикулярно оси пакера, диаметрально, противоположно ему установлен, жестко по посадке с натягом, дополнительный направляющий штифт, продольные короткие и продольные длинные участки фигурного паза выполнены обоюдно симметричными относительно ствола, а передний угол буртиков равен 10^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4