УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН ПРИ ИХ ГЕРМЕТИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК E21B33/134 E21B33/129 

Изобретение относится к добыче нефти и газа, а более точно к устройству для нефтяных и газовых скважин при их герметизации.

Это устройство обеспечивает опускание патронной пробки в скважину и извлечение ее из скважины. Патронные пробки или пробки-мосты широко используются в нефте- и газодобывающих промышленностях и спускаются в скважину с поверхности для установки в колонне труб. Патронные пробки могут использоваться для герметизации части трубы для обеспечения ее целостности при проведении испытаний давлением или выполнения функции барьера внутри трубы для герметизации скважины, или для выполнения функции несущего устройства для контрольного оборудования скважины. Обычные патронные пробки и многие другие устройства располагаются в обсадной колонне труб скважины путем спуска замка, выполненного на пробке в прорезь или углубление в колонне труб, при этом места расположения таких углублений определяются установочными буртиками, обычно известными под названием посадочных ниппелей. Колонна труб может иметь несколько посадочных ниппелей вдоль своей длины, при этом каждый ниппель образует ступень в уменьшении диаметра. Это приводит к ограничению диаметра в нижних частях колонны труб, уменьшая площадь потока через них. Кроме того, такие посадочные ниппеля изнашиваются в процессе эксплуатации и могут быть просто "смыты" потоком абразивной жидкости, проходящей через суженную часть. Ремонт посадочных ниппелей требует подъема и замены колонны труб.

Обычные патронные пробки требуют значительных усилий при их установке в трубе и, в частности, при обеспечении уплотнения между наружной частью корпуса пробки и стенкой трубы. Величина необходимого установочного усилия является такой, что обычные проволочные и стальные канаты не способны обеспечить необходимое усилие, в результате чего взрывные заряды должны предусматриваться в патронной пробке, которые бы действовали на гидравлическую жидкость для обеспечения необходимых запирающего и герметизирующего усилий. Подрыв заряда обеспечивается с помощью электрического провода, идущего с поверхности земли. Хотя запирающая конструкция, достигаемая за счет использования взрывных зарядов, является в основном удовлетворительной, однако, использование таких зарядов требует присутствия специальных и лицензированных операторов, а также обычно требует "оповещения по радио" во время подготовки операции с целью уменьшения риска от взрыва, произведенного внезапно. Для многих работ, в частности, в открытом море, требование к оповещению по радио является сигналом для прекращения других работ.

Из патента США N 4427063, кл. E 21 B 33/134, опубликованного 24.01.84, известно устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, содержащее корпус, первый и второй запирающие узлы, выполненные с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение, упругий кольцевой элемент, установленный между запирающими узлами и выполненный с возможностью прижатия к стенке скважины при осевом перемещении запирающих узлов в направлении друг к другу, и по меньшей мере один кулачковый узел, помещенный на корпусе между упругим кольцевым элементом и первым запирающим узлом для приведения последнего в рабочее положение, и освобождающий узел.

Такое устройство не может быть установлено с достаточной герметичностью со стенкой скважины, поскольку требует большого усилия для сжатия упругого кольцевого элемента и прижатия его к стенке скважины. Кроме того, оно не может быть установлено на любой глубине, так как требует наличия посадочных ниппелей в скважине.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, выполненного с возможностью установки в герметичном соприкосновении со стенкой скважины, используя только тросовое соединение с поверхностью земли, на любой требуемой глубине в скважине, независимо от наличия посадочных ниппелей в скважине.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, содержащем корпус, первый и второй запирающие узлы, выполненные с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение, упругий кольцевой элемент, установленный между запирающими узлами и выполненный с возможностью прижатия к стенке скважины при осевом перемещении запирающих узлов в направлении друг к другу, и по меньшей мере один кулачковый узел, помещенный на корпусе между упругим кольцевым элементом и первым запирающим узлом для приведения последнего в рабочее положение, и освобождающий узел, согласно изобретению имеется запирающий блок со смещающим узлом, а первый запирающий узел смонтирован на запирающем блоке с помощью смещающего узла, выполненного с возможностью ограничения усилия, передаваемого на первый запирающий узел, при этом упругий кольцевой элемент выполнен с возможностью прижатия к стенке скважины при осевом перемещении по крайней мере первого запирающего узла, а запирающий блок выполнен с возможностью передачи через него установочного усилия прижатия упругого кольцевого элемента.

Устройство может быть выполнено в виде патронной пробки, пакера, кольцевого предохранительного клапана, закупоривающего инструмента и т.п. в зависимости от того, чем требуется уплотнить скважину.

Такая конструкция уменьшает усилие, которое должно прикладываться к запирающему блоку для обеспечения необходимого сжатия кольцевого элемента, поскольку усилие не прикладывается через запирающие узлы, взаимодействующие со стенкой скважины, и тем самым, он должен смещаться по стенке скважины, чтобы сжать кольцевой элемент. Кроме того, наличие смещающего узла позволяет слегка отводить запирающий узел при перемещении запирающего блока, а затем выдвигать, когда усилие будет снято или уменьшено. Таким образом, запирающий узел может эффективно действовать как храповик против стенки скважины.

Целесообразно, чтобы устройство содержало второй кулачковый узел, помещенный на корпусе между упругим элементом и вторым запирающим узлом, а освобождающий узел был выполнен с возможностью взаимодействия с ловильным инструментом, перемещения второго кулачкового элемента относительно второго запирающего узла и перевода последнего и упругого кольцевого элемента в транспортное положение.

При перемещении второго кулачкового узла относительно второго запирающего узла на достаточную величину обеспечивается отвод назад второго запирающего узла из рабочего положения и расширение кольцевого элемента, в результате чего он выходит из уплотняющего взаимодействия со стенкой скважины.

Освобождение второго запирающего узла и кольцевого элемента также облегчает отвод первого запирающего узла, чтобы обеспечить извлечение устройства и при использовании, устройство может быть извлечено из ствола скважины после срабатывания освобожденного узла.

Предпочтительно имеются другие элементы для смещения кулачковых узлов в осевом направлении в сторону соответственных запирающих узлов и поддерживания последних в их рабочем положении. Упругие элементы могут быть выполнены в виде пружины сжатия, установленной между одним из кулачковых узлов и кольцевым элементом. Более предпочтительно, запирающие узлы выполнены в виде комплектов зубчатых клиньев, при этом нижний комплект клиньев противодействует перемещению вниз, а верхний комплект клиньев противодействует перемещению вверх. При такой конструкции клинья действуют как храповики для поддержания упругого кольцевого элемента в сжатом состоянии с кольцевым элементом и упругими элементами, создающими реакционную силу для поддержания клиньев в выдвинутом положении.

В предпочтительном варианте корпус содержит первый, второй и третий элементы, при этом первый запирающий узел и запирающий блок смонтированы на первом элементе, упругий кольцевой элемент и кулачковые узлы смонтированы на втором элементе, который выполнен с возможностью осевого перемещения, при приложении к нему осевого усилия, относительно первого элемента в первом положении устройства, второй запирающий узел установлен на третьем элементе, который выполнен с возможностью осевого перемещения при приложении к нему осевого усилия, относительно второго элемента в первом положении устройства, а первый элемент выполнен с возможностью осевого перемещения, при приложении к нему осевого усилия, относительно второго элемента во втором положении устройства.

При установке второй элемент сначала движется вниз относительно первого элемента под действием направленного вниз усилия, приложенного к второму элементу, для смещения первого запирающего узла во взаимодействие со стенкой скважины. Затем третий элемент движется вниз относительно второго элемента за счет приложения направленного вниз усилия к третьему элементу для выдвижения второго запирающего узла во взаимодействие со стенкой скважины. И наконец, первый элемент движется вверх относительно второго элемента за счет приложения направленного вверх усилия к первому элементу с целью прижатия упругого кольцевого элемента к стенке скважины. Для гарантирования правильной последовательности относительных перемещений второй и третий элементы могут быть разъемно соединены, например, с помощью срезных штифтов, для предотвращения перемещения между ними до выдвижения первого запирающего узла. Кроме того, второй и третий элементы могут быть дополнительно соединены храповым механизмом для запирания третьего элемента относительно второго элемента, и тем самым запирая второй запирающий узел в выдвинутом положении или расширенном положении. Очевидно, что устройство может работать и в другом направлении так, что, например, первый запирающий узел устанавливается за счет приложения направленного вверх усилия к второму элементу для осуществления перемещения вверх относительно первого элемента.

Вышеизложенный технический результат достигается и тем, что в устройстве для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающем корпус, запирающий узел и кулачковый узел для радиального выдвижения запирающего узла в рабочее положение, согласно изобретению имеется первый элемент с фрикционным узлом для зацепления со стенкой скважины при опускании устройства вниз по скважине, второй элемент, на котором размещен кулачковый узел, и соединительный узел, выполненный с возможностью предотвращения относительного перемещения первого и второго элементов в первом положении устройства при его спуске в скважину и обеспечения относительного перемещения второго элемента относительно первого элемента во втором положении устройства при приложении усилия к второму элементу, а запирающий узел размещен на первом элементе и выполнен с возможностью ограничения перемещения первого элемента относительно стенки скважины.

Таким образом, изменение положения соединительного узла может быть целиком достигнуто за счет осевого перемещения вверх второго элемента относительно первого элемента, а поэтому можно использовать обычный гладкий трос или проволочный трос для соединения с поверхностью земли. Кроме того, наличие соединительного узла позволяет размещать устройство на любой требуемой глубине, независимо от наличия буртиков или посадочных ниппелей.

Предпочтительно соединительный узел содержит гильзу, установленную между первым и вторым элементами и зафиксированную от осевого перемещения относительно второго элемента, и следящий элемент, прикрепленный к первому элементу, при этом гильза образует -образный паз для приема следящего элемента. Более предпочтительно гильза устанавливается с возможностью вращения относительно первого и второго элементов так, что изменение положения соединительного узла может достигаться без относительного вращения первого и второго элементов.

Технический результат достигается и тем, что устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающее полый корпус и патронную пробку с запирающим узлом и герметизирующим средством, выполненным с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение при взаимодействии со стенкой скважины, согласно изобретению снабжено внутренней гильзой, подвижно установленной внутри корпуса, и наружной гильзой, подвижно установленной снаружи корпуса, а корпус выполнен со шпоночной канавкой под шпонку, которой соединены наружная и внутренняя гильзы, последняя из которых выполнена с возможностью взаимодействия со спускаемым инструментом, восприятие от него усилия и передачи его на наружную гильзу через шпонку, при этом одна из гильз установлена на корпусе герметично.

При использовании эта конструкция обеспечивает передачу усилий, обычно установленных усилий со спускаемого инструмента на внутренней части герметизированного полого устройства к элементам, как то, зубчатым клиньям и уплотняющим кольцам на наружной части устройства.

Предпочтительно, чтобы пробка была выполнена в виде первого и второго элементов, установленных с возможностью взаимного осевого перемещения, а запирающий узел и герметизирующее средство были помещены на первом элементе, который имеет фрикционный узел для зацепления со стенкой скважины и обеспечения возможности приложения осевого усилия во втором направлении к второму элементу для его перемещения относительно первого элемента, при этом запирающий узел выполнен с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение за счет осевого перемещения первого элемента относительно второго элемента в первом направлении.

Предпочтительно, чтобы фрикционный узел был выполнен в виде радиально удаленных и ориентированных в осевом направлении листовых пружин. Диаметр, определяемый пружинами, может выбираться таким, чтобы фрикционно взаимодействовать с диаметром стенки скважины на требуемой глубине.

Варианты устройства настоящего изобретения, описанные выше, могут использоваться в комбинации со спускаемым инструментом для установки устройства в скважине и для осуществления относительного перемещения элементов для установки в скважине, при этом спускаемый инструмент содержит скользящие относительно друг друга в осевом направлении первую и вторую части; первая часть спускаемого инструмента проходит через устанавливаемые устройства и разъемно соединяется с первым элементом и, кроме того, разъемно соединяется с вторым элементом с помощью храповика; и вторая часть спускаемого инструмента упирается в третий элемент устанавливаемого устройства.

Технический результат достигается и тем, что устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающее корпус с верхним и нижним концами, согласно изобретению снабжено управляющим узлом с первой и второй частями, первым элементом, подвижно установленным в корпусе и выступающим из его верхнего конца для соединения, например, с проволочным тросом, и вторым элементом, подвижно установленным в корпусе и выступающим из нижнего его конца для соединения с второй частью управляющего узла, а корпус имеет первый и второй гидроцилиндры, гидравлически связанные через клапан одностороннего действия, при этом первый элемент гидравлически связан с первым гидроцилиндром, второй элемент гидравлически связан с вторым гидроцилиндром, и его поршень имеет площадь сечения, превышающую площадь сечения поршня в первом гидроцилиндре, обеспечивающим возможность гидравлического увеличения усилия, прикладываемого к первому элементу при его осевом перемещении относительно корпуса, в сравнении с усилием, создающимся на втором элементе для передачи его на вторую часть управляющего узла.

При работе вышеописанное устройство обеспечивает такое соединение, что проволочный трос или т.п. создает усилие, которое больше по величине, чем если бы оно непосредственно прикладывалось к проволочному канату или т.п. для его передачи части другого устройства.

Наличие клапана одностороннего действия между гидравлическими цилиндрами позволяет первому элементу совершать возвратно-поступательное перемещение или "ходы" для обеспечения перемещения второго элемента на большее расстояние, чем обеспечивается за одно перемещение первого элемента. Более предпочтительно использовать гидравлический резервуар, соединенный с одним из гидравлических цилиндров через другой клапан одностороннего действия.

На фиг.1 изображен разделенный на три части вид в полусечении патронной пробки и спускаемого устройства в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения; на фиг.2-5 разделенный на семь частей детальный вид в полусечении патронной трубки и спускаемого устройства, изображенный на фиг.1; на фиг.6 и 7 виды в полусечении патронной пробки, показанной на фиг.1 инструмента в соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения; на фиг. 8 вид в сечении спускаемого устройства в соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения.

На фиг.1 показаны извлекаемая патронная трубка 1 и спускаемое устройство 2 в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения. Пробка 1 и устройство 2 показаны в положении для введения в скважину, при этом верхние концы пробки 1 и устройство 2 показаны у левой кромки чертежа. Верхний конец спускаемого устройства 2 снабжен стандартной формы соединением 3 для крепления к концу троса или т.п. и который так же соединен с гильзой 4 и кольцом 5, упирающимся в верхний конец пробки 1. Устройство 2 содержит также удлиненную штангу 6, которая коаксиально проходит в пробку 1, штанга 6 может скользить относительно гильзы 4 через кольцо 5, закрепленное на нижнем конце гильзы 4.

Патронная пробка 1 используется для герметизации ствола скважины и поэтому снабжена торцовой крышкой 7 для герметизации нижнего конца полой пробки и упругим уплотняющим кольцом 8, которое радиально выдвигается из отведенного положения, как показано на чертежах, в выдвинутое положение для обеспечения наружного уплотнения между пробкой 1 и стенкой ствола скважины. При использовании внутри скважины торцовая крышка 7 будет, вероятно, иметь или может быть заменена уравнивающим или открывающим насос приспособлением для выравнивания давления на пробке 1 перед ее извлечением. Пробка 1 удерживается на требуемой глубине в скважине запирающими узлами, выраженными в виде верхнего и нижнего комплектов зубчатых клиньев 9, 10. На чертеже клинья 9, 10 показаны в отведенном положении для спуска пробки 1 в скважину, и из которого клинья 9, 10 могут радиально выдвигаться для запирающего взаимодействия со стенкой скважины. Как будет описано ниже, уплотнительное кольцо 8 прижимается к стволу скважины за счет перемещения клиньев 9, 10 друг к другу при приложении усилия к пробке 1 спускаемым устройством 2.

Перед тем, как перейти к описанию пробки 1 и спускаемого устройства 2, рассмотрим вкратце операцию установки пробки 1. Пробка 1 и спускаемое устройство 2 спускаются в скважину с уплотнительным кольцом 8 и клиньями 9, 10 в отведенном положении, в котором наружный диаметр кольца 8 и клиньев 9, 10 меньше, чем внутренний диаметр скважины. Однако, пробка 1 снабжена фрикционным узлом, выполненным в виде фрикционных пружин 11, предназначенных для зацепления со стенкой скважины. При достижении требуемой глубины пробка 1 и устройство 2 останавливаются, а спускаемое устройство 2 слегка подтягивается вверх на небольшое расстояние. Это переналаживает соединительный узел между первой гильзой 12, несущей нижние клинья 10 и фрикционные пружины 11, и второй гильзой 13, несущей уплотнительное кольцо 8. Переналаженный соединительный узел обеспечивает осевое относительное перемещение гильз 12 и 13. На второй гильзе 13 также расположены первый и второй кулачковые узлы, выполненные в виде верхней и нижней в форме усеченного конуса кулачковых поверхностей 14, 15 для перемещения соответствующих клиньев 9, 10 в выдвинутые положения. Фрикционные пружины 11 стремятся удержать первую гильзу 12 неподвижно относительно стенки скважины. Таким образом, после переналадки соединительного узла, осуществленной перемещением вверх, приложение направленного вниз усилия к пробке 1 приводит к перемещению вниз второй гильзы 13 относительно первой гильзы 12, в результате чего нижние клинья 9 движутся по соответствующим кулачковым поверхностям 15 до запирания со стенкой скважины. Зубья нижних клиньев 10 выполнены так, чтобы запираться при движении клиньев 10 вниз относительно стенки скважины. Таким образом, пробка 1 блокируется от перемещения вниз, хотя как будет описано ниже, клинья 10 могут снова освободиться, если потребуется пробку 1 переместить в другое место в скважине.

Верхние клинья 9 установлены на третьей гильзе 16, которая первоначально неподвижная относительно второй гильзы 13. Однако, соединение между гильзами 13 и 16 выполнено с помощью срезного штифта 17, в результате чего приложение направленного вниз удара к верхнему концу пробки 1 спускаемым инструментом 2 приводит к срезанию штифта 17, обеспечивая перемещение вниз третьей гильзы 16 относительно второй гильзы 13, так что верхние клинья 9 движутся по верхней кулачковой поверхности 14 до запирания со стенкой скважины. Верхние клинья 9 имеют форму, обеспечивающую сопротивление перемещению вверх по пробке 1, в результате чего выдвинутые комплекты клиньев 9, 10 взаимодействуют для надежного закрепления пробки 1 в скважине.

Теперь производится сжатие уплотнительного кольца 8 за счет вытягивания вверх спускаемого инструмента 2, при этом направленное вверх усилие передается с гильзы 4 на штангу 6 через кольцо 5. Нижний конец штанги 6 разъемно соединен через срезной штифт 18 с внутренней гильзой 19, закрепленной на шпонке на первой гильзе 12. Когда штанга 6 тянет вверх и после срезания срезного штифта 20, первая гильза 12 контактирует со второй гильзой 13 на упорном торце 21 для сжатия уплотнительного кольца 8, верхний конец которого прикреплен к второй гильзе 13, а нижний скользит в осевом направлении на второй гильзе 13. Когда сжимающее усилие, действующее на уплотнительное кольцо 8, достигает заданной максимальной величины, то срезной штифт 18 срезается для освобождения штанги 6 от гильзы 19, обеспечивая тем самым вывод спускаемого устройства 2 из патронной пробки 1, которая теперь заперта в герметичном зацеплении со стенкой ствола скважины. На фиг.2 более подробно изображены патронная пробка 1 и спускаемое устройство 2. Вторая гильза 13 может рассматриваться как главный корпус пробки 1 с первой и третьей гильзами 12 и 16, установленными на ней с возможностью скольжения в осевом направлении. Таким образом, вторая гильза 13, расположенная ниже первой гильзы 12 и торцовой крышки 7, установлена на нижнем конце второй гильзы 13. В спускаемом положении, как показано на чертежах, верхний конец третьей гильзы 16, образованной шейкой 22 для захвата ловильным инструментом, прикрепленной к верхнему блоку 23 клиньев, выступает прямо за верхний конец второй гильзы 13.

На первой гильзе расположены нижние клинья 10 и фрикционные пружины 11. Клинья 10 смонтированы на нижнем блоке 24 клиньев, содержащем гильзу 23, несущую комплект пружинных шайб Белльвили 26, воздействующих на удерживающую гильзу 27, вращательно установленную на нижнем конце клиньев 10. Пружины 28 прикреплены к гильзе 27 и выступают вверх, чтобы сцепляться с клиньями 10 выше места положения шарнира для смещения клиньев 10 в отведенное положение. Как будет описано, шайбы Белльвиля 26 служат для сведения к минимуму усилия, передаваемого клиньям 9 в процессе сжатия уплотнительного кольца 8. Фрикционные пружины 11 расположены вниз от клиньев 10 между удерживающими гильзами 29 и 30. При спуске удерживающая гильза 27 удерживается относительно удерживающей гильзы 29 с помощью срезного штифта 31. Нижний конец гильзы 30 образует опорную поверхность 32, использующуюся во время сжатия уплотнительного кольца 8, как будет описано ниже.

Как отмечалось выше, относительное перемещение между первой и второй гильзами 12, 13 ограничено с помощью соединительного узла, содержащего гильзу 33, установленную между первой и второй гильзами 12, 13 и взаимодействующую со следящим в виде установочного винта 34, закрепленного на первой гильзе 12 и проходящего через гильзу 30. Гильза 33 имеет j-образный паз 35 под винтом 34. Она может свободно вращаться относительно первой и второй гильз 12 и 13, но неподвижна в осевом направлении относительно второй гильзы 13 за счет удерживающих сегментов, один из таких сегментов 36 показан вне положения на фиг.4. При спуске устройства 2 вниз в скважину установочный винт 34 располагается в короткой ножке j-образного паза 35 так, что гильза 12 не может скользить вверх по второй гильзе 13 и, тем самым, клинья 10 остаются в отведенном положении. При достижении требуемого места в скважине спускаемое устройство 2 используется для приложения тянущего вверх усилия к пробке 1. Фрикционные пружины 11 удерживают первую гильзу 12 неподвижно относительно стенки скважины, в результате чего установочный винт 34 движется в нижнюю часть j-образного паза 35, выполненного так, что при последующем приложении направленного вниз усилия к пробке 1 установочный винт 34 может двигаться по длинной ножке j-образного паза 35 и, тем самым, дает возможность второй гильзе 13 перемещаться вниз относительно первой гильзы 12, а нижним клиньям 10 двигаться по нижней кулачковой поверхности 15, дающего зацепление со стенкой скважины. Фрикционные пружины 11 обеспечивают достаточный захват со стенкой скважины, чтобы удержать первую гильзу 12 относительно скважины, когда вторая гильза 13 опускается, а нижние клинья 10 выдвигаются во взаимодействие со стенкой скважины. Зубья на клиньях 10 выполнены так, чтобы противодействовать перемещению вниз относительно стенки скважины, в результате чего, как только клинья 10 контактируют со стенкой скважины, они будут стремиться врезаться еще более прочно в стенку при приложении дополнительного направленного вниз усилия, закрепляя тем самым первую гильзу 12 более прочно в скважине. Однако, если оператор решит освободить клинья 10 для переустановки пробки 1 в скважине, то это по-прежнему возможно; j-образный паз 35 в гильзе 33 фактически состоит из нескольких взаимосвязанных j-образных пазов, в результате чего последовательное приложение направленного вверх усилия к второй гильзе 13, с последующим приложением направленного вниз усилия приведет к размещению установочного винта 34 в короткой ножке следующего "j" в пазу 35. Когда гильзы 12 и 13 находятся в этом относительном положении, то нижние клинья 10 удалены от кулачковой поверхности 15 и таким образом отведены, обеспечивая дальнейшее продвижение пробки 1 в скважине. Отвод клиньев 10 может быть повторен до срезания штифта 17, который обеспечивает относительное перемещение второй и третьей гильз 13 и 16, как более подробно описано ниже.

Третья гильза 16 содержит шейку 22 для захвата ловильным инструментом и верхний блок 23 клиньев 9, включающий пружины 37 для смещения верхних клиньев 9 в сторону отведенного положения. Третья гильза 16 первоначально удерживается неподвижной относительно второй гильзы 13 с помощью срезного штифта 17, который срезается за счет приложения направленного вниз удара к верхнему концу пробки 1. Затем третья гильза 16 смещается вниз по второй гильзе 13 в результате чего верхние клинья 9 движутся по верхней кулачковой поверхности 14 и до запирания со стенкой скважины. Наружная поверхность верхнего конца второй гильзы 13 снабжена окружной канавкой 38, взаимодействующей с храповым сегментом 39, установленным между шейкой 22 и верхним блоком 23 клиньев. Таким образом, третья гильза 16 удерживается относительно второй гильзы 13 с верхними клиньями 9 в выдвинутом положении. Зубья клиньев 9 предназначены для противодействия относительному перемещению вверх, в результате чего пробка 1 теперь плотно удерживается в скважине.

Как отмечалось выше, сжатие уплотнительного кольца 8 обеспечивается за счет приложения сжимающего усилия к второй гильзе 13 через первую гильзу 12. Направленное вверх усилие прикладывается к пробке 1 со штанги 6 спускаемого инструмента 2 на внутреннюю уплотняющую гильзу 19, установленную внутри второй гильзы 13. Уплотняющая гильза 19 снабжена верхним и нижним уплотнениями 40, 41 (фиг.5), обеспечивающими скользящее уплотнение между наружным торцом гильзы 19 и внутренним торцом второй гильзы 13. На уплотняющей гильзе 19 закреплено большое число передающих нагрузку шпонок 42, проходящих через осевые шпоночные канавки 43 во второй гильзе 13, к передающей нагрузку гильзе 44, установленной снаружи нижнего конца второй гильзы 13. Срезной штифт 20 разъемно соединяет гильзу 44 с второй гильзой 13 и срезается при приложении небольшой ударной направленной вверх нагрузки к штанге 6 через кольцо 5 и гильзу 4, причем нижний конец штанги 6 прикреплен к уплотняющей гильзе 19 с помощью срезающего кольца 18. Перемещение вверх спускаемого инструмента 2 вводит верхнюю опорную поверхность 45 передающей нагрузку гильзы 44 в контакт с обращенной вниз опорной поверхностью 32 нижнего блока 24 клиньев. Таким образом, теперь направленное вверх усилие, создаваемое штангой 6, прикладывается с передающей нагрузку гильзы 44 на гильзу 25 блока клиньев и непосредственно с верхнего упирающегося торца 46 гильзы 25 на противолежащий упирающийся торец 21, выполненный в основании нижней кулачковой поверхности 15. Кулачковая поверхность 15 является частью кулачкового узла 47, включающего гильзу 48, установленную поверх натяжной пружины 49. Верхний конец пружины 49 упирается в распорное кольцо 50 и нижнее противорастягивающее кольцо 51, образующее нижний держатель для упорного уплотнительного кольца 8. Аналогичное кольцо 52 установлено на верхней кромке уплотнительного кольца 8, но закрепленного относительно второй гильзы 13. Таким образом, уплотнительное кольцо 8 может сжиматься при перемещении вверх нижнего кольца 51 и смещаться до герметичного соприкосновения со стенкой скважины.

В показанном варианте направленное вверх усилие, действующее на штангу 6, создается за счет ударного действия между верхним торцом 53 (фиг.3) кольца 5 и нижним торцом 54 концевого фитинга 55 на верхнем конце штанги 6. Таким образом, уплотнительное кольцо 8 будет сжиматься за несколько этапов. Для предотвращения расширения уплотнительного кольца 8 между ударами храповой механизм 56 установлен на верхнем конце второй гильзы 13 для взаимодействия с соответствующей зубчатой частью 57, идущей в осевом направлении по части штанги 6.

Когда уплотнительное кольцо 8 сжимается, а нижние клинья 10 смещаются к стенке скважины, то пружинные шайбы 26 для ограничения усилия, передаваемого на клинья 10, обеспечивают более эффективную передачу усилия между гильзой 25 и кулачковым узлом 47. Кроме того, пружинные шайбы 26 допускают небольшую степень отвода клиньев 10 при перемещении вверх блока 24 клиньев, облегчая сжатие уплотнительного кольца 8. Сжатие уплотнительного кольца 8 продолжается до тех пор, пока сила противодействия, создаваемая уплотнительным кольцом 8 и натяжной пружиной 49, не достигнет заданного порога, и любое дальнейшее приложение усилия приведет к срезанию кольца 18 и освобождению штанги 6 от уплотняющей гильзы 19. Продолжающее перемещение штанги 6 вверх через пробку 1 приводит затем к срезанию храпового узла 56 с помощью храпового упора 58, прикрепленного к штанге 6 на нижнем конце зубчатой части 37. Таким образом, спускаемый инструмент 2 может быть поднят на поверхность земли, оставляя патронную пробку 1 на месте. Пробка 1 удерживается на месте в скважине за счет действия сжатого уплотнительного кольца 8 и натяжного кольца 49, поддерживающего натяжение между клиньями 9, 10 и поддерживающего клинья 9, 10 в зацеплении со стенкой скважины.

Извлечение патронной пробки 1 достигается с помощью ловильного инструмента 59, как показано на фиг.6 и 7. Ловильный инструмент 59 содержит обычную ловильную головку 60 и вилку 61, идущую внутрь пробки 1 и имеющую нижнюю концевую часть, которая ударяет в освобождающую гильзу 62, смещающуюся в положение, обеспечивающее относительное осевое скольжение между двумя элементами гильзы 13. Освобождающая гильза 62 более детально показана на фиг.3. Верхняя кулачковая поверхность 14 выполнена на кулачковой гильзе 63, запертой относительно второй гильзы 13 с помощью запирающего сегмента 64, проходящего через кольцевую прорезь 65 во второй гильзе 13 и удерживаемого в положении с помощью верхнего конца освобождающей гильзы 62. Нижний конец кулачковой гильзы 63 включает шпонки 66, проходящие через шпоночные канавки 67 во второй гильзе 13 к гильзе 68 во взаимодействие с внутренней стенкой второй гильзы 13 и расположенных поперек шпоночных канавок 67. Освобождающая гильза 62 и гильза 68 разъемно соединены с помощью срезного штифта 69, который срезается, когда в верхний торец освобождающей гильзы 62 ударяется нижний конец вилки 61. На фиг.6 вилка 61 показана в контакте с освобождающей гильзой 62. Дальнейшее перемещение вниз вилки 61 смещает тем самым кулачковую гильзу 63 вниз в положение, показанное на фиг.7, в результате чего запирающий сегмент 64 перемещается радиально внутрь, а кулачковая гильза 63 тогда свободна для перемещения вниз относительно второй гильзы 13, в результате чего верхние клинья 9 отводятся под действием пружины 37. При отведенных верхних клиньях 9 натяжение ловильного инструмента 59, головка 60 которого взаимодействует теперь с шейкой 22, приводит к перемещению вверх второй гильзы 13 относительно первой гильзы 12, в результате чего уплотнительное кольцо 8 выдвигается и выходит из взаимодействия со стенкой скважины, а также к перемещению нижних кулачковых поверхностей 15 вверх относительно нижних клиньев 10, вследствие чего клинья 10 возвращаются в отведенное положение. После этого может быть извлечена пробка 1 путем подъема ловильного инструмента 59.

Альтернативные средства освобождения гильзы 62 включают использование шара, бросаемого вниз в скважину в устройство для взаимодействия с верхним концом гильзы 62. Создание гидравлического давления в скважине приводит затем к перемещению вниз гильзы 62, как описано выше. Преимуществом этого способа является то, что обычный ловильный инструмент (без зонда) может использоваться для извлечения устройства, но требует, чтобы гильза 68 была в герметичном взаимодействии с внутренней стенкой второй гильзы 13.

Патронная пробка 1, как описано выше, может спускаться с использованием различных видов спускаемого устройства, и другое спускаемое устройство 70 показано на фиг.8. Устройство 70 приводится в действие гидравлически, и как устройство 2, описанное выше, оно снабжено гильзой 71, на нижнем конце упирающейся в верхний конец пробки 1, и кольцо 72, предназначенное для взаимодействия с соответствующей штангой 6. Верхний конец инструмента 70 снабжен стандартным соединением 73 для троса. Первый элемент 74 выполнен с возможностью скольжения в осевом направлении относительно корпуса 75 инструмента 70, идет от верхнего конца корпуса и снабжен соединением 73. На нижнем конце корпуса 75 второй элемент 76 также имеет возможность скольжения в осевом направлении в корпусе, проходит через гильзу 71 и снабжен кольцом 72.

В широком смысле первый элемент 74 образует первый поршень, который засасывает жидкость из резервуара 77, а затем нагнетает жидкость из первого гидроцилиндра 78 во второй гидроцилиндр 79, которая действует на относительно большую площадь поршня, образованного вторым элементом 76. Соответствующие размеры площади поршня позволяют передавать относительно небольшое усилие, прикладываемое к первому элементу 74, в относительно большое усилие, прикладываемое ко второму элементу 76 и к штанге 6 спускаемого устройства.

Первый гидроцилиндр 78 сообщен с резервуаром 77 через клапан 80 одностороннего действия, и жидкость подается из резервуара 77 в первый гидроцилиндр 78 при перемещении вниз первого элемента 74 относительно корпуса 75. Первый гидроцилиндр 78 ограничен боковыми стенками, образованными внутренней стенкой корпуса 75, наружной стенкой первого элемента 74 и противолежащими торцами 81 и 82 поршня. Перемещение вверх первого элемента 74 и уменьшение объема первой камеры 78 приводит к нагнетению жидкости через наружную линию 83 управления, снабженную клапаном 84 одностороннего действия, во второй гидроцилиндр 79, образованный внутренней стенкой корпуса 75, наружной стенкой второго элемента 76 и противолежащими кольцевыми поршневыми торцами 85, 86 значительно большей площади, чем торцы 81, 82, в результате чего усилие, действующее на второй элемент 76, значительно больше, чем усилие, приложенное к первому элементу 74.

Понятно, что перемещение первого элемента 74 будет только производить небольшое осевое перемещение второго элемента 76, в результате чего первый элемент 74 должен перемещаться вверх и вниз или "совершать ходы" несколько раз, чтобы обеспечить значительное перемещение второго элемента 76. Однако, конструкция предусматривает приложение значительного усилия к второму элементу 76 для приложения только относительно небольшого усилия к первому элементу 74, например, что может быть легко достигнуто с помощью троса или гладких тяг.

Рассмотрим теперь более подробно устройство 70. Гидравлический резервуар 77 содержит ряд сообщающихся камер: центральную камеру 87, верхнюю кольцевую камеру 88 и нижнюю кольцевую камеру 89. Клапан 80 непосредственно соединен с центральной камерой 87. Клапан 80 установлен между нижним концом первого элемента 74 и гильзой 90, соединенной на штифтах с элементом 74 и образующей верхнюю стенку центральной камеры 87. Нижняя наружная стенка камеры 87 образована полым стержнем 81, соединенным на штифтах с верхним концом второго элемента 76 и скользящим в гильзе 90. Верхняя кольцевая камера 88 образована внутренним торцом корпуса 75 и наружными торцами первого элемента 74 и гильзы 90 и сообщается с камерой 87 через канал 92 в гильзе 90. Нижняя кольцевая камера 89 образована внутренней торцовой поверхностью корпуса 75 и наружной торцовой поверхностью стержня 91 и сообщается с камерой 87 через канал 93 в стержне 91. Между камерами 88 и 89 имеется еще одна кольцевая камера 94, на которую действует давление в стержне. Для избежания блокирования между частями устройства компенсатор расширения в форме кольцевого поршня 95, смонтированного между комплектами шайб 96, 97 Белльвиля, размещен между камерами 88, 94.

При спуске в скважину первый элемент 74 удерживается неподвижно относительно корпуса 75 за счет соединенной на штифтах гильзы 86, которая может освобождаться путем удара по устройству 70.

Как только установка пробки 1 будет завершена, сжатие пробки 1, происходящее при установке клиньев 9, 10, осуществляется храповым блоком 99, выполненным на гильзе 100, соединенной на штифтах с нижним концом второго элемента 76, который взаимодействует с зубчатой частью 101, идущей в осевом направлении по штанге 6.

В случае, если спускаемое устройство 70 не может быть освобождено от пробки 1, то следует применить вибрирующее устройство для обеспечения необходимого усилия для освобождения срезанного кольца 18. Чтобы избежать амортизирующего действия гидравлической жидкости между корпусом 75 и вторым элементом 76, предусматриваются взрывающиеся диски 102 и 103 для выбрасывания жидкости из второй камеры 79 и нижней кольцевой камеры 89. При удаленной жидкости из камер торцы 85 и 86 поршней могут быть сведены вместе, чтобы приложить через устройство 70 сильный удар.

Ввиду того, что наружные давления, которые устройство 70 прикладывает ко всем участкам поршней, внутри и снаружи каждой части устройства равны, то любой перепад давления, действующий на устройство, будет сам себя анулировать, и следует отметить также, что участки А1, А2, А3 и А4 равны.

Из вышеприведенного описания будет ясно, что настоящее изобретение предусматривает устройство и, в частности, извлекаемую патронную пробку 1, которая удобно устанавливается в колонне труб без посадочных ниппелей с помощью обычного проволочного троса или гладкой тяги. В соответствующих модификациях элементы пробки могут также использоваться в пробках или других устройствах, устанавливаемых с использованием гидравлической линии или зарядов, подрываемых электрическим проводом. Для специалиста в данной области будет очевидно, что различные модификации и улучшения могут иметь место в устройствах, как они описаны и показаны, не выходя за область настоящего изобретения.

Использование: в области добычи нефти и газа и, более конкретно, в устройстве для нефтяных и газовых скважин при их эксплуатации. Обеспечивает создание устройства для нефтяных и газовых скважин при их герметизации с возможностью установки в герметичном соприкосновении со стенкой скважины с использованием тросового соединения с поверхностью земли на любой глубине и любом месте скважины. Сущность изобретения: устройство включает верхний и нижний элементы. На них установлены соответствующие зубчатые запирающие клинья. Между запирающими клиньями установлено упругое кольцо. Оно установлено с возможностью прижатия к стенке скважины при относительном перемещении клиньев друг к другу. Запирающие клинья выполнены с возможностью радиального перемещения и взаимодействия со стенкой скважины за счет относительного осевого перемещения соответствующих элементов и центрального элемента. Верхние и нижние запирающие клинья выполнены с возможностью раздвижения за счет приложения направленного вниз усилия к центральному элементу и верхнему элементу соответственно. Кольцевой элемент выполнен с возможностью герметичного прижатия к стенке скважины за счет приложения направленного вверх усилия к нижнему элементу. 4 с. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, содержащее корпус, первый и второй запирающие узлы, выполненные с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение, упругий кольцевой элемент, установленный между запирающими узлами и выполненный с возможностью прижатия к стенке скважины при осевом перемещении запирающих узлов в направлении друг к другу, и по меньшей мере один кулачковый узел, помещенный на корпусе между упругим кольцевым элементом и первым запирающим узлом для приведения последнего в рабочее положение, и освобождающий узел, отличающееся тем, что оно снабжено запирающим блоком со смещающим узлом, а первый запирающий узел смонтирован на запирающем блоке с помощью смещающего узла, выполненного с возможностью ограничения усилия, передаваемого на первый запирающий узел, при этом упругой кольцевой элемент выполнен с возможностью прижатия к стенке скважины при осевом перемещении по крайней мере первого запирающего узла, а запирающий блок выполнен с возможностью передачи через него установочного усилия прижатия упругого кольцевого элемента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит второй кулачковый узел, помещенный на корпусе между упругим элементом и вторым запирающим узлом, при этом освобождающий узел выполнен с возможностью взаимодействия с ловильным инструментом, перемещения второго кулачкового элемента относительно второго запирающего узла и перевода последнего и упругого кольцевого элемента в транспортное положение. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно имеет упругие элементы для смещения кулачковых узлов в осевом направлении в сторону соответствующих запирающих узлов и поддерживания последних в их рабочем положении. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит соединительный элемент, размещенный между вторым кулачковым узлом и корпусом, который выполнен полым, и держатель соединительного элемента, установленный на внутренней части корпуса с возможностью его взаимодействия с ловильным инструментом и перемещения соединительного элемента между вторым кулачковым узлом и корпусом. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корпус выполнен со шпоночной канавкой, а держатель соединительного элемента выполнен в виде гильзы из внутренней и наружной разъемно соединенных частей с возможностью их относительного перемещения в осевом направлении, при этом наружная часть взаимодействует с соединительным элементом, а внутренняя часть соединена с кулачковым узлом с помощью шпонки с возможностью ее перемещения вдоль шпоночной канавки. 6. Устройство по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что корпус выполнен с шейкой, а ловильный инструмент содержит вилку для высвобождения держателя соединительного элемента, и ловильный профиль под шейку. 7. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что держатель соединительного элемента выполнен с посадочным седлом под бросовый шар, а корпус выполнен с шейкой, при этом ловильный инструмент выполнен с ловильным профилем под шейку. 8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что корпус содержит первый, второй и третий элементы, при этом первый запирающий узел и запирающий блок смонтированы на первом элементе, упругий кольцевой элемент и кулачковые узлы смонтированы на втором элементе, который выполнен с возможностью осевого перемещения при приложении к нему осевого усилия относительно первого элемента в первом положении устройства, второй запирающий узел установлен на третьем элементе, который выполнен с возможностью осевого перемещения при приложении к нему осевого усилия относительно второго элемента в первом положении устройства, а первый элемент выполнен с возможностью осевого перемещения при приложении к нему осевого усилия относительно второго элемента во втором положении устройства. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что первый элемент имеет фрикционный узел для зацепления со стенкой скважины, соединительный узел, связывающий первый и второй элементы и имеющий первое положение, при котором предотвращается относительное перемещение первого и второго элементов, и второе положение, при котором обеспечивается относительное перемещение первого и второго элементов, при этом соединительный узел выполнен с возможностью его переключения из первого положения во второе за счет осевого перемещения второго элемента при приложении к нему усилия относительно первого элемента при зацеплении последнего за стенку скважины. 10. Устройство по пп.8 и 9, отличающееся тем, что второй и третий элементы имеют между собой разъемное соединение, выполненное с возможностью предотвращения их относительного перемещения до приведения в рабочее положение первого запирающего узла. 11. Устройство по пп.8 10, отличающееся тем, что второй и третий элементы имеют храповое средство для запирания третьего элемента относительно второго, запирания второго запирающего узла в рабочем положении при перемещении третьего элемента в первом положении устройства относительно второго элемента. 12. Устройство по пп.8 11, отличающееся тем, что корпус выполнен полым и имеет на стенке шпоночную канавку, первый элемент содержит наружную гильзу, подвижно установленную снаружи второго элемента, и внутреннюю гильзу, подвижно установленную внутри второго элемента, который изолирует полость корпуса, а наружная и внутренняя гильзы соединены шпонкой с возможностью ее перемещения по шпоночной канавке и передачи усилия от спускаемого инструмента через внутреннюю гильзу на наружную гильзу при втором положении устройства, при этом одна из гильз герметично установлена на втором элементе. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что внутренняя гильза герметично установлена на втором элементе. 14. Устройство по пп.12 и 13, отличающееся тем, что наружная гильза состоит из верхней и нижней частей, а первый запирающий узел и фрикционный узел зацепления размещены на верхней части, при этом внутренняя гильза размещена на нижней части, которая имеет разъемное соединение с вторым элементом и размещена от верхней части на расстоянии, обеспечивающем выдвижение первого запирающего узла в его рабочее положение. 15. Устройство по пп.12 14, отличающееся тем, что спускаемый в скважину инструмент содержит первый и второй узлы, установленные с возможностью их относительного перемещения в осевом направлении, при этом первый узел выполнен с возможностью соединения с первым элементом, возможностью соединения с вторым элементом с помощью храпового средства, а второй узел выполнен с возможностью его упора в третий элемент. 16. Устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающее корпус, запирающий узел и кулачковый узел для радиального выдвижения запирающего узла в рабочее положение, отличающееся тем, что оно имеет первый элемент с фрикционным узлом для зацепления со стенкой скважины при опускании устройства вниз по скважине, второй элемент, на котором размещен кулачковый узел, и соединительный узел, выполненный с возможностью предотвращения относительного перемещения первого и второго элементов в первом положении устройства при его спуске в скважину и обеспечения относительного перемещения второго элемента относительно первого элемента во втором положении устройства при приложении усилия к второму элементу, а запирающий узел размещен на первом элементе и выполнен с возможностью ограничения перемещения первого элемента относительно стенки скважины. 17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что оно содержит средство для герметизации скважины в виде патронной пробки. 18. Устройство по пп.16 и 17, отличающееся тем, что соединительный узел содержит гильзу, установленную между первым и вторым элементами и зафиксированную от осевого перемещения относительно второго элемента, и следящий элемент, прикрепленный к первому элементу, при этом гильза имеет J-образный паз под следящий элемент. 19. Устройство по пп.17 и 18, отличающееся тем, что гильза выполнена с возможностью вращения относительно первого и второго элементов. 20. Устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающее полый корпус и патронную пробку с запирающим узлом и герметизирующим средством, выполненным с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение при взаимодействии со стенкой скважины, отличающееся тем, что оно снабжено внутренней гильзой, подвижно установленной внутри корпуса, и наружной гильзой, подвижно установленной снаружи корпуса, а корпус выполнен со шпоночной канавкой под шпонку, которой соединены наружная и внутренняя гильза, последняя из которых выполнена с возможностью взаимодействия со спускаемым инструментом, восприятия от него усилия и передачи его на наружную гильзу через шпонку, при этом одна из гильз установлена на корпусе герметично. 21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что пробка выполнена в виде первого и второго элементов, установленных с возможностью взаимного осевого перемещения, а запирающий узел и герметизирующее средство помещены на первом элементе, который имеет фрикционный узел для зацепления со стенкой скважины и обеспечения возможности приложения осевого усилия во втором направлении к второму элементу для его перемещения относительно первого элемента, при этом запирающий узел выполнен с возможностью радиального выдвижения в рабочее положение за счет осевого перемещения первого элемента относительно второго элемента в первом направлении. 22. Устройство для нефтяных и газовых скважин при их герметизации, включающее корпус с верхним и нижним концами, отличающееся тем, что оно снабжено управляющим узлом с первой и второй частями, первым элементом, подвижно установленным в корпусе и выступающим из его верхнего конца для соединения, например, с проволочным тросом, и вторым элементом, подвижно установленным в корпусе и выступающим из нижнего его конца для соединения с второй частью управляющего узла, а корпус имеет первый и второй гидроцилиндры, гидравлически связанные через клапан одностороннего действия, при этом первый элемент гидравлически связан с первым гидроцилиндром, второй элемент гидравлически связан с вторым гидроцилиндром и его поршень имеет площадь сечения, превышающую площадь сечения поршня в первом гидроцилиндре, обеспечивающим возможность гидравлического увеличения усилия, прикладываемого к первому элементу при его осевом перемещении относительно корпуса, в сравнении с усилием, создающимся на втором элементе для передачи его на вторую часть управляющего узла. 23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным клапаном одностороннего действия и гидравлическим резервуаром для гидравлического сообщения с одним из гидроцилиндров через дополнительный клапан одностороннего действия.