ПАКЕР ДВУСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1998 года по МПК E21B33/128 

Изобретение относится к горному делу, а именно к пакерам двухстороннего действия, используемым в составе компановок для гидроразрыва пластов.

Известен пакер двухстороннего действия, включающий трубчатый корпус с верхним и нижним переходниками на концах, нажимной цилиндр, телескопически размещенный на трубчатом корпусе с внешней стороны с возможностью ограниченного осевого перемещения и зафиксированный в исходном положении относительно последнего срезным элементом, размещенные на корпусе между верхним переходником и нажимным цилиндром центральную и две боковые деформируемые манжеты со скошенными боковыми ответными друг другу поверхностями и две расширяющиеся опоры, установленные на трубчатом корпусе с обеих сторон от боковых деформируемых манжет с возможностью взаимодействия с последними, с верхним переходником и нажимным цилиндром, и выполненные в виде кольцевого элемента с отгибающимися лепестками (авт. свид. СССР N 1672760, кл. Е 21 В 33/12, 1989).

Недостаток известного пакера заключается в том, что он не держит большие усилия пакеровки из-за того, что упругие лепестки при больших усилиях выгибаются в зазор между корпусом и обсадной колонной, а материал деформируемых манжет, затекая в образовавшийся зазор, разрушается (разрывается), и тем самым снижаются усилия пакеровки, а также надежность его работы, так как при снятии усилия с пакера лепестки не могут вернуться в исходное положение, и извлечение пакера затруднено, а порой невозможно.

Задачей изобретения является повышение надежности работы пакера и повышение усилий пакеровки.

Указанная задача достигается тем, что в пакере двухстороннего действия, включающем трубчатый корпус с верхним и нижним переходниками на концах, нажимной цилиндр, телескопически размещенный на трубчатом корпусе с внешней его стороны с возможностью ограниченного продольного перемещения и зафиксированный в исходном положении относительно последнего срезным элементом, размещенные на корпусе между верхним переходником и нажимным цилиндром центральную и две боковые деформируемые манжеты со скошенными боковыми ответными друг другу поверхностями и две расширяющиеся опоры, установленные на трубчатом корпусе с обеих сторон от боковых деформируемых манжет с возможностью взаимодействия с последними, с верхним переходником и нажимным цилиндром, в отличие от пакера по прототипу торцевые поверхности верхнего переходника и нажимного цилиндра, взаимодействующие с расширяющимися опорами, выполнены скошенными к их внешним сторонам, а каждая расширяющаяся опора выполнена из стянутых упругих элементом нескольких отдельных сегментов, установленных на трубчатом корпусе с перекрытием всего его периметра и выполненных со скошенными торцами, взаимодействующими с ответными им скошенными торцами верхнего переходника и нажимного цилиндра соответственно, и со скошенными внутренними поверхностями, образующими на внутренней поверхности опорную точку перегиба, причем сегменты имеют пластины, установленные на их торцах со стороны боковых деформируемых манжет с возможностью перекрытия кольцевого пространства по периметру трубчатого корпуса и зазоров между сегментами при их перемещении.

Указанная задача достигается также тем, что упругий элемент выполнен из нескольких упругих колец, собранных в единый пакет.

А также тем, что деформируемые манжеты выполнены из термостойкой резины или из фторопласта.

А также тем, что расширяющаяся опора выполнена из двенадцати сегментов.

А также тем, что углы скоса торцевых поверхностей нажимного цилиндра и верхнего переходника и соответствующих им скошенных торцов сегментов равны между собой.

А также тем, что он снабжен опорными кольцами со скошенными торцами, установленными на трубчатом корпусе между пластинами сегментов и боковыми деформируемыми манжетами, причем пластины и боковые деформируемые манжеты выполнены с наклонными поверхностями, ответными скошенным торцам опорных колец.

А также тем, что верхний переходник и нажимной цилиндр с внутренней стороны выполнены с кольцевыми проточками на торцах, а сегменты - с хвостовиками, размещенными в указанных проточках верхнего переходника и нажимного цилиндра.

На фиг. 1 изображен продольный разрез пакера двухстороннего действия. На фиг. 2 - расширяющаяся опора, узел А на фиг. 1.

Пакер двухстороннего действия состоит из трубчатого корпуса 1 с верхним переходником 2 и нижним переходником (не показан). С внешней стороны на трубчатом корпусе 1 телескопически размещен нажимной цилиндр 3, который зафиксирован в исходном положении относительно трубчатого корпуса 1 срезным элементом 4 и установлен на трубчатом корпусе 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения. На трубчатом корпусе 1 между верхним переходником 2 и нажимным цилиндром 3 размещены центральная 5 и две боковые 6 и 7 деформируемые манжеты. Манжеты 5, 6 и 7 имеют скошенные боковые ответные поверхности 8 и 9, взаимодействующие друг с другом, а боковые манжеты 6 и 7 имеют еще и дополнительные скошенные боковые поверхности 10 и 11, которые взаимодействуют с ответными им скошенными поверхностями опорных колец 12 и 13.

На трубном корпусе 1 с обеих сторон от боковых деформируемых манжет 6 и 7 установлены две расширяющиеся опоры 14 и 15, взаимодействующие с боковыми деформируемыми манжетами 6 и 7 и с верхним переходником 2 и с нажимным цилиндром 3 соответственно. Взаимодействие с боковыми деформируемыми манжетами 6 и 7 может осуществляться через опорные кольца 12 и 13.

Торцевая поверхность 16 верхнего переходника 2 и торцевая поверхность 17 нажимного цилиндра 3, взаимодействующие с расширяющимися опорами 14 и 15, выполнены скошенными к их внешним сторонам.

Каждая расширяющаяся опора 14 и 15 выполнена из нескольких отдельных сегментов 18, стянутых упругим элементом 19. Сегменты 18 установлены на трубчатом корпусе 1 так, что они перекрывают весь его периметр, то есть установлены вплотную друг к другу. Сегменты 18 выполнены со скошенными торцами 20, взаимодействующими со скошенными торцами 16 и 17 верхнего переходника 2 и нажимного цилиндра 3 соответственно. Углы скоса торцевых поверхностей 16 и 17 нажимного цилиндра 3 и верхнего переходника 2 равны углам скоса соответствующих им скошенных торцов 20 сегментов 18.

Сегменты 18 выполнены со скошенными внутренними поверхностями 21, образующими на внутренней поверхности опорную точку перегиба 22. На сегментах 18 на их торцах со стороны боковых деформируемых манжет 6 и 7 установлены пластины 23, закрепленные винтами 24. Пластины 23 установлены с возможностью перекрытия всего кольцевого пространства по перименру трубчатого корпуса 1 и зазоров между сегментами 18 при их перемещении. Пластины 23 выполнены со скошенными поверхностями 25, ответными скошенным торцам 26 опорных колец 12 и 13.

Упругий элемент 19 выполнен из нескольких упругих колец 2., собранных в единый пакет. Местоположение точки перегиба 22 выбрано так, что упругие кольца 27 работают только на изгиб.

Деформируемые манжеты 5, 6 и 7 выполнены из термостойкой резины или фторопласта. Каждая расширяющаяся опора 14 и 15 выполнена из двенадцати сегментов 18. Пластины 23 могут быть установлены либо на каждом сегменте 18, либо на каждом втором сегменте 18, и их количество следовательно может быть равно двенадцати или шести.

Нажимной цилиндр 3 и верхний переходник 2 выполнены с кольцевыми проточками 28 и 29 на торцах, а сегменты 18 с хвостовиками 30, размещенными в указанных проточках 28 и 29. Наружная поверхность 31 пластины 23 также скошена под некоторым углом и параллельна внутренней поверхности 21 сегментов 18.

Пакер двухстороннего действия работает следующим образом.

После срабатывания механической подвески (не показана) и передачи дальнейшей нагрузки трубчатый корпус 1 вместе с переходником 2 перемещается вниз, а нажимной цилиндр 3 остается неподвижным. При этом продольное усилие через сегменты 18 и опорные кольца 12 и 13 передается на боковые 6 и 7 и центральную 5 деформируемые манжеты. В результате деформации манжеты 5, 6 и 7 расширяются в радиальном направлении, и пакер устанавливается. При взаимодействии скошенных поверхностей 25 пластин 23 с ответными им скошенными торцами 26 опорных колец 12 и 13 сегменты 18 поворачиваются вокруг опорной точки перегиба 22 на некоторый угол, и опоры 14 и 15 расширяются. При этом их скошенные поверхности 20 упираются в скошенные поверхности 16 и 17 верхнего переходника 2 и нажимного цилиндра 3 соответственно, приобретая такое положение, при котором они могут воспринимать значительную нагрузку. При повороте сегментов 18 верхние их концы немного расходятся. Однако находящиеся на их торцах пластины 23, смещаясь друг относительно друга, сохраняют перекрытие кольцевого пространства и зазоров между сегментами 18 и образуют сплошную поверхность опоры, не давая затекать материалу деформируемых манжет в образовавшиеся пространства (зазоры) между верхними концами повернувшихся сегментов 18.

Хвостовики 30 сегментов 18, движущиеся в кольцевых проточках 28 и 29, не позволяют перекоситься сегментам во время их раскрытия и способствуют раскрытию их опорных концов с пластинами 23, и не противоположны - с хвостовиками 30.

Наличие на пластинах 23 скошенной поверхности 31 способствует более плотному прижатию сегментов 18 к обсадной колонне и по большей площади, в результате чего усилия, воздействующие через эти поверхности от сегментов 18, не разрушают обсадную колонну. При взаимодействии поверхности 31 пластин 23 с обсадной колонной поверхность 21 сегмента 18 взаимодействует с наружной поверхностью трубчатого корпуса 1. Таким образом сегменты 18, повернувшись на некоторый угол, занимают такое положение, когда они одновременно своими скошенными поверхностями 20, 21 и 31 опираются на скошенные торцы 16 и 17 верхнего переходника 2 и нажимного цилиндра 3 на обсадную колонну и на наружную поверхность трубчатого корпуса 1. Это позволяет передавать на деформируемые манжеты 5, 6 и 7 значительно большие усилия, от чего усилия их прижатия к обсадной колонне значительно повышаются, и тем самым пакер способен выдержать значительно большие давления.

После снятия нагрузки сегменты 18 под действием упругих сил колец 27 возвращаются в исходное положение, при этом никаких затруднений не происходит: они свободно поворачиваются вокруг опорной точки перегиба 22.

В 1996 г. были проведены испытания предлагаемого пакера, у которого диаметры деформируемых манжет равны 112 мм, корпуса - 114 мм. Перевод пакера в рабочее состояние (расширение манжет) осуществлялся осевым усилием до 20 кН. После шестисуточных испытаний давлением 80 МПа и кратковременных 100 МПа пакер обеспечивал герметичность межтрубного пространства труб диаметрами 73 мм и 140 мм и был извлечен усилием 18 кН.

Таким образом, выполнение пакера по изобретению позволяет повысить надежность его работы и повысить усилия пакеровки.

Пакер включает трубчатый корпус с верхним и нижним переходниками на концах и нажимной цилиндр. Он телескопически размещен на трубчатом корпусе с внешней его стороны. Он имеет возможность ограниченного продольного перемещения и зафиксирован в исходном положении относительно корпуса срезным элементом. На корпусе размещены между верхним переходником и нажимным цилиндром центральная и две боковые деформируемые манжеты, имеющие скошенные боковые ответные друг другу поверхности и две расширяющиеся опоры. Они установлены на трубчатом корпусе с обеих сторон от боковых деформируемых манжет с возможность взаимодействия с последними, с верхним переходником и нажимным цилиндром. Торцевые поверхности верхнего переходника и нажимного цилиндра взаимодействуют с расширяющимися опорами. Они выполнены скошенными к их внешним сторонам. Каждая расширяющаяся опора выполнена из стянутых упругим элементом нескольких отдельных сегментов. Они установлена на трубчатом корпусе с перекрытием всего его периметра и выпоолнены со скошенными торцами. Они взаимодействуют с ответными им скошенными торцами верхнего переходника и нажимного цилиндра. Их внутренние поверхности скошены и образуют на внутренней поверхности опорную точку перегиба. Сегменты имеют пластины, установленные на их торцах со стороны боковых деформируемых манжет с возможность перекрытия кольцевого пространства по периметру трубчатого корпуса и зазоров между сегментами при их перемещении. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пакер двустороннего действия, включающий трубчатый корпус с верхним и нижним переходниками на концах, нажимной цилиндр, телескопически размещенный на трубчатом корпусе с внешней его стороны с возможностью ограниченного продольного перемещения и зафиксированный в исходном положении относительно последнего срезным элементом, размещенные на корпусе между верхним переходником и нажимным цилиндром центральную и две боковые деформируемые манжеты со скошенными боковыми ответными друг другу поверхностями и две расширяющиеся опоры, установленные на трубчатом корпусе с обеих сторон от боковых деформируемых манжет с возможностью взаимодействия с последними, с верхним переходником и нажимным цилиндром, отличающийся тем, что торцевые поверхности верхнего переходника и нажимного цилиндра, взаимодействующие с расширяющимися опорами, выполнены скошенными к их внешним сторонам, а каждая расширяющаяся опора выполнена из стянутых упругим элементом нескольких отдельных сегментов, установленных на трубчатом корпусе с перекрытием всего его периметра и выполненных со скошенными торцами, взаимодействующими с ответными им скошенными торцами верхнего переходника и нажимного цилиндра соответственно, и со скошенными внутренними поверхностями, образующими на внутренней поверхности опорную точку перегиба, причем сегменты имеют пластины, установленные на их торцах со стороны боковых деформируемых манжет с возможностью перекрытия кольцевого пространства по периметру трубчатого корпуса и зазоров между сегментами при их перемещении. 2. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из нескольких упругих колец, собранных в единый пакет. 3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что деформируемые манжеты выполнены из термостойкой резины или из фторопласта. 4. Пакер по п.1, отличающийся тем, что расширяющаяся опора выполнена из двенадцати сегментов. 5. Пакер по п.1, отличающийся тем, что углы скоса торцевых поверхностей нажимного цилиндра и верхнего переходника и соответствующих им скошенных торцов сегментов равны между собой. 6. Пакер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен опорными кольцами со скошенными торцами, установленными на трубчатом корпусе между пластинами сегментов и боковыми деформируемыми манжетами, причем пластины и боковые деформируемые манжеты выполнены с наклонными поверхностями, ответными скошенным торцам опорных колец. 7. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что верхний переходник и нажимной цилиндр с внутренней стороны выполнены с кольцевыми проточками на торцах, а сегменты - с хвостовиками, размещенными в указанных проточках верхнего переходника и нажимного цилиндра.