ПАКЕР ДЛЯ БУРЕНИЯ С ДВОЙНОЙ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННОЙ Российский патент 1999 года по МПК E21B33/12 E21B21/00 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровому инструменту для бурения скважин двойными бурильными колоннами.

Известен буровой пакер (а. с. N 724689, E 21 B 33/12), состоящий из корпуса, опоры, втулки и герметизирующего элемента, выполненного в виде секций из замкнутых лент с упругим покрытием, надетых на оси, размещаемые в опорах пакера (1).

Данный буровой пакер имеет следующие недостатки.

Во-первых, пакер может удовлетворительно работать только при неизменном диаметре бурящейся скважины, что в практике бурения, особенно перемещающихся пород, практически невозможно, так как разработка диаметра скважины в процессе бурения зависит от многих факторов, а именно: от свойств проходимых горных пород, от изменения режимов бурения, вызывающих изменения частот вибрации буровой колонны и породообразующего инструмента, от износа породоразрушающего инструмента и т.п.

Во-вторых, конструкция пакера не предусматривает уменьшения диаметра герметизирующего элемента при спускоподъемных операциях, что вызывает поршневой эффект, приводящий к разрушению стенок скважины и увеличению затрат мощности и времени на их проведение, а также увеличению числа аварий, связанных с заклинкой бурового инструмента в скважине в момент спуска-подъема, особенно в пучащихся горных породах.

Известно (прототип) устройство для бурения с транспортированием разрушенной породы потоком очистного агента (а. с. N 1492013 E 21 B 21/00), состоящее из корпуса с кольцевыми канавками лабиринтного уплотнения на его наружной поверхности, устанавливаемого на двойной бурильной колонне и в нижней части соединяемого с расширителем и породоразрушающим наконечником, и уплотнительных элементов в виде колец, установленных с зазором в кольцевых канавках, причем каждое кольцо закреплено на фиксирующей оси, установленной также в кольцевой канавке и смещенной по вертикали в каждой канавке одна относительно другой по спирали (2).

Данное устройство имеет следующие недостатки.

Во-первых, конструкция устройства не предусматривает уменьшение диаметра уплотнительных колец при производстве спускоподъемных операций, что вызывает те же отрицательные последствия, что и вышерассмотренный аналог.

Во-вторых, расширяющаяся способность уплотнительных колец предлагаемой конструкции слишком мала. При больших разработках диаметра скважины нет гарантий герметизации призабойной части скважины от остальной ее части, что приведет к разделению восходящего потока очистного агента (часть по внутренней трубе, а часть по затрубному пространству). Вследствие этого ухудшится очистка забоя от разрушенной породы и нарушится схема циркуляции очистного агента на поверхности скважины.

Цель изобретения - повышение надежности пакерного устройства в процессе бурения скважин.

Указанная цель достигается тем, что корпус пакера выполнен в виде гильзы и входящего в нее полого плунжера, установленных на наружной трубе двойной бурильной колонны на подшипниках скольжения, при этом между ними имеется кольцевая полость, соединенная с затрубным пространством посредством окна в верхней части плунжера, а при нерабочем (закрытом) положении пакера и через окно, расположенное в верхней части гильзы, на наружной поверхности полого плунжера выполнена кольцевая выточка, в которой установлены подпружиненные клинья с наружным конусом и сквозными симметрично расположенными шпоночными пазами на их наружных и внутренних поверхностях; уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной цилиндрической рубашки, на наружной поверхности которой установлен набор траков, а на внутренней поверхности соответственно числу траков - набор клиньев с внутренним конусом и шпонками, соответствующими по своим размерам наружному конусу подпружиненных клиньев и их наружным шпоночным пазам.

На фиг. 1 изображен разрез пакера для бурения с двойной бурильной колонной в рабочем (открытом) положении, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1.

Пакер для бурения с двойной бурильной колонной выполнен в виде гильзы 1 и входящего в нее полого плунжера 2, в верхних частях которых имеются окна 3 и 4, соединяющие полость "E" с затрубным пространством. Полость "E" представляет пространство между наружными поверхностями патрубков 5 и 6, жестко соединенных между собой и являющихся элементами наружной трубы 7 двойной бурильной колонны и внутренними поверхностями гильзы 1 и полого плунжера 2. Полый плунжер 2 базируется на радиальном подшипнике скольжения 8, установленном на патрубке 5, жестко соединенном с наружной трубой 7, в кольцевой выточке которой крепятся разрезные скобы 9, связывающие от перемещения в осевом направлении полый плунжер 2 относительно трубы 7 и обеспечивающие при неподвижном положении полого плунжера 2 свободное вращение трубы 7 с патрубками 5 и 6. В кольцевой выточке на наружной поверхности полого плунжера 2 установлены по всему периметру наборы подпружиненных клиньев, состоящих из собственно клиньев 10 с наружным конусом и сквозными симметрично расположенными пазами на его наружной и внутренней поверхности и пластинчатых пружин 11, установленных во внутренних пазах клиньев 10 и одним концом жестко соединенные с ними. Гильза 1 базируется на радиальном подшипнике скольжения 12, установленном на переходнике 13, являющемся концевым элементом наружной трубы 7 и связывающем ее через переходник с корпусом забойной трансмиссии или корпусом расширителя и т.п.

Переходник 13 соединяется с патрубком 6 посредством шлицевого соединения. Длина шлицев на переходнике 13 позволяет производить осевое перемещение патрубка 6, являющегося элементом наружной трубы 7 двойной бурильной колонны, на рабочую величину "l " ,соответствующую открытию или закрытию пакера. В кольцевой выточке переходника 13 крепятся разрезные скобы 14, связывающие от перемещения в осевом направлении гильзу 1 относительно переходника 13 и обеспечивающие при неподвижном положении гильзы 1 свободное вращение трубы 7 с патрубками 5 и 6 и переходником 13. В верхней части гильзы 1 имеется кольцевая выточка, в которой закреплены разрезные скобы 15, жестко связывающие гильзу 1 с уплотнительным элементом пакера.

Уплотнительный элемент пакера состоит из эластичной цилиндрической рубашки 15, на наружной поверхности которой размещены траки (пластинчатые сектора с двухсторонней гребенкой, у которой при сборке выступы одной гребенки входят в пазы другой соседней гребенки) 17, а на внутренней - соответственно числу траков 17 набор клиньев 18 с внутренним конусом и шпонками 19, соответствующими по размерам наружному конусу подпружиненных клиньев 10 и их шпоночным пазам. Трак 17, эластичная цилиндрическая рубашка 16, клинья 18 со штоками 19 собраны в единый узел с помощью заклепок 10. Для удержания уплотнительного элемента пакера в закрытом положении при производстве спускоподъемных операций и при хранении пакера между уплотнительным элементом пакера и кольцевым упором полого плунжера 1 установлена распорная втулка 21 и винтовая пружина возврата 22, при этом между распорной втулкой 21 и наружной поверхности полого плунжера 1 имеется полость "И", заполненная рабочим агентом для поддержания эластичности рубашки 16 и сохранения чистоты поверхности набора клиньев 10 и 18. Для подсоединения пакера к двойной бурильной колонне и забойному устройству, предшествующему породоразрушающему инструменту, в его конструкции имеется внутренняя труба 23, установленная на подшипниках скольжения 24, размещенных в присоединительных элементах наружной трубы 7. Наружная труба 7 с входящими в нее переходником 13 и внутренняя труба 23 на своих концах имеют резьбы для присоединения через специальные переходники к двойной бурильной колонне и к забойному устройству (забойной трансмиссии, расширителю и т.п.), предшествующему породоразрушающему инструменту.

Пакер для бурения с двойной бурильной колонной работает следующим образом.

Во время хранения и производства спускоподъемных операций пакер находится в закрытом состоянии, когда полый плунжер 2 с набором подпружиненных клиньев 10 под действием пружины возврата 22 находится в крайнем верхнем положении, при котором полость "Е" сообщается с затрубным пространством через оба окна 3 и 4, а уплотнительный элемент пакера имеет диаметр меньше диаметра скважины.

В закрытом состоянии пакер посредством специальных переходников в верхней части соединяется с двойной бурильной колонной, а в нижней части с призабойным устройством (забойной трансмиссии, расширителем и т.п.). Таким образом, он подготовлен к спуску в скважину. Технология процесса спускоподъемных операций при этом не претерпевает никаких изменений.

Начало бурения скважин характеризуется наличием 3-х факторов:
- передачей вращения на породоразрушающий инструмент;
- подачей промывочной жидкости на забой скважины;
- передачей осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Передача осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент производится через наружные трубы двойной бурильной колонны. При этом наружная труба 7 благодаря наличию в нижней части шлицевого соединения начинает перемещаться вниз на заданную величину "l" и через разрезную скобу 9 перемещает на эту же величину "l" полый плунжер 2, а вместе с ним и набор подпружиненных клиньев 10, что приводит к перекрытию плунжером 2 окна 4 и растяжению по окружности клиньями 10 и 18 эластичной цилиндрической рубашки 16 и соответственно раздвижку траков 17 до определенного диаметра. Величина упругого изменения интервала диаметра уплотнительного элемента пакера закладывается в конструкцию пакера и обеспечивается наличием пластинчатых пружин 11 в наборе подпружиненных клиньев 10, размер и силовые характеристики которых подбираются расчетным путем, исходя из модуля упругости эластичного материала цилиндрической рубашки 16 и предельных значений заданного удельного давления на стенки скважины.

Таким образом, в заданном интервале изменения диаметра уплотнительного элемента пакера обеспечивается герметизация забоя скважины от остальной ее части и движение потока промывочной жидкости внутри двойной бурильной колонны.

В процессе бурения уплотнительный элемент не вращается, так как он установлен на гильзе 1 и полом плунжере 2, базирующихся на радиальных подшипниках скольжения 8 и 12 и момент от сил трения в подшипниках скольжения 8 и 12, исходя из конструктивного решения, значительно меньше момента от сил трения уплотнительного элемента о стенки скважины.

По окончанию процесса бурения снимается осевая нагрузка на забое и за счет усилия пружины возврата 22 и усилий лебедки буровой установки на подъем двойной бурильной колонны полый плунжер 2 поднимается совместно с подпружиненными клиньями 10 вверх, открывая окно 4 и выводя из силового замыкания наборы клиньев 10 и 18. Эластичная цилиндрическая рубашка 16 за счет сил упругости материала возвращается к исходному диаметру и производится подъем буровой колонны.

Таким образом, предлагаемое техническое решение пакера для бурения с двойной бурильной колонной позволяет.

Во-первых, за счет наличия пластинчатых пружин в конструкции распорного клинового устройства уплотнительного элемента пакера обеспечить удовлетворительную работу пакера в интервале диаметров, определяемом величиной их разработки в призабойной части скважины в процессе бурения.

Во-вторых, за счет наличия тех же пластинчатых пружин в конструкции обеспечить расчетные удельные давления поверхности уплотнительного элемента на стенки скважины, исключающие заклинку пакера в процессе бурения и обеспечивающие минимальные потери осевого усилия.

В-третьих, наличие в конструкции пакера при производстве спускоподъемных операций, канала перетока жидкости в обход уплотнительного элемента и гарантированного конструкцией зазора между наружной поверхностью уплотнительного элемента пакера и стенкой скважины исключает поршневой эффект.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 724689, E 21 B 33/12: 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1492013, E 21 B 21/00, 1989.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровому инструменту. Пакер включает корпус в виде гильзы и входящего в него полого плунжера. Они выполнены с окнами в верхней части. На наружной поверхности плунжера выполнена кольцевая выточка. В ней установлены подпружиненные клинья с наружными конусами и сквозными пазами. Уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной цилиндрической рубашки. На наружной ее поверхности установлен набор траков. На внутренней поверхности соответственно числу траков - набор клиньев с внутренним конусом и шпонками. Наружная труба колонны перемещает плунжер и набор клиньев. Плунжер перекрывает окно. Эластичная рубашка и траки растягиваются. Обеспечивается герметизация забоя скважины. По окончании бурения плунжер с клиньями поднимается. Наборы клиньев выводятся из замыкания. Рубашка возвращается к исходному диаметру. Колонну поднимают. Повышается надежность в работе. 2 ил.

Пакер для бурения с двойной бурильной колонной, включающий корпус и уплотнительные элементы, отличающийся тем, что корпус пакера выполнен в виде гильзы и входящего в него полого плунжера, установленных на наружной трубе двойной бурильной колонны на подшипниках скольжения и выполненных с окнами в верхней части, при этом между ними имеется кольцевая полость, соединенная с затрубным пространством через окно полого плунжера, а при нерабочем положении пакера и через окно гильзы, на наружной поверхности полого плунжера выполнена кольцевая выточка, в которой установлены подпружиненные клинья с наружными конусами и сквозными симметрично расположенными пазами на их наружных и внутренних поверхностях, уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной цилиндрической рубашки, на наружной поверхности которой установлен набор траков, а на внутренней поверхности соответственно числу траков - набор клиньев с внутренним конусом и шпонками, соответствующими по своим размерам наружному конусу подпружиненных клиньев и их наружным шпоночным пазам.