МЕХАНИЧЕСКИЙ ПАКЕР Российский патент 2003 года по МПК E21B33/12 

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.c. СССР 1686128, МКИ Е 21 В 33/12, 1991), 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 происходит 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 заклиниванию 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, требующего необходимую точность, жесткую фиксацию конуса от радиального движения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является механический пакер (патент РФ 2139408, МКИ Е 21 В 33/12, 1999), содержащий ствол с 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 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, 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.

Недостатком известного технического решения является ненадежность в работе, вызванная поломкой ствола в нижней части фигурного паза. Толщина стенки фигурного паза в месте перехода длинного продольного участка в короткий (по кольцу) намного меньше толщины стенки всего ствола пакера и составляет 5 мм. При работе на скважинах поддержания пластового давления (ППД) при установке пакера в рабочее положение иногда приходится создавать нагрузку на пакер более 15 тонн. Нижняя часть фигурного паза не выдерживает и ломается.

Задача изобретения - предотвращение поломки ствола пакера в нижней части фигурного паза.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы пакера за счет уменьшения площади фигурного паза, имеющей толщину стенки 5 мм.

Механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с прямыми продольными, коротким транспортным и длинным рабочим 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, направляющие штифты, установленные в обойме, равномерно по ее окружности, шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов, 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, направляющие штифты установлены жестко по посадке с натягом, перпендикулярно оси пакера, во внутренней части кольца, передний угол буртиков равен 10^o, согласно изобретению содержит дополнительный, выполненный автономно на наружной поверхности ствола фигурный паз с прямыми продольными, коротким транспортным и длинным рабочим участками, причем короткие транспортные и длинные рабочие участки фигурных пазов соединены между собой чередующимися наклонными и прямыми участками, каждый прямой участок, против часовой стрелки, переходит в наклонный, который в свою очередь примыкает к следующему прямому участку под острым углом.

Выполнение автономных фигурных пазов согласно предлагаемого изобретения значительно уменьшает участок фигурного паза, имеющий толщину стенки в 5 мм. В результате ствол пакера выдерживает нагрузку более 15 тонн. Выполнение перехода наклонных участков фигурного паза против часовой стрелки в прямые под острым углом обеспечивает прохождение рабочего цикла (переход пакера из транспортного в рабочее положение и из рабочего в транспортное) по заданной геометрии движения штифта.

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 автономными фигурными пазами 2 на наружной поверхности, имеющими прямые продольные, короткий транспортный 3 и длинный рабочий 4 участки. 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 противоположных направляющих штифта 16. Для обеспечения перехода штифтов 16 из коротких транспортных 3 в длинные рабочие 4 участки и наоборот на стволе 1 выполнены наклонные участки 17, 18, 19, 20 и прямые участки 21 и 22. Короткие транспортные участки 3 переходят в наклонные 17, которые примыкают к прямым участкам 21 под острым углом. Прямые участки 21 переходят в наклонные 18, которые в свою очередь примыкают к длинным рабочим участкам 4 под острым углом. Длинные рабочие участки 4 переходят в наклонные участки 19, которые затем примыкают к прямым участкам 22 под острым углом. Прямые участки 22 переходят к наклонным участкам 20, которые примыкают к коротким транспортным участкам 3 под острым углом. В торце кольца 13 выполнена выемка 23 для фиксации заходных направляющих кулачков 12. Передний угол α буртиков 15 равен 10^o.

Механический пакер работает следующим образом.

Перед началом работ на скважинах ППД пакер находится в вертикальном положении (фиг. 1), при этом направляющие штифты 16 за счет собственного веса обоймы 8 занимают начальное положение в точках "А" (фиг.4).

Пакер спускают на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважину. Направляющие штифты 16 находятся в точках "А" короткого транспортного участка 3.

При 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 гарантированный зазор Δ со стенкой колонны, который обеспечивает исключение контакта и износа зубьев шлипсов 9. При достижении заданной глубины пакерования производят подъем инструмента на 0,7 м. При этом обойма 8 со шлипсами 9 перемещается вниз вдоль оси ствола пакера за счет движения направляющих штифтов 16 по коротким транспортным участкам 3 и наклонным участкам 17 фигурных пазов 2 в точки "В". Причем за счет силы трения направляющих кулачков 12 о стенки скважины обойма 8 остается неподвижной, а радиальное движение совершает кольцо 13 (в то время, когда направляющие штифты 16 перемещаются по наклонным участкам 17 фигурного паза 2), проходя буртиками 15 по канавке 14. Дополнительно буртики 15 за счет выполнения переднего угла α равным 10^o при прохождении по канавке 14 очищают ее от набившегося шлама, который может привести к заклиниванию деталей. Спуск колонны продолжают. При этом направляющие штифты 16 из точек "В" фигурных пазов 2 перемещаются по прямым участкам 21, затем наклонным участкам 18 и попадают в длинные рабочие участки 4 фигурных пазов 2 в точки "С" (рабочее положение). Радиальное движение берет на себя кольцо 13 (при прохождении направляющих штифтов 16 по наклонным участкам 18).

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 23 кольца 13. Верхняя часть шлипсов 9, содержащая зубья, входит в зацепление с колонной труб. Приложенная к пакеру нагрузка в 16 т 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 на 0,7 м. Направляющие штифты 16 перемещаются вниз в точки "Д" по длинным рабочим участкам 4 и наклонным участкам 19 фигурного паза 2. При прохождении направляющих штифтов 16 по наклонному участку 19 кольцо 13 совершает радиальный поворот. Во время перемещения направляющих штифтов 16 по длинным рабочим участкам 4 нажимной уплотнительный элемент 6 восстанавливает свою форму, конус 7 освобождает шлипсы 9. Для перемещения пакера вниз по стволу скважины направляющие штифты 16 из точек "Д", пройдя прямые 22 и наклонные 20 участки (при прохождении направляющих штифтов 16 по наклонным участкам 20 кольцо 13 совершает радиальный поворот), попадают в точки "А" коротких транспортных участков 3. Пакер переведен в транспортное положение для перемещения вниз. Перемещение пакера вверх по стволу скважины производят тогда, когда направляющие штифты 16 находятся в точках "Д".

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволит повысить надежность работы пакера за счет исключения слома пакера в нижней части фигурного паза и тем самым исключить аварийные ситуации, влекущие за собой большие материальные затраты.

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. Технический результат - повышение надежности работы пакера за счет исключения слома в нижней части фигурного паза. Механический пакер содержит ствол с фигурными пазами на наружной поверхности, имеющими продольные прямые короткий и длинный участки. Со стволом жестко связана опора, под которой 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, поджимаемые в радиальном направлении относительно обоймы пружиной и в средней части удерживаемые ограничителем. Нижняя часть шлипсов выполнена в виде заходного направляющего кулачка. Кольцо выполнено разъемным и установлено в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно последней, но жестко связанное с ней в осевом направлении. На внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы в виде отдельных секторов выполнены буртики прямоугольного профиля. Буртики с канавкой образуют пару скольжения и дополнительно играют роль очистки канавки от шлама. Во внутренней части кольца вдоль одной оси, перпендикулярно оси пакера, жестко, по посадке с натягом, установлены два диаметрально противоположных направляющих штифта. На стволе выполнены наклонные участки и прямые участки. Каждый прямой участок против часовой стрелки переходит в наклонный, который, в свою очередь, примыкает к следующему прямому участку под острым углом. В торце кольца выполнена выемка для фиксации заходных направляющих кулачков. Передний угол α буртиков равен 10^o. 4 ил.

Механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с прямыми продольными, коротким транспортным и длинным рабочим 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, направляющие штифты, установленные в обойме, равномерно по ее окружности, шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов, 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, направляющие штифты установлены жестко по посадке с натягом, перпендикулярно оси пакера, во внутренней части кольца, передний угол буртиков равен 10^o, отличающийся тем, что содержит дополнительный, выполненный автономно на наружной поверхности ствола, фигурный паз с прямыми продольными, коротким транспортным и длинным рабочим участками, причем короткие транспортные и длинные рабочие участки фигурных пазов соединены между собой чередующимися наклонными и прямыми участками, каждый прямой участок, против часовой стрелки, переходит в наклонный, который, в свою очередь, примыкает к следующему прямому участку под острым углом.