механический пакер двустороннего действия

Формула изобретения

Механический пакер двустороннего действия, содержащий ствол, с надетыми на него подвижным нижним механическим якорем и подвижной в осевом направлении центральной частью, выполненной в виде втулки, на верхнюю часть которой навинчен по резьбе либо верхний конус, либо гидроякорь, а на нижней части втулки подвижно установлены уплотнители и нижний конус, жестко соединенный с другой втулкой, подвижно установленной на стволе и осуществляющей механическую связь между центральной частью и нижним якорем, траектория перемещения которого ограничена пазом, выполненным на стволе пакера, отличающийся тем, что взаимное положение нижнего якоря и центральной части определяется двумя фигурными управляющими пазами, один из которых, неподвижный, расположен на стволе, а второй, подвижный в осевом направлении, выполнен на втулке, подвижно установленной на стволе и осуществляющей механическую связь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации нефтяных, газовых и других скважин, а именно к механическим пакерам осевого типа двустороннего действия.

Известен пакер с двусторонним восприятием внешних нагрузок типа ПРО-ЯДЖ производства ПКФ «Пакер», г. Октябрьский, Башкортастан (каталог продукции НПФ «Пакер», www: http://npf-paker.ru). Пакер включает ствол с двумя механическими якорями, нижним и верхним, и подвижной центральной частью. Центральная часть, состоящая из нижнего конуса, уплотнителя и верхнего конуса или гидроякоря, удерживается от перемещения замковым устройством со специальной пружиной, упирающейся в ствол и рассчитанной на усилие не менее 4 тс. Паз на стволе имеет замкнутую форму из чередующихся длинных и коротких участков, соединенных винтовыми переходами. Пакер имеет осевой способ посадки, т.е. установка в скважине только за счет осевых манипуляций колонны труб.

Недостатком данного пакера является необходимость предварительного сжатия пружины для раскрытия замкового устройства за счет разгрузки значительного веса колонны, что обусловливает сложность замкового устройства и снижение надежности пакера в целом. Значительное усилие на замок вызвано необходимостью избежать самопроизвольного срабатывания верхнего якоря при спуске.

Известен пакер с двусторонним восприятием внешних нагрузок модели J-LOK производства Baker Oil Tools (страна-изготовитель США,), принятый заявителем за прототип (www: http://Bakerhughes.com, каталог Packer System, Baker Oil Tools, стр.76). Конструкция пакера представляет собой ствол, на который надеты два механических якоря, нижний и верхний, и подвижная центральная часть. Центральная часть выполнена в виде втулки с надетыми на нее подвижным нижним конусом, уплотнительными элементами и неподвижным верхним конусом, навинченным по резьбе на втулку. Центральная часть имеет механическую связь с нижним якорем, в виде втулки, которая ограничивает свободное перемещение центральной части по оси пакера только в одном направлении, а именно вверх. Перемещение центральной части вниз ограничено ступенькой, выполненной на стволе пакера. Нижний якорь имеет радиально установленный штифт, который входит в паз на стволе, имеющий форму латинской буквы «J». Паз определяет траекторию перемещения нижнего якоря и связанных с ним деталей.

Недостатком прототипа является способ посадки пакера - поворотный, определяемый формой паза («J»). В частности, для посадки в скважине пакера, установленного на колонне труб, необходимо слегка натянуть колонну, повернуть ее на четверть оборота и опустить. Данный способ имеет значительные трудности для управляющего персонала в глубоких и наклонно-направленных скважинах.

Данное техническое решение в части реализации механической связи между нижним якорем и центральной частью не пригодно для осевого пакера, наиболее распространенного в РФ. Это связано с тем, что осевой пакер имеет более длинный паз по сравнению с поворотным (не менее 600 мм вместо 250 мм), что привело бы к неоправданному увеличению длины и массы пакера.

Задачей изобретения является обеспечение осевого способа посадки пакера с двусторонним восприятием внешних нагрузок без расходования веса колонны на раскрытия замковых устройств и при минимальном осевом габарите.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и удобства эксплуатации пакера.

Указанный технический результат достигается в механическом пакере двустороннего действия, содержащем ствол с надетыми на него подвижным нижним механическим якорем и подвижной в осевом направлении центральной частью, выполненной в виде втулки, на верхнюю часть которой навинчен по резьбе либо верхний конус, либо гидроякорь, а на нижней части втулки подвижно установлены уплотнители и нижний конус, жестко соединенный с другой втулкой, подвижно установленной на стволе и осуществляющей механическую связь между центральной частью и нижним якорем, траектория перемещения которого ограничена пазом, выполненным на стволе пакера, согласно изобретению взаимное положение нижнего якоря и центральной части определяется двумя фигурными управляющими пазами, один из которых, неподвижный, расположен на стволе, а второй, подвижный в осевом направлении, выполнен на втулке, подвижно установленной на стволе и осуществляющей механическую связь.

Изобретение поясняется чертежами,

где на фиг.1 показано взаимное положение нижнего якоря и центральной части в зависимости от взаимного положения нижнего якоря и ствола; на фиг.2 - общий вид пакера (два варианта исполнения): с верхним гидравлическим якорем (вид слева) и с верхним механическим якорем (вид справа); на фиг.3 - конструкция нижнего якоря, на примере пакера с верхним гидравлическим якорем; на фиг.4 - взаимное расположение выделенных деталей пакера в транспортном положении; на фиг.5 - взаимное расположение выделенных деталей пакера в рабочем положении.

Пакер содержит ствол 1, на который надеты нижний якорь 2, центральная часть 3, с верхним конусом 4 или верхним гидроякорем 6, жестко связанными с центральной частью 3. В зависимости от типа пакера, выше на ствол 1 может быть надет верхний механический якорь 5, ограниченный в движении буртиком на стволе 1. Центральная часть 3 представляет собой втулку 7, на которую надеты подвижные по оси толкатель 8, уплотнители 9, разделенные шайбами 10, и навинчен по резьбе верхний гидроякорь 6 (или верхний конус 4) с упорами 11. На толкатель 8 навинчен нижний конус 12. Сверху на ствол 1 навинчен по резьбе переводник 13, посредством которого пакер соединен с колонной технологических труб.

На стволе 1 пакера выполнен паз «Б» в виде чередующихся длинных (рабочая ветвь), промежуточных (переходная ветвь) и коротких (транспортная ветвь) участков, соединенных винтовыми переходами, и отличающийся от прототипа тем, что имеет незамкнутую форму.

Нижний якорь 2 включает в себя

- подпружиненные фрикционные колодки 14, радиально вставленные в корпус колодок 15 и имеющие возможность ограниченного радиального перемещения;

- подпружиненные захваты 16, вставленные в торцевые пазы корпуса захватов 17 и также имеющие возможность ограниченного радиального перемещения.

Корпус захватов 17 жестко связан по резьбе с втулкой-выступом 18, которая в свою очередь связана с корпусом фрикционных колодок 15 посредством сегментов 19, допускающих свободное вращение корпуса фрикционных колодок 15 на стволе 1.

Втулка-выступ 18 имеет радиально установленный штифт 20 (фиг.4, 5), который входит в паз «Б» на стволе 1 пакера.

В отличие от аналога предлагаемый пакер имеет постоянную механическую связь центральной части 3 с нижним якорем 2 в виде пазовой втулки 21, которая верхним концом жестко связана с конусом 12, а нижний конец ее заведен за упорный бурт корпуса захватов 17. На пазовой втулке 21 выполнен паз «А» и его угловое положение по отношению к пазу «Б» является строго определенным и неизменным. Паз «А» по форме представляет собой сочетание продольных и одной круговой поперечной ветвей.

Взаимное положение нижнего якоря 2 и центральной части 3, определяемое двумя управляющим пазами «А» и «Б», является существенным отличием предлагаемого пакера от прототипа.

В отличие от прототипа механическая связь ограничивает движение центральной части 3 относительно нижнего якоря 2 в обоих осевых направлениях и в пределах некоторого хода.

Величина хода центральной части 3 относительно нижнего якоря 2 определяется угловым положением втулки-выступа 18 и пазовой втулки 21 на стволе 1. Пазовая втулка 21 посредством радиально установленного штифта 22, входящего в продольную часть паза «Б», может перемещаться строго по оси ствола 1, не допуская поворота. На нижнем торце пазовой втулки 21 имеется два продольных выреза, конструктивно реализующих функцию продольных ветвей паза «А» (фиг.1).

Угловое и осевое положение втулки-выступа 18 определяется пазом «Б» на стволе 1 пакера. На верхней торцевой поверхности втулки-выступа 18 выполнены два выступа, имеющих форму и размеры, идентичные вырезам (пазам) на пазовой втулке 21.

Механический пакер двустороннего действия работает следующим образом (на примере пакера с верхним гидроякорем).

Пакер функционально имеет два положения: транспортное и установочное (посадочное).

Пакер спускают в скважину на колонне технологических труб до требуемого места установки (посадки) в транспортном положении, при котором захваты 16 не выходят за диаметральный габарит пакера и не взаимодействуют со стенками скважины, что и обеспечивает его беспрепятственное прохождение по скважине в обоих направлениях.

В транспортном положении штифт 20, установленный во втулку-выступ 18, находится в короткой транспортной ветви паза «Б» на стволе 1. При этом выступы на втулке 18 уперты в торцевую поверхность пазовой втулки 21, что не позволяет конусу 12, жестко связанному с пазовой втулкой 21, взаимодействовать с захватами 16, которые через корпус захватов 17 связаны с втулкой-выступом 18.

Втулка-выступ 18 соединена с корпусом 15 фрикционных колодок 14 посредством сегментов 19, допускающих свободное вращение блока на стволе 1 относительно втулки-выступа 18. Подпружиненные фрикционные колодки 14 постоянно контактируют со стенками скважины и за счет сил трения удерживают нижний якорь 2 и связанную с ним центральную часть 3 от свободного падения в пределах паза «Б» на стволе 1.

При спуске ствол 1 уступом паза «Б» через штифт 20 толкает нижний якорь 2 и центральную часть 3 к месту установки.

При достижении места посадки пакера колонну труб приподнимают на определенную высоту, не менее длины короткой транспортной ветви паза «Б». При этом нижний якорь 2, вместе с центральной частью 3, остается на месте удерживаемый фрикционными колодками 14 за стенки скважины. Штифт 20 переходит в переходную ветвь паза «Б», вызывая поворот втулки-выступа 18 относительно пазовой втулки 21.

Затем колонну со стволом 1 вновь опускают на длину не менее чем длина переходной ветви паза «Б». Штифт 20 переходит в длинную рабочую ветвь паза «Б» и поворачивает втулку-выступ 18 относительно пазовой втулки 21 в положение, при котором выступы на втулке 18 входят в продольные прорези пазы «А» на пазовой втулке 21, обеспечивая их взаимное сближение.

В результате при дальнейшем опускании ствола 1 происходит сближение и взаимодействие конуса 12 с захватами 16. Под действием конуса 12 захваты 16, имеющие твердую наружную поверхность в форме зубьев, перемещаются радиально в корпусе захватов 17 до соприкосновения и внедрения последних в стенки скважины.

Таким образом, конус 12, опираясь на захваты 16, создает в скважине в заданном месте жесткую опору. При дальнейшем опускании ствола 1 детали, не имеющие жесткой связи со стволом 1 (уплотнители 9, разделенные шайбами 10, верхний якорь 6) садятся на толкатель 8, соединенный по резьбе с конусом 12. Затем ствол 1 пакера через переводник 11, жестко с ним соединенный, садится на гидроякорь 6. В результате вес колонны труб передается на эластичные уплотнители 9, которые, радиально деформируясь, вступают в контакт со стенками скважины, герметично разобщая над- и подпакерную зоны.

Перевод пакера из посадочного положения в транспортное осуществляют путем очередного подъема колонны труб на высоту не менее длины рабочей ветви паза «Б». В результате последовательно происходят следующие действия. Снимается нагрузка от веса труб на верхний гидроякорь 6. Ствол 1 своим буртиком действует на упоры 11 и поднимает гидрорякорь 6, освобождая уплотнители 9 от осевой нагрузки. Гидроякорь 6 через соединенную с ним втулку 7 и толкатель 8 снимает конус 12 с захватов 16. Захваты 16 под действием пружин отходят от стенок скважины и прижимаются к пазовой втулке 21. Пазовая втулка 21, соединенная жестко с конусом 12, выходит из втулки-выступа 18, которая удерживается на месте за стенки скважины блоком фрикционных колодок 14. Штифт 20, установленный во втулке-выступе 18, переходит в переходную ветвь, поворачивая втулку-выступ 18 относительно пазовой втулки 21.

Затем вновь опускают ствол 1, и штифт 20 переходит в короткую транспортную ветвь паза «Б», дополнительно поворачивая втулку-выступ 18 относительно пазовой втулки 21 в положение, при котором выступы упираются в торцевую поверхность пазовой втулки 21. При этом взаимодействие конуса 12 и захватов 16 исключено, и пакер находится в транспортном положении.