пакер инерционный механический

Формула изобретения

1. Пакер инерционный механический, содержащий смонтированные на трубе кольцевое уплотнение, разобщающее полость скважины, механический якорь и телескопический замок с возможностью ограниченного осевого перемещения трубы внутри якоря, последний содержит подпружиненные фрикционные плашки, размещенные в пазах обоймы, с торца которой установлены разжимные рифленые кулачки с возвратными пружинами, прижимающими кулачки к трубе относительно втулки, установленной на обойме и охватывающей основания кулачков, причем кулачки якоря выполнены с внутренней конической поверхностью, взаимодействующей с ответным конусом, установленным на трубе с возможностью осевого перемещения, а телескопический замок включает выполненный на поверхности трубы многоходовой лабиринтовый паз, взаимодействующий с плавающим пальцем, закрепленным на подвижном кольце, охватывающем трубу между обоймой и состыкованной с ней накидной гайкой с возможностью продольных и угловых перемещений на трубе в пределах лабиринтного паза, при этом кольцевое уплотнение взаимодействует с тарельчатыми упорами, охватывающими торцы кольцевого уплотнения, причем нажимной упор сопряжен с переводником, соединяющим трубу пакера с колонной насосно-компрессорных труб, отличающийся тем, что между конусом и кольцевым уплотнением введена втулка, а цилиндрическая часть конуса выполнена ступенчатой и с упором в уступ меньшим диаметром соединена с введенной втулкой, на противоположном торце которой выполнен тарельчатый упор, охватывающий торец кольцевого уплотнения с нижней его стороны, при этом со стороны тарельчатого упора во втулке выполнен буртик, упирающийся в кольцевой выступ, выполненный на трубе, обеспечивающий свободное размещение кольцевого уплотнения на трубе между тарельчатыми упорами до посадки пакера в скважину и с возможностью перемещения во втулке кольцевого выступа в направлении торца меньшего диаметра цилиндрической части конуса на расстояние, по меньшей мере, равное длине смещения тарельчатого упора на втулке на величину сжатия кольцевого уплотнения с радиальным расширением до герметичного разобщения полости скважины, а в стенке введенной втулки установлены срезные штифты, взаимодействующие с выемкой, выполненной на кольцевом выступе трубы, исключающие смещение конуса в направлении кулачков якоря при спуске пакера в скважину.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что в резьбовых отверстиях снаружи втулки выполнены углубления с возможностью скрытия головок срезных штифтов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтедобывающей промышленности, и может быть использовано для эксплуатации нефтяных скважин.

Известен механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней с возможностью осевого перемещения относительно ствола уплотнительный элемент из трех уплотнительных манжет, конус и обойму, в которой установлены равномерно по ее окружности зубчатые шлипсы, кольцо, установленное в нижней части обоймы и с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связанное с ней в осевом направлении. Ствол выполнен из двух частей - верхней и нижней, соединенных посредством резьбового соединения. Нижний ствол по наружному диаметру больше верхнего и в месте соединения образует бурт, ограничивающий перемещение конуса вниз по стволу. Опора образована прикрепленной к верхней части ствола муфтой и связанной с ней резьбовым соединением гайкой. Обойма зафиксирована относительно ствола в радиальном направлении и имеет в своей нижней части кольцевую наружную канавку с возможностью взаимодействия с кольцевым внутренним буртом разрезного кольца. Зубчатые шлипсы пружинами поджаты к стволу и расположены таким образом, что при контакте с конусом их наклонные плоские грани параллельны наклонным плоским граням конуса. Зубчатые шлипсы помещены в кожух, который закреплен на обойме, имеющей в своей средней части пазы, в которых расположены центраторы с тремя пружинами, закрепленные в обойме верхней и нижней крышками. Под нижней крышкой расположено разрезное кольцо, на котором установлен направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе (Патент RU № 2453679 С1. Механический пакер. - МПК E21B 33/129. - 20.06.2012). Недостатком известного технического решения является низкая эффективность эксплуатации скважины из-за сложности конструкции пакера.

Известен механический пакер радиально-осевого действия, содержащий патрубок, верхний и нижний упоры, имеющие форму тарелки, с размещенными между ними уплотнительными резиновыми элементами с металлической шайбой. На нижнем упоре выполнен конус, на который при посадке нанизывается нижний уплотнительный элемент. Патрубок снизу снабжен механическим якорем с направляющим штифтом, размещенным в фигурном пазу, выполненном на наружной поверхности патрубка в виде соединенных между собой горизонтальной и вертикальной проточек. Механический якорь имеет возможность радиального и осевого перемещения в пределах фигурного паза (Патент RU № 77338 U1. Механический пакер радиально-осевого действия. - МПК E21B 33/12. - 20.10.2008). Недостатком известного технического решения является сложность посадки пакера в скважине и недостаточная герметизация межтрубного пространства в скважинах.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, известен пакер, включающий механический якорь, на наружной поверхности полого ствола выполнен фигурный паз, взаимодействующий с пальцем, закрепленным на подвижной втулке, охватывающий ствол. На боковой поверхности втулки в пазах установлены подпружиненные фрикционные плашки, а с торца - выдвигаемые кулачки с возвратной пружиной, прижимающей кулачки к стволу. Кулачки выполнены с рифленой наружной поверхностью и внутренней конической поверхностью, направленной в сторону конуса. Между конусом и упором установлены манжеты. Переводник выполнен ступенчатым. Диаметр переводника уменьшается в сторону манжет, на стороне с меньшим диаметром нарезана резьба и установлено с возможностью осевого перемещения регулировочное кольцо, выполняющее функции упора. Торец регулировочного кольца выполнен с профилем, повторяющим профиль манжеты. За регулировочным кольцом установлено на резьбе стопорное кольцо. Резьба на регулировочном и стопорном кольцах выполнена левой. Регулировочное и стопорное кольца выполнены с отверстиями или пазами под ключ. На наружной поверхности стопорного и регулировочного колец выполнена накатка (Патент RU № 129985 U1. Пакер. МПК E21B 33/12. - 10.07.2013).

Недостатком известного пакера является сложность посадки пакера в скважине и недостаточная герметизация разобщения скважины.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение надежной посадки механических пакеров, спускаемых в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, и улучшение герметизации межтрубного пространства в скважинах.

Техническим результатом является повышение надежности посадки механических пакеров, спускаемых в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, и улучшение герметизации межтрубного пространства в скважинах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном пакере инерционном механическом, содержащем смонтированные на трубе кольцевое уплотнение, разобщающее полость скважины, механический якорь и телескопический замок с возможностью ограниченного осевого перемещения трубы внутри якоря, последний содержит подпружиненные фрикционные плашки, размещенные в пазах обоймы, с торца которой установлены разжимные рифленые кулачки с возвратными пружинами, прижимающие кулачки к трубе относительно втулки, установленной на обойме и охватывающей основания кулачков, причем кулачки якоря выполнены с внутренней конической поверхностью, взаимодействующей с ответным конусом, установленным на трубе с возможностью осевого перемещения, а телескопический замок включает выполненный на поверхности трубы многоходовой лабиринтовый паз, взаимодействующий с плавающим пальцем, закрепленным на подвижном кольце, охватывающем трубу между обоймой и состыкованной с ней накидной гайкой с возможностью продольных и угловых перемещений на трубе в пределах лабиринтного паза, при этом кольцевое уплотнение взаимодействует с тарельчатыми упорами, охватывающими торцы кольцевого уплотнения, причем нажимной упор сопряжен с переводником, соединяющим трубу пакера с колонной насосно-компрессорных труб, согласно предложенному техническому решению,

между конусом и кольцевым уплотнением введена втулка, а цилиндрическая часть конуса выполнена ступенчатой и с упором в уступ меньшим диаметром соединена с введенной втулкой, на противоположном торце которой выполнен тарельчатый упор, охватывающий торец кольцевого уплотнения с нижней его стороны, при этом со стороны тарельчатого упора во втулке выполнен буртик, упирающийся в кольцевой выступ, выполненный на трубе, обеспечивающий свободное размещение кольцевого уплотнения на трубе между тарельчатыми упорами до посадки пакера в скважину и с возможностью перемещения во втулке кольцевого выступа в направлении торца меньшего диаметра цилиндрической части конуса на расстояние, по меньшей мере, равное длине смещения тарельчатого упора на втулке на величину сжатия кольцевого уплотнения с радиальным расширением до герметичного разобщения полости скважины, а в стенке введенной втулки установлены срезные штифты, взаимодействующие с выемкой, выполненной на кольцевом выступе трубы, исключающие смещение конуса в направлении кулачков якоря при спуске пакера в скважину;

в резьбовых отверстиях снаружи втулки выполнены углубления с возможностью скрытия головок срезных штифтов.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного пакера инерционного механического, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное техническое решение может быть реализовано на любом предприятии машиностроения из общеизвестных материалов и принятой технологии и успешно использовано на нефтегазовых скважинах. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

На представленной фигуре схематично показан общий вид пакера инерционного механического перед спуском его в скважину.

Пакер инерционный механический содержит смонтированные на трубе 1 кольцевое уплотнение 2, разобщающее полость скважины, механический якорь 3 и телескопический замок с возможностью ограниченного осевого перемещения трубы 1 внутри якоря 3, последний содержит фрикционные плашки 4, размещенные в пазах обоймы 5 и подпружиненные наружу тремя пружинами 6. С торца обоймы 5 установлены разжимные рифленые кулачки 7 с возвратными пружинами 8, прижимающими кулачки 7 к трубе 1 относительно втулки 9, установленной на обойме 5 и охватывающей основания кулачков 7, последние выполнены с внутренней конической поверхностью, взаимодействующей с ответным конусом 10, установленным на трубе 1 с возможностью осевого перемещения. Телескопический замок включает выполненный на поверхности трубы многоходовой лабиринтовый паз 11, взаимодействующий с плавающим пальцем 12, закрепленным на подвижном кольце 13, охватывающем трубу 1 между обоймой 5 и состыкованной с ней накидной гайкой 14 с возможностью продольных и угловых перемещений на трубе 1 в пределах лабиринтового паза 11. Кольцевое уплотнение 2 взаимодействует с тарельчатыми упорами 15 и 16, охватывающими торцы кольцевого уплотнения 2. Нажимной упор 15 сопряжен с переводником 17, соединяющим трубу 1 пакера с колонной насосно-компрессорных труб (условно не показана). Между конусом 10 и кольцевым уплотнением 2 введена втулка 18. Цилиндрическая часть конуса 10 выполнена ступенчатой и с упором в уступ меньшим диаметром d конус 10 соединен с втулкой 18, на противоположном торце которой выполнен тарельчатый упор 16, охватывающий торец кольцевого уплотнения 2 с нижней его стороны. Во втулке 18 со стороны тарельчатого упора 16 выполнен буртик 19, упирающийся в кольцевой выступ 20, выполненный на трубе 1, обеспечивающий свободное размещение кольцевого уплотнения 2 на трубе 1 между тарельчатыми упорами 15 и 16 до посадки пакера в скважину и с возможностью перемещения во втулке 18 кольцевого выступа 20 в направлении торца меньшего диаметра d цилиндрической части конуса 10 на длину l, по меньшей мере, равную длине смещения тарельчатого упора 16 на втулке 18 на величину сжатия кольцевого уплотнения 2 с радиальным расширением до герметичного разобщения полости скважины, т.е. l l_сж. В стенке втулки 18 установлены срезные штифты 21, взаимодействующие с выемкой, выполненной на кольцевом выступе 20 трубы 1, исключающие смещение конуса 10 в направлении кулачков 7 якоря 3 при спуске пакера в скважину. В резьбовых отверстиях снаружи втулки 18 выполнены углубления 22 с возможностью скрытия головок срезных штифтов 21.

Пакер инерционный механический работает следующим образом.

Перед спуском пакера в скважину его приводят в транспортное состояние. При этом конус 10 расположен на трубе 1 на определенном расстоянии от разжимных рифленых кулачков 7 якоря 3. Удержание смещения кольцевого уплотнения 2 и конуса 10 на трубе осуществляется взаимодействием срезных штифтов 21, установленных в стенке втулки 18, с выемкой, выполненной в кольцевом выступе 20 на трубе 1, исключающие смещение конуса 10 в направлении кулачков 7 якоря 3 в транспортном состоянии и при спуске пакера в скважину, с одной стороны. С другой стороны, обойма 5 с рифлеными кулачками 7 и фрикционными плашками 4 якоря 3 удерживается на трубе 1 на расстоянии от конуса 10 плавающим пальцем 12, закрепленным в подвижном кольце 13, размещенным между обоймой 5 и пристыкованной с ней накидной гайкой 14, расположенным в коротком продольном участке многоходового лабиринтового паза 11, позволяющего трубе 1 перемещаться в обойме 5 якоря 3 в пределах длины этого короткого продольного участка многоходового лабиринтового паза 11. При этом кольцевое уплотнение 2 свободно размещено на трубе 1 между тарельчатыми упорами 15 и 16, соединенными с переводником 17 и втулкой 18, соответственно. При спуске пакера в скважину подпружиненные фрикционные плашки 4, размещенные в пазах обоймы 5, плотно прижимаются к стенкам скважины и создают усилие трения скольжения пакера в скважине, а плавающий палец 12 смещается в верхний конец короткого продольного участка многоходового лабиринтового паза 11, располагая тем самым конусом 10 на минимальном расстоянии от кулачков 7 якоря 3 (Фиг.1). После спуска пакера на заданную глубину скважины, трубу 1 с помощью колонны насосно-компрессорных труб и переводника 16 приподнимают в пределах короткого участка многоходового лабиринтового паза 11, при этом якорь 3 удерживается в заданном месте за счет трения скольжения подпружиненных фрикционных плашек 4 о стенки скважины. После подъема трубы 1 плавающий палец 12 по наклонному участку многоходового лабиринтового паза 11 с поворотом кольца 12 вокруг трубы 1 входит в длинный продольный участок многоходового лабиринтового паза 11 и труба 1 получает возможность смещения вниз относительно якоря 3 за счет перемещения плавающего пальца 12 по длинному продольному участку многоходового лабиринтового паза 11. Перемещаясь вниз, труба 1 с помощью срезных штифтов 21, взаимодействующих с выемкой, выполненной на кольцевом выступе 20, передвигает конус 10 в рифленые кулачки 7, прижимаемые к трубе 1 возвратными пружинами 8 относительно втулки 9, установленной на обойме 5 и охватывающей основания кулачков 7. Под действием осевой нагрузки рифленые кулачки 7 раздвигаются и прижимаются к обсадной колонне скважины, тем самым фиксируют якорь 3 в установленном месте скважины. Продолжая увеличивать осевую нагрузку на трубу 1, последняя по инерции выступом 20 срезает штифты 21 на уровне внутреннего диаметра втулки 18, тем самым сокращает интенсивное передвижение конуса 10 в кулачки 7 и приводит в действие переводник 17, последний давит на нажимной тарельчатый упор 15 и сжимает кольцевое уплотнение 2 с радиальным расширением, которое периферией прижимается к обсадной колонне, герметично разобщая полость скважины. Для извлечения пакера из скважины колонну насосно-компрессорных труб приподнимают и с помощью переводника 17 перемещают трубу 1 в обойме 5 якоря 3 с перемещением плавающего пальца 12 по длинному продольному участку многоходового лабиринтового паза 11 на трубе 1, одновременно выдвигают конус 10 из кулачков 7, освобождая тем самым якорь 3 и разжимая тарельчатые упоры 15 и 16, приводя кольцевое уплотнение 2 в свободное состояние. После извлечения пакера из скважины, его приводят в транспортное состояние, перемещая плавающий палец 12 по короткому наклонному участку в короткий продольный участок многоходового лабиринтового паза 11.

Использование предложенного пакера инерционного механического в нефтедобывающей промышленности, может повысить надежность посадки пакеров в скважинах и улучшить герметизацию межтрубного пространства, что значительно повысит эффективность эксплуатации скважин в соответствие с требованиями Правил охраны недр, утвержденных постановлением Госгортехнадзора РФ № 71 от 06 июня 2003 г.