система для опрессовки эксплуатационных колонн

Формула изобретения

1. Система для опрессовки эксплуатационных колонн нефтяных, водяных и газовых скважин, состоящая из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом вращения и пакера, соединенного с последним через стыковочный узел, где пакер содержит вал с левой и правой резьбой, верхнюю и нижнюю резьбовые втулки с наружной наклонной поверхностью, размещенные на валу и обращенные наклонными поверхностями друг к другу, манжету с внутренней полостью, расположенную соосно на валу между резьбовыми втулками, отличающаяся тем, что привод вращения выполнен реверсивным, снабжен выходным валом с внутренними шлицами со стороны торца и фланцем, пакер дополнительно содержит механическую сцепную муфту, состоящую из верхней и нижней полумуфт, размещенных между верхней резьбовой втулкой и фланцем привода, сепаратор с подпружиненными фиксаторами, а вал пакера со стороны верхнего конца имеет многогранник, который соединен через шлицы с валом привода и снабжен дополнительной резьбой, размещенной между многогранником и резьбой под крепление верхней резьбовой втулки, где направление вращения этих резьб противоположное, верхняя резьбовая втулка со стороны, обращенной к приводу, выполнена в виде нижней полумуфты, которая имеет внутреннюю цилиндрическую полость с кулачками на внутренней поверхности последней, верхняя полумуфта неподвижно скреплена с фланцем привода и имеет втулочную часть с внутренней резьбой, через которую она подвижно установлена на валу, наружный кольцевой упорный бурт и кулачки на наружной цилиндрической поверхности втулочной части со стороны, обращенной к нижней полумуфте, сепаратор выполнен в форме кольца с радиальными направляющими, размещен между верхней резьбовой втулкой и манжетой, фиксаторы выполнены в виде грибков, имеют ножку с профилированным концом, рифления на наружной поверхности шляпки грибка и размещены в направляющих сепаратора.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что многогранник вала пакера выполнен в виде усеченной пирамиды, обращенной верхней частью к валу привода.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительная резьба на валу пакера под крепление верхней полумуфты выполнена цилиндрической многозаходной и с конической проточкой в сторону заходной части по наружному диаметру резьбы.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что радиальный зазор в зацеплении между верхней и нижней полумуфтами превышает радиальный зазор в зацеплении между многогранником вала пакера и внутренними шлицами вала привода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована при эксплуатации нефтяных, газовых и водяных скважин, проведении технологических операций для ремонта эксплуатационных колонн, разобщения пластов скважин.

Известна система для опрессовки скважин, содержащая спускоподъемное устройство и пакер [1]. В этой системе у пакера эластичный элемент и втулка с буртом образует со стволом кольцевую полость. Концентрично со стволом установлен пружинный элемент, имеющий внутренний выступ. Между втулкой и эластичным элементом имеются шлипсы с конусом, нижний конец втулки имеет кольцевое дно с внутренней конической поверхностью, пружинный элемент установлен с возможностью осевого перемещения. В процессе подъема в результате трения о стенки скважины шлипсы наползают на конус и фиксируют втулку. Эластичный элемент под действием усилия продольной деформации расширяется и герметизирует колонну скважины. Недостатком описанной системы является невозможность многократной переустановки пакера в заданном интервале глубин без полного подъема из скважины после каждого срабатывания.

Известна система для опрессовки скважин, содержащая спускоподъемное устройство и пакер [2]. В этой системе пакер состоит из эластичного элемента, управляющего прибора на кабеле, электродвигателя, жестко связанного с корпусом, и винтовой пары. Электродвигатель жестко соединен с корпусом и не позволяет отсоединить блок управления и оставить пакер в скважине. Недостатком этой системы является невозможность установки и удаления нескольких пакеров на разных глубинах одним спускоподъемным устройством.

Наиболее близким аналогом того же назначения, как и заявляемое техническое решение, является система для опрессовки нефтяных и газовых скважин, состоящая из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом вращения и пакера [3]. Здесь пакер соединен с приводом через стыковочный узел и содержит вал с левой и правой резьбой, верхнюю и нижнюю резьбовые втулки с наружной наклонной поверхностью, размещенные на валу и обращенные наклонными поверхностями друг к другу, манжету с внутренней полостью, расположенной соосно валу между резьбовыми втулками.

Недостатком описанной системы является:

- невозможность многократного использования одного и того же пакера;

- возможность смещения пакера после установки под давлением среды вверх или вниз с потерей герметизации из-за фиксации его на эксплуатационной колонне только эластичным элементом.

В основу изобретения положено решение задач:

- возможность многократного использования одной системы с одним и тем же пакером;

- возможность многократной перестановки системы с одним и тем же пакером в заданном интервале глубин без полного подъема системы из эксплуатационной колонны;

- возможность последовательной установки и удаления нескольких пакеров на разных глубинах одним спускоподъемным устройством и сопряженным с последним одним энергопитающим устройством с приводом;

- повышение надежности осевой фиксации пакера в эксплуатационной колонне после его установки.

Поставленные задачи решаются тем, что система для опрессовки эксплуатационных колонн нефтяных, водяных и газовых скважин состоит из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом вращения и пакера, соединенного через стыковочный узел. Пакер содержит вал с левой и правой резьбой, верхние и нижние резьбовые втулки с наружной наклонной поверхностью, размещенные на валу и обращенные наклонными поверхностями друг к другу, эластичную манжету с внутренней полостью, расположенной соосно на валу между резьбовыми втулками.

Согласно изобретению привод вращения выполнен реверсивным, снабжен выходным валом с внутренними шлицами со стороны торца и фланцем. Пакер дополнительно содержит механическую сцепную муфту, состоящую из верхней и нижней полумуфт, размещенных между верхней резьбовой втулкой и фланцем привода, сепаратор с подпружиненными фиксаторами. Вал пакера со стороны верхнего конца имеет многогранник, который соединен через шлицы с валом привода и снабжен дополнительной резьбой, размещенной между многогранником и резьбой под крепление верхней резьбовой втулки, где направление вращения этих резьб противоположное.

Верхняя резьбовая втулка со стороны, обращенной к приводу, выполнена в виде нижней полумуфты, которая имеет внутреннюю цилиндрическую полость с кулачками на внутренней цилиндрической поверхности последней. Верхняя полумуфта неподвижно соединена с фланцем привода, имеет втулочную часть с внутренней резьбой, через которую она подвижна установлена на валу, наружный кольцевой упорный бурт и кулачки на наружной цилиндрической поверхности втулочной части со стороны, обращенной к нижней полумуфте.

Сепаратор выполнен в виде кольца с радиальными направляющими и размещен между верхней резьбовой втулкой и манжетой, фиксаторы выполнены в виде грибков, имеют ножку с профилированным концом, рифления на наружной поверхности грибка и размещены в направляющих сепаратора.

Выполнение привода реверсивным позволяет многократно состыковывать и расстыковывать пакер с эксплуатационной колонной.

Соединение верхней резьбовой втулки с неподвижным фланцем через механическую муфту с продольными оси вала кулачками позволяет ограничить угол поворота резьбовой втулки относительно фланца при предварительном центрировании вала привода и вала пакера между собой.

Выполнение соединение вала привода и вала пакера через многогранник позволяет обеспечить угловую центрацию валов при малом угле их взаимного поворота.

Выполнение дополнительной резьбы на валу пакера с противоположным направлением вращения относительно резьбы верхней резьбовой втулки позволяет через сцепную муфту устанавливать пакер в эксплуатационной колонне и отсоединять привод от пакера, а также проводить обратную операцию по соединению привода с пакером и расстыковки пакера с эксплуатационной колонной.

Сцепление полумуфт через кулачки позволяет передавать через них существенные крутящие моменты.

Размещение сепаратора между верхней резьбовой втулкой и манжетой и выполнение его в виде кольца с радиальными направляющими, размещение в них фиксаторов позволяет надежно стопорить пакер в конце операции пакерования.

Выполнение многогранника пакера в форме усеченной пирамиды, обращенной верхней частью к валу привода, позволяет облегчить операцию осевой центрации вала привода и вала пакера при стыковке их с собой.

Выполнение резьбы на валу пакера под крепление верхней полумуфты цилиндрической многозаходной и с конической проточкой по наружному диаметру в сторону заходной части позволяет облегчить процесс стыковки верхней полумуфты и вала пакера между с собой из-за повышенного зазора между резьбами в начале стыковки и меньшего их углового поворота.

Превышение радиального зазора между верхней и нижней полумуфтами над радиальным зазором в зацеплении между многогранником и внутренними шлицами вала привода облегчит операцию осевой фиксации последних перед стыковкой между собой.

Таким образом решены поставленные в решении задачи:

- возможность многократного использования для уплотнения эксплуатационных колонн с одним и тем же пакером;

- возможность осуществить многократную поинтервальную перестановку системы с одним и тем же пакером в заданном интервале глубин без полного подъема системы из эксплуатационной колонны;

- возможность последовательно устанавливать и удалять несколько пакеров на разных глубинах одним спускоподъемным устройством и одним энергопитающим устройством с приводом.

Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего подробного описания выполнения системы для опрессовки эксплуатационных колонн нефтяных, водяных и газовых скважин с ссылкой на прилагаемые чертежи, где на фиг.1 изображена предлагаемая система в транспортном положении; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Система для опрессовки эксплуатационных колонн, представленная на фиг.1 и фиг.2, состоит из спускоподъемного и энергопитающего устройства с реверсивным приводом вращения, сопряженных между собой (на чертежах не показаны), и пакера, соединенного с приводом через стыковочный узел.

Пакер содержит вал 1 с левой и правой резьбой на концах, верхнюю 2 и нижнюю 3 резьбовые втулки с наружными наклонными поверхностями, размещенные на валу 1 и обращенные наклонными поверхностями друг к другу, эластичную манжету 4 с внутренней полостью, расположенную соосно на валу 1 между резьбовыми втулками 2 и 3. Причем нижняя резьбовая втулка 3 установлена с предварительным осевым натягом относительно манжеты 4. Привод вращения выполнен реверсивным, снабжен выходным валом 5 с внутренними шлицами со стороны торца и фланцем 6. Пакер дополнительно содержит механическую сцепную муфту, состоящую из верхней 7 и нижней полумуфт, сепаратор 8 с подпружиненными фиксаторами 9. Вал 1 пакера со стороны верхнего конца имеет шестигранник, который соединен через шлицы с валом привода 5 и снабжен дополнительной резьбой, размещенной между шестигранником и резьбой под крепление верхней резьбовой втулки 2, где направление вращения этих резьб противоположное. Верхняя резьбовая втулка 2 со стороны, обращенной к приводу, выполнена в виде полумуфты, которая имеет внутреннюю цилиндрическую полость с одним или несколькими кулачками 10, закрепленными на ее внутренней цилиндрической поверхности полости (см. фиг.2). Верхняя полумуфта 7 неподвижно соединена с фланцем 6 привода, имеет втулочную часть с внутренней резьбой, через которую она подвижна установлена на валу 1, и включает наружный кольцевой бурт 11. Полумуфта 7 снабжена кулачками 12, установленными неподвижно на наружной цилиндрической поверхности ее втулочной части. Кулачки 10 и 12 выполнены вдоль оси вала 1. Сепаратор 8 выполнен в форме кольца с радиальными направляющими и размещен между верхней резьбовой втулкой 2 и манжетой 4. Фиксаторы 9 выполнены в виде грибков и имеют ножку с профилированным концом, рифления на наружной поверхности части грибка и размещены на направляющих сепаратора 8. Шестигранник на верхнем конце вала 1 пакера может быть выполнен в виде усеченной пирамиды, обращенной верхней частью к валу привода 5. Это улучшает центровку при их стыковке. Дополнительная резьба на валу 1 пакера под крепление верхней полумуфты 7 может быть выполнена многозаходной и с конической проточкой по наружному диаметру резьбы в сторону заходной части для облегчения угловой установки верхней полумуфты 7 на вал 1.

Система по фиг.1 и 2 работает следующим образом.

Система, состоящая из спускоподъемного устройства и привода, скрепленного с пакером, опускается с устья скважины с зазором в эксплуатационную колонну на заданную глубину. В процессе спуска системы верхняя резьбовая втулка 2 устанавливается без поджатия к эластичной манжете 4, а нижняя резьбовая втулка 3 с небольшим поджатием для сцепления с манжетой 4. Наружный диаметр манжеты 4 при этом не выступает за габариты других деталей пакера. Центрирование привода и пакера относительно внутренней поверхности эксплуатационной колонны осуществляется по их выступающим наружным поверхностям. После достижения заданной глубины на привод подается управляющий сигнал, вызывающий вращение вала 1. В процессе вращения вала 1 резьбовые втулки 2, 3 перемещаются навстречу друг к другу внутрь эластичной манжеты 4. При дальнейшем вращении вала 1 последовательно внутренняя резьба верхней полумуфты 7 выходит из зацепления с дополнительной резьбой вала 1. Дальнейшее вращение вала 1 поджимает муфту 1 за счет ее расширения наружной поверхностью к внутренней поверхности эксплуатационной колонны и уплотняет ее на двух уровнях. Одновременно манжета 4 поджимает сепаратор 8 в сторону верхней резьбовой втулки 2. При этом ножка грибка 9 опирается в наклонную поверхность втулки 2, а рифленая поверхность шляпки во внутреннюю поверхность эксплуатационной колонны и расклинивает их. Таким образом, пакер дополнительно стопорится относительно эксплуатационной колонны. После этого по нарастанию нагрузки на приводе сверх заданного предела привод отключается. Затем спускоподъемное устройство подтягивается вверх и выходной вал 5 привода выходит из зацепления с шестигранником верхнего конца вала 1. Последними из зацепления между собой выходят кулачки 10 и 12 муфты. После этого спускоподъемное и энергопитающее устройство с приводом готовы для дальнейшей работы для установки дополнительных пакеров в эксплуатационной колонне или распакеровке ранее установленного пакера. При удалении установленного пакера привод опускается вниз до контакта с ним. Первое самое приближенное центрирование привода относительно пакера осуществляется по их наружным поверхностям через промежуточную центрацию по внутренней поверхности эксплуатационной колонны. При дальнейшем опускании привода вниз кулачки 12 верхней полумуфты 7 входят в зацепление с кулачками 10 нижней полумуфты и ориентируют выходной вал 5 привода относительно шестигранника верхнего конца вала 1, позволяя им зайти в зацепление между собой. Дальнейшее опускание привода осуществляется до торцевого контакта заходной части внутренней резьбы полумуфты 7 с заходной частью дополнительной резьбы вала 1. Наличие торцевого контакта между ними определяется по ослаблению нагрузки на спускоподъемное устройство. После этого включается привод с реверсивным направлением вращения по отношению к вращению в процессе операции установки пакера. Эти резьбы свинчиваются между собой до упора втулочной частью верхней полумуфты 7 в торец вала 1 в месте сбега дополнительной резьбы. При вращении вала вследствие неподвижной фиксации верхней резьбовой втулки 2 через кулачки 10, 12 относительно фланца 6 привода, а нижней резьбовой втулки 3 за счет контакта с осевым натягом с манжетой 4 происходит развинчивание резьбовых втулок 2, 3 относительно друг друга и разуплотнение манжеты 4 относительно внутренней поверхности эксплуатационной колонны. Одновременно упорный бурт 11 верхней полумуфты 7 входит в полость между манжетой 4 и верхней резьбовой втулки 2, надавливает на сепаратор 8 и выводит из зацепления фиксатор 9 с наклонной поверхностью в верхней резьбовой втулке 2 и внутренней поверхности эксплуатационной колонны.

После этого пакер готов для перемещения внутри эксплуатационной колонны спускоподъемным устройством.

Использование предлагаемой системы позволяет обеспечивать непрерывный многократный процесс установки и перестановки одного и того же пакера, а также установки и удаления нескольких пакеров на разных глубинах одними и теми же спускоподъемным и энергопитающим устройствами, что повышает производительность работы и снижает их трудоемкость. Кроме того, повышается надежность осевой фиксации пакера после его установки в эксплуатационной колонне. Экономический эффект от использования предложенной системы достигается за счет уменьшения количества и времени исполнения технологических операций в эксплуатационной колонне. Настоящее изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности и других отраслях промышленности, где производится добыча жидких сред из скважин.

Источники информации

1. Патент РФ № 1828489, МПК 5 Е 21 В 33/12.

2. Патент РФ № 2087672, МПК 6 Е 21 В 33/12.

3. Патент РФ № 2122104, МПК 6 Е 21 В 33/12.