стенд для испытания пакеров

Формула изобретения

Стенд для испытания пакеров, содержащий имитаторы обсадной и лифтовой колонн с размещенным между ними пакером, средства для обогрева имитатора обсадной колонны, основной гидроцилиндр для осевой нагрузки и разгрузки пакера, насосные установки для создания давления и имитации скважинного давления, отличающийся тем, что стенд снабжен дополнительным гидроцилиндром с пустотелым штоком и цилиндром, связанными со штоком основного гидроцилиндра, дополнительный гидроцилиндр заключен в корпус, жестко соединенный с основным гидроцилиндром и имитатором обсадной колонны, в дополнительный гидроцилиндр помещен кольцевой поршень с конической юбкой, взаимодействующий с сухарями, посаженными на пустотелом штоке с возможностью периодического упора в корпус через окна в указанном цилиндре, а под сухарями на пустотелом штоке подвижно установлен подпружиненный кольцевой толкатель, в полости имитатора лифтовой колонны помещен плавающий поршень, при этом указанная полость и полость пустотелого штока сообщаются между собой, с каналом в переходнике между пустотелым штоком и штоком основного гидроцилиндра и с полостью над кольцевым поршнем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для испытания различных конструкций пакеров, устанавливаемых в скважинах.

Известен стенд для испытания резиновых уплотнительных элементов скважинных пакеров, включающий стакан с крышками, внутри которого помещен пакер в сборе, собранный на стволе, при этом стакан снабжен термостатирующей рубашкой и измерительными приборами (SU №240621, МПК Е 21 В 33/12, 1969).

Технический недостаток стенда: ограниченные функциональные возможности - стенд приспособлен для испытания пакеров устаревших конструкций; неприемлемая монтажеспособность - для замены пакера требуется демонтаж многих деталей.

Известен способ испытания термостойких пакеров, включающий установку пакера в имитаторе обсадной колонны, измерение осевого усиления, регулирование и измерение других показателей (SU №1082931 А, МПК³ Е 21 В 33/12, 1984).

Технический недостаток способа: ограниченные функциональные возможности - способ в основном предназначен для имитации условий паронагнетальной скважины при ограниченном пластовом давлении.

Известен также стенд для испытания пакеров, содержащий имитаторы обсадной и лифтовой колонн с размещенным между ними пакером, средства для обогрева имитатора обсадной колонны, основной гидроцилиндр для осевой нагрузки и разгрузки пакера, насосные установки для создания давления и имитации скважинного давления (в книге: Повышение эффективности буровых работ на нефть и газ: Сб. науч. тр./ Укр. НИГРИ. - Львов, 1984, с.65-71, рис. 1 на с.66). Технический недостаток данного стенда: ограниченные функциональные возможности - стенд работает при максимальном перепаде давлений 50 МПа (при незначительных радиальных зазорах); повышенная энергоемкость испытаний из-за длительной работы насоса - как следствие отсутствия фиксации имитатора лифтовой колонны.

Техническая задача: расширение функциональных возможностей и снижение энергоемкости.

Технический результат: имитация условий эксплуатации при высоких давлениях; надежная и автоматическая фиксация лифтовой колонны в процессе испытаний.

Согласно изобретению стенд для испытания пакеров (содержащий имитаторы обсадной и лифтовой колонн с размещенным между ними пакером, средства для обогрева имитатора обсадной колонны, основной гидроцилиндр для осевой нагрузки и разгрузки пакера, насосные установки для создания давления и имитации скважинного давления) снабжен дополнительным гидроцилиндром с пустотелым штоком и цилиндром, связанными со штоком основного цилиндра, дополнительный цилиндр заключен в корпус, жестко соединенный с основным гидроцилиндром и имитатором обсадной колонны, в дополнительный гидроцилиндр помещен кольцевой поршень с конической юбкой, взаимодействующей с сухарями, посаженными на пустотелом штоке с возможностью периодического упора в корпус через окна в указанном цилиндре, а под сухарями на пустотелом штоке подвижно установлен подпружиненный кольцевой толкатель, в полости имитатора лифтовой колонны помещен плавающий поршень, при этом указанная полость пустотелого штока сообщаются между собой, с каналом в переходнике между пустотелым штоком и штоком основного гидроцилиндра и с полостью над кольцевым поршнем.

На фиг.1 изображен общий вид стенда для испытания пакеров в нерабочем состоянии (без нагрузки), в разрезе, на фиг.2 - то же, под нагрузкой; на фиг.3 и 4 - выноски I и II из фиг.1 соответственно; на фиг.5, 6 и 7 - выноски III, IV и V из фиг.2 соответственно.

Стенд для испытания пакеров включает три блока: испытательный 1, фиксирующий 2 и силовой 3. Испытательный блок и весь стенд устанавливаются на фундаментальную плиту 4, которая посредством анкерных болтов 5 или иных известных средств закрепляется на фундаменте. На цилиндрическом выступе фундаментной плиты на резьбе смонтирован имитатор 6 обсадной колонны испытательного блока 1. В качестве имитатора используется отрезок реальной обсадной трубы необходимого размера. Внутри имитатора 6 помещен имитатор 7 лифтовой колонны - отрезок, например, насосно-компрессорной трубы соответствующего размера. Между имитаторами 6 и 7 размещен испытуемый пакер 8, между пакером и внутренней полостью имитатора 6 обсадной колонны предусмотрен кольцевой зазор. Имитатор 7 лифтовой колонны посредством нижнего переводника 9 соединен с пустотелым штоком 10 фиксирующего блока 2. На конце имитатора 7 подвижно установлен нижний упор 11, движение вниз которого ограничивает резьбовая муфта 12. На нижнем упоре на резьбе закреплена обечайка 13 с отверстиями 14. Между этой обечайкой и внутренней полостью имитатора 6 обсадной колонны предусмотрен кольцевой зазор. В фундаментной плите 4 выполнен канал 15 для подвода имитирующего скважинного давления в полость обечайки 13 и имитатора 6 обсадной колонны.

Основу фиксирующего блока 2 составляет дополнительный гидроцилиндр 16 с указанным пустотелым штоком 10 и цилиндром 17, которые связаны со штоком 18 основного гидроцилиндра 19 силового блока 3. Дополнительный гидроцилиндр заключен в корпус 20, жестко соединенный посредством, например, фланцев 21 и 22 и шпилек 23 с основным гидроцилиндром 19. Корпус 20 посредством резьбовой муфты 24 жестко соединен и с имитатором 6 обсадной колонны. Связь цилиндра 17 и пустотелого штока 10 со штоком 18 основного гидроцилиндра 19 выполнена посредством верхнего переводника 25. Проворот переводника 25 и всего дополнительного гидроцилиндра 16 вокруг оси предотвращается за счет штифта 26, закрепленного в переводнике и введенного в паз 27 корпуса 20. В дополнительный гидроцилиндр 16 помещен кольцевой поршень 28 с конической юбкой 29. Последняя взаимодействует с сухарями 30, посаженными на пустотелом штоке 10 с возможностью периодического упора в корпус 20 через окна 31 в указанном цилиндре 17. Под сухарями на пустотелом штоке 10 подвижно установлен кольцевой толкатель 32, опирающийся на пружину 33. На пустотелом штоке посажена конусовидная направляющая 34 с окнами 35 - с возможностью взаимодействия с ней внутренней полости юбки 29 кольцевого поршня 28 и с возможностью прохода в окна 35 сухарей 30. В последних выполнено конусовидное углубление (фиг.5), куда заходит скошенный конец 36 цилиндра 17. На наружной поверхности сухарей выполнена насечка 37. Продолжением цилиндра 17 является обечайка 38, которая скреплена с нижним переводником 9. Между обечайкой и толкателем 32 пропущен конец направляющей 34, при этом цилиндр 17 и обечайка 38 зажимают выступ направляющей. В связи с этим указанные окна 31 в цилиндре 17 конструктивно совмещены с окнами 35 в направляющей 34. В верхней части пустотелого штока 19 предусмотрено отверстие 39, которое гарантированно находится выше кольцевого поршня 28. Таким образом, полость имитатора 7 лифтовой колонны и полость пустотелого штока 10 сообщаются между собой и с полостью над кольцевым поршнем 28. Дополнительно к этому полости сообщаются с каналом 40 в верхнем переводчике 25, который, в свою очередь, сообщается с углублением в штоке 18 основного гидроцилиндра 19. Это углубление снабжено заглушкой 41.

Силовой блок 3 - это по существу основной гидроцилиндр 19, продолжением штока 18 которого является поршень 42. Наружный цилиндр 43 этого блока снабжен нижней проходной 44 и верхней глухой 45 крышками, в которых выполнены каналы 46 и 47, 48 и 49 соответственно для подвода и отвода рабочей жидкости. Стенд содержит также патрубок 50 Г-образной формы для контроля герметизирующих свойств пакера 8, патрубок расположен выше пакера. Снаружи стенда, напротив расположенного в нем пакера, смонтированы средства 51 для обогрева имитатора обсадной - колонны для теплового воздействия на пакер и на рабочую среду возле него. Стенд снабжен известными насосными установками для создания давления, приборами контроля и т.п.(на чертежах не показаны). В полости имитатора 7 лифтовой колонны помещен плавающий поршень 52.

Стенд для испытания пакеров работает следующим образом. Для установки испытуемого пакера 8 свинчивают резьбовую муфту 24, и два блока - фиксирующий 2 и силовой 3, вместе с нижним переводником 9 - поднимают, на имитатор 7 лифтовой колонны надевают пакер, опирая его на нижний упор 11. Далее фиксирующий блок 2 устанавливают на испытательный блок 1, соединяя их резьбовой муфтой 24, а силовой блок 3 отсоединяют. Для этого свинчивают верхние гайки со шпилек 23, поднимают блок 3 вместе с нижней проходной крышкой 44. Отвинтив заглушку 41, через канал 40 заправляют полости пустотелого штока 10 и имитатора 7 рабочей жидкостью, при этом плавающий поршень 52 опускается в крайнее нижнее положение. Далее в штоке 18 основного гидроцилиндра 19 устанавливают заглушку 41, и посредством фланцев 21, 22 и шпилек 23 скрепляют фиксирующий 2 и силовой 3 блоки. На этапе подготовки стенда к работе подключают также насосные установки, приборы контроля, источник питания средств 51 для обогрева имитатора обсадной колонны и т.п. Поочередно подавая рабочую жидкость в каналы 46 и 48 из штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра 19 выдавливают воздух, который выходит через симметричные каналы 47 и 49 соответственно, после чего последние глушат. Проводят и пробную заправку подпакерной (“скважинной”) полости, подавая рабочую жидкость в канал 15 - воздух выходит через Г-образный патрубок 50.

В процессе испытаний “раздавливают” пакер 8, для чего через канал 48 в крышке 45 подают рабочую жидкость в основной гидроцилиндр 19 силового блока 3, при этом из штоковой полости гидроцилиндра через канал 46 жидкость стравливается в бак. Потоком и давлением жидкости на поршень 42 со штоком 18 толкают верхний переводник 25, пустотелый шток 16 дополнительного гидроцилиндра 16 и нижний переводник 9. Последний воздействует на пакер 8, а через него и через нижний упор 11 - на обечайку 13. Вследствие этого вся названная система перемещается вниз до взаимодействия обечайки 13 с цилиндрическим выступом фундаментной плиты 4 (фиг.2). Одновременно с этим смещается вниз и имитатор 7 лифтовой колоны. После остановки обечайки 13 (вместе с нижним упором 11) некоторое перемещение вниз остальной системы продолжается. Благодаря этому пакер 8 деформируется, выбирается зазор между пакером и имитатором 6 обсадной колонны - происходит герметизация затрубного пространства, при этом резьбовая муфта 12 на имитаторе 7 отходит от упора 11. Названные действия соответствуют “раздавливанию” пакера в реальной скважине, когда соответствующий вес бурильной или насосно-компрессорной колонны (зачастую совместно с утяжеленными бурильными трубами) воздействует на пакер, прижимая его к дну скважины или к соответствующим элементам скважины и деформируя эластичный элемент пакера. В стенде давление в поршневой полости основного гидроцилиндра 19 задается из условий создания необходимого усилия на штоке 18.

Далее через канал 15 подают имитирующее скважинное давление, значение которого может быть в несколько раз больше, чем давление в поршневой полости гидроцилиндра 19. Рабочая жидкость непосредственно воздействует снизу на пакер 8 - через нижний упор 11. Одновременно с этим жидкость через отверстия 14 проникает в радиальный зазор между имитатором 6, обечайкой 13 и упором 11. Это высокое “скважинное” давление провоцирует раскрытие пакера - проход жидкости между эластичным элементом пакера и имитатором 6. Показателем негерметичности пакера является стекание жидкости из Г-образного патрубка 50, например, в мерную емкость. Одной из задач испытаний пакера является подбор оптимального усилия на штоке 18, имитирующего вес колонны в скважине, при известном скважинном давлении - давлении под пакером.

При подаче имитирующего скважинного давления в полость под пакером 8 рабочая жидкость одновременно поступает в нижний “отсек” имитатора 7 лифтовой колонны и воздействует на плавающий поршень 52. Под действием давления поршень поднимается и создает давление в столбе жидкости над поршнем 52 - в полости имитатора 7 и пустотелого штока 10. Вследствие этого жидкость через отверстие 39 в пустотелом штоке поступает в надпоршневую полость дополнительного гидроцилиндра 16 и смещает вниз кольцевой поршень 28 с конической юбкой 29. Последняя воздействует на сухари 30 и смещает их вниз. Сухари скользят по конусовидной направляющей 34, нижняя часть сухарей с насечкой 37 проходит через окна 31 в цилиндре и совмещенные с ними окна 35 в направляющей 34 (фиг.4 и 5) и своей насечкой 37 прижимается к корпусу 20. Это происходит одновременно с воздействием на сухари 30 скошенного конца 36 цилиндра 17 (за счет перемещения штока 18 вместе с верхним переводником 25 и цилиндром 17), причем скошенный конец 36 воздействует на конусовидную щель в сухарях 30 - между их наружной поверхностью и внутренней плоскостью насечек 37 (фиг.5). При смещении вниз сухари воздействуют также на кольцевой толкатель 32, который, смещаясь вниз, сжимает пружину 33, при этом нижний конец направляющей 34 оказывается зажатым между этим толкателем и обечайкой 38. В итоге происходит фиксация подвижной колонны: шток 18 - верхний переводник 25 - пустотелый шток 10 - нижний переводник 9 - имитатор 7 относительно корпуса 20 и жестко связанными с ним наружного цилиндра 43 и имитатора 6 обсадной колонны. И чем выше имитирующее скважинное давление, тем большая сила воздействует на кольцевой поршень 28 с юбкой 29, и с большим усилием сухари 30 прижимаются к корпусу 20, обеспечивая фиксацию указанной колонны. Благодаря этому испытания пакера на протяжении длительного времени могут проводиться после снятия давления в поршневой полости основного гидроцилиндра 19 (при наличии имитирующего скважинного давления). При эволюциях верхнего переводника 25 совместно с цилиндром 17 и пустотелым штоком 10 исключается их проворот относительно собственной оси и нарушение расположения сухарей 30 относительно окон 31 (35). Это достигается за счет ввода штифта 26 на переходнике 25 в паз 27 в корпусе 20. Наряду с этим положение и перемещение штифта 26 в пазу 27 - это указатель положения и перемещения колонны внутри корпусов блоков 1-3.

После завершения цикла испытаний снимают имитирующее скважинное давление, сбрасывая рабочую жидкость через канал 15 в фундаментной плите 4. Затем рабочую жидкость нагнетают в канал 46 в нижней проходной крышке 44 основного гидроцилиндра 19 - жидкость поступает в штоковую полость и давлением поднимает вверх поршень 42 со штоком 18. Последний увлекает за собой колонну: переводник 25 - пустотелый шток 10 - имитатор 7. Одновременно с переводником 25 поднимается и цилиндр 17, вследствие чего прекращается его силовое воздействие на конусовидную щель между сухарями 30 и внутренней плоскостью насечек 37. После этого под действием пружины 33 кольцевой толкатель 32 сдвигает сухари 30, которые, скользя по конусовидной направляющей 34, отходят от корпуса 20. При отсутствии давления под плавающим поршнем 52 снимается давление и в полостях имитатора 7 и пустотелого штока 10, а посредством отверстия 39 - и в надпоршневой полости дополнительного гидроцилиндра 16. В итоге происходит расфиксация стенда. Из поршневой полости основного гидроцилиндра 19 жидкость через канал 48 в верхний крышке 45 сбрасывается в бак. Для демонтажа испытанного пакера 8 или, по крайней мере, проверки его состояния свинчивают резьбовую муфту 24, и силовой 3 и фиксирующий 2 блоки поднимают. Вместе с ними поднимается и вся “начинка” испытательного блока 1, включая переводник 9 с имитатором 7 и пакером 8. В полостях имитатора 7 (выше плавающего поршня 53) и пустотелого штока 10 жидкость остается, и после очередной сборки стенда заправка этих полостей не производится.

Таким образом, расширяются функциональные возможности стенда за счет имитации условий эксплуатации при высоких (до 70 МПа) давлениях имитирующего скважинного давления и заданной температуре; достигается также снижение энергоемкости стенда путем надежной и автоматической фиксации всей подвижной колонны, включая ее лифтовую часть, благодаря чему испытания проходят и после прекращения давления рабочей жидкости в основном гидроцилиндре.