устройство для изоляции опробуемых интервалов скважин

Формула изобретения

Устройство для изоляции опробуемых интервалов скважины, содержащее защелки, корпус с радиальными каналами, установленный внутри корпуса поршень и жестко соединенный с ним полый шток с радиальным отверстием, размещенный внутри штока, подпружиненный относительно него и связанный с ним шлицевым соединением установочный патрубок с осевым каналом и радиальным отверстием, толкатель с упорным патрубком, перегородку над поршнем и перфорированный патрубок, размещенный между секциями уплотнительного элемента, отличающееся тем, что полый шток снабжен втулкой, связанной с ним шлицевым соединением, зубчатой рейкой, закрепленной в его нижней части, и зубчатой рейкой, закрепленной на внутренней стороне корпуса устройства, в пространстве между поршнем и перегородкой корпуса на установочный патрубок надета возвратная пружина, в нижней части втулки выполнена кольцевая выемка для установки толкателя, в верхней и нижней частях втулки установлены защелки для взаимодействия с зубчатыми рейками.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к оборудованию для проведения гидрогеологических исследований горных пород, вскрытых скважиной, и может быть использовано для изоляции интервалов скважин при проведении опытных нагнетаний и измерении напоров подземных вод.

Известно устройство для изоляции опробуемых интервалов скважин, включающий секционный уплотнительный элемент, опускаемый в скважину на заданную глубину на колонне труб. Внутри колонны труб монтируется колонна штанг, с помощью которых опускают винт до встречи его с подвижной гайкой тампона. Поворачивая колонну штанг, ввинчивают этот винт в гайку тампона. На трубы на поверхности устанавливается винтовой домкрат, подъемный винт которого соединяют с колонной штанг. Штанги поднимаются домкратом, увлекая за собой подвижную гайку тампона, при этом происходит сжатие резиновых колец тампона (Указания по определению условий безопасной выемки угля под водными объектами и их охране. Л., ВНИМИ, 1977, с.30-31).

Недостатком этого устройства является большой объем монтажных и демонтажных работ при установках тампона в требуемых местах скважины. К недостаткам также относятся отсутствие контроля надежности изоляции опробуемого интервала и невозможность оптимизации величины сжатия резиновых колец тампона.

Известно устройство, принятое за прототип, для изоляции опробуемых интервалов скважин, содержащее корпус и секционный уплотнительный элемент, разделенный перфорированным патрубком для контроля надежности изоляции опробуемого интервала. Внутри корпуса установлен цилиндр с поршнем, жестко соединенным с полым штоком, в нижней части которого закреплен толкатель, взаимодействующий через упорный патрубок с секционным уплотнительным элементом. На полом штоке выполнены выступы, а на стенках корпуса - защелки. Уплотнительный элемент сжимается при подаче жидкости под поршень, а его фиксация осуществляется путем взаимодействия выступов на полом штоке с защелками на стенках корпуса (а.с. №1208187, МПК Е 21 В 33/12, публ. 1986 г.).

Недостатком устройства является фиксированная величина сжатия резиновых колец пакера, как правило, она составляет 40% суммарной высоты этих колец. При большем значении сжатия может произойти выход из строя резиновых колец. В этой ситуации неправильный выбор диаметра скважины в сторону уменьшения относительно номинального приводит к невозможности распакеровки устройства силовым воздействием гидроцилиндра. Кроме того, при бурении скважин определенного диаметра, выбранного из расчета сжатия резиновых колец на указанную величину, вдоль ствола скважины встречаются участки с диаметром, превышающем исходный и меньше исходного за счет вывалов и сближения стенок скважины при продольных деформациях сжатия. Особенно это характерно для пород средней и менее средней крепости. На таких участках при установке устройства либо удается произвести распакеровку резиновых колец, но без надежной изоляции опробуемого интервала, либо не хватает усилия гидроцилиндра преодолеть сопротивление стенок скважины во время сжатия резиновых колец на фиксированную величину. В этих случаях необходимо искать новое место установки, перемещая вверх или вниз устройство, что связано с дополнительной трудоемкостью работ.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства за счет ступенчатого увеличения сжатия колец секционного уплотнительного элемента до максимально возможной величины, что в сочетании с гидроконтролем надежности изоляции опробуемого интервала скважины позволяет произвести сжатие уплотнительного элемента на оптимальную величину в соответствии с фактическим диаметром скважины в месте установки устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для изоляции опробуемых интервалов скважины, содержащем защелки, корпус с радиальными каналами, установленный внутри корпуса поршень и жестко соединенный с ним полый шток с радиальным отверстием, размещенный внутри штока, подпружиненный относительно него и связанный с ним шлицевым соединением, установочный патрубок с осевым каналом и радиальным отверстием, толкатель с упорным патрубком, перегородку над поршнем и перфорированный патрубок, размещенный между секциями уплотнительного элемента, согласно изобретению полый шток снабжен втулкой, связанной с ним шлицевым соединением, зубчатой рейкой, закрепленной в его нижней части, и зубчатой рейкой, закрепленной на внутренней стороне корпуса устройства, в пространстве между поршнем и перегородкой корпуса на установочный патрубок одета возвратная пружина, в нижней части втулки выполнена кольцевая выемка для установки толкателя, в верхней и нижней частях втулки установлены защелки для взаимодействия с зубчатыми рейками.

Перечисленные отличительные признаки предлагаемого устройства представляют собой совокупность новых конструктивных элементов. Поскольку эти признаки позволяют получить новый положительный эффект, заключающийся в возможности распакеровки секционного уплотнительного элемента в тех местах скважины, где невозможно сжать кольца уплотнительного элемента на фиксированную максимально установленную величину, следовательно, и предлагаемое устройство в целом может быть признано удовлетворяющим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показано предлагаемое устройство при его спуске в скважину; на фиг.2 - увеличенный фрагмент устройства на фиг.1; на фиг.3 - сечение I-I на фиг.1; на фиг.4 - сечение II-II на фиг.1; на фиг.5 - сечение III-III на фиг.1; на фиг.6 - устройство в скважине, в рабочем положении контроля изоляции опробуемого интервала скважины; на фиг.7 - устройство в скважине, в рабочем положении для проведения гидрогеологических исследований в изолированном интервале скважин; на фиг.8 - общий вид устройства.

Устройство содержит корпус 1 и разделенный на две части перфорированным патрубком 2 секционный уплотнительный элемент с эластичными кольцами 3 и жесткими прокладками 4. Внутри корпуса 1 размещен поршень 5, жестко соединенный с полым штоком 6. Над поршнем 5 корпус 1 снабжен поперечной перегородкой 7. Полый шток 6 снабжен продольными выступами 8 с ограничителями 9, входящие в пазы 10 втулки 11, образуя шлицевое соединение полого штока 6 с втулкой 11, и зубчатыми рейками 12 штока. Точно такие же зубчатые рейки 13 корпуса выполнены на внутренней поверхности корпуса 1. Втулка 11 выполнена с нижними защелками 14 и верхними защелками 15, которые снабжены пружинами 16. Нижняя часть втулки 11 имеет кольцевую выемку 17, в которой закреплен толкатель 18 с возможностью вращения относительно втулки 11. Толкатель 18 выполнен в виде крестовины, концы которой заведены в продольные вырезы 19 в стенках корпуса 1 и с помощью упорного патрубка 20 удерживают на себе эластичные кольца 3, жесткие прокладки 4 и перфорированный патрубок 2. В полый шток 6 вставлен проходящий через верхнюю крышку 21 корпуса 1, поперечную перегородку 7 и поршень 5, установочный патрубок 22, снабженный в нижней части головкой 23 с выступами 24, входящими в продольные пазы 25 на стенках полого штока 6 и в верхней части - упором 26, отделяемым от верхней кромки крышки 21 корпуса 1 прокладкой 27, и переводником 28 под трубы 29. Между головкой 23 и поршнем 5 на установочный патрубок 22 надета упорная пружина 30. В стенках корпуса 1 под поперечной перегородкой 7 выполнены радиальные отверстия 31 и 32, а под поршнем 5 в полом штоке 6 и установочном патрубке 22 - радиальные отверстия соответственно 33 и 34. Радиальные отверстия 33 полого штока и 34 установочного патрубка служат для пропуска нагнетаемой воды из колонны труб 29 под поршень 5, а радиальное отверстие 32 корпуса - для ограничения хода поршня 5 при установке устройства в скважине 35. Радиальное отверстие 31 корпуса выполнено для обеспечения гидравлической связи между внутренним пространством 36 труб 29 и опробуемым интервалом 37 при гидрогеологических исследованиях. Кроме того, в стенке корпуса 1 выше перегородки 7 выполнены дополнительные радиальные каналы 38 для перепуска нагнетаемой воды из колонны труб 29 в пространство скважины между верхней и нижней частями уплотнительного элемента, разделенными перфорированным патрубком 2, после входа выступов зубчатой рейки 12 штока и зубчатой рейки 13 корпуса во взаимодействие с нижними защелками 14 и верхними защелками 15 для контроля надежности изоляции опробуемого интервала 37. В местах прохода установочного патрубка 22 через верхнюю крышку 21 корпуса 1, поперечную перегородку 7 и поршень 5 и в месте прохода полого штока 6 через нижнюю крышку 39 корпуса 1 установлены сальниковые уплотнители 40. Между поперечной перегородкой 7 и поршнем 5 установлена возвратная пружина 41.

Устройство, устанавливаемое в местах пересечения скважины с водоупорами, перекрывающими сверху исследуемые водоносные горизонты, работает следующим образом.

Спуск устройства к месту установки осуществляется на колонне труб 29, с которой оно соединяется с помощью переводника 28. В колонну труб 29 с помощью бурового насоса подается вода, которая сначала поступает в установочный патрубок 22, затем через радиальное отверстие 34 установочного патрубка в полый шток 6, а оттуда через радиальное отверстие 33 полого штока - в пространство корпуса 1 между его нижней крышкой 39 и поршнем 5. Выходу радиального отверстия 34 установочного патрубка из внутреннего пространства полого штока 6 до начала подачи воды в полый шток препятствует упорная пружина 30. При подаче воды в пространство корпуса 1 между его нижней крышкой 39 и поршнем 5 в указанном пространстве возникает избыточное давление, под воздействием которого поршень 5 перемещается вверх, увлекая за собой полый шток 6 и втулку 11 за счет взаимодействия ее нижней защелки 14 с первым (нижним) выступом зубчатой рейки 12 штока. Вместе с втулкой 11 вверх перемещается толкатель 18 и с помощью упорного патрубка 20 сжимает эластичные кольца 3, а перемещению вверх корпуса 1 препятствует упор 26. О проходе верхней защелки 15 втулки 11 второго выступа зубчатой рейки 13 корпуса и о входе ее в зацепление со вторым выступом зубчатой рейки 13 корпуса будет свидетельствовать падение давления воды на манометре бурового насоса, которое будет иметь место при поднятии нижнего края поршня 5 выше радиального отверстия 32 корпуса, после чего подачу воды в трубы прекращают. Поршень 5 посредством возвратной пружины 41 перемещается вниз и занимает исходное состояние. При этом нижняя защелка 14 уже будет взаимодействовать со вторым выступом зубчатой рейки 12 штока, так как верхняя защелка 15 зафиксировала сжатие эластичных колец на втором выступе зубчатой рейки 13 корпуса. Далее снова на поверхности включают буровой насос для подачи воды в колонну труб 29, которая через установочный патрубок 22, затем через радиальные отверстия 34 установочного патрубка и 33 полого штока, попадает в пространство корпуса 1 между его нижней крышкой 39 и поршнем 5, полый шток 6 и втулка 11 перемещаются вверх за счет взаимодействия ее нижней защелки 14 уже со вторым выступом зубчатой рейки 12 штока. Движение вверх втулки 11 будет происходить до тех пор, пока нижний край поршня 5 не будет выше радиального отверстия 32 корпуса, о чем будет свидетельствовать падение давления на манометре бурового насоса. В пределах этого движения верхняя защелка 15 втулки 11 проходит и входит, за счет пружины 16, в зацепление с третьим выступом зубчатой рейки 13 корпуса и, таким образом, сжимая эластичные кольца 3 еще на одну ступень посредством связанного с втулкой 11 толкателя 18, упорного патрубка 20 и жесткого кольца 4. При падении давления подачу воды в трубы прекращают, в результате чего поршень 5 посредством возвратной пружины 41 перемещается вниз и занимает исходное состояние. При этом обратном движении поршня 5 и полого штока 6, нижняя защелка 14, оставаясь на месте из-за фиксации втулки 11 верхней защелкой 15 с третьим выступом зубчатой реки 13 корпуса, войдет в зацепление с третьим выступом зубчатой рейки 12 штока - устройство готово для следующей ступени сжатия эластичных колец (фиг.7).

Для решения вопроса, на какой ступени сжатия эластичных колец остановиться, или другими словами, оптимизировать величину сжатия необходимо в конце каждой ступени сжатия, начиная со второй, производить контроль надежности изоляции опробуемого интервала 37 скважины 35 (фиг.6, 7). С этой целью производят без вращения подъем колонны труб 29 до тех пор, пока выступы 24 головки 23 установочного патрубка 22 не упрутся в окончание продольных пазов 25 полого штока 6 (фиг.6). При этом радиальное отверстие 34 установочного патрубка окажется в пространстве корпуса 1 между верхней крышкой 21 и поперечной перегородкой 7. В трубы 29 вновь подается вода, которая через радиальные отверстия 34 установочного патрубка и дополнительные радиальные каналы 38 поступает в пространство 42 скважины 35 между верхней и нижней частями уплотнительного элемента, разделенными перфорированным патрубком 2, местоположение которого после входа верхней защелки 15 в зацепление с одним из выступов зубчатой рейки 13 корпуса совпадает с местоположением одного из дополнительных радиальных каналов 38 (фиг.6, 7). Давление воды в пространстве 42 доводится до величины, используемой при гидрогеологических исследованиях в опробуемом интервале 37. О надежности изоляции опробуемого интервала 37 будет свидетельствовать отсутствие расхода воды по трубам 29 при поддержании давления в пространстве 42. Давление воды в упомянутом пространстве фиксируется манометром бурового насоса, а расход воды контролируется водомером, установленным на выходе из бурового насоса. В случае, если проверка показала ненадежность изоляции опробуемого интервала 37, то установочный патрубок 22 возвращают в исходное состояние, то есть опускают его в крайнее нижнее положение, до соприкосновения упора 26 через прокладку 27 с верхней кромкой крышки 21 корпуса 1. Далее производят очередную (третью) ступень сжатия, действуя по аналогии с предыдущими ступенями сжатия. Вновь без вращения поднимают колонну труб 29 в крайнее верхнее положение - до упора выступов 24 головки 23 установочного патрубка 22 в окончание продольных пазов 25 полого штока 6, и производят проверку надежности изоляции интервала 37 по аналогии с вышеописанным. Все эти действия по сжатию эластичных колец на определенную ступень и проверке надежности изоляции опробуемого интервала проводят до тех пор пока гидроконтроль не покажет герметичность пространства 42 скважины 35 между верхней и нижней частями уплотнительного элемента, разделенными перфорированным патрубком 2 (фиг.6, 7).

Убедившись в надежности изоляции опробуемого интервала 37, приступают к гидрогеологическим исследованиям в этом интервале, для чего должна быть обеспечена гидравлическая связь между указанным интервалом и внутренним пространством 36 труб 29. С этой целью колонну труб 29 без вращения смещают вниз на величину, при которой радиальное отверстие 34 установочного патрубка окажется в пространстве между поперечной перегородкой 7 и поршнем 5. При этом гидравлическая связь между опробуемым интервалом 37 и внутренним пространством 36 труб 29 будет осуществляться через радиальные отверстия 34 установочного патрубка и 31 корпуса и через открытое снизу пространство между корпусом 1 и упорным патрубком 20. По окончании гидрогеологических исследований в интервале 37 производят поворот установленного патрубка 22 на угол 45°-60° путем медленного вращения колонны труб 29 по часовой стрелке. Вместе с установочным патрубком 22 за счет взаимодействия выступов 24 головки 23 с продольными пазами 25 на тот же угол поворачивается полый шток 6 и втулка 11, которой передается вращательное движение за счет взаимодействия продольных выступов 8 с пазами 10 втулки 11. При этом нижняя 14 и верхняя 15 защелки выходят из зацепления соответственно выступов зубчатой рейки 12 штока и зубчатой рейки 13 корпуса, в результате чего эластичные кольца 3 освобождаются от сжатия, обеспечивая, таким образом, извлечение устройства из скважины при подъеме колонны труб 29. Для предотвращения выпадания втулки 11, соединенного с ней толкателя 18 и упорного патрубка 20, в результате действий по освобождению от сжатия эластичных колец в нижней части продольных выступов 8 выполнены ограничители 9.

Преимуществом предлагаемого устройства является возможность ступенчатого увеличения сжатия эластичных колец, что в сочетании с гидроконтролем надежности изоляции опробуемого интервала скважины позволяет оптимизировать величину сжатия эластичных колец для конкретных участков установки устройства в скважине.

Предлагаемое устройство предусматривается использовать при гидрогеологических исследованиях с целью определения условий безопасной выемки угля под водными объектами и при аналогичных работах на рудных месторождениях полезных ископаемых, а так же при определении фильтрационных характеристик горных пород при геологических изысканиях участков строительства различных объектов.