пакер-якорь

Формула изобретения

Пакер-якорь для скважин, содержащий корпус, якорный узел, состоящий из полого конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения, отличающийся тем, что поршень оснащен снизу сужением проходного канала, а сверху - полой штангой, которая сверху жестко и соосно соединена с конусом, зафиксированным сверху соосно с корпусом, причем цилиндр выполнен подвижным и установлен снаружи поршня, а внутренняя полость между цилиндром и поршнем сообщена с полостью штанги выше сужения проходного канала поршня, при этом верхний упор выполнен подпружиненным сверху и с возможностью ограниченного перемещения вверх, а нижний упор снабжен радиальными окнами и выполнен подвижным с возможностью перемещения вверх и взаимодействия снизу с цилиндром, а плашки выполнены в виде роликов с продольными отверстиями, установленных в окнах нижнего упора на осях, которые закреплены в окнах перпендикулярно к оси корпуса, причем внутренний диаметр продольного отверстия ролика больше наружного диаметра оси, а наружная поверхность ролика последовательно взаимодействует с наружными поверхностями полой штанги, конуса, корпуса и стенкой скважины при перемещении нижнего упора относительно корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике подземного ремонта и исследования скважин, а именно к устройствам для разобщения кольцевого пространства при обработке призабойной зоны, гидроразрыва пластов и других работ.

Известен пакер-якорь (патент РФ № 2179228, МПК Е21В 33/12, опубл. бюл. № 4, 10.02.2002 г.), содержащий переводник, верхний шток с верхним и нижним радиальными выступами, нижний шток с пазом, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной с внутренней радиальной выборкой, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор, дифференциальный шток, жестко связанный с верхним и нижними штоками, дифференциальную втулку, жестко соединенную с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, а конус разрезной подпружинен относительно дифференциальной втулки.

Недостатком известного пакера-якоря является сложность конструкции и низкая надежность в работе, так как нет уверенности перевода фиксатора из транспортного положения в рабочее состояние вращением на весу инструмента даже при наличии подпружиненных планок. Имеется вероятность не запакероваться, т.е. отсутствует уверенность в надежности эксплуатации пакера-якоря.

Наиболее близким к предлагаемому по большинству совпадающих признаков является пакер-якорь (патент РФ № 2301321, МПК Е21В 33/1295 опубл. бюл. № 17, 20.06.2007 г.), содержащий корпус, якорный узел, состоящий из конуса и плашек размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения.

Недостатками этого пакер-якоря являются низкая надежность из-за наличия в его конструкции зубчатой рейки, передающей осевое усилие на подвижный упор и далее на уплотнительный элемент. При этом зубчатая рейка подпружинена в радиальном направлении, и это зубчатое соединение не защищено от зашламления примесями, содержащимися в скважинной жидкости, что может привести к распакеровке после срезания штифта и падения втулки с шаром на забой из-за незацепления зубчатой рейки с зубчатыми кольцами на корпусе. Значительные осевые нагрузки на зубчатую рейку могут вызвать ее деформацию или поломку, что воспрепятствует срабатыванию пакера. Поломка или зашламление пружины может послужить причиной несрабатывания пакера из-за незацепления зубчатой рейки с зубчатыми кольцами на корпусе. Существенным недостатком надежности срабатывания пакер-якоря является то, что усилие зацепления нижнего упора за стенку скважины осуществляется через уплотнительный элемент, который возьмет часть распирающей осевой нагрузки на конус на себя после соприкосновения со стенкой скважины, уменьшив силу зацепления зубчатых плашек о стенку скважины. Уменьшенная сила зацепления зубчатых плашек о стенку скважины может явиться причиной перемещения якорь-пакера по стенке скважины. Сбрасываемые на забой шар с втулкой нежелательно оставлять в скважине. Сложность конструкции из-за большого количества оригинальных деталей уменьшает надежность срабатывания пакер-якоря и повышает стоимость его изготовления и эксплуатации. Приведенная конструкция пакеpa-якоря не применима в горизонтальных скважинах, где возможно отсутствие герметичной посадки шара на срезаемую втулку.

Техническая задача - расширение применения за счет возможности использования в горизонтальных, наклонных и сильно искривленных скважинах. Повышение надежности и удобства в эксплуатации применением несложных по конструкции небольшого количества деталей. Получение снижения времени и энергии на изготовление пакера-якоря применением технологичных в изготовлении деталей.

Техническая задача решается пакер-якорем для скважин, содержащим корпус, якорный узел, состоящий из полого конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения.

Новым является то, что поршень оснащен снизу сужением проходного канала, а сверху полой штангой, которая сверху жестко и соосно соединена с конусом, зафиксированным сверху соосно с корпусом, причем цилиндр выполнен подвижным и установлен снаружи поршня, а внутренняя полость между цилиндром и поршнем сообщена с полостью штанги выше сужения проходного канала поршня, при этом верхний упор выполнен подпружиненным сверху и с возможностью ограниченного перемещения вверх, нижний упор снабжен радиальными окнами и выполнен подвижным с возможностью перемещения вверх и взаимодействия снизу с цилиндром, а плашки выполнены в виде роликов с продольными отверстиями, установленных в окнах нижнего упора на осях, которые закреплены в окнах перпендикулярно к оси корпуса, причем внутренний диаметр продольного отверстия ролика больше наружного диаметра оси, а наружная поверхность ролика последовательно взаимодействует с наружными поверхностями полой штанги, конуса, корпуса и стенкой скважины при перемещении нижнего упора относительно корпуса.

На фиг.1 показан пакер-якорь в транспортном положении с частичным продольным разрезом; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1, на фиг.3 - пакер-якорь в положении, установленном давлением прокачиваемой жидкости, с частичным продольным разрезом, на фиг.4 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом, когда ролики выведены в рабочее положение, на фиг.5 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом в положении, готовом к разделению скважинного пространства, на фиг.6 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом в рабочем положении, на фиг.7 - сечение Б-Б фиг.6.

Пакер-якорь для скважин содержит ступенчатый корпус 1 (фиг.1) с центральным проходным каналом 2, снабженный резьбой 3 для соединения с колонной труб (не показан), состоящий из полого конуса 4, штанги 5, поршня 6, имеющего верхний выступ 7, нижний выступ 8 (фиг.3) и сужение 9. Плашки, выполненные в виде роликов 10, расположенные в радиальных окнах 11 (фиг.1) нижней подвижной опоры 12 на осях 13 перпендикулярно к оси корпуса 1, причем внутренний диаметр 14 (фиг.2) роликов 10 больше диаметра оси 13 на величину радиального хода роликов 10 при их взаимодействии с конусом 4 (фиг.1). Между нижней подвижной опорой 12 и верхней подвижной опорой 15 размещен уплотнительный элемент 16, причем верхняя подвижная опора 15 имеет возможность перемещения вверх, ограниченного выступом 17 корпуса 1, и подпружинена пружиной 18 вниз, которая упирается в выступ 19 корпуса 1. Снаружи поршня 6 установлен цилиндр 20, имеющий выступы 21 (фиг.3) и 22, ограничивающие перемещение цилиндра 20 вверх и вниз. Перемещение цилиндра 20 (фиг.1) обеспечивается перепадом давления, создаваемым сужением 9 проходного канала 2 между внутренней полостью 23, образованной поршнем 6 и цилиндром 20, и скважиной 24. Внутренняя полость 23 сообщается с проходным каналом 2 отверстием 25 штанги 5, расположенной выше сужения 9 поршня 6.

Пакер-якорь для скважин работает следующим образом.

Процесс установки пакера-якоря состоит условно из пяти этапов.

1-й этап - спуск пакера-якоря в скважину 24, (фиг.1);

2-й этап - подготовка пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости, (фиг.3);

3-й этап - вывод роликов в рабочее положение, (фиг.4);

4-й этап - подготовка уплотнительного элемента к разделению скважинного пространства, (фиг.5);

5-й этап - разделение скважинного пространства, (фиг.6).

1-й этап. Трубы (не показаны), соединенные резьбой 3 (фиг.1) с пакер-якорем, спускают в зону скважины 24, где необходимо произвести разобщения кольцевого пространства для обработки призабойной зоны, гидроразрыва пластов или других работ. Во время спуска пакера-якоря под действием сжатой пружины 18, упирающейся в выступ 19, верхняя подвижная опора 15 находится на корпусе 1 ниже выступа 17. Уплотнительный элемент 16 расположен на корпусе 1 и частично на конусе 4, а нижняя подвижная опора 12 с роликами 10 находится на штанге 5. Цилиндр 20 находится в нижней части штанги 5 и на поршне 6, при этом выступ 22 (фиг.3) цилиндра 20 взаимодействует с выступом 8 поршня 6 (фиг.1).

2-й этап. Прокачивая жидкость через центральный канал 2 корпуса 1 и через поршень 6, имеющий сужение 9, посредством отверстия 25 создается перепад давления между поршневой полостью 23 и скважиной 24. Под действием перепада давления цилиндр 20 (фиг.2) перемещает вверх нижнюю опору 12 с роликами 10, уплотнительный элемент 16, верхнюю опору 15, сжимая пружину 18, при этом радиальное перемещение роликов 10 ограничивается взаимодействием их с конусом 4 до плотного с натягом соприкосновения роликов 10 со стенкой скважины 24 за счет разницы внутреннего диаметра 14 (фиг.7) отверстия роликов 10 и диаметра оси 13.

3-й этап. При дальнейшем спуске колонны труб (не показаны) происходит прокатывание роликов 10 (фиг.4) вверх по корпусу 1 относительно его и вниз относительно стенок скважины 24. Так как скорость спуска колонны труб (не показаны) в скважину 24 больше скорости перемещения роликов 10 с нижней опорой 12, происходит дальнейшее перемещение верхней опоры 15, уплотнительного элемента 16 с одновременным сжатием пружины 18. На данном этапе перемещение цилиндра 20 прекращается при упоре выступа 21 (фиг.3) в выступ 7 поршня 6.

4-й этап. Продолжая спускать колонну труб (не показаны), производится дальнейшее перемещение нижней опоры 12 (фиг.5) с роликами 10 вверх относительно корпуса 1, то есть все ряды роликов 10 соприкасаются плотно со стенкой скважины 24 и корпусом 1, а верхняя опора 15 (фиг.1) коснется упора 17 корпуса 1, прекратив дальнейшее сжатие пружины 18.

5-й этап. На данном этапе завершается процесс установки пакер-якоря дальнейшим спуском колонны труб (не показаны), которые заставляют перекатываться ролики 10 (фиг.6) по корпусу 1 и стенке скважины 24, сжимая нижней опорой 12 уплотнительный элемент 16, который, увеличиваясь в поперечном сечении, прижимается к стенке скважины 24, разобщая кольцевое пространство.

По окончании работ с применением пакера-якоря необходимо потянуть вверх колонну труб (не показаны), которые заставят перекатываться ролики 10 по корпусу 1 и стенке скважины 24. Так как скорость подъема колонны труб (не показаны) в скважине больше скорости перемещения роликов 10 с нижней опорой 12, происходит перемещение нижней опоры 12 и выправление уплотнительного элемента 16, при этом верхняя опора 15 и сжатая пружина 18 перемещаются с корпусом 1. Дальнейший подъем труб (не показаны) заставляет перекатываться ролики 10 по стенкам скважины 24, корпусу 1, а затем и по конусу 4 (фиг.2), при этом происходит перемещение нижней опоры 12, уплотнительного элемента 16, верхней опоры 15 и разжатие пружины 18. Перекатывание роликов 10 по стенкам скважины 24, корпусу 1, а затем и по конусу 4 будет продолжаться до тех пор, пока ролики 10 из-за радиального перемещения вследствие прокатывания по конусу 4 и за счет разности диаметра оси 13 и внутреннего диаметра 14 не перестанут взаимодействовать со стенкой скважины 24. В дальнейшем под действием сжатой пружины 18 (фиг.1) происходит перемещение верхней опоры 15, уплотнительного элемента 16, нижней опоры 12 с роликами 10 и цилиндра 20 в состояние готовности к подъему или перемещению в другую зону скважины, где необходимо произвести разобщение кольцевого пространства для обработки призабойной зоны, гидроразрыва пластов или других работ.

В предлагаемой конструкции пакера-якоря роликом, перекатывающимся между стенкой скважины и корпусом, за счет веса колонны труб достигается надежное разобщение скважинного пространства, так как пакеровка и распакеровка производятся перемещением колонны труб, положение которых контролируется на устье скважины.

Такая конструкция пакера-якоря для разобщения кольцевого пространства при обработке призабойной зоны, гидроразрыва пластов или других работ обеспечивает упрощение конструкции, повышение надежности работы, уменьшение финансовых затрат на изготовление и обслуживание применением несложных по конструкции, технологичных в изготовлении деталей, а также уменьшение их количества.