ПАКЕР МЕХАНИЧЕСКИЙ ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметичного разобщения интервалов ствола эксплуатационной колонны в процессе проведения различных технологических операций и эксплуатации нагнетательных и добывающих скважин.
Известен пакер (патент РФ №2209927, МПК Е21В 33/12, опубл. 10.08.2003, (аналог) (1)), который содержит ствол с фигурными пазами на наружной поверхности, имеющими продольные прямые короткий и длинный участки. Со стволом жестко связана опора, под которой расположены нажимной уплотнительный элемент и конус. Конус установлен с возможностью осевого перемещения относительно ствола. На стволе с возможностью осевого перемещения установлена обойма. На обойме равномерно по ее окружности размещены шлипсы, поджимаемые в радиальном направлении относительно обоймы пружиной и в средней части удерживаемые ограничителем. Нижняя часть шлипсов выполнена в виде направляющего кулачка. Кольцо выполнено разъемным и установлено в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно последней, но жестко связанное с ней в осевом направлении. На внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы в виде отдельных секторов выполнены буртики прямоугольного профиля. Буртики с канавкой образуют пару скольжения и дополнительно играют роль очистки канавки от шлама. Во внутренней части кольца вдоль одной оси, перпендикулярно оси пакера, жестко, по посадке с натягом, установлены два диаметрально противоположных направляющих штифта. На стволе выполнены наклонные участки и прямые участки. Каждый прямой участок против часовой стрелки переходит в наклонный, который, в свою очередь, примыкает к следующему прямому участку под острым углом. В торце кольца выполнена выемка для фиксации заходных направляющих кулачков. Недостатками пакера являются недостаточная надежность его установки, что приводит к несанкционированному срыву.
Известен механический пакер (патент РФ 2453679, Е21В 33/129, дата подачи заявки 01.12.2011, опубл. 20.06.2012, (аналог) (2)) со скользящими клиньями для зацепки в обсадной трубе. Пакер относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использован при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Механический пакер содержит 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, конус и обойму, в которой установлены равномерно по ее окружности зубчатые шлипсы, кольцо, установленное в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связанное с ней в осевом направлении, причем обойма зафиксирована относительно ствола в радиальном направлении, зубчатые шлипсы пружинами поджаты к стволу и расположены таким образом, что при контакте с конусом их наклонные плоские грани параллельны наклонным плоским граням конуса, а направляющий штифт размещен в фигурном пазе, в котором зубчатые шлипсы помещены в кожух, который закреплен на обойме, имеющей в своей средней части пазы, в которых расположены центраторы с пружинами, закрепленные в обойме верхней и нижней крышками, причем под нижней крышкой расположено разрезное кольцо, на котором установлен направляющий штифт. Недостатками пакера являются низкая надежность и возможность несанкционированного срыва.
Известен пакер (патент РФ 2120023, опубл. 10.10.1998, (аналог) (3)), содержащий шток с пазом, прикрепленный к верхнему концу штока, установленный на штоке уплотнительный элемент. Над уплотнительным элементом размещены конус, верхний корпус с подпружиненными верхними плашками, размещенные под уплотнительным элементом конус, фиксатор, нижний корпус с подпружиненными планками и нижними плашками. Над уплотнительным элементом размещен кожух. Конус выполнен разрезным с возможностью радиального раскрытия и с внутренней радиальной выборкой. Верхний корпус имеет внутренний выступ. Часть штока, размещенная внутри верхних плашек и конуса разрезного, выполнена с верхним и нижним радиальными выступами. Они взаимодействуют соответственно с верхними плашками и конусом разрезным. Верхний корпус прижат к торцу переводника пружиной. Она размещена между внутренними выступами верхнего корпуса и верхним радиальным выступом штока с возможностью осевого перемещения вниз по отношению к штоку. Нижний радиальный выступ штока размещен внутри радиальной выборки конуса разрезного. Концевая часть конуса разрезного размещена между радиальными выступами штока и находится в зацеплении с ними. Она имеет возможность взаимодействия с верхними плашками при перемещении штока. Недостатком пакера является отсутствие фиксации от проворота верхнего механического якоря относительно штока, низкая надежность и возможность несанкционированного срыва.
Известен пакер механический двухстороннего действия (патент RU 2539468, Е21В 33/12, (прототип) (4)). Пакер механический содержит верхний и нижний стволы. Нижний ствол имеет на наружной поверхности замкнутый фигурный паз. На нижнем стволе располагается нижний якорный узел. Нижний якорный узел включает корпус, нижний кожух с нижними подпружиненными плашками. В средней части корпуса выполнены прямоугольные окна, в которых установлены подпружиненные центраторы, удерживаемые верхней и нижней крышками. В нижней части корпуса выполнена кольцевая наружная канавка, посредством которой к нижней части корпуса присоединено разрезное кольцо. Кольцо имеет внутреннюю кольцевую канавку и наружный цилиндрический выступ. В кольцо установлен фиксатор. На верхнем стволе расположен с возможностью осевого перемещения и опирающийся на цилиндрический выступ нижнего ствола опорный конус. Над конусом расположены нижний антиэкструзионный узел, уплотнительные манжеты и верхний антиэкструзионный узел. Над ним расположен верхний якорный узел. Верхний якорный узел включает конусную муфту, гайку, верхний кожух с верхними плашками. Под плашками расположен разрезной конус, стянутый стопорными кольцами. Конус опирается на упор. Упор опирается на пружинящий пакет, состоящий из двух крайних и одного среднего упорных колец, между которыми расположены два разрезных кольца. Недостатками пакера являются сложность конструкции и его установки в заданный интервал.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является повышение надежности и эффективности пакера механического и упрощение установки в заданный интервал скважины.
Цель достигается тем, что пакер механический двухстороннего действия состоит из двух частей - верхней и нижней и содержит три штока, на средний шток пакера навернут ствол фиксатора, имеющий возможность возвратно-поступательного движения внутри корпуса кольца-фиксатора и нижней опоры, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые канавки с фасками. Предварительно в нижнюю канавку ствола фиксатора и канавку корпуса кольца-фиксатора вставлено нижнее разжимное кольцо-фиксатор с возможностью хода в канавке корпуса кольца-фиксатора, которое сохраняет положение штоковой сборки в транспортном положении при спускоподъемных операциях и разжимается только при создании определенного усилия сверху вниз. На верхнем штоке выполнена одна кольцевая канавка, аналогичная кольцевым канавкам на среднем штоке, в которую установлено верхнее разжимное кольцо-фиксатор, которое разжимается при заранее выбранном усилии и выполняет функцию удержания верхнего якорного узла в транспортном положении до момента доведения гарантированной для герметичности пакера осевой нагрузки на уплотнительные элементы пакера.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, решается пакером механическим двухстороннего действия, содержащим уплотнительные элементы, нижний и верхний якорные узлы. Пакер состоит из двух частей - верхней и нижней и содержит три штока, при этом нижний якорный узел осевого действия, который воспринимает осевые нагрузки сверху-вниз, расположен на нижнем штоке, а на наружной поверхности этого штока выполнен замкнутый фигурный кодовый паз, по которому перемещается фиксатор. Нижний якорный узел включает корпус, в нижней части которого установлены подпружиненные плоскими пружинами фрикционные колодки, поджимаемые гайкой, которые создают силу трения между колодками и эксплуатационной колонной в осевом направлении, необходимую для перемещения якорного узла по нижнему штоку, а подпружиненные плашки, удерживаемые плашкодержателем, расположены в верхней части корпуса. Нижний шток присоединен к нижнему конусу верхней части пакера при помощи резьбы. Конус нижний навернут на корпус кольца-фиксатора, который имеет кольцевую канавку и соединен с нижней опорой. При этом на средний шток пакера навернут ствол фиксатора, имеющий возможность возвратно-поступательного движения внутри корпуса кольца-фиксатора и нижней опоры, на наружной поверхности которого выполнено несколько кольцевых канавок с фасками для фиксации разжимным кольцом-фиксатором штоковой сборки с жестко закрепленной верхней опорой. Предварительно в нижнюю канавку ствола фиксатора и канавку корпуса кольца-фиксатора вставлено нижнее разжимное кольцо-фиксатор с возможностью хода в канавке корпуса кольца-фиксатора, которое сохраняет положение штоковой сборки в транспортном положении при спускоподъемных операциях и разжимается только при создании определенного усилия сверху вниз. При этом штоковая сборка с верхней опорой и сжатыми уплотнительными элементами фиксируется кольцом-фиксатором в одной из кольцевых канавок с фасками в зависимости от внутреннего диаметра эксплуатационной колонны, а верхняя опора сжимает уплотнительные элементы, разделенные шайбами, которые ограничены нижней опорой. На жестко соединенных между собой верхним и средним штоках установлен верхний якорный узел, воспринимающий осевые нагрузки снизу-вверх. Верхний якорный узел включает конус верхний, подпружиненные две косозубые и одну прямозубую плашки, удерживаемые плашкодержателем, упор нижний и упор верхний, между которыми расположена пружина, защищенная кожухом. На верхнем штоке выполнена одна кольцевая канавка, аналогичная кольцевым канавкам на среднем штоке, в которую установлено верхнее разжимное кольцо-фиксатор, которое разжимается при заранее выбранном усилии и выполняет функцию удержания верхнего якорного узла в транспортном положении до момента доведения гарантированной для герметичности пакера осевой нагрузки на уплотнительные элементы пакера. Кроме того, нижнее разжимное кольцо-фиксатор удерживает на определенное усилие верхний якорный узел, а соответственно и уплотнительные элементы в рабочем положении. Полезная модель позволяет повысить надежность и эффективность работы пакера механического двухстороннего действия, упрощение его установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах. Новым является то, что пакер механический двухстороннего действия состоит из двух частей - верхней и нижней и содержит три штока, на средний шток пакера навернут ствол фиксатора, имеющий возможность возвратно-поступательного движения внутри корпуса кольца-фиксатора и нижней опоры, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые канавки с фасками. Предварительно в нижнюю канавку ствола фиксатора и канавку корпуса кольца-фиксатора вставлено нижнее разжимное кольцо-фиксатор с возможностью хода в канавке корпуса кольца-фиксатора, которое сохраняет положение штоковой сборки в транспортном положении при спускоподъемных операциях и разжимается только при создании определенного усилия сверху вниз. На верхнем штоке выполнена кольцевая канавка, аналогичная кольцевым канавкам на среднем штоке, в которую установлено верхнее разжимное кольцо-фиксатор, которое разжимается при заранее выбранном усилии и выполняет функцию удержания верхнего якорного узла в транспортном положении до момента доведения гарантированной для герметичности пакера осевой нагрузки на уплотнительные элементы пакера. Кроме того, нижнее разжимное кольцо-фиксатор удерживает на определенное усилие верхний якорный узел, а соответственно и уплотнительные элементы в рабочем положении.
На фиг. 1 изображена в разрезе верхняя часть пакера механического двухстороннего действия. На фиг. 2 изображена - нижняя часть пакера механического двухстороннего действия. На фиг. 3 изображен нижний шток с замкнутым фигурным кодовым пазом, вдоль которого перемещается фиксатор. На фиг. 4 изображено разжимное кольцо-фиксатор.
Пакер состоит из двух частей - верхней (фиг. 1) и нижней (фиг. 2) и содержит три штока, при этом нижний якорный узел осевого действия, который воспринимает осевые нагрузки сверху-вниз, расположен на нижнем штоке 23 (фиг. 2), который содержит воронку 32, а на наружной поверхности этого штока выполнен замкнутый фигурный кодовый паз 41, по которому перемещается фиксатор 27, установленный на втулке 26. Нижний якорный узел включает корпус 29, в нижней части которого установлены подпружиненные плоскими пружинами 36 фрикционные колодки 30, поджимаемые гайкой 31, зафиксированной стопорным винтом 33, которые создают силу трения между колодками и эксплуатационной колонной в осевом направлении, необходимую для перемещения якорного узла по нижнему штоку, а подпружиненные плашки 24, удерживаемые плашкодержателем 25, зафиксированным на переводнике 28 стопорными винтами 34, расположены в верхней части корпуса 29. Нижний шток 23 (фиг. 2) присоединен к нижнему конусу 20 (фиг. 1) верхней части пакера при помощи резьбы. Конус нижний 20 (фиг. 1) навернут на корпус кольца-фиксатора 18, который имеет кольцевую канавку 35 и соединен с нижней опорой 16. При этом на средний шток 13 пакера навернут ствол фиксатора 17, имеющий возможность возвратно-поступательного движения внутри корпуса кольца-фиксатора 18 и нижней опоры 16, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые канавки 36 с фасками. Предварительно в нижнюю канавку 36 и канавку 35 корпуса кольца фиксатора 18 вставлено нижнее разжимное кольцо-фиксатор 19 с возможностью хода в кольцевой канавке 35, которое сохраняет положение штоковой сборки в транспортном положении при спускоподъемных операциях и разжимается только при создании определенного усилия сверху вниз. При этом нижнее разжимное кольцо-фиксатор 19 перемещается в следующую расположенную выше канавку 36 ствола фиксатора 17, а верхняя опора 12 сжимает уплотнительные элементы 14, разделенные шайбами 15, которые ограничены нижней опорой 16. На жестко соединенных между собой верхним 8 и средним 13 штоках установлен верхний якорный узел, воспринимающий осевые нагрузки снизу-вверх. Верхний якорный узел включает конус верхний 9, соединенный с верхней опорой 12 переводником 11, подпружиненные коническими пружинами 39 две косозубые 6 и одну прямозубую 7 плашки, удерживаемые плашкодержателем 4, зафиксированном на кожухе 3 стопорными винтами 22, упор нижний 5 и упор верхний 2, между которыми расположена пружина 21, защищенная кожухом 3. На верхнем штоке выполнена кольцевая канавка 37, аналогичная канавке 36 на среднем штоке 13, в которую установлено верхнее разжимное кольцо-фиксатор 10, которое разжимается при заранее выбранном усилии и выполняет функцию удержания верхнего якорного узла в транспортном положении до момента доведения гарантированной для герметичности пакера осевой нагрузки на уплотнительные элементы 14 пакера. Кроме того,нижнее разжимное кольцо-фиксатор 19 удерживает на определенное усилие верхний якорный узел, а соответственно и уплотнительные элементы 14 в рабочем положении. На шток верхний 8 навернута муфта 1 с протектором 40 для соединения с колонной насосно-компрессорных труб (не показано). Соединения загерметизированы уплотнительными кольцами 38.
Пакер механический двухстороннего действия работает следующим образом. Производится спуск пакера в скважину на колонне насосно-компрессорных труб. При этом фиксатор 27, находясь в коротком (транспортном) участке 42 замкнутого фигурного кодового паза 41 штока 23, удерживает нижний якорный узел в транспортном положении. Следует избегать установку пакера в месте стыковки двух труб эксплуатационной колонны, а также в интервалах перфорации и нарушения целостности эксплуатационных колонн. При достижении проектной глубины производится подгонка насосно-компрессорных труб с учетом герметизации устья. Далее производится подъем насосно-компрессорных труб на заданную величину и последующий спуск. При этом нижний якорный узел остается неподвижным относительно эксплуатационной колонны за счет сил трения фрикционных колодок 30, а фиксатор 27 переходит в рабочий участок 43 замкнутого фигурного кодового паза 41 штока 23. Колонну насосно-компрессорных труб перемещают вниз до окончательного перехода нижнего якорного узла в рабочее положение и расклинивания плашек 24 в эксплуатационной колонне, исключая возможность перемещения пакера вниз. После этого на пакер прикладывается осевая нагрузка вниз, при этом штоковая сборка под весом колонны насосно-компрессорных труб перемещается вниз, происходит выход из транспортного положения нижнего кольца-фиксатора 19. Далее происходит сжатие уплотнительных элементов 14, которые, сжимаясь в осевом направлении, увеличат свой наружный диаметр до внутреннего диаметра эксплуатационной колонны, герметизируя таким образом подпакерную зону от надпакерной, плашки 6 и 7 верхнего якорного узла устанавливаются в рабочее положение, при этом нижнее разжимное кольцо-фиксатор 19 перемещается в дополнительные канавки 36 ствола фиксатора 17, а верхняя опора 12 сжимает уплотнительные элементы 14, которые ограничены нижней опорой 16. На стволе фиксатора 17 выполнено несколько кольцевых канавок с фасками 36 для фиксации разжимным кольцом-фиксатором 19 штоковой сборки с жестко закрепленной верхней опорой 12. При этом штоковая сборка с верхней опорой 12 и сжатыми уплотнительными элементами 14 фиксируется кольцом-фиксатором 19 в одной из кольцевых канавок с фасками 36 в зависимости от внутреннего диаметра эксплуатационной колонны. В свою очередь верхнее разжимное кольцо-фиксатор 10 верхнего штока 8 разжимается и смещается выше буртика, тем самым выполняя функцию доведения осевой нагрузки на уплотнительные элементы 14 пакера до гарантированной герметичности пакера. Для срыва пакера необходимо создать натяжение колонны насосно-компрессорных труб вверх. При достижении заданной нагрузки верхнее разжимное кольцо-фиксатор 19 освобождает ствол фиксатора 17, при этом происходит освобождение уплотнительных элементов 14 пакера. При дальнейшем натяжении колонны происходит срыв плашек 6 и 7 верхнего якорного узла, переход нижнего разжимного кольца-фиксатора 19 в транспортное положение и верхнего разжимного кольца-фиксатора 10 в кольцевую канавку 37 верхнего штока 8, освобождение плашек 24 нижнего якорного узла. При этом фиксатор 27 перемещается по замкнутому фигурному кодовому пазу 41 в короткий участок 44 и пакер переходит в состояние готовности к последующей установке. При последующей установке пакера, в момент начала спуска в скважину, фиксатор 27 перемещается в короткий (транспортный участок) 42 замкнутого фигурного кодового паза 41 штока 23 и установка пакера производится в последовательности, описанной выше. Технологический и технический результаты при использовании пакера механического двухстороннего действия достигается за счет повышения надежности и эффективности пакера механического и упрощения установки в заданный интервал, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах. Экономический эффект от использования изобретения может достигаться за счет увеличения наработки на отказ, за счет ускорения работ по установке пакера механического двухстороннего действия в скважине.
Использованная литература
1. Патент РФ №2209927, МПК Е21В 33/12, опубл. 10.08.2003.
2. Патент РФ 2453679, Е21В 33/129, дата подачи заявки 01.12.2011, опубл. 20.06.2012.
3. Патент РФ 2120023, опубл. 10.10.1998.
4. Патент RU 2539468, Е21В 33/12.