САМОУДЕРЖИВАЮЩИЙСЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЯКОРЬ
SELF-RETAINING HYDRAULIC ARMATURE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для фиксации нефтепромыслового оборудования в скважине и может быть использовано, например, со штанговыми глубинными насосами.
Известен гидромеханический якорь [Патент РФ №2397307, МПК Е21В 23/06, опубликован 20.08.2010], включающий полый шток с радиальными каналами, сообщающимися с внутритрубным пространством, корпус с кольцевой камерой, в которой расположен кольцевой поршень, подпружиненный снизу и связанный через кольцевой толкатель с плашками, закрепленными верхними концами на шарнирах и снабженными изнутри наклонными выборками, с которыми подвижно сочленен толкатель, поворачивающий плашки.
При подаче промывочной жидкости в насосно-компрессорные трубы (НКТ) под большим давлением в радиальные каналы и в кольцевую камеру, в ней начинается перемещаться кольцевой поршень, который через толкатель приводит плашки к заякориванию. Якорь фиксирует нефтепромысловое испытательное оборудование от продольного перемещения в обсадной колонне или породе до тех пор, пока в трубы подается давление. При сбросе большого давления под действием пружины поршень с толкателем и плашками возвращается в исходное (транспортное) состояние. Якорь перестает выполнять свою функцию, так как используется временно для проведения испытания скважины.
Известен якорь гидравлический, выбранный в качестве прототипа [Патент РФ №2477781, МПК Е21В 23/06, опубликован 20.03.2013], включающий полый шток, выполненный с двумя выступами, являющимися поршнями, взаимодействующими с внутренними стенками корпуса и образующими две камеры над поршнями, связанные с внутритрубным пространством через радиальные отверстия в полом штоке. На наклонной поверхности конуса, подпружиненного пружиной, выполнены пазы типа «ласточкин хвост», по которым перемещаются плашки.
Посадка якоря на обсадную колонну производится путем подачи большого давления в колонну НКТ и через радиальные отверстия в полом штоке в надпоршневые камеры. При этом конус, выполняющий функцию поршня, наезжает на плашки, осуществляя посадку якоря и сокращая его длину. Для освобождения якоря прекращают подачу давления в НКТ и подпружиненный конус возвращает плашки в промежуточное положение. В исходное (транспортное) положение плашки возвращаются только при натяжении НКТ, т.е. при восстановлении длины якоря.
Таким образом, если в аналоге при сбросе большого давления сразу прекращается работа якоря и он переходит в исходное (транспортное) состояние, то в прототипе якорь также прекращает работу, но при этом переводит сжатой пружиной конус-поршень и плашки в промежуточное состояние. Перевод его в транспортное положение осуществляется при натяжении НКТ, т.е. при полном возврате конуса-поршня с плашками в исходное (транспортное) положение. Таким образом, прототип может оставаться в рабочем состоянии только при ненатянутых НКТ. Следовательно, он не может быть использован для заякоривания штангового глубинного насоса в подвешенном состоянии, т.е. при натянутых НКТ.
При заякоривании штангового глубинного насоса, спускаемого в скважину на НКТ, требуется жесткая посадка якоря на обсадную колонну без проскальзывания, так как компоновка должна работать сразу при натянутой колонне НКТ, которая периодически сокращается при движении плунжера насоса со штангами вверх и наоборот восстанавливается при движении их вниз. Но поскольку такое сокращение у колонны НКТ и колонны штанг разное, то возникает осевой момент на заякоренные плашки и они постепенно смещаются относительно обсадной колонны, нарушая выбранную фиксированную длину хода плунжера в цилиндре. Это приводит к сбою нормальной работы штангового глубинного насоса.
Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Эта цель достигается тем, что в предлагаемом самоудерживающемся гидравлическом якоре толкатель конусной втулки выполнен в виде цанги с внутренней и внешней винтовой упорной резьбой, входящей в зацепление с ответной винтовой упорной резьбой на внешней поверхности полого штока якоря и внутренней поверхностью конусной втулки, подвижно сочлененной верхним концом с внутренним пазом типа «ласточкин хвост» в конусной втулке, внешняя наклонная поверхность которой выполнена с пазом типа «ласточкин хвост», зацепленной с аналогичным ответным пазом на внутренней поверхности плашки, подвижно сочлененной с пазом типа «ласточкин хвост» в опорной муфте, цанга нижним концом опирается на кольцевой поршень, перемещающийся в кольцевой полости цилиндровой втулки, образованной между полым штоком и нижним продолжением конусной втулки, кольцевая полость загерметизирована уплотнениями и гидравлически сообщается с внутренней полостью якоря через радиальное отверстие в полом штоке.
На фиг. 1 и 2 показаны разрезы правой половины предлагаемого гидравлического якоря в транспортном (фиг. 1) и в рабочем (фиг. 2) положениях: 1 - полый шток якоря; 2 - присоединительная муфта под НКТ; 3 - ниппель; 4 - конусная втулка; 5 - наклонный паз типа «ласточкин хвост»; 6 - плашка; 7 - горизонтальный паз типа «ласточкин хвост»; 8 - опорная втулка; 9 - упорное разрезное кольцо; 10 - винтовая упорная резьба на внешней поверхности полого штока; 11 - цанга; 12 - ответные внутренняя и внешняя винтовые упорные резьбы на цанге; 13 - винтовая упорная резьба на внутренней поверхности конусной втулки; 14 - направляющий паз для цанги типа «ласточкин хвост»; 15 - поршень-толкатель; 16 - цилиндровая полость; 17 - радиальное отверстие в полом штоке; 18 - резиновые уплотнения; 19 - колонна НКТ.
Предлагаемый гидравлический якорь состоит из несущего полого штока 1 с присоединительной к НКТ муфтой 2 и ниппелем 3 для стыковки с ШГН или другим оборудованием, конусной втулки 4, наклонная поверхность которой подвижно сочленена с плашкой 6 с помощью паза типа «ласточкин хвост» 5, верхний торец плашки 6 также подвижно сочленен с горизонтальным пазом типа «ласточкин хвост» 7 с ответным пазом на опорной муфте 8, которая удерживается упорным разрезным кольцом 9. Полый шток 1 выполнен с выступающей винтовой упорной резьбой 10, которой зацепляется с цангой 11 ответной винтовой упорной резьбой 12 и винтовой резьбой на внутренней поверхности конусной втулки 4. Внутри конусная втулка 4 выполнена с направляющим пазом 14 типа «ласточкин хвост», в котором лепестки цанги 11 имеют возможность радиально и упруго расширяться и выходить из зацепления своей внутренней упорной резьбой 12 из упорной резьбы 10 полого штока, входя при этом внешней упорной резьбой 12 цанги в упорную резьбу 13, нарезанную на внутренней поверхности конической втулки 4. Проскальзывая при заякоривании на необходимое количество упорных зубьев 10 при перемещении конусной втулки 4 вверх поршнем-толкателем 15, цанга 11 под действием своей упругости сжимается и садится в новые зубья новых винтов. Поршень-толкатель 15 перемещается в цилиндровой полости 16, гидравлически связанной с внутренней полостью якоря радиальным отверстием 17 в полом штоке 1. Поршень-толкатель 15 и продолжение конусной втулки 4 загерметизированы уплотнениями 18.
Самоудерживающийся гидравлический якорь работает следующим образом.
г
Гидравлический якорь (фиг. 1 и фиг. 2) спускается в обсаженную скважину 19 на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) в компоновке со штанговым глубинным насосом (ШГН) или другим оборудованием внизу (не показан на фиг. 1 и 2) на заданную глубину. Затем спускается колонна штанг к вставному ШГН. После чего в НКТ подается высокое гидравлическое давление Р (фиг. 1), попадающее через радиальное отверстие 17 в полом штоке 1 в цилиндровую полость 16, которое давит на поршень-толкатель 15, упирающийся в цангу 11 и конусную втулку 4. Цанга 11, радиально расширяясь в направляющих пазах 12 типа «ласточкин хвост» под действием поршня-толкателя 15, проскальзывает вверх внешней винтовой резьбой 12 по винтовой упорной резьбе 10 на полом штоке и зацепляется за новые зубья новых винтов, расположенных выше на внешней поверхности полого штока 1. Одновременно перемещается вверх конусная втулка 4 и своей конусной поверхностью с помощью подвижного сочленения типа «ласточкин хвост» 5 выдвигает плашки 6 по горизонтальному направляющему пазу 7 также типа «ласточкин хвост» на опорной муфте 8, удерживаемой разрезным упорным кольцом 9. Выдвижение плашек 6 осуществляется до полного зацепления с обсадной колонной 19. Таким образом, производится посадка якоря (фиг. 2) на обсадную колонну.
ШГН
Далее запускается штанговый глубинный насос, который создает через радиальное отверстие 17 необходимое гидравлическое давление Р в цилиндровой полости 16 (фиг. 2). Площадь кольцевого поршня-толкателя 15 выбрана достаточной для создания необходимого усилия, требуемого для плавного подтягивания по винтовой упорной резьбе 10 цанги 11 с целью поддержания плашки 6 с помощью конусной втулки 4 всегда в надежном зацеплении ее с обсадной колонной 19. Необходимость в этом возникает при длительной работе подвешенного на НКТ ШГН и удержании его в зафиксированном интервале, т.е. при работе в постоянно натянутых НКТ, в процессе которой постоянно накапливается недопустимое осевое смещение плашки 6 якоря относительно обсадной колонны 19 за счет осевого момента, возникающего из-за разного удлинения-укорочения колонны штанг и НКТ при работе насоса. Таким образом осуществляется работа самоудерживающегося якоря на фиксированной глубине скважины.
Для вывода якоря из зацепления при необходимости приведения его в транспортное положение (фиг. 1) с целью подъема остановленного ШГН для его профилактики или ремонта достаточно повернуть колонну НКТ вместе с полым штоком 1 против часовой стрелки на 4-5 оборотов. При этом цанга 11 с поршнем-толкателем 15 перемещается по винтовой упорной резьбе 10 вниз, одновременно увлекая конусную втулку 4, которая втягивает плашку 6 в транспортное положение с помощью зацепления типа «ласточкин хвост» 5 и перемещает ее по горизонтальному пазу типа «ласточкин хвост» 7 в опорной муфте 8.
Технический эффект: надежная самоудерживающаяся фиксация якоря на обсадной колонне и удержание штангового глубинного насоса и другого оборудования на заданной глубине во время длительной эксплуатации скважины.