ПОСАДОЧНЫЙ УЗЕЛ ПАКЕРА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к конструкции пакера, и может быть использована в процессе освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, в частности, для гидравлического разрыва пласта, при проведении технологических операций по изоляции зон поглощения в процессе проводки скважин, при цементировании под давлением, при проведении тампонажных работ, испытании пласта, а также для герметичного разобщения обсадной колонны.
Известен механический пакер (а.с. СССР N1686128, МКИ: Е21В 33/12), содержащий ствол с кольцевым фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью радиально-осевого перемещения обойму с выступом на внутренней поверхности, размещенным в кольцевом фигурном пазу ствола, и установленные в обойме равномерно по ее окружности шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении. При этом пакер снабжен установленными на конусе кулачками, равномерно расположенными по окружности в продольных плоскостях коротких участков фигурного паза на расстоянии друг от друга не менее ширины шлипса, а внутренние поверхности кулачков выполнены наклонными к продольной оси ствола с вершиной угла наклона поверхности конуса к продольной оси ствола, при этом наружные поверхности шлипсов в верхней части выполнены ответными наклонным поверхностям кулачков для взаимодействия с последними в транспортном положении шлипсов.
Известен также механический пакер (патент РФ на изобретение №2383714, МПК: Е21В 33/12), включающий в себя шток с прямолинейным продольным пазом, установленные на штоке узел герметизации, якорный узел и конус, расположенный между ними и имеющий возможность передвижения вдоль штока, а также установленную с возможностью вращения и зафиксированную от продольного перемещения относительно штока втулку с системой фигурных пазов, имеющую два ряда равномерно расположенных по окружности участков пазов. При этом первый ряд пазов состоит из длинных участков, направленных вдоль штока, и чередующихся с ними коротких участков несимметричной U-образной формы, а второй ряд состоит из коротких участков несимметричной U-образной формы, смещенных по окружности на полшага относительно участков первого ряда. В обоих рядах выполнено по одному короткому участку симметричной U-образной формы, которые расположены друг против друга. Узел герметизации содержит выполненный из упругого материала уплотнительный элемент, облегающий шток с боковых сторон, и расположенный на штоке упор уплотнительного элемента. Якорный узел содержит установленную на штоке с возможностью продольного перемещения и имеющую цилиндрическую форму обойму с закрепленными в ней тремя штифтами, один из которых входит в прямолинейный продольный паз штока, а два других штифта расположены на одной образующей внутренней поверхности обоймы, причем один штифт из последних двух штифтов может входить в участки первого ряда пазов втулки, а другой штифт может входить в участки второго ряда пазов втулки. На стороне обоймы, обращенной к узлу герметизации, установлены подпружиненные шлипсы, удерживаемые ограничительным кольцом, которое закреплено на обойме. Каждый шлипс представляет собой расположенный вдоль штока двуплечий рычаг, один конец которого, обращенный к конусу, с внутренней стороны имеет скошенную поверхность, предназначенную для контакта с конусом, а с наружной стороны снабжен зубьями, предназначенными для якорения. Противоположный ему конец соединен с обоймой так, что шлипс имеет возможность радиального отклонения от обоймы. С наружной стороны шлипс имеет направляющий участок, предназначенный для контакта с обсадной трубой.
Известен механический пакер (патент РФ на полезную модель №85544, МПК: Е21В 33/12), содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, опору жестко связанную со стволом, под опорой расположены нажимной уплотнительный элемент и конус, который установлен с возможностью осевого перемещения относительно ствола. На стволе расположена с возможностью осевого перемещения обойма с размещенными по ее окружности шлипсами, подпружиненными относительно обоймы в радиальном направлении, удерживаемыми ограничителем и выполненные в виде двуплечих рычагов. В обойме установлено кольцо с возможностью радиального вращения относительно обоймы и жестко связанное с ней в осевом направлении. На внутренней поверхности кольца жестко посажены направляющие штифты. Пакер дополнительно снабжен упорной втулкой, установленной в выемке, выполненной в нижней торцевой части обоймы, а кольцо состоит из двух полуколец и размещено в обойме с зазором в осевом и радиальном направлениях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является пакер (Патент РФ на полезную модель №25757, МПК: Е21В 33/12), содержащий установленные на стволе посадочный узел, конус, уплотнительные манжеты, муфту с обоймой. При этом ствол пакера в зоне размещения посадочного узла выполнен с криволинейным фигурный пазом, имеющим длинную и короткую части. Посадочный узел содержит корпус, с закрепленными в нем плашками (шлипсами), штифтом, который входит в фигурный паз, подпружиненным центратором (фрикционными башмаками), на внешней поверхности которого выполнены винтовые насечки. Перед спуском в скважину штифт устанавливают в короткой части паза. В процессе спуска пакера в скважину штифт, находясь в короткой части криволинейного паза, удерживает корпус в транспортном положении. При достижении заданной глубины пакерования производят подъем инструмента. Поворотом инструмента по часовой стрелке, корпус поворачивают на 90º, при этом штифт входит в длинную часть паза, а винтовые насечки, выполненные на внешней поверхности центратора, сдерживают корпус пакера от проскальзывания по обсадной колонне. После этого производят разгрузку инструмента на пакер. Нагрузка от веса инструмента через муфту и обойму передается манжетам и конусу, который расклинивает плашки. Манжеты деформируются и уплотняют межтрубное пространство скважины. Для перевода пакера в исходное положение инструмент приподнимают, при этом штифт автоматически (без вращения инструмента влево) переходит из длинной части паза в его короткую часть. Одновременно манжеты восстанавливают свою первоначальную форму и конус освобождает плашки, снимая тем самым пакер с места установки.
Перечисленные выше технические решения имеют посадочный узел в виде обоймы (фрикционного блока) включающего в себя корпус с установленными в нем подпружиненными башмаками (плашками или шлипсами), равномерно расположенными по окружности, и расположенный на стволе в зоне фрикционного блока фигурный паз, форма которого определяет траекторию перемещения посадочного узла по стволу пакера, обеспечивающего перевод пакера из транспортного положения в рабочее. Однако известные решения не обеспечивают требуемой надежности работы посадочного узла в процессе эксплуатации из-за возможности посадки пакера при случайных поворотах ствола и возможности самостоятельного, произвольного перехода пакера из транспортного положения в рабочее под действием восходящего потока жидкости, что приводит к заклиниванию пакера в колонне и, соответственно, к аварийной ситуации.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности и безопасности устройства в процессе его эксплуатации.
Технический результат заключается в исключении возможности произвольного перехода посадочного узла (фрикционного блока) пакера из транспортного положения в рабочее (т.е. перемещение по стволу пакера) под действием восходящего потока жидкости, а также в обеспечении возможности надежной автоматической посадки пакера.
Для решения поставленной задачи в посадочном узле пакера, выполненном с возможностью осевого и радиального перемещения по стволу пакера и включающем корпус, в котором установлены шлипсы, подпружиненные башмаки и направляющий штифт, при этом ствол в зоне размещения посадочного узла снабжен фигурным пазом, выполненным с возможностью размещения в нем направляющего штифта и имеющим осевой короткий и осевой длинный участки, соответствующие транспортному и рабочему положениям пакера, соединенные между собой винтовым участком для перевода пакера из транспортного в рабочее положение и обратно, согласно техническому решению, корпус снабжен продольными винтовыми пазами, выполненными со стороны его наружной поверхности, обеспечивающими создание крутящего момента и удерживающими пакер в транспортном положении в процессе эксплуатации при циркуляции через него восходящего потока жидкости, а винтовой участок фигурного паза имеет длину, соответствующую не менее чем одному обороту направляющего штифта. Количество продольных винтовых пазов на корпусе может быть не менее трех, при этом пазы выполнены на равноудаленном расстоянии друг от друга. Винтовой участок фигурного паза имеет длину, соответствующую двум оборотам направляющего штифта.
Таким образом, технический результат достигается за счет конструктивного решения посадочного узла пакера, включающего оригинальную форму паза, расположенного на стволе пакера, обеспечивающего автоматическую установку и снятие пакера переводом направляющего штифта (сегмента) из транспортного положения в рабочее положение путем поворота колонны труб за более чем один оборот (360°). Технический результат достигается также за счет выполнения корпуса посадочного узла пакера с продольными винтовыми пазами, препятствующего силе восходящего потока жидкости в процессе эксплуатации и, соответственно, препятствующего перемещению посадочного узла вверх относительно оси ствола пакера.
Отличием заявляемого решения от наиболее близкого аналога является форма паза на стволе пакера (фигурный паз на стволе пакера выполнен с увеличенным винтовым участком), и выполнение корпуса с продольными винтовыми пазами, который не соприкасается со стенками обсадной колонны, позволяет создавать крутящий момент, удерживающий его в транспортном положении при циркуляции через него жидкости. Тем самым создается условие, при котором корпус посадочного узла «сопротивляется» силе восходящего потока жидкости, стремящейся переместить его вверх по оси ствола пакера. Таким образом, от вращения корпус удерживает не сила трения от соприкосновения с обсадной колонной, а создаваемый крутящий момент потока жидкости при циркуляции через пазы корпуса.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематичное изображение пакера с продольным разрезом и обозначением входящих в него основных конструктивных элементов, на фиг.2 - общий вид пакера, на фиг.3 - общий вид фигурного паза на стволе пакера, на фиг.4 - развертка фигурного паза, на фиг.5 - схематическое изображение посадочного узла пакера, на фиг.6 - общий вид посадочного узла пакера, на фиг.7.-9 - общий вид, продольный и поперечный разрезы корпуса посадочного узла пакера, соответственно, на фиг.10-11 - вид сбоку и общий вид штифта посадочного узла пакера.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - ствол пакера,
2 - посадочный конус,
3 - оправка манжет,
4 - кольцо калибровочное,
5 - жесткое уплотнение,
6 - мягкое уплотнение,
7 - проставочное кольцо,
8 - нажимное кольцо,
9 - верхний переводник,
10 - посадочный узел,
11 - шлипсы,
12 - конические пружины,
13 - корпус посадочного узла,
14 - фрикционные башмаки,
15 - пружины посадочного узла (фрикционного блока),
16 - направляющий шрифт (сегмент);
17 - фигурный (винтовой) паз,
18 - продольные винтовые пазы,
19 - осевой короткий участок фигурного паза (транспортное положение),
20 - винтовой участок фигурного паза,
21 - осевой длинный участок фигурного паза (рабочее положение),
22 - рабочее положение направляющего штифта (сегмента),
23 - промежуточное положение направляющего штифта (сегмента) на винтовом участке фигурного паза,
24 - транспортное положение направляющего штифта (сегмента),
25 - промежуточное положение направляющего штифта (сегмента) при переходах между осевым коротким и винтовым участками фигурного паза,
26 - промежуточное положение направляющего штифта (сегмента) при переходах между осевым длинным и винтовым участками фигурного паза.
Пакер состоит из ствола 1, на котором установлен с возможностью осевого перемещения посад очный конус 2. В конус вставлена оправка манжет 3. На оправке размещены кольцо калибровочное 4, навинченное на конус, два жестких уплотнения 5, проставочные кольца 7 и мягкое уплотнение 6. Сверху на оправку манжет 3 навинчено нажимное кольцо 8. Сверху на ствол навинчен верхний переводник 9. В нижней части пакера расположен посадочный узел 10, в котором равномерно по окружности установлены шлипсы 11, поджатые коническими пружинами 12 (см. фиг.1).
Посадочный узел пакера 10 представляет собой фрикционный блок с возможностью осевого перемещения относительно ствола. Фрикционный блок состоит из корпуса 13, в котором установлены подпружиненные (посредством пружин 15) башмаки 14, равномерно расположенные по окружности, и удерживаемые прижимами. В корпусе 13 жестко смонтирован направляющий штифт (сегмент) 16 (см. фиг.1). В корпусе 13 посадочного узла пакера выполнены продольные винтовые пазы 18, которые создают крутящий момент, удерживающий пакер в транспортном положении при циркуляции через него восходящего потока жидкости (см. фиг.6). В нижней части ствола выполнен фигурный паз 17 (см. фиг.3), при этом направляющий штифт 16 входит в зацепление с фигурным пазом 17.
Фигурный паз 17 состоит из осевого короткого участка 19, винтового участка 20, осевого длинного участка 21 (см. фиг.4). Длина винтового участка 20 зависит от диаметра ствола пакера и должна обеспечивать направляющему штифту делать не менее одного полного оборота (360°) по поверхности ствола пакера. Размещенный в фигурном пазе направляющий штифт при вращении колонны труб располагается то в осевом коротком участке паза 19 - транспортное положение, то в осевом длинном участке 21 фигурного паза - рабочее положение. Осевой длинный участок паза имеет длину достаточную для того, чтобы сжать уплотнения 5, 6 и обеспечить заякорение пакера с обсадной колонной.
Форма фигурного паза на стволе пакера определяет траекторию перемещения посадочного узла по стволу пакера и позволяет направляющему штифту свободно переходить из транспортного положения 24 в рабочее положение 22 через промежуточное положение 23, и в обратном порядке снова в транспортное положение.
Устройство работает следующим образом.
При установке пакера в скважину направляющий штифт (сегмент) находится в транспортном положении 24 - в коротком осевом участке фигурного паза (см. фиг.4). После спуска на заданную глубину подъемом труб вверх направляющий штифт переводят (за счет трения фрикционного блока о стенки труб скважины) в промежуточное положение 25, после чего делают, по крайней мере, один оборот труб (на 360°), при этом направляющий штифт автоматически переходит через промежуточные положения 23 и 26 в рабочее положение 22. В результате шлипсы 11 упираются в посадочный конус 2, при этом происходит сжатие уплотнений 5 и 6. Уплотнения надеты на оправку манжет 3 и разделены проставочными кольцами 7. Снизу уплотнения 5 и 6 поджаты кольцом калибровочным 4, а сверху нажимным кольцом 8. При этом происходит посадка пакера.
При снятии пакера ствол 1 приподнимают на 1-1,5 метра, направляющий штифт автоматически переходит из рабочего положения 22 в промежуточное положение 26. Далее после выполнения, по крайней мере, одного оборота труб (на 360º) штифт перемещается по винтовому участку паза, через промежуточные положения 23 и 25, и при дальнейшем подъеме труб переходит в транспортное положение 24. После этого пакер готов к извлечению.
Пример конкретного выполнения.
В соответствии с заявляемой полезной моделью был изготовлен пакер, предназначенный для герметичного разобщения интервалов ствола обсадной колонны. Пакер использовался в комплекте с щелевым перфоратором при производстве работ по комплексной пластической перфорации скважин. Пакер состоял из механического посадочного узла и трехэлементного уплотнительного узла.
Пакер характеризовался следующими конструктивными и технологическими параметрами.
Таблица 1
Наименование параметра
Значение
Наружный диаметр пакера, мм
122
Диаметр уплотнительных манжет, мм
119,1
Наружный диаметр ствола пакера, мм
66
Внутренний диаметр корпуса посадочного узла, мм
68
Диаметр по башмакам, мм
136,7
Проходной диаметр, мм
48
Длина пакера, мм
1635
Верхняя присоединительная резьба, ГОСТ 633-80
НКТ 73
Нижняя присоединительная резьба, ГОСТ 633-80
НКТ В60
Перепад давления, воспринимаемый пакером,МПа
50
Рабочая температура, °С
120*
При этом фигурный паз на стволе пакера был выполнен с осевым коротким участком - 65 мм, осевым длинным участком - 200 мм, винтовым участком - 140 мм, при этом винтовой участок имел длину, соответствующую двум оборотам штифта (7200).
В корпусе посадочного узла пакера было выполнено три продольных винтовых паза, на равноудаленном расстоянии друг от друга по равномерно расположенных по со следующими параметрами:
Ширина паза у основания - 26, 3 мм,
Глубина паза - 4 мм,
Протяженность - 310 мм,
Шаг винтовых пазов - 2000 мм,
Направление пазов - правое.
Изготовленный пакер характеризовался своей высокой надежностью при его эксплуатации. Не было выявлено произвольного перехода посадочного узла (фрикционного блока) пакера из транспортного положения в рабочее (т.е. перемещение по стволу пакера) под действием восходящего потока жидкости, а также была обеспечена высокая надежность посадки пакера.