МЕХАНИЧЕСКИЙ ПАКЕР
MECHANICAL PACKER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Известен пакер, 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 (патент РФ №2209927, МПК Е21В 33/12, опубл. 10.08.2003 г.).
Наиболее близким к предложенному является механический пакер, состоящий из ствола с фигурным пазом на наружной поверхности с продольными короткими и длинными участками. Со стволом жестко связана опора. Под ней расположены уплотнительный элемент и конус с равномерно расположенными по его окружности наклонными плоскими гранями. Конус установлен с возможностью осевого перемещения относительно ствола, зафиксирован относительно ствола в радиальном направлении шпонкой. Под конусом с возможностью осевого перемещения относительно ствола установлена обойма, в которой равномерно по ее окружности размещены зубчатые шлипсы, поджатые пружинами к стволу, внутренние поверхности которых выполнены в виде наклонных плоских граней. В обойме установлен направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе ствола. Наклонные плоские грани зубчатых шлипсов параллельны наклонным плоским граням конуса при их контакте. В нижней части обоймы установлено кольцо. Оно выполнено с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связано с обоймой в осевом направлении (патент РФ №2232869, МПК Е21В 33/12, опубл. 20.07.2004 г.).
Недостатком известных устройств является низкая надежность в работе ввиду того, что шлипсы недостаточно защищены от контакта со стенками эксплуатационной колонны наклонной или горизонтальной скважины при движении пакера по ней, что приводит к их преждевременному износу, поломке пружин, поджимающих центраторы, приводит к недостаточному контакту центраторов с эксплуатационной колонной, что может привести к невозможности установки пакера, также два противоположных направляющих штифта могут заклинивать в фигурных пазах, при их неточном изготовлении. Кроме того, известные конструкции пакеров технологически сложны и трудоемки в изготовлении.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности работы пакера в процессе его установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах.
Положительный эффект от применения пакера в скважинах заключается в сокращении количества аварий, увеличении его срока службы, в росте межремонтного периода скважин и соответственно увеличении добычи флюида.
Технический результат достигается за счет исключения контактов шлипсов со стенкой эксплуатационной колонны, исключения аварийных ситуаций из-за поломки пружин центраторов и заклинивания фиксаторов, а так же снижения трудоемкости изготовления пакера и соответственно его цены при сохранении высоких эксплуатационных качеств и надежности.
Поставленая задача решается механическим пакером, содержащим 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 в отличие от прототипа 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.
Согласно изобретению ствол механического пакера может быть выполнен из двух частей - верхней и нижней, соединенных посредством резьбового соединения, причем нижний ствол по наружному диаметру больше верхнего и в месте соединения образует бурт, ограничивающий перемещение конуса вниз по стволу.
Согласно изобретению каждый центратор пакера может содержать три пружины.
Согласно изобретению опора может быть образована прикрепленной к верхней части ствола муфтой и связанной с ней резьбовым соединением гайкой.
Согласно изобретению уплотнительный элемент пакера может быть образован тремя уплотнительными манжетами.
Согласно изобретению обойма пакера может иметь в своей нижней части кольцевую наружную канавку с возможностью взаимодействия с кольцевым внутренним буртом разрезного кольца.
Цель изобретения достигается благодаря следующему.
Шлипсы помещены в кожух, исключающий соприкосновение шлипсов со стенками эксплуатационной колонны при движении пакера по скважине.
Каждый центратор имеет три пружины, жесткость каждой из которых ниже, чем жесткость пружин у прототипов. Это позволяет расширить диапазон применения пакера в эксплуатационных колоннах с разной толщиной стенки, снижая вероятность поломки пружин и обеспечивая необходимое усилие прижатия центраторов к эксплуатационной колонне.
Нижняя крышка, ограничивающая радиальное перемещение центраторов изготовлена отдельно от разрезного кольца. Такая конструкция позволяет не допустить заклинивание, исключающее вращение разрезного кольца с фиксатором относительно центраторов при попадании в зазор между центраторами и разъемным кольцом шлама.
Фигурный паз на поверхности нижнего ствола имеет минимальную площадь, необходимую для обеспечения надежной работы пакера. Сечение ствола позволяет выдерживать повышенные нагрузки при осложнениях со срывом пакера. Паз расположен на стволе с равномерным расположением двух длинных (рабочих) вертикальных участков и двух коротких (транспортных) вертикальных участков, которые соединены между собой двумя наклонными участками, расположенными под острым углом к вертикали, и очень короткими вертикальными (переходными) участками.
Для еще большего усиления нижнего ствола применяется замкнутый фигурный паз, который состоит из длинного вертикального участка (рабочее положение) и короткого вертикального участка (транспортное положение). В нижней части вертикальные участки соединены выборкой, имеющей треугольную форму. Вершина треугольной выборки располагается на коротком вертикальном участке, и сторона, прилегающая к вершине, располагается вертикально, являясь продолжением наружного контура короткого вертикального участка. Сторона, прилегающая к вершине треугольной выборки с другой стороны, образует с коротким вертикальным участком острый угол, а с длинным - тупой. Основание треугольной выборки образует с длинным вертикальным участком острый угол, а с коротким - тупой. Верхнюю часть короткого вертикального участка завершает наклонный участок, расположенный к короткому вертикальному участку под острым углом. Верхняя часть наклонного участка располагается между коротким и длинным вертикальными участками и выполнена в виде треугольного уступа, одна сторона которого располагается вертикально, а вторая образует с длинным вертикальным участком острый угол. Между длинным и коротким вертикальными участками располагается выступ, выполненный в виде параллелограмма. Наружные вертикальные стороны выступа являются внутренними вертикальными сторонами короткого и длинного вертикальных участков. Верхняя сторона выступа примыкает к короткому вертикальному участку, образуя острый угол внутри параллелограмма. Нижняя сторона выступа является основанием треугольной выборки и образует с коротким вертикальным участком тупой угол внутри параллелограмма.
Сущность изобретения и достижение указанного технического результата поясняются чертежами, где на фиг.1 изображен пакер механический в сборе; на фиг.2 - развертка кругового фигурного паза; на фиг.3 - развертка замкнутого паза.
Пакер механический состоит из нижнего 1 и верхнего 2 стволов, соединенных посредством резьбового соединения, нижний 1 ствол по наружному диаметру больше верхнего 2 и в месте соединения образует бурт. Сверху к верхнему стволу 2 посредством резьбового соединения прикреплена муфта 3, к которой посредством резьбового соединения присоединена гайка 4. Вместе с муфтой 3 они образуют опору для манжет уплотнительных 5, которые располагаются на верхнем стволе ниже гайки 4. Ниже манжет уплотнительных 5 располагается конус 6. Перемещение конуса по верхнему стволу ограничено вниз - буртом нижнего ствола, вверх - манжетами уплотнительными 5. На нижний ствол 1 надет якорный узел, основу которого составляет обойма 7. Сверху на обойму 7 посредством резьбового соединения прикреплен кожух 8. В кожухе равномерно располагаются шлипсы 9, прижатые к нижнему стволу пружинами 10, при таком положении исключается возможность соприкосновения шлипсов 9 со стенками эксплуатационной колонны при любом ее расположении. В средней части обоймы 7 равномерно выполнены продольные пазы, в которых располагаются центраторы 11, которые пружинами 12 прижимаются к стенкам эксплуатационной колонны. Центраторы 11 удерживаются в корпусе крышками: верхней 13 и нижней 14. В нижней части корпуса устанавливается кольцо разрезное 15, которое взаимодействует с кольцевой наружной канавкой корпуса кольцевым внутренним буртом. Такое соединение позволяет кольцу разрезному 15 вращаться относительно обоймы 7, имея возможность продольного перемещения только совместно с ней. На кольце разрезном 15 посредством резьбового соединения установлен направляющий штифт 16, внутренний конец которого постоянно находится в фигурном пазу, образуя таким образом командный аппарат якорного узла. Такая конструкция позволяет посредством осевых перемещений стволов 1 и 2 обеспечивать якорному узлу транспортное или рабочее положение.
При применении замкнутого фигурного паза (фиг.3) пакер отличается от описанного конфигурацией фигурного паза.
Механический пакер работает следующим образом.
1. Использование кругового фигурного паза (фиг.2).
Перед спуском в скважину пакер находится в вертикальном положении (фиг.1), направляющий штифт 16 в фигурном пазу необходимо установить в точку А. Такое положение фиксатора в фигурном пазу обусловлено весом деталей якорного узла и необходимостью при спуске пакера обеспечить транспортное положение якорного узла. Спуск пакера в скважину осуществляется при помощи насосно-компрессорных труб (НКТ). При входе пакера в устье скважины центраторы 11 взаимодействуют со стенками эксплуатационной колонны и не дают возможности якорному узлу двигаться вниз до тех пор, пока совместное усилие пружин 12 не будет преодолено силой веса спускаемой колонны. Таким образом, якорный узел остановится при входе в эксплуатационную колонну скважины, а ствол 1 будет продолжать движение вниз. Направляющий штифт 16 будет передвигаться по очень короткому вертикальному участку I (фиг.2), далее по наклонному участку II и короткому вертикальному участку III до тех пор пока не попадет в точку Б. В этой точке перемещение ствола 1 относительно якорного узла прекратится, и они начнут совместное перемещение вниз. Одновременно пружины 12 сожмутся, обеспечивая постоянный контакт центраторов 11 со стенками эксплуатационной колонны скважины. Такое положение деталей пакера будет сохраняться до установки спускаемой НКТ на клиновую подвеску устья скважины. После установки следующей спускаемой НКТ на предыдущую, колонну НКТ следует приподнять для снятия с клиновой подвески. При подъеме колонны НКТ происходит следующее: якорный узел, удерживаемый на стенках эксплуатационной колонны прижатыми к ней центраторами 11, будет оставаться на месте. Ствол 1 начнет перемещение вверх относительно стоящего на месте якорного узла. Одновременно направляющий штифт 16 будет двигаться вниз по короткому вертикальному участку III. Для обеспечения транспортного положения якорного узла такое перемещение можно продолжать только до точки В, при достижении которой следует начать спуск колонны НКТ. Перемещение колонны НКТ вверх при снятии ее с клиновой подвески составляет 100-200 мм. Спуск приведет к перемещению вниз ствола 1 относительно якорного узла. Такое перемещение будет продолжаться до тех пор, пока направляющий штифт 16 не достигнет точки Б. После этого ствол 1 и якорный узел начнут совместное перемещение вниз до установки очередной спускаемой НКТ на клиновую подвеску. Таким образом при перемещении пакера вниз направляющий штифт 16 будет перемещаться в коротком вертикальном участке III от точки Б до точки В, обеспечивая транспортное положение якорного узла. После достижения пакером планируемого интервала установки следует перевести якорный узел из транспортного положения в рабочее посредством следующих манипуляций: поднять колонну НКТ на высоту, равную или немного превышающую Нm (фиг.2). Одновременно с этим направляющий штифт 16 будет перемещаться по короткому вертикальному участку III, наклонному участку IV до достижения точки Г. После этого следует опустить колонну НКТ до установки (посадки) пакера. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться из точки Г по очень короткому вертикальному участку V, по наклонному участку VI и по длинному вертикальному участку VII, стремясь достигнуть точки Д. Детали пакера будут изменять свое положение следующим образом: стволы 1 и 2 будут перемещаться вниз относительно стоящего на месте якорного узла. Шлипсы 9, двигаясь по конусу 6, будут расходиться радиально и, сжимая пружины 10, приближаться к стенке эксплуатационной колонны скважины до врезания в нее. Одновременно якорное устройство и конус 6 остановятся и зафиксируются на стенке эксплуатационной колонны скважины. Муфта 3, гайка 4, ствол 2 продолжат движение вниз относительно остановившихся конуса и якорного узла, сжимая манжеты уплотнительные 5 до соприкосновения их со стенкой эксплуатационной колонны скважины. Это перемещение будет продолжаться до тех пор пока вес спускаемой колонны НКТ не сравняется с суммарными реактивными усилиями сил трения во всех сопряжениях и сил упругости манжет уплотнительных 5. После сжатия манжет уплотнительных внутреннее пространство эксплуатационной колонны скважины будет герметично разобщено на подпакерное и надпакерное.
Для демонтажа пакера необходимо выполнить подъем спускаемой колонны НКТ. При этом будут происходить следующие перемещения деталей пакера: стволы 1 и 2, муфта 3, гайка 4 будут перемещаться вверх, манжеты уплотнительные 5 приходят в свое первоначальное положение. Это перемещение будет происходить до соприкосновения конуса с буртом нижнего ствола 1. После этого под действием пружин 10 шлипсы выйдут из соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны скважины и прижмутся к нижнему стволу 1. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться по длинному вертикальному участку фигурного паза VII, наклонному участку VIII до точки А'. После этого перемещение стволов 1 и 2 относительно якорного узла прекратится и начнется их совместное перемещение вверх до установки колонны НКТ на клиновую подвеску, которая сопровождается перемещением колонны НКТ вниз. Одновременно якорный узел фиксируется на эксплуатационной колонне при помощи центраторов 11, а стволы 1 и 2 перемещаются вниз. Одновременно направляющий штифт 16 из точки А' по очень короткому вертикальному участку I', наклонному участку II' переходит в короткий вертикальный участок III' и при дальнейшем подъеме колонны НКТ передвигается в нем от точки А' до точки В', обеспечивая транспортное положение якорного узла при перемещении пакера из скважины.
2. Использование замкнутого фигурного паза (фиг.3).
Перед спуском в скважину пакер находится в вертикальном положении (фиг.1), направляющий штифт 16 в фигурном пазу (фиг.3) устанавливается в точку А. Такое положение направляющего штифта в фигурном пазу обусловлено весом деталей якорного узла. Спуск пакера в скважину осуществляется при помощи насосно-компрессорных труб (НКТ). При входе пакера в устье скважины центраторы 11 взаимодействуют со стенками эксплуатационной колонны и не дают возможности якорному узлу перемещаться вниз до тех пор, пока совместное усилие пружин 12 не будет преодолено силой веса спускаемой колонны. Таким образом, якорный узел остановится при входе в эксплуатационную колонну скважины, а ствол 1 будет продолжать перемещение вниз. Одновременно направляющий штифт 16 будет передвигаться по короткому вертикальному участку I, далее по наклонному участку II до тех пор, пока не попадет в точку Б. В этой точке перемещение ствола 1 относительно якорного узла прекратится, и они начнут совместное перемещение вниз. При этом пружины 12 сожмутся, обеспечивая постоянный контакт центраторов 11 со стенками эксплуатационной колонны скважины. Такое положение деталей пакера будет сохраняться до установки спускаемой НКТ на клиновую подвеску. После установки следующей спускаемой НКТ на предыдущую колонну НКТ следует приподнять для снятия с клиновой подвески на высоту, равную или немного превышающую Нm (фиг.3), что обеспечит транспортное положение якорного узла. При подъеме колонны НКТ происходит следующее: якорный узел, удерживаемый на стенках эксплуатационной колонны прижатыми к ней центраторами 11, будет оставаться на месте. Ствол 1 начнет перемещение вверх относительно стоящего на месте якорного узла. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться относительно ствола 1 вниз до соприкосновения с выступом III в точке В, после чего направляющий штифт 16 будет перемещаться наклонно по верхней стороне выступа III, по длинному вертикальному участку IV, стороне нижней выборки, образующей с длинным пазом тупой угол до точки А. При последующем спуске колонны НКТ произойдет перемещение ствола 1 вниз относительно якорного узла. Такое перемещение будет продолжаться до тех пор, пока направляющий штифт 16 не достигнет точки Б. После этого ствол 1 и якорный узел начнут совместное перемещение вниз до установки очередной спускаемой НКТ на клиновую подвеску. Таким образом, при перемещении пакера вниз направляющий штифт 16 будет передвигаться в замкнутом контуре от точки Б по верхней стороне выступа, длинному вертикальному участку до точки А, далее по короткому вертикальному и наклонному участкам до точки Б, обеспечивая транспортное положение якорного узла. После достижения пакером планируемого интервала установки следует перевести нижний якорный узел из транспортного положения в рабочее посредством следующих манипуляций: поднять колонну НКТ на высоту, не превышающую Нр (фиг.3). Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться из точки Б вниз до соприкосновения с выступом III, по верней стороне выступа III до длинного вертикального участка, по длинному вертикальному участку не ниже точки Г. Переключение из транспортного положения в рабочее может производиться от точки Е до точки Г. При расположении направляющего штифта между точками Е и Г следует опустить колонну НКТ до установки (посадки) пакера. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться вверх по длинному вертикальному участку IV, стремясь достигнуть точки Д. Детали пакера будут изменять свое положение следующим образом: стволы 1 и 2 будут перемещаться вниз относительно стоящего на месте якорного узла. Шлипсы 9, двигаясь по конусу 6, будут расходиться радиально и, сжимая пружины 10, приближаться к стенке эксплуатационной колонны скважины до врезания в нее. Одновременно якорное устройство и конус 6 остановятся и зафиксируются на стенке эксплуатационной колонны скважины. Муфта 3, гайка 4, ствол 2, манжеты продолжат перемещение вниз относительно остановившихся конуса и якорного узла, сжимая манжеты уплотнительные 5 до соприкосновения их со стенкой эксплуатационной колонны скважины. Это перемещение будет продолжаться до тех пор, пока вес спускаемой колонны НКТ не сравняется с суммарными реактивными усилиями сил трения во всех сопряжениях и сил упругости манжет уплотнительных 5. После сжатия манжет уплотнительных 5 внутреннее пространство эксплуатационной колонны скважины будет герметично разобщено на подпакерное и надпакерное.
Для демонтажа пакера необходимо выполнить подъем спускаемой колонны НКТ. Одновременно будут происходить следующие перемещения деталей пакера: стволы 1 и 2, муфта 3, гайка 4 будут перемещаться вверх, манжеты уплотнительные 5 будут приходить в свое первоначальное положение. Это перемещение будет происходить до соприкосновения конуса с буртом нижнего ствола 1. После этого под действием пружин 10 освобожденные конусом 6 шлипсы 9 выйдут из соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны скважины и прижмутся к нижнему стволу 1. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться по длинному вертикальному участку IV наклонной части нижней выборки до точки А. После этого перемещение стволов 1 и 2 относительно якорного узла прекратится и начнется их совместное перемещение вверх до установки колонны НКТ на клиновую подвеску, которое сопровождается движением колонны НКТ вниз. Одновременно якорный узел фиксируется на эксплуатационной колонне при помощи центраторов 11, а стволы 1 и 2 перемещаются вниз. Одновременно направляющий штифт 16 будет перемещаться из точки А по короткому вертикальному участку I, наклонному участку II до точки Б, обеспечивая транспортное положение якорного узла при перемещении пакера из скважины.
Предложенная конструкция пакера обеспечивает исключение контактов шлипсов со стенкой эксплуатационной колонны, исключение аварийных ситуаций из-за поломки пружин центраторов и заклинивания направляющих штифтов.
Таким образом, изобретение позволяет повысить надежность и эффективность работы пакера в процессе его установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах.