Пакер-подвеска хвостовика, узел якоря пакера-подвески хвостовика, муфта якоря пакера-подвески хвостовика, якорный элемент пакера-подвески хвостовика
LINER PACKER HANGER, LINER PACKER HANGER ANCHOR ASSEMBLY, LINER PACKER HANGER COUPLING, LINER PACKER HANGER ANCHOR ELEMENT

Изобретение относится к горной промышленности, а именно, к нефтегазовой отрасли, в частности, к области строительства и эксплуатации скважин месторождений углеводородов.
Известно устройство для установки хвостовика обсадной колонны, включающее составной корпус с уплотнительным и якорным узлом, толкателем уплотнительного узла, воронкой, связанной с толкателем, транспортировочную колонну и ствол с выдвижными кулачками, соединенный с транспортировочной колонной (RU 2415254 С1, опубл. 27.03.2011 г.).
Известно устройство для установки хвостовика обсадной колонны в скважине, включающее ступенчатый корпус, транспортировочную колонну для спуска хвостовика, связанную с корпусом, воронку снаружи корпуса, связанную с хвостовиком, грузонесущие упоры, связывающие корпус с воронкой, дифференциальную втулку, связанную с корпусом срезным элементом, по меньшей мере, одним, фиксирующую грузонесущие упоры в их рабочем положении и имеющую возможность осевого перемещения под действием гидравлического давления (RU 2424423 С1, опубл. 20.07.2011 г.).
Известно устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, содержащее полый корпус, размещенные на нем узел якоря, узел пакера, узел разъединения и подвесную пробку. В корпусе выполнено радиальное отверстие, в рабочем положении гидравлически связывающее полость корпуса с полостью поршня узла якоря (RU 2478776 С1, опубл. 10.04.2013 г.).
Существенными недостатками известных устройств для установки хвостовика обсадной колонны в скважине является недостаточная проработанность и нераскрытость конструктивного устройства якорного узла, сложность исполнения и непроявленная степень защиты от преждевременного срабатывания, приводящего к аварийному якорению устройства и сложному ремонту по устранению.
Задача изобретения заключается в упрощении конструкции пакера-подвески и повышении надежности ее работы в процессе установки хвостовика обсадной колонны в скважине.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
Поставленная задача решается тем, что пакер-подвеска хвостовика гидромеханическая цементируемая, согласно изобретению, представляет устройство для установки хвостовика обсадной колонны в скважине и содержит неизвлекаемую часть, включающую нижний переводник с установленной в нем спускаемой подвесной пробкой и соединенный через муфту с корпусом пакера-подвески, на котором последовательно смонтированы узел якоря и узел механического пакера с толкателем и нажимной втулкой, и содержит извлекаемую часть в виде установочного инструмента хвостовика, который включает узел разъединения транспортировочной колонны с пакером-подвеской хвостовика, узел кулачков привода нажимной втулки пакера, верхний переводник в виде патрубка, разъемно дополненного в верхней части муфтой, выполненной в свою очередь с возможностью разъемного присоединения пакера-подвески к транспортировочной колонне, при этом узел якоря содержит установленную на корпусе пакера-подвески муфту, наделенную системой якорных элементов, имеющих каждый зубчатую плашку с державкой, промежуточный подвижный цилиндроконический кольцевой элемент гидравлического привода (гидропривода) якоря и силовое устройство гидропривода якоря, имеющее корпус, выполненный в виде гидроцилиндра, включающий две неподвижные внешнюю и внутреннюю цилиндрические кольцевые концентрические оболочки, и кольцевой поршень с фиксаторами, причем муфта в верхней части обрамлена участками оболочки корпуса последней, образующими венец из продольных лучевых элементов, чередующихся со сквозными продольными пазами, выполненными по числу якорных элементов, и имеющими осевую глубину и дуговую ширину в оболочке муфты, которые соответствуют ответным параметрам державки якорного элемента, обеспечивающим возможность безлюфтового заведения державки в паз венца на осевую глубину паза муфты, при этом осевая глубина паза муфты выполнена менее осевой длины державки якорного элемента на осевую ширину верхней поперечной канавки с внешней стороны державки с возможностью заведения в нее фиксирующего упругого разрезного кольца, причем внешняя поверхность плашки якорного элемента выполнена зубчатой, включающей систему зубьев, вписанных параллельными рядами вершин в охватывающую их в пределах ширины плашки условную цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной оси пакера-подвески, и радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны в высотном осевом диапазоне якорения пакера-подвески, а внутренняя поверхность якорного элемента, обращенная в сторону оси пакера-подвески, выполнена цилиндроконической и включает цилиндрический участок, длиной не менее осевой длины державки якорного элемента и радиусом, обеспечивающими возможность исходного конгруэнтного прижатия к корпусу пакера-подвески, и конический участок с осевой длиной не менее большей части длины плашки и с углом ϕ наклона образующей внутренней конической поверхности плашки, равным ответному углу ϕ наклона образующей кольцевого конического клина цилиндроконического кольцевого элемента привода якорных элементов, выполненного с возможностью конгруэнтного скольжения по внутренней поверхности плашки при срабатывании якорения, а указанные углы ϕ и ϕ приняты удовлетворяющими условию ϕ=ϕ=(0,13÷0,19) [рад].
1п.м
2т.д.
1п.м.
2т.д.
с.э.
с.э.
з.п.
з.п.
2
При этом корпус муфты может быть выполнен длиной не менее полутора диаметров корпуса пакера-подвески и наделен в верхней части кольцевым центрирующим уширением, внешний диаметр которого выполнен минимально превышающим диаметр условной цилиндрической оболочки, охватывающей вершины зубьев плашек якорных элементов в исходном положении до стадии якорения к трубе обсадной колонны, при этом дно паза венца между лучевыми элементами муфты выполнено с пологим скосом под углом α к условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, равным углу α наклона торца державки якорного элемента, конгруентно примыкающего к дну паза, которые определены в диапазоне значений α=α=(0,21÷0,31) [рад], направленном от оси пакера-подвески вниз, а нижняя и верхняя части корпуса муфты выполнены конгруэнтно, в том числе частично на резьбе охватывающими нижняя соответственно верхнюю часть нижнего переводника пакера-подвески, а верхняя - охватывающей нижнюю часть корпуса пакера-подвески с двойной фиксацией по периметру верхней и нижней частей корпуса муфты соответственно двумя группами стопорных элементов, при этом отверстия в корпусе муфты под стопорные элементы каждой группы радиально ориентированы в своей условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, и размещены с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(0,64÷1,59) [ед/рад], кроме того зубья в плашке якорных элементов выполнены с шаговой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=n/b=(1,2÷2,4)×10 [ед/пм], где n - число зубьев в плашке; b - осевая базовая высота плашки [м].
ф
ф
с.в.
с.в..
Поршень гидропривода якоря может быть размещен между внешней и внутренней оболочками корпуса гидропривода, функцию внутренней из которых выполняет корпус пакера-подвески с отверстиями для напорной подачи бурового раствора к поршню, при этом поршень наделен на верхнем конце зубчатым венцом, образованным из лучевых элементов, разделенных пазами с конфигурацией для безлюфтового заведения в них фиксаторов с контактной внутренней поверхностью, исключающей обратное осевое смещение поршня после срабатывания привода якоря, при этом фиксаторы могут быть разнесены по периметру корпуса поршня с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(0,48÷1,11) [ед/рад], причем фиксаторы выполнены в виде фрагментов цилиндрической оболочки, установленной соосно с осью пакера-подвески, снабжены с внутренней контактной стороны спиральной нарезкой зубьев, конгруэнтно прилегающих к внешней поверхности корпуса пакера-подвески на осевом участке в положении до срабатывания якоря, и перемещаемых при срабатывании якоря вдоль оси пакера-подвески в фиксированное положение зацепления с встречно наклоненными зубьями ответной спиральной нарезки на участке поверхности корпуса пакера-подвески, кроме того внешняя оболочка корпуса гидропривода в приконцевой части, контактирующей с ответным торцом цилиндроконического элемента гидропривода якоря пакера-подвески, наделена совокупностью точечных отверстий, через которые пропущены срезные винты с заведением концевиков в ответное открытое кольцевое углубление в поршне гидропривода, а срезные винты выполнены соединяющими с возможностью среза винтов и разъединения внешней оболочки корпуса и поршня гидропривода якоря и разнесены по периметру поперечного сечения корпуса гидропривода с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(1,11÷1,91) [ед/рад].
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
1п.м
2т.д.
1п.м.
2т.д.
Поставленная задача в части узла якоря пакера-подвески хвостовика решается тем, что узел якоря, согласно изобретению, установлен на корпусе пакера-подвески и включает муфту, наделенную системой якорных элементов, имеющих каждый зубчатую плашку с державкой, промежуточный подвижный цилиндроконический кольцевой элемент гидропривода якоря, который содержит выполненные заедино кольцевой клин и цилиндрическую часть, предназначенную для передачи от поршня привода на клин и затем на плашки якорных элементов силового импульса, необходимого и достаточного для якорения пакера-подвески прижатием вершин зубьев плашек к внутренней поверхности стенки трубы обсадной колонны, при этом муфта выполнена цилиндрической, нижняя и верхняя части которой конгруэнтно, в том числе частично на резьбе выполнены охватывающими нижняя соответственно верхнюю часть нижнего переводника пакера-подвески, а верхняя - охватывающей нижнюю часть корпуса пакера-подвески с двойной фиксацией по периметру верхней и нижней частей корпуса муфты соответственно двумя группами стопорных элементов, причем муфта в верхней части обрамлена участками оболочки корпуса последней, образующими венец из продольных лучевых элементов, чередующихся со сквозными продольными пазами, выполненными по числу якорных элементов, и имеющими осевую глубину и дуговую ширину в оболочке муфты, которые соответствуют ответным параметрам державки якорного элемента, обеспечивающим возможность безлюфтового заведения державки в паз венца на осевую глубину паза муфты, а внутренняя поверхность якорного элемента, обращенная в сторону оси пакера-подвески, выполнена цилиндроконической и включает цилиндрический участок, выполненный с возможностью исходного конгруэнтного прижатия к корпусу пакера-подвески, и конический участок с осевой длиной не менее большей части длины плашки и с углом ϕ наклона образующей внутренней конической поверхности плашки, равным ответному углу ϕ наклона образующей кольцевого конического клина цилиндроконического кольцевого элемента привода якорных элементов, выполненного с возможностью конгруэнтного скольжения по внутренней поверхности плашки при срабатывании якорения, а указанные углы ϕ и ϕ приняты удовлетворяющими условию ϕ=ϕ=(0,13÷0,19) [рад], кроме того дно паза венца между лучевыми элементами муфты выполнено с пологим скосом под углом α к условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, равным углу α наклона торца державки якорного элемента, конгруентно примыкающего к дну паза, которые определены в диапазоне значений α=α=(0,21÷0,31) [рад].
з.п.
з.п.
2
При этом плашка якорного элемента может включать влючает систему зубьев, вписанных параллельными рядами в охватывающую их вершины в пределах ширины плашки условную цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной оси пакера-подвески, и радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны, по меньшей мере, в высотном осевом диапазоне якорения пакера-подвески, при этом зубья плашек выполнены с шаговой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=n/b=(1,2÷2,4)×10 [ед/пм], где n - число зубьев в плашке; b - осевая базовая высота плашки [м].
с.э.
с.э.
п.м
п.м.
1п.м
1п.м.
Поставленная задача в части муфты якоря пакера-подвески хвостовика решается тем, что согласно изобретению муфта выполнена цилиндрической, нижняя и верхняя части которой конгруэнтно, в том числе частично на резьбе выполнены охватывающими нижняя соответственно верхнюю часть нижнего переводника пакера-подвески, а верхняя - охватывающей нижнюю часть корпуса пакера-подвески с двойной фиксацией по периметру верхней и нижней частей корпуса муфты соответственно двумя группами стопорных элементов, при этом отверстия в корпусе муфты под стопорные элементы каждой группы радиально ориентированы в своей условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, и размещены с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(0,64÷1,59) [ед/рад], причем корпус муфты выполнен длиной не менее полутора диаметров корпуса пакера-подвески и наделен в верхней части кольцевым центрирующим уширением, внешний диаметр которого выполнен минимально превышающим диаметр условной цилиндрической оболочки, охватывающей вершины зубьев плашек якорных элементов в исходном положении на величину, необходимую и достаточную для свободного прохождения в трубе обсадной колонны в качестве направляющей с обеспечением выполнения функции равномерного якорения пакера-подвески в указанной трубе, причем муфта в верхней части обрамлена участками оболочки корпуса последней, образующими венец из продольных лучевых элементов, чередующихся со сквозными продольными пазами, выполненными с угловой частотой ξ, определенной в диапазоне значений ξ=(0,64÷1,27) [ед/рад], и имеющими осевую глубину и дуговую ширину в оболочке муфты, которые соответствуют ответным параметрам якорного элемента, обеспечивающим возможность безлюфтового заведения якорного элемента в паз венца на осевую глубину паза муфты, причем лучевые элементы муфты наделены каждый поперечной канавкой, соосно пролонгированной в державках якорных элементов с возможностью совместного заведения в них фиксирующего разрезного упругого кольца, а дно паза венца между лучевыми элементами муфты выполнено с пологим скосом под углом α к условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, определенному в диапазоне значений α=(0,21÷0,31) [рад] и направленном вниз во внешнюю сторону от условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески.
вн.пл.
вн.пл.
вн.пл.
вн.пл.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
2
Поставленная задача в части якорного элемента пакера-подвески хвостовика решается тем, что согласно изобретению якорный элемент состоит из выполненных заедино плашки и державки, и наделен боковыми гранями, выполненными пространственно ориентированными в угловом диапазоне от положения, параллельного плоскости симметрии якорного элемента, проходящей через ось пакера-подвески, до разведения указанных граней на угол ς габаритного створа якорного элемента, и совмещения каждой с условной граничной радиальной плоскостью и величиной угла ς между ними, удовлетворяющей условию ς=L/R=(0,28÷0,39) [рад], где L и R - соответственно дуга окружности и радиус внутренней поверхности державки якорного элемента; при этом в державке якорного элемента с внешней стороны выполнены две поперечные нижняя и верхняя кольцевые канавки, с возможностью установки в каждую из которых фиксирующего разрезного упругого кольца, причем нижняя канавка выполнена во внешней поверхности на промежуточном участке длины державки и пролонгирована в обе стороны с пересечением смежных лучевых элементов венца муфты, а верхняя кольцевая канавка выполнена аналогично и расположена у нижней кромки зубчатой плашки, имеет большую глубину для заведения в нее упругого разрезного кольца, упором в которое ограничены осевой длиной лучевых элементов муфты, осевой глубиной паза венца муфты и заводимой в паз части осевой длины державки, причем внешняя поверхность плашки якорного элемента выполнена зубчатой, включающей систему зубьев, вписанных параллельными рядами в охватывающую их вершины в пределах ширины плашки условную цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной оси пакера-подвески, и радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны, по меньшей мере, в высотном осевом диапазоне якорения пакера-подвески, при этом зубья плашек выполнены с шаговой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=n/b=(1,2÷2,4)×10 [ед/пм], где n - число зубьев в плашке; b - осевая базовая высота плашки [м]; кроме того зубья плашки в сечении условной плоскостью, проходящей через ось пакера-подвески, образуют в вершине угол ψ, определенный в диапазоне ψ=(1,33÷1,88) [рад], а биссектриса угла вершины зуба отклонена вниз по отношению к плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, на угол β, определенный в диапазоне β=(0,45÷0,63) [рад].
2т.д.
2т.д.
При этом державка якорного элемента может быть выполнена с параметрами осевой глубины и дуговой ширины, обеспечивающими возможность безлюфтового заведения в лучевой венец муфты на осевую глубину паза между смежными продольными лучевыми элементами венца, а осевая длина державки якорного элемента выполнена превышающей осевую глубину паза муфты на величину осевой ширины верхней поперечной канавки с внешней стороны державки с возможностью заведения в нее упругого разрезного фиксирующего кольца, кроме того торцевой конец державки выполнен конгруэнтно примыкающим к дну паза муфты с пологим скосом под углом α к условной плоскости, нормальной к оси пакера-подвески, равным α=(0,21÷0,31) [рад] и направленном от оси пакера-подвески вниз.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
Внутренняя поверхность якорного элемента, обращенная в сторону оси пакера-подвески, может быть выполнена цилиндроконической и включает цилиндрический участок, длиной не менее осевой длины державки якорного элемента, и радиусом, обеспечивающем возможность исходного конгруэнтного прижатия к корпусу пакера-подвески, и конический участок с осевой длиной не менее большей части длины плашки и с углом ϕ наклона образующей внутренней конической поверхности плашки, равным ответному углу ϕ наклона образующей кольцевого конического клина цилиндроконического кольцевого элемента привода якорных элементов, выполненного с возможностью конгруэнтного скольжения по внутренней поверхности плашки при срабатывании якорения, а указанные углы ϕ и ϕ приняты удовлетворяющими условию ϕ=ϕ=(0,13÷0,19) [рад].
Технический результат группы изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в разработке конструкции пакера-подвески, обеспечивающей повышение надежности работы устройства в процессе установки хвостовика обсадной колонны в скважине за счет проработки конструктивных решений и геометрических параметров узла якоря пакера-подвески с использованием гидравлического механизма разъединения, чем достигают повышение надежности якорения пакера-подвески хвостовика к обсадной колонне.
Сущность изобретения поясняется чертежами где:
на фиг. 1 изображена пакер-подвеска хвостовика, общий вид;
на фиг. 2 - узел якоря пакера-подвески хвостовика, продольный разрез;
на фиг. 3 - муфта якоря пакера-подвески хвостовика, продольный разрез;
на фиг. 4 - якорный элемент пакера-подвески хвостовика, продольный разрез;
на фиг. 5 - фрагмент А на фиг. 4, продольный разрез;
на фиг. 6 - фрагмент узла гидропривода якоря пакера-подвески, на котором изображен поршень гидропривода якоря с фиксатором, продольный разрез.
Пакер-подвеска хвостовика гидромеханическая цементируемая предназначена для проведения спуска и установки хвостовика в предыдущей обсадной колонны с последующим цементированием, разъединения хвостовика от транспортировочной колонны и дальнейшего герметичного разобщения межколонного пространства в скважине вертикальной, наклонно-направленной или скважине с горизонтальным окончанием.
Пакер-подвеска хвостовика (фиг. 1) содержит неизвлекаемую и извлекаемую части. Неизвлекаемая часть пакера-подвески включает нижний переводник 1 с установленной в нем спускаемой подвесной пробкой 2 и соединенный через муфту 3 с корпусом 4 пакера-подвески. На корпусе 4 пакера-подвески последовательно смонтированы узел 5 якоря и узел 6 механического пакера с толкателем 7 и нажимной втулкой 8. Извлекаемая часть пакера-подвески выполнена виде установочного инструмента хвостовика, который включает узел 9 разъединения транспортировочной колонны с пакером-подвеской хвостовика, узел 10 кулачков привода нажимной втулки 8 пакера, верхний переводник 11 в виде патрубка, разъемно дополненного в верхней части муфтой 12, выполненной в свою очередь с возможностью разъемного присоединения пакера-подвески к транспортировочной колонне.
Узел 5 якоря (фиг. 2) содержит установленную на корпусе 4 пакера-подвески муфту 3, промежуточный подвижный цилиндроконический кольцевой элемент 13 гидравлического привода (гидропривода) якоря и силовое устройство гидропривода якоря, имеющее корпус, выполненный в виде гидроцилиндра, и кольцевой поршень 14 с фиксаторами 15. Корпус гидропривода якоря включает две неподвижные цилиндрические кольцевые концентрические оболочки - внешнюю оболочку 16 и внутреннюю, функцию которой выполняет корпус 4 пакера-подвески. При этом корпус 4 пакера-подвески снабжен отверстиями 17 для напорной подачи бурового раствора к поршню 14. Муфта 3 наделена системой якорных элементов 18, имеющих каждый зубчатую плашку 19 с державкой 20.
Цилиндроконический кольцевой элемент 13 узла 5 якоря пакера-подвески содержит выполненные заедино кольцевой клин 21 и цилиндрическую часть 22, предназначенную для передачи от поршня 14 гидропривода на клин 21 и затем на плашки 19 якорных элементов 18 силового импульса, необходимого и достаточного для якорения пакера-подвески прижатием вершин зубьев 23 плашек 19 к внутренней поверхности стенки трубы обсадной колонны.
с.э.
с.э.
с.э.
с.э.
Корпус муфты 3 (фиг. 3) выполнен цилиндрическим. Нижняя и верхняя части 24 и 25 корпуса муфты 3 конгруэнтно, в том числе частично на резьбе 26 выполнены охватывающими нижняя часть 24 соответственно верхнюю часть нижнего переводника 1 пакера-подвески, а верхняя часть 25 - охватывающей нижнюю часть корпуса 4 пакера-подвески с двойной фиксацией по периметру нижней и верхней частей 24 и 25 корпуса муфты 3 соответственно двумя группами стопорных элементов 27 и 28. Отверстия в корпусе муфты 3 под стопорные элементы 27 и 28 радиально ориентированы каждая в своей условной плоскости, нормальной к оси 29 пакера-подвески, и размещены с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(N/2π)=(0,64÷1,59) [ед/рад], где N - число стопорных элементов в соединении.
п.м.
п.м.
п.м.
п.м.
Муфта 3 в верхней части 24 обрамлена участками оболочки корпуса последней, образующими венец из продольных лучевых элементов 30, чередующихся со сквозными продольными пазами, выполненными с угловой частотой ξ, определенной в диапазоне значений ξ=(N/2π)=(0,64÷1,27) [ед/рад], где N - число пазов муфты. Пазы муфты 3 выполнены по числу якорных элементов 18 и имеют осевую глубину и дуговую ширину в оболочке муфты, которые соответствуют ответным параметрам державки 20 якорного элемента 18, обеспечивающим возможность безлюфтового заведения державки 20 в паз венца на осевую глубину паза муфты. Лучевые элементы 30 муфты 3 наделены каждый поперечной канавкой 31, соосно пролонгированной в державках 20 якорных элементов 18 с возможностью совместного заведения в них фиксирующего разрезного упругого кольца 32.
Корпус муфты 3 выполнен длиной не менее полутора диаметров корпуса 4 пакера-подвески и наделен в верхней части 24 кольцевым центрирующим уширением, внешний диаметр которого выполнен минимально превышающим диаметр условной цилиндрической оболочки, охватывающей вершины зубьев 23 плашек 19 якорных элементов 18 в исходном положении на величину, необходимую и достаточную для свободного прохождения в трубе обсадной колонны в качестве направляющей с обеспечением выполнения функции равномерного якорения пакера-подвески в указанной трубе.
вн.пл.
вн.пл.
вн.пл.
вн.пл.
Якорный элемент 18 пакера-подвески хвостовика (фиг. 4), состоящий из выполненных заедино плашки 19 и державки 20, и наделен боковыми гранями 32, выполненными пространственно ориентированными в угловом диапазоне от положения, параллельного плоскости симметрии якорного элемента, проходящей через ось 29 пакера-подвески, до разведения указанных граней 32 на угол ς габаритного створа якорного элемента, и совмещения каждой с условной граничной радиальной плоскостью и величиной угла ς между ними, удовлетворяющей условию ς=L/R=(0,28÷0,39) [рад], где L и R - соответственно дуга окружности и радиус внутренней поверхности державки 20 якорного элемента 18.
В державке 20 якорного элемента 18 с внешней стороны выполнены две поперечные нижняя и верхняя кольцевые канавки 33 и 34 с возможностью установки в каждую из которых фиксирующего разрезного упругого кольца 35 и 36 соответственно. Нижняя канавка 33 выполнена во внешней поверхности на промежуточном участке длины державки 20 и пролонгирована в обе стороны с пересечением смежных лучевых элементов 30 венца муфты 3. Верхняя канавка державки 20 выполнена аналогично и расположена у нижней кромки зубчатой плашки 19, имеет большую глубину для заведения в нее упругого разрезного кольца 36, упором в которое ограничены осевой длиной лучевых элементов 30 муфты 3, осевой глубиной паза венца муфты и заводимой в паз части осевой длины державки 20. Таким образом, державка 20 якорного элемента 18 выполнена с параметрами осевой глубины и дуговой ширины, обеспечивающими возможность безлюфтового заведения в лучевой венец муфты на осевую глубину паза между смежными продольными лучевыми элементами 30 венца. Осевая глубина паза муфты 3 выполнена менее осевой длины державки 20 якорного элемента 18 на осевую ширину верхней поперечной канавки 34 с внешней стороны державки 20 с возможностью заведения в нее упругого разрезного кольца 36.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
з.п.
2
Внешняя поверхность плашки 19 якорного элемента 18 выполнена зубчатой, включающей систему зубьев 23, вписанных параллельными рядами в охватывающую их вершины в пределах ширины плашки 19 условную цилиндрическую поверхность с образующей, параллельной оси 29 пакера-подвески, и радиусом, равным внутреннему радиусу обсадной колонны, по меньшей мере, в высотном осевом диапазоне якорения пакера-подвески. Зубья 23 плашек 19 выполнены с шаговой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=n/b=(1,2÷2,4)×10 [ед/пм], где n - число зубьев в плашке, b - осевая базовая высота плашки [м]. Зубья 23 плашки 19 якорного элемента 18 (фиг. 5) в сечении условной плоскостью, проходящей через ось 29 пакера-подвески, образуют в вершине угол ψ, определенный в диапазоне ψ=(1,33÷1,88) [рад]. Биссектриса угла вершины зуба 23 отклонена вниз по отношению к плоскости, нормальной к оси 29 пакера-подвески, на угол β, определенный в диапазоне β=(0,45÷0,63) [рад].
1п.м
2т.д.
1п.м.
2т.д.
Кроме того, дно 37 паза венца между лучевыми элементами 30 муфты 3 выполнено с пологим скосом под углом α к условной плоскости, нормальной к оси 29 пакера-подвески, равным углу α наклона торца 38 державки 20 якорного элемента 19, конгруентно примыкающего к дну паза, которые определены в диапазоне значений α=α=(0,21÷0,31) [рад], направленном от оси 29 пакера-подвески вниз.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
о.пл.
о.к.к.
Внутренняя поверхность якорного элемента 18, обращенная в сторону оси 29 пакера-подвески, выполнена цилиндроконической и включает цилиндрический и конический участки 39 и 40. При этом цилиндрический участок 39 выполнен длиной не менее осевой длины державки 20 якорного элемента и радиусом, обеспечивающем возможность исходного конгруэнтного прижатия к корпусу 4 пакера-подвески. Конический участок 40 выполнен с осевой длиной не менее большей части длины плашки 19 и с углом ϕ наклона образующей внутренней конической поверхности плашки 19, равным ответному углу ϕ наклона образующей кольцевого конического клина 21 цилиндроконического кольцевого элемента 13 гидропривода якорных элементов 19, выполненного с возможностью конгруэнтного скольжения по внутренней поверхности плашки 19 при срабатывании якорения. При этом углы ϕ и ϕ приняты удовлетворяющими условию ϕ=ϕ=(0,13÷0,19) [рад].
ф
ф
ф
ф
Поршень 14 гидропривода якоря (фиг. 6) размещен между внешней оболочкой 16 и внутренней оболочкой корпуса гидропривода, функцию внутренней из которых выполняет корпус 4 пакера-подвески с отверстиями 17 для напорной подачи бурового раствора к поршню. Поршень 14 наделен на верхнем конце зубчатым венцом, образованным из лучевых элементов, разделенных пазами с конфигурацией для безлюфтового заведения в них фиксаторов 15 с контактной внутренней поверхностью, исключающей обратное осевое смещение поршня 14 после срабатывания привода якоря. Фиксаторы 15 разнесены по периметру корпуса поршня 14 с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(N/2π)=(0,48÷1,11) [ед/рад], где N - число фиксаторов.
Фиксаторы 15 (фиг. 6) выполнены в виде фрагментов цилиндрической оболочки, установленной соосно с осью 29 пакера-подвески, снабжены с внутренней контактной стороны спиральной нарезкой зубьев 41, конгруэнтно прилегающих к внешней поверхности корпуса 4 пакера-подвески на осевом участке в положении до срабатывания якоря, и перемещаемых при срабатывании якоря вдоль оси 29 пакера-подвески в фиксированное положение зацепления с встречно наклоненными зубьями 42 ответной спиральной нарезки на участке поверхности корпуса 4 пакера-подвески.
с.в.
с.в..
с.в.
с.в.
Внешняя оболочка 16 корпуса гидропривода в приконцевой части, контактирующей с ответным торцом цилиндрической части 22 цилиндроконического элемента 13 гидропривода якоря пакера-подвески, наделена совокупностью точечных отверстий 43. Через отверстия 43 пропущены срезные винты с заведением концевиков в ответное открытое кольцевое углубление в поршне 14 гидропривода. Срезные винты выполнены соединяющими с возможностью среза винтов и разъединения внешней оболочки 16 корпуса и поршня 14 гидропривода якоря. Срезные винты выполнены разнесенными по периметру поперечного сечения корпуса гидропривода с угловой частотой γ, определенной в диапазоне значений γ=(N/2π)=(1,11÷1,91) [ед/рад], где N - число срезных винтов.
Работает пакер-подвеска хвостовика следующим образом.
После спуска хвостовика на заданную глубину производят его цементирование. После окончания процесса цементирования поднимают давление во внутриколонном пространстве до заданной рабочей величины. Ступенчатым повышением давления до Р=14 МПа приводят в действие узел 5 якоря пакера-подвески. Давление через отверстия 17 для напорной подачи бурового раствора к поршню 14 в корпусе 4 пакера-подвески передают на кольцевой поршень 14 узла 5 якоря. При этом срезные винты, пропущенные через внешнюю оболочку 16 корпуса гидропривода и ответные кольцевые углубления в поршне 14 гидропривода, разрушаются. Кольцевой поршень 14 перемещается в осевом направлении, осуществляя передачу от поршня 14 гидропривода на клин 21 цилиндроконического элемента 13 и затем на плашки 19 якорных элементов 18 силового импульса, необходимого и достаточного для якорения пакера-подвески прижатием вершин зубьев 23 плашек 19 к внутренней поверхности стенки трубы предыдущей обсадной колонны. Для проверки срабатывания узла 5 якоря производят разгрузку веса на крюке буровой на (6÷7) тонн больше, чем вес хвостовика без сброса давления и хвостовик подвешивают в предыдущей обсадной колонне.
Выбирают собственный вес транспортировочной колонны, не сбрасывая давление якорения Р = 14 МПа с пакера-подвески. Производят разъединение транспортировочной колонны и хвостовика, путем повышения давления бурового раствора внутри транспортировочной колонны, которое поднимают до значения срабатывания узла 9 гидравлического разъединения Р = 20 МПа. Момент разъединения фиксируют по резкому падению давления и восстановлению циркуляции бурового раствора. При этом срезные винты разрушаются, поршень перемещается в осевом направлении и освобождает грузонесущую цангу (на чертежах не показано). Происходит разъединение транспортировочной колонны и хвостовика, установочный инструмент выходит из пакера-подвески. Для проверки разъединения транспортировочную колонну приподнимают на несколько метров.
Для приведения в действие узла 6 механического пакера производят разгрузки веса бурильной колонны на (10÷15) тонн в течение (2÷3) мин. При этом кулачки в узле 10 упираются в нажимную втулку 8, разрушаются срезные винты, и манжеты пакера начинают сжиматься, герметично прижимаясь к стенкам предыдущей обсадной колонны. Фиксатор не позволяет втулке вернуться в исходное положение (на чертежах не показано).
о.пл.
о.к.к.
Технический результат достигают совокупностью разработанных в группе изобретений конструктивных решений узла якоря. При этом согласно изобретению корпус пакера-подвески выполнен цельным и снабжен отверстиями для напорной подачи бурового раствора к поршню, а поршень установлен внутри корпуса гидропривода, включающего две неподвижные внешнюю и внутреннюю цилиндрические оболочки, функцию внутренней из которых выполняет корпус пакера-подвески, что существенно снижает риск смещения гидропривода во время спуска хвостовика при интенсивном расхаживании и вращении. Предлагаемая конструкция фиксаторов, исключающих обратное осевое смещение поршня после срабатывания привода якоря, также повышает надежность якорения за счет принятых в изобретении углов наклона вершин зубьев в спиральной нарезке на внутренней контактной поверхности фиксатора и встречно наклоненных зубьев ответной спиральной нарезки на участке поверхности корпуса пакера-подвески. Предлагаемые в изобретении конструкция корпуса муфты, выполненного с уширением в верхней части, и конструкция якорных элементов в сочетании с цилиндроконическим кольцевым элементом гидропривода обеспечивают оптимальное взаимодействие конических поверхностей при срабатывании якорных элементов по периметру якорения, что также повышает надежность срабатывания узла якоря при получении импульса усилия от поршня после разрушения срезных винтов. Кроме того, в результате найденного в группе изобретений ступенчатого соединения якорных элементов с цилиндроконическим кольцевым элементом гидропривода в заявленными углом ϕ наклона образующей внутренней конической поверхности плашки якорного элемента, равным ответному углу ϕ наклона образующей клина цилиндроконического кольцевого элемента привода якорных элементов, выполненных с возможностью конгруэнтного скольжения по внутренней поверхности плашки при срабатывании якорения, позволяет увеличить площадь опирания и повысить надежность якорения пакера-подвески хвостовика к обсадной колонне.
Реализованный таким образом алгоритм работы пакера-подвески хвостовика с использованием ударного гидравлического механизма разъединения обеспечивает наиболее надежную систему отцепления транспортировочной колонны - бурильной трубы от хвостовика, которое производят путем приведения в действие якоря подачей гидравлического давления и в результате обеспечивают подвешивание хвостовика к предыдущей обсадной колонне и разгрузку бурильной трубы. А узел механического пакера обеспечивает эффективное кольцевое уплотнение между верхней частью хвостовика и обсадной колонной.
Объектом применения пакера-подвески являются вертикальные, наклонно-направленные скважины и скважины с горизонтальным окончанием, обсаженные колоннами условным диаметром 168 мм, в которые спускаются хвостовики из обсадных труб диаметром 114 мм, включая другие элементы компоновки нижнего заканчивания скважины. При этом в качестве рабочего тела и гидравлической среды для выполнения операций применяют буровой и тампонажный растворы, обработанные химическими реагентами, минерализованную пластовую воду, нефть и газ при температуре до 120°С.