ПАКЕР МАНЖЕТНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для образования направленных трещин в пласте через пробуренную скважину для ускорения дегазации горного массива.
Известно устройство для образования направленных трещин (патент №1323710, заявка №4039399, дата приоритета 19 марта 1986 года, дата публикации 15 июля 1987 года, класс МПК Е21С 37/00), содержащее выдвижные резцы с приводом для прорезания зародышевых щелей, по которым затем производят направленный гидроразрыв. Основным недостатком известного устройства является то, что после создания зародышевой щели необходимо произвести замену его на устройство для гидроразрыва, что значительно усложняет процесс.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для образования направленных трещин (патент N2138631 С1 6 Е21В 43/26, Е21С 37/06). Устройство содержит гидроцилиндр с полым штоком, на котором установлены герметизирующие элементы, разделенные капроновыми шайбами, упорная втулка, граненая втулка с поворотными клиньями и пружина, помещенная между упорной и граненой втулками.
Недостатком устройства является то, что перемещение пакера по скважине может вызвать задержку гидроцилиндра трением о стенки скважины, что может привести к заклиниванию всего устройства из-за расширения герметизирующих элементов.
Вторым недостатком является то, что узел, содержащий клинья для образования зародышевых трещин гидроразрыва, не защищен от попадания фрагментов горной породы.
Третьим недостатком является то, что клинья при сбросе давления не принимают транспортное положение, что затрудняет перемещение пакера по скважине после выполнения гидроразрыва.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности пакера при его эксплуатации.
Как показал результат проведенных патентных исследований, к конструкции пакера разработчиками предъявляются требования по повышению его надежности. Конструкция пакера должна обеспечивать технологичность и надежность его элементов, что является основными требованиями, предъявляемыми к пакеру. Основными задачами пакера являются обеспечение проведения гидроразрыва в запланированном месте и выдерживание нагрузки ,создаваемой высоким давлением жидкости на элементы пакера при осуществлении процесса гидроразрыва горной породы. Поэтому вопрос его преждевременного срабатывания по сути определяет возможность использования или неиспользования пакера при проведении гидроразрыва. Актуальными на сегодня являются вопросы продления срока службы пакеров, их компактности, повышения надежности и простоты эксплуатации.
Пакер манжетный гидравлический содержит гидроцилиндры, закрепленные на полом штоке, имеющем отверстия для подачи воды в полость образования трещин, герметизирующие элементы, подвижные и неподвижные втулки с расположенной между ними пружиной, клинья, расположенные на подвижной втулке и зафиксированные защитным кожухом, редукционный клапан.
Отличием является то, что гидроцилиндров установлено два, расположены соосно и они жестко связаны с полым штоком и зафиксированы стопорными кольцами, а между поршнями гидроцилиндров расположены герметизирующие элементы. Другим отличием является наличие защитного кожуха необходимого для защиты пространства между упорной и подвижной втулками от попадания фрагментов горной породы, обеспечивающего принудительное возвращение клиньев в транспортное положение после сброса давления.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежом, где показан общий вид устройства.
Устройство состоит из двух гидроцилиндров 1, «нанизанных» на общий полый шток 2, закрепленных с ним с одной стороны стопорными кольцами гидроцилиндров 3, а с другой стороны гайками 4. Полый шток с одной стороны имеет переходник 5, а торец другой, пробку 6, конец которой имеет в сечении квадрат для удержания при закручивании гаек 4. Поршни 7 упираются в герметизирующие элементы 8, которые, в свою очередь, контактируют со стороны переходника 5, с подвижной втулкой 9, а с другой, с шайбой 10, с фиксирующим кольцом 11. В то же время фиксирующее кольцо 11 ограничивает движение упорной втулки 12. На упорной втулке 12 расположен редукционный клапан 13, настроенный на определенное давление. Подача жидкости в клапан осуществляется через отверстие 14, а выход жидкости в отверстие 15. Давление открывания редукционного клапана можно отрегулировать крышкой 16, сжимая или отпуская пружину 17. В свою очередь, втулка 9 ограничена кольцом 18 и пружиной 19, которая расположена между втулками 9 и 12. Втулка 9 имеет граненые поверхности, на которых располагаются клинья 20, закрепленные на осях 21, с возможностью поворота. Для фиксации клиньев 20, в нейтральном положении, предусмотрен защитный кожух 22, который в нерабочем состоянии прижимает клинья 20 к втулке 12 и перекрывает пространство между втулками 9 и 12, защищая его от попадания штыба. Защитный кожух 22 винтами 23 соединяется с втулкой 12. Кроме того, втулка 12 опирается на резиновое кольцо 24, которое является амортизатором при внедрении клиньев 20 в стенки скважины.
Пакер манжетный гидравлический работает следующим образом. С помощью специального доставочного трубопровода (не показан) пакер размещают в скважине на заданной глубине. Наличие двух гидроцилиндров 1, зафиксированных стопорными кольцами 3, защищает пакер от преждевременного срабатывания во время его транспортировки к месту проведения гидроразрыва. Как показали испытания опытного образца пакера, предлагаемая полезная модель не застревает при ее транспортировке по скважине к месту гидроразрыва, что подтверждает существенность признаков и наличие причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом. Признаки влияют на повышение эффективности эксплуатации пакера.
После установки пакера в скважине в полость штока 2 подают жидкость под необходимым давлением. В штоковых полостях гидроцилиндров 1 создается давление жидкости, которое обеспечивает встречное движение поршней 7 к общему центру и сжатие пружины 19, приближая подвижную втулку 9 к упорной втулке 12. Одновременно расположенные с двух сторон от зоны гидроразрыва герметизирующие элементы 8 начинают продольно сжиматься и увеличиваться в диаметре, изолируя интервал гидроразрыва с двух сторон.
Сближение подвижной втулки 9 и упорной втулки 12 приводит к повороту клиньев 20 вокруг их осей 21. Клинья 20 поворачиваются и вдавливаются в стенки скважины, формируется радиальная система макротрещин, которая является зародышем щели гидроразрыва. Во избежание возникновения изгибающих сил на клиньях 20 втулка 12 может перемещаться вдоль штока, сжимая при этом резиновое кольцо 24. Признаки способствуют повышению эффективности пакера при его эксплуатации и являются существенными.
Далее, при достижении давления жидкости в системе до уровня открытия редукционного клапана 13 клапан 13 открывается и жидкость через отверстие 14 и отверстие 15 поступает в зародышевые щели, созданные клиньями при внедрении в стенки скважины, и заполняет их. При достижении критического уровня давления происходит дальнейшее скачкообразное развитие щели гидроразрыва угольного пласта. В момент скачка давления жидкости и развития щели жидкость заполняет щели до конца. Давление жидкости в щели и нагнетательной камере пакера снижается. Редукционный клапан закрывается. Поступление жидкости в зону гидроразрыва прекращается.
Продолжая нагнетать жидкость, давление возрастает до уровня давления открытия редукционного клапана, который открывается, и жидкость опять начинает поступать в зону гидроразрыва. Формируется давление жидкости у «носика» щели, необходимое для следующего скачка давления.
Таким образом, устройство обеспечивает, в режиме обратной связи, импульсное давление гидроразрыва с относительно длительными периодами его снижения. Полученные механическим путем щели дробят и расширяют, используя растягивающие напряжения в породе, возникающие под действием импульсного давления жидкости.
После окончания гидроразрыва жидкость прекращает поступать в систему, давление снижается до нуля и все элементы пакера возвращаются в транспортное положение. В этом случае редукционный клапан выполняет функцию обратного клапана. Клапан в закрытом состоянии не пропускает в систему загрязненную жидкость. Защитный кожух 22 позволяет защищать пространство между втулками 9 и 12 от попадания в него штыба во время проведения гидроразрыва и при транспортировке пакера по скважине. Попадание штыба между втулками 9 и 12 может привести к препятствованию их сближения, что отразится на качестве создаваемых зародышевых щелей. Признак «защитный кожух» является существенным, т.к. влияет на повышение эффективности работы пакера.
На этом цикл заканчивается. После этого пакер перемещается к следующему интервалу гидроразрыва и процесс повторяется.
Фиксация клиньев в транспортном положении обеспечивается защитным кожухом 22, а также усилием пружины 19, поддерживающей необходимый зазор между подвижной втулкой 9 и упорной втулкой 12.
Технический результат, как указано выше, заключается в повышении надежности пакера при его эксплуатации. Как следует из текста описания, совокупность существенных признаков формулы полезной модели способствует повышению надежности эксплуатации пакера путем предотвращения его преждевременного срабатывания.
Кроме того, использование предлагаемой полезной модели позволяет защитить пространство между упорной и подвижной втулками от попадания фрагментов горной породы и обеспечить принудительное принятие транспортного положения клиньями при сбросе давления (после выполнения гидроразрыва), что значительно повышает надежность пакера при его эксплуатации.
Таким образом, все признаки, включенные в независимый пункт формулы полезной модели, являются существенными и влияют на повышение надежности пакера при его эксплуатации, т.е. находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом. Все признаки независимого пункта формулы обеспечивают работоспособность, надежность и технологичность работы пакера.