ПАКЕР

Полезная модель относится к горной промышленности и может быть использована для герметизации затрубного пространства при бурении с обратной промывкой скважин сплошного забоя или с отбором (выносом) керна путем разрушения крепких горных пород непосредственно высоковольтными импульсными разрядами, развивающимися в горной породе.
Известен пакер бурового снаряда для электроимпульсного способа бурения (авторское свидетельство SU №699837; МПК 5 Е21с 37/18, опубл. 15.10.93, бюл. №37-38), выполненный в виде эластичного рукава, одетого на наружную коронку двойного бурового снаряда выше нижнего (призабойного) сплошного изолятора, причем оба конца эластичного рукава прикреплены к наружной коронке, а внутренний зазор между этим рукавом и наружной коронкой соединен с межтрубным пространством (между наружной и внутренней коронками) отверстиями в наружной коронке для воздействия на рукав давлением нисходящего потока промывочной жидкости. При бурении электроимпульсным способом известный пакер и буровой снаряд не вращают.
Недостатком этого технического решения является быстрый износ эластичного рукава, т.к. он перемещается в скважине при любых перемещениях бурового снаряда, а стенки скважин при электроимпульсном способе бурения имеют повышенную шероховатость. Это вызвано тем, что при электроимпульсном способе бурения глубина откольных воронок составляет в среднем 1/3 от величины межэлектродного промежутка, который обычно составляет 30-50 мм. В связи с этим стенки скважин в крепких горных породах представляют собой чередующиеся углубления и выступы величиной до 10-16 мм.
Известен другой пакер-аналог, который, как и предложенный, предназначен для бурения с двойной бурильной колонной (патент на изобретение RU №2135738; МПК Е21В 33/12, Е21В 21/00, опубл. 27.08.1999) и который состоит из корпуса и уплотнительных элементов, причем корпус пакера выполнен в виде гильзы и входящего в него полого плунжера, установленных на наружной трубе двойной бурильной колонны на подшипниках скольжения и выполненных с окнами в верхней части, при этом между ними имеется кольцевая полость, соединенная с затрубным пространством через окно полого плунжера, а при нерабочем положении пакера и через окно гильзы; на наружной поверхности полого плунжера выполнена кольцевая выточка, в которой установлены подпружиненные клинья с наружными конусами и сквозными симметрично расположенными пазами на их наружных и внутренних поверхностях; уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной цилиндрической рубашки, на наружной поверхности которой установлен набор траков, а на внутренней поверхности соответственно числу траков - набор клиньев с внутренним конусом и шпонками, соответствующими по своим размерам наружному конусу подпружиненных клиньев и их наружным шпоночным пазам.
Основной недостаток этого пакера связан с тем, что уплотнительный элемент пакера жестко прикреплен к гильзе (корпусу пакера). В процессе бурения скважины этот элемент пакера перемещается вместе с двойной бурильной колонной и из-за неровностей поверхности стенок скважины подвергается быстрому износу.
Наиболее близким к предложенному пакеру по конструктивным особенностям является механический пакер-прототип (патент на изобретение RU №2139408; МПК 6 Е21В 33/12, опубл. 10.10.1999), содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися и продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные над ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму, направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе, установленные в обойме, равномерно по ее окружности, шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов, а также кольцо, установленное в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно обоймы и жестко связанное с ней в осевом направлении, на внутренней поверхности кольца выполнена канавка прямоугольного профиля, а на наружной поверхности обоймы в виде секторов выполнены буртики прямоугольного профиля, причем направляющий штифт установлен жестко по посадке с натягом во внутренней части кольца, где вдоль одной с ним оси, перпендикулярно оси пакера диаметрально противоположно ему установлен, жестко по посадке с натягом, дополнительный направляющий штифт, продольные короткие и продольные длинные участки фигурного паза выполнены обоюдно симметричными относительно ствола, а передний угол буртиков равен 10°.
Основной недостаток этого пакера заключается в следующем. Пакер предназначен для работы в комплекте с колонной насосно-компрессорных труб при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. При применении его непосредственно в процессе бурения электроимпульсным способом (из-за различной разработки диаметра скважин в разных по свойствам горных породах и из-за значительной шероховатости стенок скважин) не обеспечивается надежная герметизация затрубного пространства и происходит быстрый износ уплотнительных элементов.
Техническим результатом предложенного решения является повышение надежности герметизации затрубного пространства в процессе бурения скважин электроимпульсным способом и снижение износа уплотнительных элементов в несколько раз.
Указанный технический результат достигается тем, что в пакере, содержащем трубчатый корпус пакера с надетым на него уплотнительным элементом и подпружиненные двуплечие рычаги, согласно предложенному решению, уплотнительный элемент выполнен в виде эластичной цилиндрической рубашки с телескопической трубкой, верхний конец которой присоединен к переходнику с периодически перекрываемым гидравлическим каналом, а ниже уплотнительного элемента на трубчатом корпусе пакера укреплено кольцо, над нижним конусным концом которого сделана кольцевая канавка для фиксаторов, выполненных на верхних плечах рычагов, а к нижним плечам рычагов шарнирно присоединены призабойные стержневые упоры, на которые надеты пружины, упирающиеся в кронштейны, прикрепленные к наружной трубе двойного снаряда для бурения скважин высоковольтными импульсными разрядами.
Целесообразно также эластичную цилиндрическую рубашку выполнять в виде двух слоев, причем наружный герметизирующий слой изготовлять из пористого эластичного материала.
Конкретное выполнение предложенной полезной модели представлено на фиг.1, на которой пакер показан в сборке с двойной колонной бурильных труб, состоящей из наружной 1 и внутренней 2 труб, при этом к нижнему концу этой колонны прикреплена буровая коронка 3. На верхний конец наружной трубы 1 навинчен переходник 4, выполненный с периодически перекрываемым гидравлическим каналом 5. В переходник 4 вставлен передвижной патрубок 6 колонны бурильных труб, который при перемещении в скважине бурового снаряда имеет возможность опускаться или подниматься в переходнике 4 на величину h, перекрывая при этом или открывая гидравлический канал 5. Выпадению передвижного патрубка 6 из переходника 4 препятствует внутренняя гайка 7, имеющая уплотнительное кольцо 8. Трубчатый корпус пакера 9 с прикрепленным к нему уплотнительным элементом 10 свободно надет на наружную трубу 1 колонны бурильных труб. Уплотнительный элемент 10 представляет собой эластичную цилиндрическую рубашку, к которой с помощью гаек 11 и шайб 12 прикреплены две телескопические трубки 13. Эластичная цилиндрическая рубашка (уплотнительный элемент 10) выполнена в виде эластичного внутреннего слоя 14 (на рисунке показан сплошной линией) и наружного герметизирующего слоя 15, изготовленного из пористого эластичного материала. Концы уплотнительного элемента 10 прикреплены к трубчатому корпусу пакера 9 заклепками 16, а ниже уплотнительного элемента на корпусе пакера жестко установлено кольцо 17, на нижнем конусном конце которого сделана кольцевая канавка 18 для захода в нее фиксаторов 19, выполненных на верхних плечах рычагов 20, установленных в опорах 21, которые приварены к наружной трубе 1 колонны бурильных труб. К нижним плечам рычагов 20 шарнирно присоединены призабойные стержневые упоры 22, на которые надеты пружины 23. Перемещение этих пружин вниз ограничено буртиками на призабойных стержневых упорах 22, а перемещению пружин 23 вверх препятствуют кронштейны 24, которые прикреплены к наружной трубе 1 колонны бурильных труб и через отверстия, в которых пропущены призабойные стержневые упоры 22.
Работу пакера осуществляют следующим образом. При постановке бурового снаряда, находящегося в положении, изображенном на фиг.1, на забой скважины призабойные стержневые упоры 22, преодолевая сопротивление пружин 23, оказывают давление на нижние плечи рычагов 20. В результате этого рычаги 20 поворачиваются, и фиксаторы 19 выходят из кольцевых канавок 18, т.е. из зацепления с кольцом 17. Затем буровой снаряд приподнимают вверх на величину h, чтобы передвижной патрубок 6 открыл входы в гидравлические каналы 5 из межтрубного пространства. После этого на дневной поверхности внутреннюю трубу 2 колонны бурильных труб перекрывают, а в межтрубное пространство подают промывочную жидкость, которая по гидравлическим каналам 5 и телескопическим трубкам 13 попадает под уплотнительный элемент 10 и за счет повышенного давления надежно прижимает его к стенкам скважины. В таком положении фиксируют давление в уплотнительном элементе 10, опуская буровой снаряд на величину h, чтобы передвижной патрубок 6 перекрыл гидравлические каналы 5. Подачу промывочной жидкости прекращают, внутреннюю трубу 2 открывают, наружную трубу 1 заземляют, в межтрубное пространство подают промывочную жидкость, на внутреннюю трубу 2 с частотой 10-30 импульсов в секунду подают высоковольтные импульсы с амплитудой напряжения 300-400 кВ. Высоковольтные импульсы внедряются в горную породу между электродами буровой коронки 3 и отрывают ее от массива. Образующиеся шлам, газообразные продукты, а при соответствующей конструкции буровой коронки 3, и керн по внутренней трубе 2 колонны бурильных труб выносятся на поверхность промывочной жидкостью. Так идет процесс углубки скважины. При этом уплотнительный элемент 10, трубчатый корпус пакера 9 с кольцом 17 остаются на месте, а телескопические трубки 13 укорачиваются, т.к. их верхние части надеваются на нижние. После проходки скважины на глубину, равную длине полного укорочения телескопических трубок 13, процесс углубки прекращают, выключив источник высоковольтных импульсов и буровой насос. Затем буровой снаряд приподнимают над забоем скважины, от чего гидравлические каналы 5 открываются из-за подъема передвижного патрубка 6, внутреннее давление на уплотнительный элемент 10 падает, пружины 23 отжимают вниз призабойные стержневые упоры 22, верхние плечи рычагов 20 поворачиваются в сторону наружной трубы 1. При дальнейшем подъеме бурового снаряда фиксаторы 19 входят в кольцевую канавку 18 кольца 17. Подъем бурового снаряда прекращают и осуществляют его спуск. Во время спуска за счет сцепления фиксаторов 19 с кольцом 17 (через кольцевую канавку 18) трубчатый корпус пакера 9, уплотнительный элемент 10 и нижние части телескопических трубок 13 перемещаются вниз и занимают положение, показанное на фиг.1. В дальнейшем операции повторяют.
Таким образом, в процессе углубки скважины уплотнительный элемент 10 вдоль скважины не перемещается, а прижимается к стенкам скважины повышенным давлением промывочной жидкости, чем обеспечивается надежность герметизации затрубного пространства. Перемещают уплотнительный элемент 10 в скважине только тогда, когда нет процесса углубки скважины, а главное, когда на него не оказывает повышенное давление промывочная жидкость, что позволяет в несколько раз снизить износ (истирание о стенки скважины) уплотнительного элемента 10.