ПАЗ НА СТВОЛЕ ПАКЕРА ОСЕВОЙ УСТАНОВКИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ ПОЛОЖЕНИЕ ЕГО МЕХАНИЧЕСКОГО ЯКОРЯ
SLOT ON THE PACKER SHAFT OF THE AXIAL INSTALLATION, WHICH DETERMINES THE POSITION OF ITS MECHANICAL ANCHOR

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к пакерам, предназначенным для герметичного разобщения межколонного пространства при ремонте или эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Заявляемая форма паза, выполненного на наружной поверхности ствола пакера, обеспечивает переключение механического якоря пакера с осевой установкой из положения спуска (подъёма) в положение установки пакера и обратно.
Известен фигурный паз ствола пакера (патент на полезную модель в РФ № 129984, опубл. 10.07.2013г.), который включает осевой короткий и осевой длинный участки, соответствующие транспортному и рабочему положениям, соединенные между собой замкнутым фигурным участком для перевода пакера из транспортного в рабочее положение и обратно, с фигурным пазом взаимодействует штифт, закрепленный на подвижной втулке, на боковой поверхности которой в пазах установлены подпружиненные фрикционные плашки, а с торца выдвигаемые кулачки с возвратной пружиной прижимающей кулачки к стволу, кулачки выполнены с рифленой наружной поверхностью и внутренней конической поверхностью направленной в сторону конуса, между конусом и упором установлены манжеты, а осевой короткий и осевой длинный участки фигурного паза расположены вдоль одной оси, а участки паза для перевода пакера из транспортного положения в рабочее и обратно расположены с двух сторон от осевого короткого и осевого длинного участков фигурного паза, причем участки паза для перевода пакера из транспортного положения в рабочее и обратно заканчиваются переходными участками при прохождении которых штифт меняет направление движения.
Недостатками данного паза являются:
- вместо заявленного уменьшения протяженности паза его конструкция приводит к удлинению ствола за счет участка пустого хода якоря (фиг.1), так как точка положения пальца при спуске (вверху внутреннего прямого участка) и точка выхода пальца из верхнего наклонного участка в верхний прямой находятся на одной оси на определенном расстоянии; это расстояние (как минимум) необходимо будет пройти якорю, чтобы кулачки достигли конуса, так как сжатие манжет пакера должно начинаться не раньше, чем палец выйдет в прямой верхний участок, иначе палец не сможет вернуться в длинный наклонный паз и далее по контуру; соответственно, пакер нельзя будет переставить, при необходимости, ниже, его можно будет только поднимать, при попытке спуска он будет снова устанавливаться;
- нет возможности использования паза для фиксации механического якоря от вращения вокруг ствола пакера.
Известен также паз на стволе пакера (патент на изобретение в РФ № 2489565, опубл. 10.08.2013г.), который включает укороченный и удлиненный пазы, связанные наклонным пазом, а также замыкающую пазы часть, которая выполнена в виде продольных пазов. Продольные левый и правый пазы смещены в разные стороны относительно укороченного паза и соединены в нижней части наклонным пазом. Левый продольный паз длиннее правого и связан сверху с удлиненным пазом и с нижней частью наклонного паза. Укороченный паз выполнен Л-образным. Между левым продольным, наклонным и правым продольным пазами имеется замкнутый D-образный выступ, причем образующие выступа сопряжены дугой.
Недостатками данного паза являются (фиг.2):
- при спуске на трубном элеваторе колонны труб с пакером для наращивания труб необходимо постоянно излишне высоко или крайне низко приподнимать колонну во избежание преждевременного переключения якоря на установку пакера;
- при достижении глубины установки пакера для переключения якоря на установку необходимо очень точно определить величину подъёма колонны между минимально необходимой и максимально допустимой, при этом учесть величину вытяжки колонны труб длиной несколько километров, иначе якорь останется или снова перейдёт в положение спуска.
Известен также (патент на изобретение в РФ № 2540729, опубл. 10.02.2015 г.) замкнутый лабиринтный паз, выполненный на стволе, и плавающий палец, установленный в обойме якоря, с возможностью прямолинейных и круговых перемещений в пределах лабиринтного паза. Лабиринтный паз включает длинный и короткий продольные каналы и соединяющие их поперечные каналы, и выступ с контуром параллелограмма, длинные стороны которого образуют длинный и короткий продольные каналы. Поперечные каналы выполнены с наклоном к оси ствола с возможностью перехода плавающего пальца из одного продольного канала в другой под воздействием реактивной силы от боковых сторон наклонных каналов, вызываемой действием силы инерции ствола на плавающий палец. Поперечный наклонный канал перемещения плавающего пальца из короткого продольного канала в длинный выполнен с заходом плавающего пальца в карман опорной позиции, расположенный на средней линии выступа. Поперечный наклонный канал перемещения плавающего пальца из длинного продольного канала в короткий продольный канал образован срезом острого угла параллелограмма параллельно боковой стороне лабиринтного паза. На стволе параллельно продольным каналам дополнительно выполнен глухой продольный паз длиной, большей продольной длины габарита лабиринтного паза, в котором расположен стопорный палец, исключающий поворот ствола относительно обоймы якорного узла и упор плавающего пальца в нижний предел контура лабиринтного паза.
Недостатками данного устройства являются (фиг.3):
- при спуске на трубном элеваторе колонны труб с пакером для наращивания труб необходимо постоянно излишне высоко или крайне низко приподнимать колонну во избежание преждевременного переключения якоря на установку пакера;
- при достижении глубины установки пакера для переключения якоря на установку необходимо очень точно определить величину подъёма колонны между минимально необходимой и максимально допустимой, при этом учесть величину вытяжки колонны труб длиной несколько километров, иначе якорь останется или снова перейдёт в положение спуска;
- для предотвращения вращения механического якоря вокруг ствола пакера вместо использования основного (лабиринтного) применяется дополнительный паз.
Перечисленные недостатки не позволяют эффективно использовать данную конструкцию.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение простоты спуска, установки и подъёма пакера, с гарантированным переключением механического якоря в требуемое положение одной простой манипуляцией и сохранение этого положения без произвольных переключений во время спуска, установки и подъёма пакера, то есть бесперебойность спуска и гарантия установки пакера определяются всего двумя условиями: при спуске не превышать подъём колонны труб, необходимый для смены трубного элеватора, а при установке выполнить подъём колонны труб, достаточный для переключения якоря.
Заявляемый технический результат достигается благодаря тому, что на наружной поверхности ствола пакера выполняется паз, предназначенный для переключения механического якоря пакера с осевой установкой из положения спуска или подъёма в положение установки пакера и обратно, образованный прямым каналом, идущим из начальной точки сверху вниз, в нижней точке которого начинается винтовой канал с левым ходом, идущий вниз, в нижней точке которого начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке которого начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вверх, из верхней точки которого выходят два прямых канала, первый из них идёт вверх, второй идет вниз, верхняя точка идущего вверх находится выше любой точки паза, а в нижней точке идущего вниз начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вниз и заканчивающийся нижней точкой, которая находится ниже любой точки паза и в которой начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке которого начинается винтовой канал с левым ходом, идущий вверх, в верхней точке которого начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке которого начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вверх, заканчивающийся в начальной точке и замыкающий паз, причём каналы не пересекаются и не накладываются друг на друга.
Возможно исполнение с более сложной конфигурацией замкнутого паза, при котором в месте соединения прямого канала и предшествующего ему по направлению движения обхода пальца винтового канала удалением разделяющего их выступа выполняются направляющие карманы, стенка кармана, образуемая при срезе выступа, совпадает со стенкой следующего по направлению движения обхода пальца винтового канала или располагается под острым углом к прямому каналу.
Возможно исполнение паза, которое выполняется зеркально относительно оси ствола.
Возможно исполнение паза, которое выполняется зеркально относительно линии, перпендикулярной оси ствола.
Возможно исполнение паза, которое выполняется зеркально относительно оси ствола и относительно линии, перпендикулярной оси ствола.
Возможно исполнение паза, при котором винтовые каналы имеют разные шаги.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «пакер» обозначает устройство, предназначенное для перекрытия, разобщения и герметизации полостей скважин, имеющее уплотняющие манжеты и спускаемое в скважину в составе бурильной колонны или колонны насосно-компрессорных труб.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «осевой пакер, осевая установка» обозначает, что установка или снятие пакера производится передвижением колонны труб вдоль оси, вверх – вниз, без вращения.
Используемые в описании заявляемого изобретения термины «спуск, подъём, перемещение, установка», применяемые в отношении пакера и его узлов, относятся к пакеру, спущенному в скважину в составе бурильной колонны или колонны насосно-компрессорных труб.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «якорь, механический якорь» обозначает узел пакера, предназначенный для установки пакера в скважине. В состав механического якоря кроме прочих деталей входит один или несколько пальцев, закрепленных в якоре неподвижно или установленных в кольце, свободно вращающемся внутри якоря вокруг его оси. Пальцы входят в пазы ствола пакера.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «паз» обозначает углубление, выполненное на поверхности ствола и не выходящее во внутренний проходной канал ствола пакера, образованное одним каналом или системой нескольких прямых или винтовых каналов, соединенных последовательно, т.е. окончание одного является началом другого, или иным образом.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «канал» обозначает углубление с вертикальными стенками и дном, выполненное на поверхности ствола пакера. Канал имеет ось, которая является траекторией движения точки, расположенной на оси вращения осевого режущего инструмента (например, концевой фрезы) при изготовлении паза. Канал может быть прямым, когда его ось параллельна оси ствола, или винтовым, когда его ось является винтовой линией с определенным шагом правого или левого хода. Стенки канала отстоят на одинаковом расстоянии от его оси кроме тех мест, где стенка отсутствует из-за соединения с другим каналом, стенка начала или конца канала радиусная. Дно прямых каналов плоское, дно винтовых каналов более сложной формы, сопряжение дна прямых и винтовых каналов является плавным, без ступеней.
Используемый в описании заявляемого изобретения термин «направляющий карман» образуется в месте слияния прямого и предшествующего ему (по направлению движения пальца) винтового каналов при удалении разделяющего их выступа. Стенка кармана, образуемая при срезе выступа, может совпадать со стенкой  следующего (по направлению движения пальца) винтового канала или располагаться под острым углом к прямому каналу.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 изображена существующая конструкция паза ствола пакера (патент на полезную модель № 129984).
На фиг. 2 изображена существующая конструкция паза ствола пакера (патент на изобретение № 2489565).
На фиг. 3 изображена существующая конструкция паза ствола пакера (патент на изобретение № 2540729).
На фиг. 4 изображен пакер в положении спуска в скважину на колонне труб.
На фиг. 5 изображены разрезы Т – Т и Ф – Ф, обозначенные на  фигуре 4.
На фиг. 6 изображена развертка участка ствола пакера с пазом предлагаемой геометрической формы.
На фиг. 7 изображена развертка участка ствола пакера с пазом геометрической формы возможного исполнения.
Позициями на фиг. 4 – 5 обозначены:
1 – ствол;
2 – подвижное кольцо;
3 – палец;
4 – паз;
5 – корпус;
6 – направляющий палец;
7 – шлипс;
8 – пружина;
9 – конус;
10 – стенка скважины.
Основными узлами осевого механического пакера являются уплотнительный узел и механический якорь, расположенные на стволе 1 (фиг.4). Подвижное кольцо 2 с плотно установленным в нем пальцем 3 свободно вращается на стволе 1 внутри якоря. Палец 3 входит в паз 4 ствола 1, образованный системой каналов, соединенных друг с другом для движения пальца 3 по замкнутому контуру. Закрепленный неподвижно в корпусе 5 якоря направляющий палец 6 входит в канал Д – Е паза 4, не позволяя якорю вращаться относительно оси пакера, причём направляющий палец 6 никогда не выходит за пределы канала Д – Е. В корпусе 5 расположены шлипсы 7, имеющие гладкую и зазубренную поверхности и поджатые пружинами 8.
Паз 4 образован прямым каналом, идущим из начальной точки А сверху вниз, в нижней точке Б которого начинается винтовой канал с левым ходом, идущий вниз, в нижней точке В которого начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке Г которого начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вверх, из верхней точки Д которого выходят два прямых канала, первый из них идёт вверх, второй идет вниз, верхняя точка Е идущего вверх находится выше любой точки паза, а в нижней точке Ж идущего вниз начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вниз и заканчивающийся нижней точкой И, которая находится ниже любой точки паза и в которой начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке К которого начинается винтовой канал с левым ходом, идущий вверх, в верхней точке Л которого начинается прямой канал, идущий вверх, в верхней точке М которого начинается винтовой канал с правым ходом, идущий вверх, заканчивающийся в начальной точке А и замыкающий паз, причём каналы не пересекаются и не накладываются друг на друга.
Возможно исполнение более сложной конфигурации замкнутого паза, при котором в месте соединения прямого канала и предшествующего ему по направлению движения обхода пальца винтового канала удалением разделяющего их выступа выполняются направляющие карманы, стенка кармана, образуемая при срезе выступа, совпадает со стенкой следующего по направлению движения обхода пальца винтового канала или располагается под острым углом к прямому каналу.
Возможно исполнение паза, которое выполняется зеркально относительно оси ствола и/или относительно линии, перпендикулярной оси ствола.
Возможно исполнение паза, при котором винтовые каналы имеют разные шаги.
Паз работает следующим образом (фиг.4, 5, 6). Непосредственно перед спуском в скважину, когда пакер находится в вертикальном положении, якорь под собственным весом смещается вниз, при этом палец 3 будет находится или в точке И, или в точке В паза 4. В случае нахождения пальца 3 в точке В якорь сдвигают вверх по стволу 1 до упора шлипсов 7 в конус 9, затем позволяют якорю сместиться вниз. При этом происходит перемещение пальца 3 из точки В через точки Г, Д и по направлению к Е, затем возвращение в точку Д и дальнейшее движение через точку Ж в точку И. При нахождении пальца в точке И пакер готов к спуску в скважину.
В начале спуска при заходе в скважину гладкие поверхности шлипсов 7 упираются в стенку скважины 10, при этом якорь силой трения удерживается на месте. При движении ствола 1 точки К, Л, М минуют палец 3. Когда точка А достигает положения пальца 3, стенка паза 4 упирается в палец 3 и через него ствол 1 передает усилие, преодолевающее силу трения шлипсов 7 о стенку скважины 10. Якорь начинает двигаться вниз вместе с пакером. При этом конус 9 не может дойти до шлипсов 7 и расклинить их, вызвав преждевременную установку пакера.
Если при добавлении труб к спускаемой с пакером колонне её необходимо приподнимать, например, для смены трубного элеватора, колонну приподнимают на расстояние, меньшее величины канала А – Б (фиг.6). При этом при движении ствола 1 вверх палец 3 остается в канале А – Б и при движении ствола вниз, т.е. возобновлении спуска колонны, точка А снова достигает положения пальца 3, якорь двигается вниз вместе с пакером.
При достижении места установки колонну труб спускают на некоторое расстояние ниже него. Величина этого расстояния складывается из длины отрезков А – Б, Б – В и величины искривления трубы от места установки пакера до поверхности (фиг.6), для гарантированной установки пакера величину этого расстояния необходимо взять с запасом. Затем подъёмом колонны возвращают пакер на место установки, при этом якорь в начале подъёма остается стоять на месте, через палец 3 проходят точки Б и В, затем стенка паза 4 в точке В упирается в палец 3, перемещая якорь вместе со стволом 1 пакера до прекращения подъёма. Затем спуск колонны труб возобновляют, якорь стоит на месте, через палец 3 проходят точки Г, Д, палец 3 теперь находится в канале Д – Е. При продолжении спуска ствол 1 уже не проталкивает якорь, так как длины канала Д – Е достаточно, чтобы палец 3 не достиг точки Е и не упёрся в стенку канала. Те6перь конус 9, двигаясь вместе со стволом 1, заходит под шлипсы 7. Шлипсы 7 врезаются зубчатыми поверхностями в стенки скважины 10. При дальнейшем спуске колонны эластичные манжеты, находящиеся в уплотнительном узле пакера, упираясь в неподвижный теперь конус 9, деформируются и герметизируют полости скважины над и под пакером.
Для снятия пакера колонну труб поднимают, при этом ствол 1 выводит конус 9 из-под шлипсов 7. Якорь удерживается на месте за счет трения гладких поверхностей шлипсов 7 о стенки скважины 10. При движении ствола 1 вверх через палец 3 проходят точки Д и Ж. Когда пальца 3 достигает точка И, стенка канала упирается в палец 3 и толкает якорь вверх вместе с пакером. Пакер поднимают на поверхность.
Парафинистые отложения, проппант, шлам и т.д. в скважине могут затруднять поворот подвижного кольца 2, при этом при переключении якоря вместо перехода пальца 3 в другой канал паза 4 может повернуться на стволе 1 сам якорь, препятствуя спуску или установке пакера. Для предотвращения этого направляющий палец 6, жёстко закреплённый в корпусе 5 якоря, входит в прямой канал  Д – Е паза 4, не позволяя якорю вращаться вокруг ствола 1, а только передвигаться вдоль него, причём конструктивно якорь выполнен так, чтобы направляющий палец 6 никогда не вышел за пределы канала Д – Е, например, в канал Д – Г, и не заклинил якорь. Палец 3 всегда находится ниже направляющего пальца 6. Длина канала Д – Е позволяет стволу 1 смещаться относительно направляющего пальца 6 для захода конуса 9 под шлипсы 7 и сжатия эластичных манжет при установке пакера.
Таким образом, технический результат достигается при добавлении в паз каналов В – Г и Г – Д, что приводит к следующему.
Во-первых, для наращивания труб при спуске колонны для смены трубного элеватора достаточно приподнимать колонну на величину, меньшую длины канала А – Б, чтобы обеспечить бесперебойный спуск без случайных установок пакера, ведущих к его износу и потере времени при спускоподъёмных операциях.
Во-вторых и наиболее важно то, что при переключении якоря на установку пакера подъёмом колонны  положение пальца однозначно определяется остановкой в точке В, то есть превышение необходимой для переключения якоря величины подъёма не приводит к переходу пальца в точку И, возврату через точки К, Л, М в точку А, то есть неготовности пакера к установке. Напротив, подъём колонны необходимо выполнить с запасом, чтобы обеспечить вытяжку искривлений колонны, особенно в наклонных и горизонтальных скважинах, когда колонна труб лежит в скважине, и осуществить перемещение ствола пакера, переводя якорь в положение установки. Подъём колонны с запасом вместо подъёма на определённую величину, точное определение которой невозможно, гарантирует установку пакера с первой попытки выполнением простых манипуляций.
В третьих, для предотвращения вращения механического якоря вокруг ствола пакера используется тот же самый паз, что и для управления переключением механического якоря.