Пакерное устройство

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения ствола скважины, йель: повышение надежности работы, облегчение процесса установки и извлечение пакерного устройства. Для этого пакерное устройство состоит из ствола 1 с проходным каналом 2, кольцевым выступом 3 и опорной ступенью 4. На стволе 1 расположен узел управления 5, шлипсовой узел 6, уплотнительный элемент 7 и якорь 8.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sj>s Е 21 В 33/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/У

/Я

4 (21) 4862220/03 (22) 27.08.90 (46) 15.01.93. Бюл. ¹ 2 (71) Северо-Кавказский государствен н ый научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) И.В.Роман и А,В.Литвинов (56) Авторское свиде. ельство СССР

¹ 307177, кл. Е 21 В 33/12, 1968.

Проспект ВДНХ. Верхнее заякоривающее устройство пакеров одностороннего действия ЦИНТИХимнефтехимии", 1974.!

Ж, 1788208А1

2 (54) ПАКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения ствола скважины. Цель: повышениЕ надежности работы, облегчение процесса установки и извлечение haKepHoro устройства. Для этого пакерное устройство состоит из ствола 1 с проходным каналом 2, кольцевым выступом 3 и опорной ступенью 4. На стволе 1 расположен узел управления 5, шлипсовой узел 6, уплотнительный элемент 7 и якорь 8, 1788208 устройства

30

Втулка 9 установлена над якорем 8 концентрична относительно ствола 1 с возможность а осевого перемещения и взаимодействия нижним торцем 10 с шайбой 11 уплотнительного элемента 7, связаннога срезным элементом 12 с кольцевым выступом 3 ствола 1. Верхний торец 13 втулки 9 в рабочем положении взаимодействует с нижним тарцем обоймы, Якорь 8 состоит из плашек 14 с боковыми поверхностями типа "ласточкин хвост", узла расклинивания

15 плашек и синхронизатора 16 перемещения плашек. Узел расклинивания плашек включает обойму 17, клинья 18 и опорный конус 19, а обойма 17 представляет собой

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения ствола скважины.

Известна большое количество пакеров с якорями гидравлического действия, например, якорь-ЯГ1, состоящий из корпуса, в окна которого вставлены плашки. Пружина удерживает плашки в утопленном положении. Пружины ограничива от ход плашек в радиальном направлении и крепятся на корпусе при помощи винтов. Заякоривэние осуществляется в результате подачи давления в колонну труб.

Пакеры гидравлического действия с верхним якорем и гидравлические якори, применяемые вместе са шлипсавай опорой на эксплуатационную колонну, препятствуют перемещению скважинного оборудования под воздействием давления, направленного как сверху, так и снизу. Однако промысловая практика показывает, что при использовании таких гидравлических устройств при проведении различных технологических операций в скважине (на- 2 гнетание различных флюидов, гидрарэзрыв . или гидракислэтный разрыв пласта) при скачкообразном возрастании давления происходит падбрас пээтера, так как якорь не успевает срабатывать, и пакер снимается с бпоры.

Известно пэкернае устройство, близкое по технической сущности и принятое за прототип, содержащее расположенные на стволе узел управленйя, шлипсовую опору, 3 герметизирующий элемент, якорь, состоящий из корпуса в виде конуса с плашками.

Недостаткам известного г акернаго устройства является то, что удержива ощэя втулку с цилиндрической поверхностью с проходным отверстием, внутренней конической полостью и вилкообрэзными выступами. Конструкция устройства позволяет, производить era опору на шлипсы, запакеровку и якорение весом колонны насоснокомпрессорных труб, которым создается постоянная нагрузка на уплотнительный элемент 7, При превышении подпакерного. давления усилия от веса НКТ зубья плашек

14 сильнее внедряются в обсадную колонну, повышая удерживающую способность пакера. В ы пол н ение узла расклин иван ия плашек составным облегчает извлечение пакера из скважины 8 ил. способность якоря ограничена и определяется исходной нагрузкой, создаваемой на него при запакеравке.

Целью изобретения является повышение надежности работы, облегчение процесса установки и извлечения пакерного

Поставленная цель достигается тем, что в пакерном устройстве, включающем полый ствол с опорной ступенью и кольцевым выступам на наружной поверхности, установленные на стволе уплотнительный элемент са шлипсовым узлом. размещенные над уплатнительным элементом плашки с синхрэнизатором их перемещения, связанным срезным элементом со стволом, конус, установленный на стволе с возможностью взаимодействия с ега опорной ступенью. обойму, установленные в обойме с вазможностыа взаимодействия с плашками клинья, связанные срезными элементами с конусом и установленную под обоймой канцентрична относительно ствола втулку, согласно изобретению, втулк» связана срезным элементом с кольцевым выступом ствола, ус ановлена относительно ствола с вОзможностью осевого перемещения и взаимодействия нижним торцом с уплотнительным элементам, а верхним торцом — с нижним торцом обоймы, обойма связана срейным элементом со стволом и выполнена с вилкоабразными выступами, клинья и конус размещены между выступами обоймы. а сопряженные с клиньями боковые поверхности выступов обоймы в верхней части наклонены к продольной оси обоймы и образуют с наружной поверхностью клиньев пазы типа "ласточкин хвост", при этом конус

cHA3GH срезным элементам с корпусом а

1788208 каждом образующемся между вилкообразными выступами 23 окне, попарно парал- 50 лельны между собой и параллельны продольной оси обоймы 17 и переходят в верхней части окон 23 в поверхности 25, наклоненные к продольной оси обоймы 17: под углом а, равным, например, 7-8 . По- 55 верхности 26 перпендикулярны к продольной оси обоймы 17, В нижней части обоймы

17 име}отся углубления с наклонными поверхностями 27, наклоненными к продольего верхний торец совпадает с верхними торцами выступов обоймы.

На фиг,1 изображено предлагаемое пакерное устройство в разрезе в транспортном положении при спуске в скважину; на фиг.2 — то же, в рабочем положении; на фиг.3 — то же, в транспортном положении при извлечении из скважины; на фиг.4— поперечный разрез узла расклинивания плашек, на фиг.5 — изометрическое изображение опорного конуса (два варианта исполнения якоря пакерного устройства с шестью плашками); на фиг,6 — изометрическое изображение клина; на фиг.7 — изометрическое изображение обоймы; на фиг.8— изометрическое изображение клина.

Пакерное устройство состоит из ствола

1 с проходным каналом 2, кольцевым выступом 3 и опорной ступенью 4. На стволе 1 расположены узел управления 5, шлипсовый узел 6, уплотнительный элемент 7 и якорь 8.

Втулка 9 установлена под якорем 8 концентрично относительно ствола 1, с возможностью осевого перемещения и взаимодействия нижним торцом 10 с шайбой 11 уплотнительного элемента 7, связана срезным элементом 12 с кольцевым выстуfloM 3 ствола 1, Верхний торец 13 втулки 9 при этом свободен, а в рабочем положении выполнен с возможностью взаимодействия с нижним торцом обоймы, Якорь 8 состоит из плашек 14 с боковыми поверхностями типа "ласточкин хвост, узла расклинивания плашек 15 и синхронизатора перемещения плашек 16. Узел расклинивания плашек 15 выполнен составным и включает обойму 17, клинья 18, опорный конус 19.

Обойма 17 представляет собой втулку с цилиндрической поверхностью 20, с проходным отверстием 21, внутренней конической полостью 2 и с вилкообразными, выступами 23

Обойма 17, выполненная с вилкообраз-, ными выступами 23, имеет поверхности 24, 25, 26, причем боковые поверхности 24, в

45 ной оси обоймы 17 под углом /3, равным, например, 10 — 12

Внутренняя коническая полость 22 обоймы 17 выполнена с конусностью, например, 1;5 и ограничена коническими поверхностями 28, Верхняя часть обоймы 17 ограничена верхними торцевыми поверхностями 29. В нижней части обоймы 17 имеются кольцевая ступень 30 и кольцевая канавка 31.

Клин 18 представляет собой клиновидную деталь в виде прямоугольника в сечении с верхней острой кромкой 32 и нижней торцовой поверхностью 33, расположенными под углом 90 к наружной цилиндрической поверхности 34, Боковые поверхности

35 клина 18 параллельны между собой и параллельны образующей наружной цилиндрической поверхности 34. Основание 36 клина 18 (фиг.6) выполнено под углом Р к образующей наружной цилиндрической поверхности 34. Поверхности 37 и 38 клиновидной части клина 18, сходящиеся у верхней острой кромки 32, наклонены к образующей наружной цилиндрической поверхности 34 подуглами а и) соответственно.

Угол равен, например, 7 — 8 На наружной цилиндрической поверхности 34 клина 18 имеется канавка 39, Опорный конус 19 выполнен в виде усеченного конуса с конусностью, например, 1:5, с конической поверхностью 40, проходным отверстием 41, с верхним основанием

42 и нижним основанием 43. Опорный конус

19 имеет равномерно расположенные боковые плоскости 44. наклоненные под углом у к продольной оси, Узел расклинивания плашек 15 собран следующим образом, В окнах между вилкообразными выступами 23 обоймы 17 установлены клинья 18.

При этом боковые поверхности 35 клиньев

18 сопряжены с боковыми поверхностями

24 окон обоймы 17, основание 36 клиньев 18 опирается на наклонные поверхности 27, ;нижние торцовые поверхности 33 клиньев

18 упираются в поверхности 26, верхние острые кромки 32 клиньев 18 совпадают с верхними торцовыми поверхностями 29 обоймы 17. Цилиндрические поверхности

34 клиньев 18 совпадают с цилиндрической поверхностью 20 обоймы 17, канавки 39 клиньев 18 совпадают с кольцевой канавкой

3 1 "обоймы 17, Таким образом, поверхности 37 вместе с поверхностями 25 образуют на якоре 8 наклонные пазы типа "ласточкин хвост" с углом наклона й. Канавки 39 и 31 образуют сплошную кольцевую канавку.

1788208 узел 6, шлипсы кгторого. передвигаясь в наклонных пазах, упираются во внутрен- 50 нюю поверхность обсадной трубы. Таким образом осуществляется опора пакерного устройства на обсадную колонну. Щлипсовый узел 6 становится неподвижным, также становятся неподвижными уплотнительный элемент 7; шайба 11 и втулка 9. Нагрузкой от веса НКТ срезаются винты 12, ствол 1 вместе с якорем 8 продолжает спускаться относительно нег одвижного шлипсового узла 6, уплотнител .ного элемента 7 и втулки

Внутрь обоймы 17 вставлен опорный конус 19 таким образом, .что коническая поверхность 40 совпадает с коническими поверхностями 28, верхнее основание 42 опорного конуса 19 совпадает с верхними торцовыми поверхностями 29 обоймы 17 и верхними острыми кромками 32 клиньев 19.

При этом поверхности 38 клиньев 18 опираются на боковые плоскости 44 опорного конуса 19. В кольцевую канавку, образованную канавками 39 и 31, установлена кольцевая пружина 45, предохраняющая клинья 18 от выпадания наружу и обеспечивающая фиксацию клиньев 18, Клинья 18 с опорным конусом 19 и обойма

17 прикреплены к стволу 1 срезными элементами 46 и 47 соответственно. Таким образом, собранный и обоймы 17, клиньев 18 и опорного конуса 19 узел расклинивания плашек 15 представляет собой цельную систему и надет на ствол 1 проходными отверстиями 21 обоймы 17 и 41 опорного конуса

19 таким образом, что нижнее основание 43 обоймы 17 опирается на опорную ступень 4 ствола 1, Якорь 8 пакерного устройства собран таким образом, что в направляющих пазах типа "ласточкин хвост" узла р склинивания плашек 15 установлены плашки 14, Т-образные концы которых находятся в соответствующих пазах синхронизатора перемещения плац ек 16. ко1орый при помощи срезных элементов 48 прикреплен к муфте 49. Муфта 49 соединяет ствол 1 пакерного устройства и последнюю трубу колонны насосно-компрессорных труб. . Пакерное устройство работает следующим образом.

В собранном виде (фиг.1) пакерное устройство спускается в скважину на колонне насосно-компрессорных труб, При достижении пакерным устройством требуемого места установки манцпулированием колонной насосно- компрессорных труб включается в работу узел управления 5, например, пово ротного действия (фиг.2), При дальнейшем опускании колонны насосно-компрессорHblx труб включае1ся в работ шлипсовый

9. При этом кольцевой выступ 3 доходит до шайбы 11, лежащей на уплотнительном элементе 7, одновременно с тем, когда кольцевая ступень 30 якоря 8 доходит до верхнего торца 13 втулки 9.

Далее ствол 1 давит кольцевым выступом 3 на шайбу 11, сжимающую уплотнительный элемент 7, состоящий, например, из втулок из фторопласта 4, Уплотнительный элемент 7 под действием веса колонны

НКТ сжимается, увеличиваясь в диаметре, и перекрывает кольцевое пространство, происходит запакеровка, Одновременно с началом взаимодействия кольцевого выступа 3 с шайбой 11 начинается взаимодействие втулки 9 с якорем 8 через посредство кольцевой ступени 30.

При этом после срезания винтов 47 узел расклинивания плашек 15, собранный из обоймы 17, клиньев 18 и опорного конуса 19. включается в ранее ставшей неподвижной систему. При дальнейшем опускании ствола

1 плашки 14 передвигаются в наклонных пазах типа "ласточкин хвост" узла расклинивания плашек 15 и упираются во внутреннюю поверхность обсадной трубы. Теперь разгрузка веса колонны НКТ передается уже на плашки 14, что приводит к посадке якоря 8. При этом разгрузка от веса НКТ передается на плашки 14 только до момента срезки винтов 49, и усилие посадки якоря 8 определяется механическими свойствами материалов винта 49. Это усилие впоследствии остается неизменным.

Таким образом, производится опора На шлипсы, запакеровка и якорение пакерного устройства весом колонны насосно-компрессорных труб. Нагрузка эта является постояннойй.

При создании под пакерным устройством давления нагнетания, превышающего давление от веса колонны НКТ, происходит следующее. Сила, развиваемая давлением нагнетания, действует на уплотнительный элемент 7 и, уменьшенная на величину силы трения уплотнителей о внутреннюю поверхность обсадных труб и вес НКТ, передается через посредство втулки 9 якорю 8, имеющему некоторую свободу осевого перемещения относительно ствола 1. При этом усилие заякоривания не уменьшается, а наоборот возрастает пропорционально передаваемой на якорь 8 cvne. Нагрузка от веса

НКТ продолжает полностью передаваться на уплотнительный элемент 7, обеспечивал герметичность пакеровки, Клинья 18 все сильнее заклиниваются относительно внедрившихся в обсадную колонну плашек 14, тем самым все сильнее внедряя зубья последних во внутреннюю поверхность обсац1788208

5

30

55 ной трубы, то есть увеличение выталкивающего усилия ведет к возрастанию удерживающейй сил ы я коря 8.

Извлечение пакерного устройства производится следующим образом. Срыв пакерного устройства происходит при простом поднятии колонны НКТ. При движении вверх ствола 1 относительно неподвижной системы остальных узлов пакерного устройства (фиг.З) опорная ступень 4 на стволе 1 после срезки винтов 46 приподнимает конус 19 и выводит его из-под шарнирно закрепленных клиньев 18, которые, опадая внутрь обоймы 17, освобождают от заклинивания плашки 14, Плашки 14 выходят из зацепления с обсадной колонной.

Придальнейшем поднятии НКТ верхнее основание 42 конуса 19, нижнее основание

43 которого взаимодействует с опорной ступенью 4, воздействует на синхронизатор перемещения плашек 16, который тянет вверх плашки 14 за их верхние Т-образные концы.

Обойма 17 и клинья 18 падают на кольцевой выступ 3 ствола 1, Таким образом, пакерное устройство освобождается от заякоривания.

В процессе освобождения от заякоривания обычным образом разжимается уплотнительный элемент 7 и освобождается шлипсовый узел б, чем пакерное устройство. приводится в положение, позволяющее извлечь его на поверхность, Таким образом, конструкция пакерного устройства позволяет производить его опору на шлипсы, запакеровку и якорение весом колонны насосно-компрессорных труб, которым создается постоянная нагрузка на уплотнительный элемент 7, Размещение между уплотнительным элементом 7 и якорем 8, установленным на стволе 1 с обеспечением некоторой свободы осевого перемещения относительно ствола 1, втулки 9, позволяет обеспечить новое свойство пакерного устройства: когда сила давления под пакерным устройством превышает усилие от веса Н КТ, сила перепада давления на уплотнительный элемент 7 через посредство втулки 9 воздействует на якорь 8, причем чем больше выталкивающее усилие, тем .сильнее внедряются зубья плашек 14 якоря

8 в обсадную колонну, т.е. тем выше удерживающая способность якоря 8, Выполнение узла расклинивания плашек 15 составным, включающим обойму 17 и опорный конус 19 со встречной наклону пазов якоря 8 конусностью, имеющий плоскости 44, на которые опираются шарнирно закрепленные клинья 18, позволяет, кроме обеспечения вышеописанного нового свойства пакерного устройства, легко извлекать пакерное устройство из скважины простым поднятием колонны насосно-компрессорных труб.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в повышении надежности его работы по сравнению с прототипом, чем обеспечивается увеличение межремонтного периода эксплуатации скважин, Формула изобретения

Пакерное устройство, включающее полый ствол с опорной ступенью и кольцевым выступом на наружной поверхности, установленные HB стволе уплотнительный элемент со шлипсовым узлом, размещенные над уплогнительным элементом плашки с синхронизатором их перемещения, связанным срезным элементом со стволом, конус, установленный на стволе с возможностью взаимодействия с его опорной ступенью, обойму, установленные в обойме с возможностью взаимодействия с плашками клинья, связанные срезными элементами с конусом, и установленную под обоймой концентрично относительно корпуса втулку, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности в работе, облегчения процесса установки и извлечения пакерного устройства, втулка связана срезным элементом с кольцевым выступом ствола, установлена относительно ствола с возможностью осевого перемещения и взаимодействия нижним торцом с уплотнительным элементом и верхним торцом — с нижним торцом обоймы, обойма связана срезным элементом со стволом и выполнена с вилкообразными выступами, клинья и конус размещены между выступами обоймы, а сопряженные с клиньями боковые поверхности выступов обоймы в верхней части наклонены к продольной оси обоймы и образуют с наружной поверхностью клиньев пазы типа ласточкина хвоста, при этом конус связан срезным элементом с корпусом, а его верхний торец совпадает с верхними торцами выступов обоймы.

1788208

1788208

1788208 йод

B д

КоРРектоР E.Ïàïï

Редактор

Заказ 58 Тира>к Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

51 га

Составитель А.Литвинов

Техред M,Ìoðãåíòàë