CZ306351B6

CZ306351B6 - Hydraulic packer

Info

Publication number: CZ306351B6
Application number: CZ2015-419A
Authority: CZ
Inventors: Michal Vaněček; Pavel Bílý; Jana Michálková; Václav Frydrych; Michal Stibitz; Česlav Hanzlík; Jan Vintera; Václav Braun; Petr Kučera; Otakar Krásný; Petr Grulich; Michal Neupauer; Jiří Záruba; Hana Semíková
Original assignee: Watrad, Spol. S R.O.; Geomedia S.R.O.; Arcadis Cz. A.S.; Subterra, A.S.; Ankra, Spol. S R.O.
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-14
Also published as: CZ2015419A3

Abstract

In the present invention, there is disclosed a hydraulic packer that is intended for sealing of a predefined point in a borehole (8) comprising a supporting tube (1) with sealing segments (2). At one end of the supporting tube (1), there is co-axially fastened therewith a hydraulic cylinder (3), which is provided with a pressure medium supply (5) for applying pressure to the sealing segments (2) in one direction through the mediation of a blanking sleeve (9) mounted at the supporting tube (1) other end. In said hydraulic cylinder (3), there is mounted a piston (4) that encompasses the supporting tube (1) and slides on the outer surface thereof. The bottom of the piston (4) is in contact with the adjacent sealing segment (2) for applying pressure to the sealing segments (2) in opposite direction. Between the blanking sleeve (9) and the piston (4), the sealing segments (2) are arranged at a distance corresponding to the length of a distance cage (7).

Description

Současný stav technikyCurrent state of the art

V současném stavu techniky lze identifikovat celou řadu konstrukce pakrů. Jejich uspořádání se typově liší podle účelu jejich použití.A number of packer designs can be identified in the current state of the art. Their arrangement differs in type according to the purpose of their use.

Nejrozšířenější oblasti použití je stavebnictví, kde jsou pakry použity zejména jako těsnicí nebo injektážní, např. vysokotlaké pro injektáž nebo nízkotlaké k injektáži speciálních materiálů do stavebních konstrukcí za účelem utěsnění, hydrofobizace, penetrace, impregnace, slepení a zpevnění stavební konstrukce. Pakr je vyroben z kovových a pryžových materiálů.The most widespread areas of application are construction, where packers are used mainly as sealing or grouting, eg high-pressure for grouting or low-pressure for grouting special materials into building structures for sealing, hydrophobization, penetration, impregnation, gluing and strengthening of building structures. The packer is made of metal and rubber materials.

Takové pakry se vyrábějí pro vrty s menším průměrem např. 6 až 20 mm a s vnitřním průtokovým průměrem např. 5 mm. Jedná se o jednoduchou konstrukci, která představuje trubku požadovaného průměru podle průměru vrtu. Trubka je na jedné straně zaslepena a na druhém konci je upravena pro její plnění injektážním materiálem. Dále má trubka vytvořeny radiální otvory, které jsou překryty např. gumovou manžetou, návlekem. Do trubky se tlačí injektážní materiál, který pod tlakem vytéká z radiálních děr, odtlačuje gumovou manžetu na stěny vrtu, čímž se zamezí zpětnému úniku injektážního materiálu z vrtu a tím materiál proniká dál do hmoty stavební konstrukce. Jiným příkladným typem pakru je hydraulicky, pístem ovládaný pakr. Tento pakr má ocelovou pístnici s hydraulickým válcem, distanční rozpěrku a expanzní elastomemí segmenty. Píst ovládaný hydraulickým olejem stlačuje elastomemí segmenty, které zvětšují svůj průměr a tlačí se na stěny vrtu, čímž utěsňuje jeho vnitřní objem. Jak je z uvedeného zřejmé, tyto příkladné konstrukce jsou zcela nevyhovující pro řešení problému, kterým je měření odolnosti horninového prostředí vůči hydraulickému štěpení.Such packers are produced for boreholes with a smaller diameter, eg 6 to 20 mm, and with an internal flow diameter of eg 5 mm. It is a simple construction, which represents a pipe of the required diameter according to the diameter of the borehole. The pipe is blinded on one side and at the other end it is adapted to be filled with injection material. Furthermore, the tube has radial openings which are covered, for example, by a rubber sleeve, a sleeve. The grouting material is pushed into the pipe, which flows out of the radial holes under pressure, pushes the rubber sleeve against the walls of the borehole, thus preventing the grouting material from escaping back from the borehole and thus the material penetrates further into the building structure. Another exemplary type of packer is a hydraulically operated piston-operated packer. This packer has a steel piston rod with a hydraulic cylinder, a spacer and expansion elastomeric segments. The hydraulic oil-operated piston compresses the elastomeric segments, which increase in diameter and press against the borehole walls, thus sealing its internal volume. As can be seen from the above, these exemplary constructions are completely unsatisfactory for solving the problem of measuring the resistance of the rock environment to hydraulic fracturing.

Nicméně, nutno podotknout, že jsou známé i pakry pro použití pro větší tlaky, kde se předem definovaný prostor utěsní např. nafukovacími vaky tzn. jsou aktivovány pneumaticky. Dále jsou známá uspořádaní s aktivací šroubovicí nebo protizávažím. Tato uspořádání jsou poněkud těžkopádná nejsou zcela kompaktní pro použití v terénu.However, it should be noted that packers are also known for use for higher pressures, where a predefined space is sealed, for example, by inflatable bags, i. are activated pneumatically. Helical or counterweight actuations are also known. These arrangements are somewhat cumbersome and are not entirely compact for use in the field.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Uvedené nedostatky stavu techniky jsou odstraněny hydraulickým pakrem podle vynálezu pro utěsnění předem definovaného místa ve vrtu zahrnující hydraulický systém s válcem a pístem, a nosnou trubku s těsnicími segmenty, jehož podstatou je, že na jednom konci nosné trubky je souose s ní upevněn hydraulický válec, který je opatřen přívodem tlakového média pro vyvození tlaku na těsnicí segmenty v jednom směru prostřednictvím zajišťovací objímky uchycené na druhém konci nosné trubky, přičemž v uvedeném hydraulickém válci je uložen píst, který obepíná nosnou trubku a je posuvný na jejím vnějším povrchu, jehož dno je v kontaktu s přilehlým těsnicím segmentem pro vyvození tlaku na těsnicí segmenty v opačném směru, kde mezi zaslepovací objímkou a pístem jsou těsnicí segmenty uspořádány ve vzdálenosti odpovídající délce distanční klece jakož i to, že nosná trubka je na konci s hydraulickým válcem a pístem opatřená hlavicí pro přívod pracovní kapaliny, přičemž v předem definovaném místě délky nosné trubky je vytvořen radiální otvor pro vývod pracovní kapaliny do předem definovaného místa vrtu, nebo že těsnicíSaid drawbacks of the prior art are eliminated by a hydraulic packer according to the invention for sealing a predefined place in a borehole comprising a hydraulic system with a cylinder and a piston, and a support tube with sealing segments, the essence of which is that a hydraulic cylinder is coaxially mounted at one end of the support tube. which is provided with a supply of pressure medium for applying pressure to the sealing segments in one direction by means of a locking sleeve attached to the other end of the support tube, said hydraulic cylinder accommodating a piston which encloses the support tube and is slidable on its outer surface contact with the adjacent sealing segment to apply pressure to the sealing segments in the opposite direction, where between the blanking sleeve and the piston the sealing segments are arranged at a distance corresponding to the length of the spacer cage as well as the support tube at the end with hydraulic cylinder and piston working fluid, taking at a predefined location the length of the nose A radial hole is formed in the pipe for the discharge of the working fluid to a predefined location of the borehole, or for sealing

- 1 CZ 306351 B6 segment má tvar dutého válečku z elastomerního materiálu, jehož konce jsou opatřeny ocelovými miskami s osovými vývrty, jejichž průměr odpovídá průměru dutiny válečku.The segment has the shape of a hollow cylinder made of elastomeric material, the ends of which are provided with steel cups with axial bores, the diameter of which corresponds to the diameter of the cylinder cavity.

Podstatou je také to, že dutý váleček těsnicího segmentu je vyroben z pryže, jakož i to, že distanční klec je tvořena alespoň třemi tyčemi, jejichž konce jsou spojeny mezikruhovou ocelovou destičkou.It is also essential that the hollow cylinder of the sealing segment is made of rubber, as well as that the spacer cage is formed by at least three rods, the ends of which are connected by an annular steel plate.

Výhodou navržené konstrukce hydraulického pakru podle vynálezu je to, že umožňuje dvojité utěsnění vrtu s využitím pulzního tlaku.The advantage of the proposed construction of the hydraulic packer according to the invention is that it allows double sealing of the borehole using pulse pressure.

Objasnění výkresuExplanation of the drawing

Hydraulický pakr pro utěsnění předem definovaného místa ve vrtu podle vynálezu je znázorněn na přiloženém výkrese, kde obr. 1 představuje jeho sestavu v podélném řezu uvnitř vrtu.A hydraulic packer for sealing a predefined location in a borehole according to the invention is shown in the accompanying drawing, where Fig. 1 shows its assembly in longitudinal section inside the borehole.

Příkladné uskutečnění vynálezuExemplary embodiments of the invention

Podle přiloženého obr. 1 příkladná konstrukce pakru podle vynálezu sestává z nosné trubky 1, jejíž jeden konec je zaslepen zajišťovací objímkou 9. Její druhý konec je opatřen hlavicí 6pro přívod pracovní kapaliny, v tomto případě tlakové vody.According to the enclosed Fig. 1, an exemplary packer construction according to the invention consists of a support tube 1, one end of which is blinded by a locking sleeve 9. Its other end is provided with a head 6 for supplying working fluid, in this case pressurized water.

Blíže tomuto konci je na nosné trubce 1 upevněn hydraulický válec 3, jehož hlava je vybavena přívodem 5 tlakového média pro ovládání pístu 4, který je uložen v hydraulickém válci 3 a obklopuje nosnou trubku f.Closer to this end, a hydraulic cylinder 3 is mounted on the support tube 1, the head of which is provided with a pressure medium supply 5 for actuating the piston 4, which is housed in the hydraulic cylinder 3 and surrounds the support tube f.

V předem definovaném místě délky nosné trubky 1 je vytvořen radiální otvor 12 pro vývod pracovní kapaliny, do místa zkoušky hydraulického štěpení horniny ve vrtu 8. Radiální otvor 12 je s výhodou kuželového tvaru, jehož základna tj. větší průměr je na vnějším povrchu nosné trubky 1Mezi zajišťovací objímkou 9 a pístem 4 jsou na nosné trubce 1 navlečeny těsnicí segmenty 2. Ve znázorněném příkladném provedení jsou na nosné trubce 1 čtyři těsnicí segmenty 2, z nichž dva vnitřní jsou těsnicí a dva vnější jsou jistící. Vnitřní, těsnicí segmenty 2 vymezují tlakovou zónu, v níž se provádí štěpení a vnější těsnicí segmenty 2 oddělují tlakovou zónu od beztlakové zóny uvnitř vrtu 8.At a predefined location of the length of the support tube 1, a radial hole 12 is formed for the discharge of working fluid to the test site of hydraulic rock fracturing in the borehole 8. The radial hole 12 is preferably conical, the base of which is larger on the outer surface of the support tube. The locking sleeve 9 and the piston 4 thread the sealing segments 2 onto the support tube 1. In the exemplary embodiment shown, there are four sealing segments 2 on the support tube 1, two inner ones being sealing and two outer ones being securing. The inner, sealing segments 2 define a pressure zone in which splitting takes place and the outer sealing segments 2 separate the pressure zone from the pressureless zone inside the borehole 8.

Jeden ze dvou vnějších těsnicích segmentů 2 se opírá o zajišťovací objímku 9 a druhý z vnějších těsnicích segmentů 2 je opřen o dno pístu 4. Mezi těmito vnějšími těsnicími segmenty 2 jsou uloženy další dva těsnicí segmenty 2, v tomto případě vnitřní, které vymezují prostor štěpení horninového materiálu ve vrtu 8.One of the two outer sealing segments 2 rests on the locking sleeve 9 and the other of the outer sealing segments 2 rests on the bottom of the piston 4. Between these outer sealing segments 2 are placed two further sealing segments 2, in this case inner, which define the splitting space. of rock material in the well 8.

Samotný těsnicí segment 2 sestává ze dvou ocelových misek 10, které jsou pevně spojeny s dutým válečkem z elastomerního materiálu, kterým může být např. pryž. Ocelové misky 10 mají středové otvory, jejichž průměr odpovídá průměru dutiny dutého válečku a průměru nosné trubky 1.The sealing segment 2 itself consists of two steel cups 10, which are firmly connected to a hollow roller of elastomeric material, which can be, for example, rubber. The steel bowls 10 have central holes, the diameter of which corresponds to the diameter of the hollow cylinder cavity and the diameter of the support tube 1.

Těsnicí segmenty 2 jsou na nosné trubce 1 uspořádány v určitém rozestupu, který je určen délkou distanční klece 7.The sealing segments 2 are arranged on the support tube 1 at a certain distance, which is determined by the length of the spacer cage 7.

Zmíněná distanční klec 7 je v příkladném provedení tvořena alespoň třemi pruty, jejichž konce jsou spojeny ocelovou destičkou 11 mezikruhového tvaru, kde průměr vnitřního centrálního otvoru opět odpovídá průměru nosné trubky 1. Je zde uveden počet prutů na jednu distanční klec 7 alespoň tři kusy vzhledem k požadované minimální stabilitě. Uvedená distanční klec 7 nemusíSaid spacer cage 7 is in the exemplary embodiment formed by at least three rods, the ends of which are connected by a steel plate 11 of intercircular shape, where the diameter of the inner central hole again corresponds to the diameter of the support tube 1. The number of rods per spacer cage 7 is at least three required minimum stability. Said spacer cage 7 does not have to be

-2CZ 306351 B6 být nutně tvořena pruty, ale může zde být použit jakýkoliv distanční prvek, např. trubka požadované délky k zajištění požadované vzdálenosti mezi těsnicími segmenty 2.-2GB 306351 B6 may necessarily be formed by rods, but any spacer element may be used here, e.g. a pipe of the required length to ensure the required distance between the sealing segments 2.

Je pochopitelné, že vnější průměry všech součástí pakru, tj. hydraulického válce 3, těsnicích segmentů 2 a distančních klecí 2 musí být přiměřeně menší, než je průměr vrtu 8 pro bezproblémové zasunutí dovnitř vrtu 8. Zrovna tak, musí být vnitřní průměry všech součástí pakru, které jsou navlečeny na nosné trubce 1, tj. píst 4, těsnicí segmenty 2 a ocelové destičky 11 distančních klecí 7 přiměřeně větší, než je průměr nosné trubky 1 pro zabezpečení jejich případného nutného posuvu po jejím povrchu.It is understood that the outer diameters of all components of the packer, i.e. the hydraulic cylinder 3, the sealing segments 2 and the spacer cages 2, must be reasonably smaller than the diameter of the borehole 8 for trouble-free insertion into the borehole 8. which are threaded on the support tube 1, i.e. the piston 4, the sealing segments 2 and the steel plates 11 of the spacer cages 7 reasonably larger than the diameter of the support tube 1 to ensure their possible necessary displacement on its surface.

Při použití se výše popsané uspořádání pakru, tzn. nosná trubka 1 s koncovými prostředky, mezi nimiž jsou uloženy střídavě těsnicí segmenty 2 a distanční klece 7, zasune do vrtu 8, do předem daného místa předpokládaného štěpení horninového masivu tak, že hlavice 6 a hydraulický válec 3 s pístem 4 jsou blíže ústí vrtu 8. Jak hlavice 6 pakru, tak i hydraulický válec 3 jsou napojeny na neznázoměný zdroj tlakového média, případně pracovní kapaliny. Do hydraulického válce 3 se aplikuje tlakové médium. Vlivem tlaku v hydraulickém válci 3 se tento pohybuje spolu s nosnou trubkou JJedním směrem, v tomto případě směrem vzhůru k ústí vrtu 8 a píst 4 se pohybuje opačným směrem, v tomto případě směrem ke dnu vrtu 8. Nosná trubka 1 přes zajišťovací objímku 9 na svém druhém konci při pohybu směrem vzhůru tlačí na těsnicí segmenty 2 přes distanční klece 1 a současně píst 4 tlačí na těsnicí segmenty 2 přes distanční klece 1 směrem dolů ke dnu vrtu 8. Vlivem vyvíjeného tlaku na válečky z elastomemího materiálu těsnicích segmentů 2 dochází k jejich deformaci, tzn. k zmenšení jejich výšky a tím zvětšení jejich průměru. Jinými slovy, válečky z elastomemího materiálu se stlačí a vyhřeznou mimo ocelové misky 10 až se takto vytěsněný materiál opře o stěnu vrtu 8. Tím dojde jednak k upnutí pakru ve vrtu 8 a současně kjeho utěsnění a vymezení prostoru k provedení štěpení horninového masivu v požadovaném místě vrtu 8.In use, the packer arrangement described above, i. the support tube 1 with end means, between which the sealing segments 2 and the spacer cage 7 are placed alternately, slides into the borehole 8, into a predetermined place of presumed splitting of the rock mass so that the head 6 and the hydraulic cylinder 3 with piston 4 are closer to the mouth of the borehole 8. Both the packer head 6 and the hydraulic cylinder 3 are connected to a source (not shown) of pressure medium or working fluid. A pressure medium is applied to the hydraulic cylinder 3. Due to the pressure in the hydraulic cylinder 3, it moves together with the support tube J in one direction, in this case upwards towards the mouth of the borehole 8 and the piston 4 moves in the opposite direction, in this case towards the bottom of the borehole 8. The support tube 1 via the locking sleeve 9 on at its other end when moving upwards it presses on the sealing segments 2 via the spacer cages 1 and at the same time the piston 4 pushes on the sealing segments 2 via the spacer cages 1 downwards to the bottom of the borehole 8. Due to the applied pressure on the elastomeric material rollers the sealing segments 2 deformation, ie. to reduce their height and thus increase their diameter. In other words, the rollers of elastomeric material are compressed and cut out of the steel bowl 10 until the material thus displaced rests on the wall of the borehole 8. This clamps the packer in the borehole 8 and at the same time seals and defines the space well 8.

Po provedení tohoto kroku se přes hlavici 6 do nosné trubky j_ zavádí pod určitým tlakem pracovní kapalina pro rozrušování horninového materiálu v požadovaném místě vrtu 8. Vzhledem k tomu, že je nosná trubka 1 v podstatě zaslepena zajišťovací objímkou 9, pracovní kapalina uniká z nosné trubky 1 radiálním otvorem 12 do prostoru vrtu 8, který je vymezen těsnicími segmenty 2 situovanými nad a pod radiálním otvorem 12. Pracovní kapalina tak pod tlakem rozrušuje v tomto místě horninu a následně se zjišťuje odolnost vůči hydraulickému štěpení.After performing this step, a working fluid for disrupting the rock material at the desired location of the borehole 8 is introduced under a pressure into the support tube 1 via the head 6. Since the support tube 1 is substantially blinded by the locking sleeve 9, the working fluid escapes from the support tube. 1 through a radial opening 12 into the space of the borehole 8, which is defined by sealing segments 2 situated above and below the radial opening 12. The working fluid thus disrupts the rock under pressure at this point and subsequently the resistance to hydraulic fracturing is determined.

V modelové realizaci se hydraulický pakr podle předloženého řešení aktivoval pomocí pístu 4 pod tlakem vody až 30 MPa. Takto vyvolaný tlak přes shora popsané součásti způsobil deformaci pryžových vložek tak, že se zvětšil jejich průměr. Každá z pryžových vložek má podle jejich pozice v systému jiný obvod v klidovém stavu a může být vyrobena s mírně modifikovanými vlastnostmi. Nutná charakteristika vlastností a rozměrové či tvarové rozdíly těsnicích segmentu 2, respektive jejich pryžových částí je dána rozdílnou mobilitou prvků při aktivaci pakru.In the model implementation, the hydraulic packer according to the presented solution was activated by means of a piston 4 under a water pressure of up to 30 MPa. The pressure thus induced over the components described above caused the rubber inserts to deform so as to increase their diameter. Each of the rubber inserts has a different idle circuit according to their position in the system and can be made with slightly modified properties. The necessary characteristics of the properties and dimensional or shape differences of the sealing segments 2, or their rubber parts, are given by the different mobility of the elements during the activation of the packer.

Claims

PATENT CLAIMS

A hydraulic packer for sealing a predefined location in a borehole (8) comprising a hydraulic system with a cylinder (3) and a piston (4), and a support tube (1) with sealing segments (2), characterized in that at one end the support the hydraulic cylinder (3) is mounted coaxially with the pipe (1), which is provided with a pressure medium supply (5) for applying pressure to the sealing segments (2) in one direction by means of a locking sleeve (9) attached to the other end of the support pipe (1). ), said hydraulic cylinder (3) housing a piston (4) which surrounds the support tube (1) and is slidable on its outer surface, the bottom of which is in contact with the adjacent sealing segment (2) to apply pressure to the sealing segments (2) in the opposite direction, where between the blanking sleeve (9) and the piston (4) the sealing segments (2) are arranged at a distance corresponding to the length of the spacer cage (7).

Hydraulic packer according to claim 1, characterized in that the support tube (1) is provided at the end with the hydraulic cylinder (3) and the piston (4) with means (6) for connecting the working fluid, at a predefined location of the support tube length (1) a radial opening (12) is formed for the supply of working fluid to a predefined location of the borehole (8).

Hydraulic packer according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing segment (2) has the shape of a hollow cylinder, the ends of which are provided with steel cups (10) with axial bores, the diameter of which corresponds to the diameter of the roller cavity.

Hydraulic packer according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the hollow roller of the sealing segment (2) is made of rubber or elastomer with similar physical properties.

Hydraulic packer according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the spacer cage (7) is formed by at least three rods, the ends of which are connected by an annular steel plate (11).