DE1237965B

DE1237965B - Anchoring device for borehole packers

Info

Publication number: DE1237965B
Application number: DEC33695A
Authority: DE
Inventors: Phillip Riley Hefley; Gilbert Henry Tausch
Original assignee: CAMCO Inc
Current assignee: CAMCO Inc
Priority date: 1963-12-19
Filing date: 1964-08-21
Publication date: 1967-04-06
Also published as: NL6410059A; US3279544A; GB1005526A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

E21bE21b

Deutsche KL: 5a-33/12 German KL: 5a-33/12

Nummer: 1237965Number: 1237965

Aktenzeichen: C 33695 VI a/5 aFile number: C 33695 VI a / 5 a

Anmeldetag: 21. August 1964 Filing date: August 21, 1964

Auslegetag: 6. April 1967Opened on: April 6, 1967

Verankerungsvorrichtung für BohrlochpackerAnchoring device for borehole packers

Anmelder:Applicant:

Cameo Incorporated, Houston, Tex. (V. St. A.)Cameo Incorporated, Houston, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr. phil. G. HenkelDr. phil. G. Henkel

und Dr. rer. nat. W.-D. Henkel, Patentanwälte, München 9, Eduard-Schmid-Str. 2and Dr. rer. nat. W.-D. Henkel, patent attorneys, Munich 9, Eduard-Schmid-Str. 2

Als Erfinder benannt:
Gilbert Henry Tausch,
Phillip Riley Hefley, Houston, Tex. (V. St. A.)Named as inventor:
Gilbert Henry Swap,
Phillip Riley Hefley, Houston, Tex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Dezember 1963 (331748)Claimed priority:
V. St. v. America December 19, 1963 (331748)

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Verankerungsvorrichtung für Bohrlochpacker mit einem Expander zum Herausdrängen von getrennten Schleppkeilen und i'ederbelasteten Reibblöcken.The invention relates to an improved anchoring device for well packers with an expander for pushing out separate drag wedges and spring-loaded rub blocks.

Bekannte derartige Vorrichtungen haben den Nachteil, daß der federbelastete Reibblock mit konstanter Kraft an die Bohrlochwandung oder deren Auskleidung gedrängt wird; seine Reibung ist jedoch erst dann erwünscht, wenn der Bohrlochpacker gesetzt werden soll. Der Stand der Technik ist also dahingehend verbesserungsbedürftig, daß die Federkraft, die den Reibblock nach außen drückt, dann verstärkt werden sollte, wenn der Packer gesetzt werden soll.Known such devices have the disadvantage that the spring-loaded friction block with constant Force is urged on the borehole wall or its lining; its friction is however only desired when the well packer is to be set. So the state of the art is in need of improvement to the effect that the spring force that pushes the friction block outwards, then should be reinforced if the packer is to be set.

Bei bekannten Anordnungen der erfindungsgemäßen Art wird der Schleifkeil durch zwei Nut/Feder-Verbindungen innen gehalten, solange er nicht benötigt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch diese Funktion durch die genannte Feder zu erfüllen und so die Nut/Feder-Verbindungen aoIn known arrangements of the type according to the invention, the wedge is made by two tongue and groove connections kept inside as long as it is not needed. The invention is based on the object also to fulfill this function by the said spring and so the tongue and groove connections ao

zu ersetzen, welche dazu neigen, infolge eingedrun- to replace, which tend to

gener Fremdkörper zu verklemmen.to jam gener foreign bodies.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- *According to the invention, this object is achieved by

löst, daß die Schleppkeile jeweils einen die Reib- Flansche ausläuft, dessen Oberseite eine Mitnehblöcke untergreifenden, einen Zapfen besitzenden 25 merschulter bzw. Begrenzungsanschlag für eine abAbschnitt aufweisen und daß zwischen die Reib- wärts gerichtete Innenschulter des Lagerrings 6 bilblöcke und die Schleppkeile jeweils eine Druckfeder det. Der obere Anschlagring 3 liegt an einem Beeingesetzt ist, welche von dem zugehörigen Zapfen festigungsring 9 an, der an das obere Ende des Rohrin Stellung gehalten wird. Stücks 2 angeschraubt ist. Die obere Berührungsfla-Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform 30 ehe 10 des Befestigungsrings 9 überträgt eine abwärts der Erfindung an Hand der Zeichnungen genauer gerichtete Packersetzkraft, wenn der Kopfabschnitt erläutert. Es zeigt: 11 eines einen Teil der Packeranordnung darstel-F i g. 1 einen teilweise in Seitenansicht und teil- lenden länglichen Zentralrohrs auf sie drückt. Beide weise in radialem Schnitt dargestellten erfindungs- Enden des Zentralrohrs 12 können Kupplungen tragemäßen Bohrlochpacker und 35 gen, um in einem Bohrrohrstrang verwendet werden F i g. 2 eine auseinandergezogene perspektivische zu können.solves that the drag wedges each run out one of the friction flanges, the upper side of which has a shoulder or limit stop, which engages under driving blocks and has a pin, for a section and that between the inner shoulder of the bearing ring directed towards the friction 6 bilblocks and the drag wedges each have a compression spring det. The upper stop ring 3 rests on a fitting, which is fastened by the associated pin fastening ring 9, which is held in position on the upper end of the pipe. Piece 2 is screwed on. The following is a preferred embodiment 30 before 10 of the fastening ring 9 transmits a packer setting force more specifically directed downwards of the invention with reference to the drawings when the head portion is illustrated. It shows: FIG. 11 shows a part of the packer arrangement. 1 presses an elongated central tube, partially in side view and partially, onto it. Both ends of the central pipe 12 according to the invention, shown in a radial section, can be used in a drill pipe string to be used in a drill pipe string. Figure 2 shows an exploded perspective.

Darstellung des Reibblocks und des mit diesem zu- Gemäß Fig. 1 ist der Außendurchmesser desRepresentation of the friction block and the with this to- According to FIG. 1, the outer diameter of the

sammenwirkenden Schleifkeils. Zentralrohrs 12 im Bereich des Rohrstücks 2 etwasinteracting abrasive wedge. Central tube 12 in the region of the pipe section 2 something

Der in F i g. 1 dargestellte Bohrlochpacker weist kleiner als dessen Innendurchmesser. Der Zwischeneine Packerhülse 1 aus nachgiebigem Material, z.B. 40 raum 14 zwischen beiden bildet einen die Packer-Gummi, auf, die ein Rohrzwischenstück 2 eng um- hülse 1 umgehenden Umgehungskanal zwischen dem schließt und an ihren beiden Enden zwei in Axial- oberen Ende des Rohrstücks 2 am Befestigungsring richtung relativ zueinander bewegbaren, hochgezo- 10 und dem Unterteil des Rohrstücks 2 bei aufeingenen Anschlagringen 3 und 4 anliegt, welche die ander ausgerichteten, das Rohrstück 2 und den Anradiale Ausdehnung der Hülse 1 steuern, damit sich 45 schlagring 6 durchsetzenden Radialöffnungen 13. Der diese dichtend an die Wand eines Bohrlochs bzw. Umgehungskanal 14 wird bei der Abwärtsbewegung einer die Bohrlochwand verkleidenden Bohrlochver- des Zentralrohrs 12 durch den Dichtring 15 geschlosrohrung5 anlegen kann. Der untere Anschlagring 4 sen, wobei die Teile 11 und 10 in Kraftübertraliegt an einem am oberen Ende eines Schleifkeil- gungsberührung miteinander gelangen. Der Umexpanderrohrs 7 befestigten Lagerring 6 an und vermag 50 gehungskanal gewährleistet einen Druckausgleich zu auf dem unteren Endabschnitt des Rohrzwischen- beiden Seiten der Packerhülse 1, insbesondere dann, Stücks 2 zu gleiten, das in einen radial abstehenden wenn diese freigegeben und das Zentralrohr 12 zumThe in F i g. 1 shown borehole packer has smaller than its inner diameter. Between a packer sleeve 1 made of flexible material, eg 40 space 14 between the two forms a packer rubber, which closes a pipe adapter 2 tightly encompassing sleeve 1 between the bypass channel and at both ends two axially upper end of the pipe section 2 on the fastening ring direction relative to each other movable, pulled up 10 and the lower part of the pipe section 2 rests at aufeingenen stop rings 3 and 4, which control the other aligned, the pipe section 2 and the radial expansion of the sleeve 1, so that 45 impact ring 6 penetrating radial openings 13 . the this sealingly against the wall of a borehole or bypass passage 14 is of the central tube can create by the sealing ring 15 geschlosrohrung5 12 during the downward movement of the borehole wall clad Bohrlochver-. The lower stop ring 4 sen, whereby the parts 11 and 10 come into force transmitted at one at the upper end of a grinding wedge contact with one another. The re-expander pipe 7 attached to the bearing ring 6 and capable of 50 passage ensures a pressure equalization to slide on the lower end section of the pipe between the two sides of the packer sleeve 1, in particular, piece 2 that protrudes radially when this is released and the central pipe 12 to

709 548/48709 548/48

Herausheben der Dichtung 15 aus dem Zwischenrohr 2 angehoben werden soll, sowie unmittelbar vor dem vollständigen Zurückziehen der Packerhülse 1.Lifting the seal 15 out of the intermediate tube 2 is to be lifted, as well as directly before fully retracting the packer sleeve 1.

Bevor das Zentralrohr 12 gegenüber der umschließenden Packeranordnung abwärts bewegt werden kann, muß der Schleifkeilexpander 7 an einer Bewegung relativ zur Wand 5 des Bohrlochs gehindert werden. Anfänglich und während des Einlaufens in das Bohrrohr sind die Bestandteile der Packereinheit mittels einer J-Schlitz-Stift-Verbindung gekuppelt, welche die untere Schleppkeilbaugruppe 17, 18 lösbar mit dem Zentralrohr 12 verbindet. Die untere Schleppkeilgruppe weist eine Reihe kreissegmentförmiger Schleppkeile 17 auf, die an ihrer Außenseite mit abwärts gerichteten Zahnwülsten versehen sind und denen je ein Reibblock 18 zugeordnet ist. Jeder Schleppkeil sowie sein zugeordneter Reibblock sind zwischen radial voneinander entfernten Innen- und Außenwänden 19, 20 eines Haltekäfigs angeordnet und ragen seitlich aus Ausschnitten in der äußeren Käfigwand 20 heraus. Die Stirnflächen der einzelnen Reibblöcke 18 sind dem jeweils zugeordneten Schleppkeil 17 zugewandt, und jeder Block weist gemäß F i g. 2 längs beider Seitenkanten Führungsleisten 21 auf, die sich an den axialen Rändern des jeweiligen Ausschnitts hinter die Käfigwand 20 erstrecken und ein Herausfallen des Blocks aus dem Haltekäfig verhindern. Darüber hinaus trägt jeder Reibblock an seinen Seitenkanten eine oder mehrere waagerecht abstehende, radiale Führungsleisten 22, die verschieblich in entsprechenden Führungsnuten 23 der Außenwand 20 liegen. Die in der Führungsnut 23 gleitende Führungsleiste 22 legt den Reibblock gegen eine axiale Verlagerung fest und hindert ihn daran, mit seiner Oberkante die Unterseite des Schleppkeils 17 zu berühren, damit dieser sich reibungsfrei radial bewegen kann.Before the central pipe 12 is moved downwards with respect to the surrounding packer arrangement can, the wedge expander 7 must be prevented from moving relative to the wall 5 of the borehole will. Initially and while running into the drill pipe, the components of the packer unit are coupled by means of a J-slot and pin connection which makes the lower drag wedge assembly 17, 18 releasable connects to the central tube 12. The lower group of draglines has a number of circular segments Drag wedges 17, which are provided on their outside with downwardly directed tooth beads are and each of which a friction block 18 is assigned. Each drag wedge and its associated friction block are between radially spaced inner and outer walls 19, 20 of a holding cage arranged and protrude laterally from cutouts in the outer cage wall 20. The end faces of the individual friction blocks 18 are facing the respectively assigned drag wedge 17, and each According to FIG. 2 along both side edges guide strips 21, which are located on the axial edges of the respective section extend behind the cage wall 20 and a falling out of the Prevent blocks from the retaining cage. In addition, each rub block carries on its side edges one or more horizontally protruding, radial guide strips 22, which are displaceable in corresponding Guide grooves 23 of the outer wall 20 lie. The guide strip sliding in the guide groove 23 22 sets the friction block against axial displacement and prevents it from with its upper edge the Touching the underside of the drag wedge 17 so that it can move radially without friction.

Die Innenwand 19 des Haltekäfigs 19, 20 trägt einen diesen Haltekäfig unten abschließenden Ansatz 24, an dem die Außenwand 20 mittels Schrauben 25 befestigt ist.The inner wall 19 of the holding cage 19, 20 carries an approach that closes this holding cage at the bottom 24, to which the outer wall 20 is fastened by means of screws 25.

In zwei einander diametral gegenüberliegenden radialen Bohrungen dieses Ansatzes 24 sind Arretierstifte 26 angeordnet, deren Köpfe durch die Außenwand 20 überlagert werden und die sich radial einwärts in J-förmige Schlitze 27 erstrecken, die in eine an den unteren Abschnitt des Zentralrohrs 12 angeschweißte Rohrhülse 28 eingeschnitten sind, auf deren oberem Ende ein Lastverteilungsring 29 aufliegt welcher den Flansche des Rohrzwischenstücks 2 stützt.There are locking pins in two diametrically opposite radial bores of this projection 24 26 arranged, the heads of which are superimposed by the outer wall 20 and which are radially extending inwardly into J-shaped slots 27 made in a tubular sleeve 28 welded to the lower section of the central tube 12 are cut the upper end of which rests a load distribution ring 29 which the flanges of the pipe adapter 2 supports.

Jeder Schleppkeil 17 besteht aus einem sich verjüngenden, kreissegmentförmigen Keil, dessen Rückseite gegenüber der Axialrichtung entsprechend der Schrägung einer kegelsüirnpfförmigen Fläche 30 des teleskopartig in die Käfigaußenwand 20 eingesetzten unteren Endabschnitts des Rohrexpanders 7 geneigt ist. Eine am Expander vorgesehene äußere, aufwärts gerichtete Schulter 31 dient als Sicherheitsmitnehmeranschlag für einen Begrenzungsanschlagring bzw. Abstandring 32, der oben in die Haltekäfigwand 20 eingeschraubt ist.Each drag wedge 17 consists of a tapering, circular segment-shaped wedge, the back of which with respect to the axial direction corresponding to the inclination of a conical surface 30 of the The lower end section of the tube expander 7 inserted telescopically into the outer wall of the cage 20 is inclined is. An outer, upwardly directed shoulder 31 provided on the expander serves as a safety driver stop for a limit stop ring or spacer ring 32, which is inserted into the retaining cage wall 20 is screwed in.

Der Schleif- und der Reibblock jedes komplementären, zusammenwirkenden Satzes weisen an ihren einander benachbarten Enden einander axial überlappende Abschnitte auf, zwischen denen eine unter Druck stehende Druckfeder 33 angeordnet ist, welche den Reibblock nachgiebig auswärts und den Schleppkeil nachgiebig einwärts drängt. Die äußersten Windungen der Druckfeder 33 sitzen eng in einer Ausnehmung der Rückseite des Reibblocks 18, während die innersten Federwindungen einen Zapfen 34 umschließen, der auf einem sich mit dem entsprechenden Abschnitt des Reibblocks 18 axial überlappenden Abschnitt 35 des Schleppkeils 17 sitzt. Auf diese Weise sind Schleppkeil und Reibblock über dieThe grinding and rubbing blocks of each complementary, cooperating set face theirs adjacent ends axially overlapping sections, between which one pressurized compression spring 33 is arranged, which the friction block resiliently outward and the Drag wedge urges yielding inwards. The outermost turns of the compression spring 33 sit tightly in one Recess the back of the friction block 18, while the innermost spring coils have a pin 34 enclose, which on a with the corresponding portion of the friction block 18 axially overlapping Section 35 of the drag wedge 17 is seated. In this way, drag wedge and friction block are over the

ίο Druckfeder 33 miteinander gekoppelt. In zurückgezogener Stellung des Schleppkeils liegt dessen Abschnitt 35 an der inneren Käfigwand 19 an und wird außer Berührung mit dem Zentral rohr 12 gehalten. Käfigwand 19 und Zentralrohr 12 sind mit solchem Zwischenraum zusammengepaßt, daß keine Behinderung von relativen Dreh- und Axialbewegungen auftritt. Außerdem ist die Breite der Anordnung in zurückgezogener Stellung der Schleppkeile so bemessen, daß die scharfkantigen Zahnwülste des Schleppkeils 17 sicher außer Berührung mit der Bohrlochwand gehalten werden. Der Abschnitt 35 ist vorzugsweise verhältnismäßig kurz und untergreift nur den unmittelbar angrenzenden Endabschnitt des in Axialrichtung längeren Reibblocks 18, während zwischen dem Reibblock und der inneren Käfigwand 19 eine oder mehrere weitere Federn 36 vorgesehen sind, um einen ausreichend großen auswärts gerichteten Druck auszuüben und den Reibblock in Radialrichtung geradlinig auswärts vorzuschieben.ίο Compression spring 33 coupled to one another. In withdrawn In the position of the drag wedge, its section 35 rests against the inner cage wall 19 and is held out of contact with the central tube 12. Cage wall 19 and central tube 12 are with such Space matched so that there is no obstruction of relative rotational and axial movements. In addition, the width of the arrangement in the retracted position of the drag wedges is such that that the sharp-edged tooth beads of the drag wedge 17 safely out of contact with the Borehole wall are held. The section 35 is preferably relatively short and reaches below only the immediately adjacent end portion of the axially longer friction block 18, while One or more further springs 36 are provided between the friction block and the inner cage wall 19 are to exert a sufficiently large outward pressure and the friction block in the radial direction to advance in a straight line outwards.

Wenn die Arretierstifte 26 und ihre zugeordneten 3-förmägen Schlitze 27 die äußeren, zurückgezogenen Packerbauteile gemäß Fig. 1 mit dem Zentralrohr 12 verriegeln, kann die Anordnung mit einem Rohrstrang gekoppelt und durch das Bohrloch abgelassen werden, wobei nur die Reibblöcke 18 das Bohrloch oder dessen Verrohrung 5 berühren. Bei Erreichen der gewünschten Tiefe, in welcher der Packer gesetzt werden soll, wird der Stift 26 durch entsprechende Handhabung des Rohrstrangs vom kurzen Abschnitt der J-Schlitzverbindung gelöst. Bei dieser Handhabung der dargestellten Konstruktion wird der Rohrstrang relativ zur Schleppkeilkäfig-Unterbaugruppe angehoben, wobei die Wirkung der Reibblöcke einer Verschiebung dieser Unterbaugruppe relativ zur Bohrrohrwand Widerstand leistet. Anschließend wird bei einer Teildrehung des Rohrstrangs der lange Abschnitt des J-förmigen Schlitzes auf den Stift 26 ausgerichtet, woraufhin der Rohrstrang und das Zentralrohr 12 relativ zum Stift 26 und zur Käfig-Schleifkeil-Unterbaugruppe gesenkt werden. Bei dieser Abwärtsbewegung des Rohrstrangs verschiebt sich der Expander abwärts hinter die Schleppkeile 17 und drängt diese gegen die einwärts gerichtete Kraft der Druckfedern 33 auswärts.When the locking pins 26 and their associated 3-shaped slots 27 are the outer, retracted Lock packer components according to FIG. 1 with the central pipe 12, the arrangement can with a pipe string coupled and drained through the borehole with only the rub blocks 18 leaving the borehole or touch its piping 5. When reaching the desired depth at which the packer is set is to be, the pin 26 is by appropriate manipulation of the tubing from the short section the J-slot connection released. With this handling of the construction shown, the Pipe string lifted relative to the drag cage subassembly using the action of the rub blocks resistance to displacement of this subassembly relative to the drill pipe wall. Afterward If the tubing string is partially rotated, the long section of the J-shaped slot becomes aligned with pin 26, whereupon the tubing string and central tube 12 relative to pin 26 and lowered to the cage wedge sub-assembly. During this downward movement of the pipe string the expander moves downwards behind the drag wedges 17 and pushes them against the inward directed force of the compression springs 33 outward.

Abschnitte 35 neigen anfänglich zu einem Verschwenken an der inneren Käfigwand, während der Oberteil des Schleppkeils auswärts in oder fast in Berührung mit der Bohrrohrwand verschwenkt wird. Bei Fortsetzung der äußeren Verklemmwirkung und weiterem Senken des Expanders 7 geben die Druckfedern 33 nach und bewirken ein festes Anliegen der Schleppkeile 17 über deren Gesamtlänge hinweg an der Bohrrohrwandung, um eine einwandfreie Haltewirkung und einen Widerstand der Packeranordnung gegen eine Verschiebung in Abwärtsrichtung zu gewährleisten. Sind die Schleppkeile sicher verriegelt, so werden der Expander 7 und der Packerhülsenanschlagring 4 nicht weiter abwärts bewegt, so daßSections 35 initially tend to pivot on the inner cage wall during the Upper part of the drag wedge is pivoted outwards into or almost in contact with the drill pipe wall. If the external jamming effect is continued and the expander 7 is lowered further, the compression springs give 33 and cause the drag wedges 17 to rest firmly over their entire length the drill pipe wall to ensure a proper holding effect and resistance of the packer assembly to ensure against a shift in the downward direction. Are the drag chocks securely locked, so the expander 7 and the packer sleeve stop ring 4 are not moved further downwards, so that

Claims

the packer sleeve is given a larger diameter by an axially exerted pressure and touches the drill pipe wall firmly and tightly. Then the upper end of the annulus 14 is closed and the weight of the tubing string holds the packer in place. The pipe string only needs to be lifted to release the packer. As soon as the seal 15 is displaced over the fastening ring 9 of the packer subassembly, the pressure in the annular space on both sides of the packer is equalized and becomes ineffective against the elastic return movement of the packer sleeve 1. When the stop ring 29 touches the lower flange 8 of the pipe section 2, the latter and the upper stop ring 3 are raised, whereupon the flange 8 raises the bearing ring 6 and thus the expander pipe 7 to allow the drag wedges 17 to be pulled back and held in place. Further upward movement moves the detent pins 26 to the undersides of their associated J-slots and the cage subassembly is carried upwardly with either the engagement of the pins 26 or the contact of the shoulder 31 with the stop ring 32 along with the tubing string. Patent claims:

1. Anchoring device for borehole packers with an expander for pushing out of separate drag wedges and spring-loaded rub blocks, characterized in that that the drag wedges (17) each have a pin engaging under the friction blocks (18) (34) possessing portion (35) and that between the friction blocks (18) and the Drag wedges (17) each have a compression spring (33) used, which is supported by the associated pin (34) is held in position.

2. Anchoring tool according to claim 1, characterized in that the drag wedge (17) and the friction block (18) are provided with guide strips (21, 21 a, 22).

Considered publications:
German Patent No. 943 222;
U.S. Patent No. 2,988,149.

1 sheet of drawings