RU2232869C2

RU2232869C2 - Mechanical packer

Info

Publication number: RU2232869C2
Application number: RU2002124683/03A
Authority: RU
Inventors: А.В. Шауфлер (RU); А.В. Шауфлер; А.А. Архангельский (RU); А.А. Архангельский; В.С. Хомич (RU); В.С. Хомич
Original assignee: Шауфлер Андрей Владимирович; Архангельский Анатолий Александрович; Хомич Владимир Сергеевич
Priority date: 2002-09-16
Filing date: 2002-09-16
Publication date: 2004-07-20
Also published as: RU2002124683A

Abstract

FIELD: gas-and-oil production industry; completion and operation of oil and gas wells.

SUBSTANCE: proposed mechanical packer includes mandrel with shaped slot on outer surface having longer and shorter sections. Support is rigidly connected with mandrel. Located under this support are sealing member and cone with inclined flat faces smoothly distributed over circumference. Cone is mounted for axial displacement relative to mandrel and is radially locked relative to mandrel by means of key. Mounted under cone for axial displacement relative to mandrel is holder with toothed sockets smoothly distributed over its circumference; these sockets are pressed to mandrel by means of springs; their inner surfaces are made in form of inclined flat faces. Holder is provided with guide pin received by shaped slot of mandrel. Inclined flat faces of toothed sockets are parallel to flat faces of contact when they are in contact. Lower portion of holder is provided with ring which is radially rotatable relative to holder but is rigidly connected with holder in axial direction.

EFFECT: avoidance of extension of sockets beyond gauge of packer in transportation position; increased contact area of sockets and cone; avoidance of radial rotation of mandrel relative to holder.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.The invention relates to the oil and gas industry and can be used in the development and operation of oil and gas wells.

Известен механический пакер, включающий ствол с кольцевым фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленный с возможностью осевого перемещения относительно ствола, расположенную на стволе с возможностью радиально-осевого перемещения обойму с выступом на внутренней поверхности, размещенным в кольцевом пазу ствола, и установленные в обойме равномерно по ее окружности шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении (патент РФ №1686128, МПК Е 21 В 33/12, опубл. 23.10.91 г.).Known mechanical packer, including a barrel with an annular groove on the outer surface with evenly spaced alternating longitudinal short and long sections, a support rigidly connected to the barrel, a pressurizing sealing element located under it and a cone mounted for axial movement relative to the barrel located on the barrel with the possibility of radial-axial movement of the clip with a protrusion on the inner surface, placed in the annular groove of the barrel, and installed in the clip evenly of the slips around the circumference thereof, the spring-loaded relative to the cage in the radial direction (RF patent №1686128, IPC E 21 B 33/12, publ. 23.10.91 g).

Известен также выбранный в качестве прототипа механический пакер, содержащий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под 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 пазу, установленные в обойме равномерно по ее окружности шлипсы, подпружиненные относительно обоймы в радиальном направлении и выполненные в виде двуплечих рычагов (патент РФ №2139408, МПК Е 21 В 33/12, опубл. 10.10.99 г.).Also known is a mechanical packer selected as a prototype, comprising a barrel with a figured groove on the outer surface with evenly spaced alternating longitudinal short and long sections, a support rigidly connected to the barrel, a pressure sealing element located under it and a cone mounted for axial movement relative to the barrel, located on the barrel with the possibility of axial movement of the cage, a guide pin placed in a curly groove, installed in the cage evenly along its ok uzhnosti slips, the spring-loaded relative to the radial direction of the cage and formed as two-armed levers (RF patent №2139408, IPC E 21 B 33/12, publ. 10.10.99 g).

Недостатком известных устройств является ненадежность их в работе ввиду того, что шлипсы выполнены таким образом, что при транспортировании пакера по стволу скважины они выступают за габариты пакера и находятся в постоянном контакте со стенками обсадной колонны, а контактные поверхности шлипсов и конуса выполнены в виде конусных поверхностей, вследствие чего при запакеровке возникают чрезмерные контактные напряжения, которые при длительной эксплуатации могут привести к разрушению или адгезии шлипсов с конусом. Кроме того, при обрыве колонны насосно-компрессорных труб в процессе эксплуатации пакера возникает сложность в проведении ловильных работ в связи с тем, что ствол пакера имеет возможность радиального вращения относительно обоймы и навинчивание колокола или метчика на колонну насосно-компрессорных труб становится невозможным.A disadvantage of the known devices is their unreliability due to the fact that the slips are made in such a way that when transporting the packer along the wellbore, they protrude beyond the dimensions of the packer and are in constant contact with the walls of the casing, and the contact surfaces of the slips and cone are made in the form of conical surfaces As a result, during contacting, excessive contact stresses arise, which during long-term operation can lead to destruction or adhesion of the slips with the cone. In addition, if the tubing string is broken during the operation of the packer, it becomes difficult to carry out fishing operations due to the fact that the packer barrel has the ability to radially rotate relative to the holder and screwing a bell or tap on the tubing string becomes impossible.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемого изобретения, является повышение надежности работы пакера за счет предотвращения выступания шлипсов за габариты пакера в транспортном положении, увеличения площади контакта шлипсов и конуса, а также предотвращения радиального вращения ствола относительно обоймы.The task to which the invention is directed is to increase the reliability of the packer by preventing the slips from protruding beyond the dimensions of the packer in the transport position, increasing the contact area of the slips and the cone, and also preventing radial rotation of the barrel relative to the holder.

Технический результат достигается тем, что у механического пакера, содержащего ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней уплотнительный элемент, конус и обойму, размещенные с возможностью осевого перемещения относительно ствола, установленные в обойме равномерно по ее окружности зубчатые шлипсы, размещенный в фигурном пазу направляющий штифт, кольцо, установленное в нижней части обоймы с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связанное с ней в осевом направлении, согласно изобретению конус, по образующей которого и на зубчатых шлипсах выполнены наклонные плоские грани, зафиксированный относительно ствола в радиальном направлении, зубчатые шлипсы пружинами поджаты к стволу и расположены таким образом, что при контакте с конусом их наклонные плоские грани параллельны наклонным плоским граням конуса, направляющий штифт установлен в обойме, причем фиксация конуса относительно ствола в радиальном направлении обеспечивается посредством шпонки.The technical result is achieved in that for a mechanical packer containing a barrel with a figured groove on the outer surface with longitudinal short and long sections, a support rigidly connected to the barrel, a sealing element located under it, a cone and a clip placed with the possibility of axial movement relative to the barrel, installed in the cage, toothed slips evenly around its circumference, a guide pin placed in a curly groove, a ring mounted in the lower part of the cage with the possibility of radial rotation According to the invention, a cone, which is rigidly caged, but rigidly connected with it in the axial direction, along the generatrix of which inclined flat faces are made on the toothed slots, fixed radially relative to the barrel, the toothed slots are spring-loaded to the barrel and are arranged in such a way that in contact with cone, their inclined flat faces are parallel to the inclined flat faces of the cone, the guide pin is mounted in a holder, and the cone is fixed in relation to the barrel in the radial direction by key.

Указанный технический результат достигается за счет конструктивного решения предлагаемого механического пакера, а именно: установка направляющего штифта в обойме и фиксация конуса относительно ствола в радиальном направлении позволяет обеспечить выполнение контактных поверхностей конуса и зубчатых шлипсов в виде наклонных плоских граней, увеличивая площадь их контакта, тем самым снижая контактные напряжения, которые могут привести к адгезии, а также предотвращает радиальный поворот ствола относительно обоймы, что дает возможность навинчивания колокола или метчика на колонну насосно-компрессорных труб при ее обрыве в процессе эксплуатации пакера.The specified technical result is achieved due to the constructive solution of the proposed mechanical packer, namely: installing the guide pin in the cage and fixing the cone relative to the barrel in the radial direction allows the contact surfaces of the cone and gear slips to be made in the form of inclined flat faces, thereby increasing their contact area, thereby reducing contact stresses, which can lead to adhesion, and also prevents radial rotation of the barrel relative to the holder, which makes it possible screwing the bell or tap onto the tubing string when it breaks during operation of the packer.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлен механический пакер, общий вид; на фиг.2 - развертка формы фигурного паза ствола пакера.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 presents a mechanical packer, General view; figure 2 is a scan of the shape of the curly groove of the trunk of the packer.

Механический пакер содержит ствол 1 с фигурным пазом 2 на наружной поверхности с продольными коротким 3 и длинным 4 участками. Со стволом 1 жестко связана опора 5, под которой расположен уплотнительный элемент 6. Под уплотнительным элементом 6 с возможностью осевого перемещения относительно ствола 1 установлен конус 7 с равномерно расположенными по его окружности наклонными плоскими гранями, зафиксированный относительно ствола 1 в радиальном направлении с помощью шпонки 8. На стволе 1 с возможностью осевого перемещения относительно него установлена обойма 9 с равномерно расположенными в ней по окружности зубчатыми шлипсами 10, на которых выполнены наклонные плоские грани. Зубчатые шлипсы 10 пружинами 11 поджаты к стволу 1 относительно обоймы 9 и расположены таким образом, что при контакте с конусом 7 их наклонные плоские грани параллельны наклонным плоским граням конуса 7. В обойме 9 установлен направляющий штифт 12, размещенный в фигурном пазу ствола 1 и фиксируемый гайкой 13. Кольцо 14 установлено в нижней части обоймы 9 с возможностью радиального вращения относительно обоймы, но жестко связанное с ней в осевом направлении посредством сухарей 15, выполненных в виде полуколец. В продольные пазы кольца 14 установлены плашки 16, поджимаемые в радиальном направлении пружинами 17.The mechanical packer comprises a barrel 1 with a figured groove 2 on the outer surface with longitudinal short 3 and long 4 sections. A support 5 is rigidly connected with the barrel 1, under which the sealing element 6 is located. Under the sealing element 6 with the possibility of axial movement relative to the barrel 1 there is a cone 7 with inclined flat faces evenly spaced around its circumference, fixed relative to the barrel 1 in the radial direction with the help of a key 8 . On the barrel 1 with the possibility of axial movement relative to it, a ferrule 9 is installed with toothed slips 10 evenly spaced around it on which circumferential planes are made e facets. Toothed slips 10 by springs 11 are pressed against the barrel 1 relative to the yoke 9 and are arranged so that upon contact with the cone 7 their inclined flat faces are parallel to the inclined flat faces of the cone 7. A guide pin 12 is installed in the holder 9, which is located in the figured groove of the barrel 1 and is fixed nut 13. Ring 14 is installed in the lower part of the cage 9 with the possibility of radial rotation relative to the cage, but rigidly connected with it in the axial direction by means of crackers 15 made in the form of half rings. In the longitudinal grooves of the ring 14, dies 16 are installed, which are pressed in the radial direction by the springs 17.

Механический пакер работает следующим образом.Mechanical packer works as follows.

Перед началом работ пакер находится в вертикальном положении (фиг.1), при этом направляющий штифт 12 за счет собственного веса обоймы 9 и кольца 13 занимает начальное положение соответственно в точке А (фиг.2).Before starting work, the packer is in a vertical position (figure 1), while the guide pin 12 due to its own weight of the cage 9 and ring 13 occupies the initial position, respectively, at point A (figure 2).

Пакер спускают на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважину. В начале спуска плашки 16, находясь в контакте с колонной за счет сил трения, увлекают за собой обойму 9 вверх относительно пакера, заставляя направляющий штифт 12 скользить по наклонному 18, а затем по продольному короткому участку 3 фигурного паза в точку В, соответствующую транспортному положению пакера. При переходе из точки А в точку В радиальный поворот относительно оси ствола 1 и кольца 14 совершает обойма 9, а кольцо 14 остается неподвижным. При дальнейшем спуске к зоне пакерования в контакте с обсадной колонной находятся плашки 16, а зубчатые шлипсы 10 прижаты к стволу пружинами 11, что обеспечивает исключение контакта зубьев с обсадной колонной, а следовательно, и их износа. При достижении зоны пакерования производят подъем пакера вверх. При этом кольцо 14 за счет сил трения плашек 16 о стенки обсадной колонны остается на месте, а ствол 1 перемещается вверх относительно кольца 14 и обоймы 9, направляющий штифт 12 перемещается по короткому продольному участку 3 и наклонному участку 19 фигурного паза 2 в точку С. При этом радиальный поворот относительно оси ствола 1 совершает обойма 9, а кольцо 14 остается неподвижным. Затем производят спуск пакера. При этом направляющий штифт 12 перемещается из точки С по наклонному участку 20 фигурного паза 2 в точку D, соответствующую рабочему положению. Зубчатые шлипсы 10 своими наклонными плоскими гранями входят в контакт с наклонными плоскими гранями конуса 7, раздвигаясь от центра, при этом зубья шлипсов 10 входят в зацепление со стенками обсадной колонны, что обеспечивает установку пакера в рабочее положение. Приложенная к пакеру осевая нагрузка вниз от веса насосно-компрессорных труб через опору 5 передается на уплотнительный элемент 6, при этом ствол 1 перемещается вниз относительно конуса 7, уплотнительный элемент 6 деформируется и герметизирует межтрубное пространство.The packer is lowered into the tubing string into the well. At the beginning of the descent, the dies 16, being in contact with the column due to frictional forces, drag the yoke 9 upward relative to the packer, forcing the guide pin 12 to slide along the inclined 18, and then along the longitudinal short section 3 of the curly groove to the point B corresponding to the transport position packer. When passing from point A to point B, a radial rotation about the axis of the barrel 1 and ring 14 makes a clip 9, and the ring 14 remains stationary. Upon further descent to the packing zone, the dies 16 are in contact with the casing, and the toothed slips 10 are pressed against the barrel by springs 11, which ensures that the teeth do not come into contact with the casing and, therefore, wear out. Upon reaching the packer zone, the packer is lifted up. In this case, the ring 14 due to the frictional forces of the dies 16 against the casing wall remains in place, and the barrel 1 moves upward relative to the ring 14 and the casing 9, the guide pin 12 moves along the short longitudinal section 3 and the inclined section 19 of the figured groove 2 to point C. In this case, a radial rotation about the axis of the barrel 1 makes a clip 9, and the ring 14 remains stationary. Then make the descent of the packer. In this case, the guide pin 12 moves from point C along the inclined section 20 of the figured groove 2 to point D corresponding to the operating position. Toothed slips 10 with their inclined flat faces come into contact with the inclined flat faces of the cone 7, moving apart from the center, while the teeth of the slips 10 engage with the walls of the casing, which ensures the installation of the packer in working position. The axial load applied to the packer downward from the weight of the tubing through the support 5 is transferred to the sealing element 6, while the barrel 1 moves downward relative to the cone 7, the sealing element 6 is deformed and seals the annulus.

Для повторной запакеровки в другом интервале производят подъем пакера вверх. При этом направляющий штифт 12 перемещается из точки D вниз по длинному продольному участку 4 и наклонному участку 21 в точку А. Конус 7 выходит из-под шлипсов 10, обойма 9 совершает радиальный поворот, уплотнительный элемент 6 освобождается от осевой нагрузки и восстанавливает свою первоначальную форму, пакер снимается с места установки и автоматически переводится в транспортное положение для движения вверх. При перемещении пакера вниз направляющий штифт 12 по наклонному участку 18 и короткому продольному участку 3 перемещается в точку В - пакер переводится в транспортное положение.To reseal in a different interval, the packer is lifted up. In this case, the guide pin 12 moves from point D down the long longitudinal section 4 and the inclined section 21 to point A. The cone 7 comes out from under the slips 10, the cage 9 makes a radial rotation, the sealing element 6 is released from the axial load and restores its original shape , the packer is removed from the installation site and automatically transferred to the transport position for upward movement. When the packer moves down, the guide pin 12 along the inclined section 18 and the short longitudinal section 3 moves to point B - the packer is transferred to the transport position.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность работы за счет предотвращения выступания шлипсов за габариты пакера и соприкасания их со стенками обсадной колонны в транспортном положении, предотвращая тем самым износ зубьев шлипсов и попадание под шлипсы посторонних предметов; выполнение контактных поверхностей зубчатых шлипсов и конуса в виде наклонных плоских граней, что уменьшает контактные напряжения и предотвращает адгезию зубчатых шлипсов с конусом при длительной эксплуатации; установка направляющего штифта в обойме предотвращает радиальное вращение ствола относительно обоймы, что дает возможность навинчивания колокола или метчика на колонну НКТ при ее обрыве.The use of the invention in comparison with the prototype can improve the reliability by preventing protruding protruding slips beyond the dimensions of the packer and touching them with the walls of the casing in the transport position, thereby preventing wear of the flange teeth and foreign objects getting under the flips; the execution of the contact surfaces of the toothed slips and cone in the form of oblique flat faces, which reduces contact stress and prevents the adhesion of the toothed slips with the cone during long-term operation; the installation of the guide pin in the cage prevents radial rotation of the barrel relative to the cage, which makes it possible to screw a bell or tap onto a tubing string when it breaks.

Claims

1. A mechanical packer containing a barrel with a figured groove on the outer surface with longitudinal short and long sections, a support rigidly connected to the barrel, a sealing element located under it, a cone and a cage, axially movable relative to the barrel, mounted in the cage uniformly along it circumferential toothed slips, a guide pin placed in a curly groove, a ring mounted in the lower part of the cage with the possibility of radial rotation relative to the cage, but rigidly connected to it in the axle direction, characterized in that the cone, along the generatrix of which the inclined flat faces are made on the toothed slips, is fixed radially relative to the barrel, the toothed slips are spring-tightened to the trunk and arranged so that upon contact with the cone their inclined flat faces are parallel to the inclined flat faces of the cone, and the guide pin is mounted in a ferrule.

2. The mechanical packer according to claim 1, characterized in that the cone is fixed relative to the barrel in the radial direction by means of a key.