RU2533405C2

RU2533405C2 - Drillable packer (versions)

Info

Publication number: RU2533405C2
Application number: RU2013109796/03A
Authority: RU
Inventors: Владимир Валерьевич Битюков; Андрей Петрович Григорьев; Евгений Николаевич Солодилов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Нефтегазовые технологии"
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2013109796A

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: packer comprises a mandrel with a fixed stop, sealing element, bottom and top cones and grippers, and a split nut. The upper anchor is additionally fitted with a thruster. On cones, fixed stop and thruster the T-shaped or dovetail slots are provisioned. The grippers from both ends are fitted with lugs of companion design, forming gliding a kinematic pair "crosshead - guide" with mating parts.

EFFECT: qualitative intensification of the process of stirring of components in general Improvement of reliability of the packer in a seating position and shortening time of its drilling out.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, эксплуатации и ремонта нефтяных, газовых и других скважин, а именно к пакерам разбуриваемым.The invention relates to the field of construction, operation and repair of oil, gas and other wells, namely to drill packers.

Критериями эффективности разбуриваемого пакера является способность пакера герметично разобщать интервалы скважины без перемещений и сокращение времени разбуривания.The criteria for the effectiveness of the drilled packer is the ability of the packer to hermetically separate the intervals of the well without movement and reduced drilling time.

Известно, что пакер, установленный в скважине, подвергается внешним воздействиям, таким как гидравлическое давление при опрессовке пакера, вес колонны НКТ при механической разгрузке на пакер, давление скважинной жидкости. Указанные воздействия по своим значениям могут превышать первоначальное усилие, с которым был установлен пакер, что приводит к неизбежному дополнительному перемещению деталей пакера, достаточному, чтобы вызвать релаксацию упругого уплотнительного элемента и ослабление надежности и герметичности пакера в посадочном состоянии. Кроме того, для улучшения разбуриваемости пакера требуется отсутствие вращения деталей пакера под буровым инструментом.It is known that a packer installed in a well is exposed to external influences, such as hydraulic pressure during pressure testing of the packer, weight of the tubing string during mechanical unloading on the packer, and pressure of the well fluid. The indicated impacts in their values can exceed the initial force with which the packer was installed, which leads to the inevitable additional movement of the packer parts, sufficient to cause relaxation of the elastic sealing element and weakening the reliability and tightness of the packer in the landing state. In addition, to improve drillability of the packer, the absence of rotation of the packer parts under the drilling tool is required.

Известен разбуриваемый пакер (а.с.№1832148, E21B 33/12), содержащий полый цилиндрический ствол с резьбовой нарезкой на наружной поверхности, установленные на стволе уплотнительный элемент, верхний и нижний конусы, верхние и нижние захваты, которые связаны с конусами, разрезную гайку, имеющую резьбовую нарезку, соответствующую резьбовой нарезке на внешней поверхности ствола.Known drillable packer (and.with. 1832148, E21B 33/12), containing a hollow cylindrical barrel with a threaded thread on the outer surface, a sealing element mounted on the barrel, upper and lower cones, upper and lower grips that are associated with the cones, split a nut having a threaded thread corresponding to a threaded thread on the outer surface of the barrel.

Недостатком известного пакера является ненадежность его работы.A disadvantage of the known packer is the unreliability of its work.

Известен пакер разбуриваемый (Патент РФ №2296853, МПК E21B 33/12). Пакер содержит ствол с резьбовой нарезкой на наружной поверхности, установленные на стволе уплотнительный элемент, заключенный между верхним и нижним конусом, верхние и нижние захваты, примыкающие к конусам по коническим поверхностям, и разрезную гайку, имеющую наружную и внутреннюю резьбы, по которым гайка установлена одновременно на стволе и в верхнем конусе соответственно. В нижней части ствола неподвижно установлен упор, представляющий глухую пробку или пробку с технологическими отверстиями. Установка пакера в скважине производится посредством осевого усилия, сжимающего уплотнительный элемент, и создаваемого гидравлическим установочным устройством.Known drillable packer (RF Patent No. 2296853, IPC E21B 33/12). The packer comprises a barrel with a threaded thread on the outer surface, a sealing element mounted on the barrel, enclosed between the upper and lower cones, upper and lower grips adjacent to the cones along the conical surfaces, and a split nut having external and internal threads, on which the nut is installed simultaneously on the trunk and in the upper cone, respectively. In the lower part of the barrel, a stop is fixedly mounted, which represents a blind plug or a plug with technological holes. The packer is installed in the well by means of axial force compressing the sealing element and created by a hydraulic installation device.

Недостатком указанного выше пакера является низкая надежность в рабочем (посадочном) состоянии при действии внешних воздействий, обусловленная тем, что отсутствует плотное прилегание конуса и захвата в распакерованном состоянии. Конусные поверхности захватов и конусов, образованные одинаковыми окружностями, обеспечивают плотное прилегание друг к другу лишь в транспортном положении пакера, в то время как в рабочем положении имеет место линейный контакт конуса и захвата по его наружным кромкам. Данная особенность обуславливает возможность дополнительного перемещения захвата относительно конуса при внешних воздействиях вследствие деформации конуса и захватов по линиям контакта, что также может привести к нарушению прочности конуса. Кроме того, в данном пакере отсутствует жесткая связь в окружном направлении между захватом и конусом, что вызывает вращение конусов при разбуривании и, как следствие, увеличение продолжительности бурения.The disadvantage of the above packer is the low reliability in the working (landing) state under the action of external influences, due to the fact that there is no tight fit of the cone and grip in the unpacked state. The conical surfaces of the grippers and cones formed by the same circles provide a snug fit to each other only in the transport position of the packer, while in the working position there is a linear contact of the cone and the gripper along its outer edges. This feature makes it possible to additionally move the grip relative to the cone under external influences due to deformation of the cone and grips along the contact lines, which can also lead to a violation of the strength of the cone. In addition, in this packer there is no rigid connection in the circumferential direction between the grip and the cone, which causes the cones to rotate during drilling and, as a result, increases the duration of drilling.

Задачей изобретения является создание пакера, имеющего жесткую, плотную компоновку в рабочем состоянии, с более равномерным распределением усилий между элементами пакера.The objective of the invention is to provide a packer having a rigid, tight arrangement in working condition, with a more uniform distribution of forces between the elements of the packer.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности, герметичности, прочности и сокращение времени разбуривания пакера.The technical result of the present invention is to increase the reliability, tightness, strength and reduce the time of drilling the packer.

Указанный технический результат достигается в пакере разбуриваемом, содержащем ствол с неподвижным упором в нижней части, установленные на стволе уплотнительный элемент, заключенный между верхним и нижним конусом, верхние и нижние захваты, и разрезную гайку, в котором, согласно изобретению верхний якорь дополнительно снабжен толкателем, на конусах, неподвижном упоре и толкателе выполнены Т-образные или в виде ласточкина хвоста пазы, а захваты с обоих концов снабжены выступами ответной формы, образуя скользящую кинематическую пару ползун - направляющая с сопрягаемыми деталями.The specified technical result is achieved in a drillable packer containing a barrel with a fixed stop in the lower part, a sealing element mounted on the barrel, enclosed between the upper and lower cone, upper and lower grips, and a split nut, in which, according to the invention, the upper armature is additionally equipped with a pusher, T-shaped or dovetail grooves are made on the cones, the fixed stop and the pusher, and the grips on both ends are provided with protrusions of the reciprocal form, forming a sliding kinematic pair crawling n - guide with mating parts.

Согласно второму варианту верхний и нижний якоря снабжены толкателями, на конусах и толкателях выполнены Т-образные или в виде ласточкина хвоста пазы, а захваты с обоих концов снабжены выступами ответной формы, образуя скользящую кинематическую пару ползун - направляющая с сопрягаемыми деталями.According to the second variant, the upper and lower anchors are equipped with pushers, T-shaped or dovetail grooves are made on the cones and pushers, and the grips on both ends are provided with protrusions of a reciprocal form, forming a sliding kinematic pair of a slider - a guide with mating parts.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид пакера разбуриваемого, на фиг. 2 - второй вариант исполнения решения, на фиг.3. - общий вид отдельных деталей пакера - упора, захвата, конуса.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of the packer being drilled; FIG. 2 - the second embodiment of the solution, figure 3. - a general view of the individual parts of the packer - emphasis, capture, cone.

Пакер разбуриваемый содержит ствол 1, на который надеты нижний якорь, уплотнительный элемент 2, верхний якорь. На нижнюю часть ствола 1 жестко установлен упор 3.The drillable packer comprises a barrel 1, on which a lower anchor, a sealing element 2, and an upper anchor are worn. An emphasis 3 is rigidly mounted on the lower part of the barrel 1.

Нижний якорь состоит из захвата 4 и конуса 5. На конусе 5 выполнен наклонный Т-образный паз 6, по которому может перемещаться захват 4, имеющий в передней части выступы 7 ответной формы. Захват 4 и конус 5 образуют скользящую кинематическую пару типа ползун (захват) - направляющая (конус), допускающую относительное перемещение захвата 4 лишь по оси паза.The lower anchor consists of a gripper 4 and a cone 5. On the cone 5, an inclined T-shaped groove 6 is made, along which a gripper 4 can be moved, which has protrusions 7 in the front part of the response form. Capture 4 and cone 5 form a sliding kinematic pair of the slider (capture) type — a guide (cone) that allows relative capture of capture 4 only along the groove axis.

Упор 3 также имеет наклонные пазы Т-образной формы 8, по которым может перемещаться захват 4, имеющий в задней части выступы 9 ответной формы.The emphasis 3 also has an inclined grooves of a T-shaped form 8, along which the gripper 4 can be moved, having protrusions 9 of the reciprocal form in the rear part.

Верхний якорь состоит из верхнего конуса 10, захвата 11 и толкателя 12. На конусе 10 и на толкателе 12 выполнены аналогичные наклонные Т-образные пазы, по которым может перемещаться захват 11, имеющий в передней и задней части выступы ответной формы.The upper anchor consists of an upper cone 10, a gripper 11 and a pusher 12. On the cone 10 and on the pusher 12, similar inclined T-shaped grooves are made, along which the gripper 11 can be moved, which has mating shapes in the front and rear.

Возможно использование других по форме сечения кинематических пар, обеспечивающих движение захватов 4,11 лишь по оси паза, например «ласточкин хвост».It is possible to use other kinematic pairs in the shape of the cross section, providing the motion of the grippers 4.11 only along the axis of the groove, for example, “dovetail”.

На стволе 1 в пределах хода верхнего якоря выполнена наружная упорная резьба, по которой на ствол 1 устанавливается упругая гайка 13. На толкателе 12 имеется внутренняя упорная резьба. Упругая гайка 13 представляет собой тонкостенную втулку с продольным разрезом. Упругая гайка 13 имеет внутреннюю резьбу ответного профиля, по которой она устанавливается на ствол 1, и наружную резьбу ответного профиля, по которой она устанавливается в толкатель 12. Резьба, по которой происходит соединение ствола 1 и упругой гайки 13, имеет профиль, позволяющий упругой гайке 13 благодаря продольному разрезу перескакивать вдоль оси ствола 1 под действием осевой силы, развиваемой установочным устройством (на чертеже не показано) и только в одном направлении: в сторону сжатия уплотнительного элемента 2. Продольное перемещение упругой гайки 13 в противоположную сторону невозможно.An external stop thread is made on the barrel 1 within the upper armature stroke, along which an elastic nut 13 is installed on the barrel 1. The push rod 12 has an internal stop thread. The elastic nut 13 is a thin-walled sleeve with a longitudinal section. The elastic nut 13 has an internal thread of the counter profile, along which it is installed on the barrel 1, and the external thread of the reciprocal profile, through which it is installed in the pusher 12. The thread through which the barrel 1 and the elastic nut 13 are connected, has a profile that allows the elastic nut 13 due to the longitudinal section to jump along the axis of the barrel 1 under the action of the axial force developed by the installation device (not shown) and in only one direction: towards the compression of the sealing element 2. Longitudinal movement elastic nut 13 in the opposite direction is not possible.

Таким образом, ствол 1, упругая гайка 13 и толкатель 12 в сборе образуют однонаправленный (в сторону сжатия уплотнительного элемента 2) храповый механизм.Thus, the barrel 1, the elastic nut 13 and the pusher 12 assembly form a unidirectional (towards the compression side of the sealing element 2) ratchet mechanism.

Для предотвращения преждевременного перемещения деталей пакера в процессе спуска в скважину захваты 4,11 зафиксированы относительно конусов срезными элементами 14.To prevent premature movement of the packer parts during the descent into the well, the grippers 4.11 are fixed relative to the cones by shear elements 14.

Второй вариант исполнения пакера отличается выполнением дополнительного храпового механизма в нижнем якоре, который имеет нижний толкатель 15, установленный через упругую гайку 16 на стволе 1, имеющем в пределах хода нижнего якоря дополнительную упорную резьбу. Нижний толкатель 15 имеет возможность перемещения без вращения по оси ствола 1 в сторону сжатия уплотнительного элемента 2. Захваты нижнего якоря 4 составляют кинематическую пару с нижнем толкателем 15, аналогично пакеру в первом варианте.The second embodiment of the packer is characterized by the execution of an additional ratchet mechanism in the lower anchor, which has a lower pusher 15 mounted through an elastic nut 16 on the barrel 1, which has an additional thrust thread within the course of the lower armature. The lower pusher 15 has the ability to move without rotation along the axis of the barrel 1 in the direction of compression of the sealing element 2. The grips of the lower armature 4 constitute a kinematic pair with the lower pusher 15, similar to the packer in the first embodiment.

Таким образом, во втором варианте пакер имеет два храповых механизма, расположенных по обеим сторонам уплотнительного элемента 2 и имеющих встречное направление движения.Thus, in the second embodiment, the packer has two ratchet mechanisms located on both sides of the sealing element 2 and having an opposite direction of movement.

В отличие от прототипа, предлагаемый пакер имеет контакт между захватами 4,11 и конусами 5,10 по плоскости, что способствует равномерному распределению нагрузок между ними и, как следствие, отсутствие дополнительных деформаций и перемещений захватов 4 и 11 в распакерованном состоянии под действием внешних нагрузок. Захваты 4,11 имеют постоянную механическую связь с сопрягаемыми деталями по обоим концам и боковым сторонам, которая препятствует взаимному повороту между ними при разбуривании, что способствует сокращению продолжительности бурения пакера.Unlike the prototype, the proposed packer has contact between the grippers 4.11 and the cones 5.10 on the plane, which contributes to an even distribution of loads between them and, as a result, the absence of additional deformations and movements of the grippers 4 and 11 in the unpacked state under the action of external loads . Grips 4.11 have a permanent mechanical connection with mating parts at both ends and sides, which prevents mutual rotation between them when drilling, which helps to reduce the duration of drilling the packer.

Второй вариант пакера, имеющий два храповых механизма, отличается еще большей надежностью в посадочном положении. При воздействии на пакер усилием, превышающим установочное, происходит дополнительное сжатие уплотнительного элемента, и детали пакера, механически связанные между собой, получают дополнительное перемещение. Новое состояние пакера автоматически фиксируется двумя храповыми механизмами, расположенными по обеим сторонам уплотнителя, и остается неизменным при уменьшении внешнего воздействия.The second version of the packer, which has two ratchet mechanisms, is even more reliable in the landing position. When the packer is subjected to a force exceeding the installation force, additional compression of the sealing element occurs, and the packer parts, mechanically connected to each other, receive additional movement. The new state of the packer is automatically fixed by two ratchet mechanisms located on both sides of the seal, and remains unchanged with a decrease in external impact.

Разбуриваемый пакер работает следующим образом.Drillable packer works as follows.

Пакер функционально имеет два положения: транспортное и установочное (посадочное).The packer functionally has two positions: transport and installation (landing).

Пакер соединяют с установочным устройством, например гидравлического типа (на чертеже не показано), и спускают в скважину на колонне технологических труб до требуемого места установки (посадки) в транспортном положении, при котором захваты 4,1 не выходят за диаметральный габарит пакера и не взаимодействуют со стенками скважины, что и обеспечивает его беспрепятственное прохождение по скважине в обоих направлениях.The packer is connected to an installation device, for example, of a hydraulic type (not shown in the drawing), and lowered into a well on a string of process pipes to the desired installation (landing) position in the transport position, in which the grippers 4.1 do not extend beyond the diametric dimension of the packer and do not interact with the walls of the well, which ensures its unhindered passage through the well in both directions.

В транспортном положении захваты 4,11 пакера прижаты к стволу 1 и удерживаются срезными элементами 14.In the transport position, the grippers 4.11 packers are pressed against the barrel 1 and are held by shear elements 14.

При достижении места посадки пакера в установочном устройстве создают повышенное давление, вследствие чего его исполнительный орган оказывает силовое воздействие на толкатель 12 пакера, при этом ствол 1 пакера удерживается неподвижно другим органом установочного устройства. При перемещении толкателя 12 по неподвижному стволу 1 происходит разрушение срезных элементов 14, захваты 4,11 перемещаются по конусам 5,10 и входят в зацепление со стенками скважины. Уплотнительный элемент 2 сжимается в продольном и расширяется в радиальном направлении до образования контакта со стенками скважины, герметично разобщая интервалы над и под пакером. Установочное устройство отсоединяют от пакера и извлекают из скважины. Пакер остается в сжатом (распакерованном) состоянии в месте посадки благодаря захватам 4,11, зацепленным за стенки скважины и храповым механизмам, фиксирующим ствол 1 и связанные с ним детали относительно верхнего и нижнего якоря.Upon reaching the landing site of the packer in the installation device, increased pressure is created, as a result of which its actuator exerts a force on the pusher 12 of the packer, while the barrel 1 of the packer is held motionless by another organ of the installation device. When the pusher 12 is moved along the stationary barrel 1, the shear elements 14 are destroyed, the grippers 4.11 move along the cones 5.10 and mesh with the walls of the well. The sealing element 2 is compressed in the longitudinal direction and expands in the radial direction until it makes contact with the walls of the well, hermetically separating the intervals above and below the packer. The installation device is disconnected from the packer and removed from the well. The packer remains in a compressed (unpacked) state at the landing site due to the grippers 4.11, hooked to the walls of the well and ratchet mechanisms that fix the barrel 1 and its associated parts relative to the upper and lower anchors.

Claims

1. A drillable packer comprising a barrel with a fixed stop in the lower part, a sealing element mounted on the barrel, enclosed between the upper and lower cones, upper and lower grips, and a split nut, characterized in that the upper anchor is additionally equipped with a pusher, on the cones, stationary the emphasis and the pusher are made T-shaped or dovetail-shaped grooves, and the grips on both ends are provided with protrusions of the reciprocal form, forming a sliding kinematic pair of a slider - a guide with mating parts.

2. A drillable packer comprising a barrel with a fixed stop in the lower part, a sealing element mounted on the barrel, enclosed between the upper and lower cones, upper and lower grips, and a split nut, characterized in that the upper and lower anchors are additionally equipped with pushers on the cones and the pushers are made T-shaped or dovetail-shaped grooves, and the grips on both ends are provided with protrusions of the reciprocal shape, forming a sliding kinematic pair of a slider - a guide with mating parts.