RU2656276C1

RU2656276C1 - Hydraulic packer

Info

Publication number: RU2656276C1
Application number: RU2017125226A
Authority: RU
Inventors: Марат Хуснуллович Аминев; Александр Владимирович Лукин; Рафаиль Сахабутдинович Хуснутдинов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Пакер"
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2018-06-04

Abstract

FIELD: manufacturing technology; drilling of soil or rocks.

SUBSTANCE: invention relates to packers. Hydraulic packer contains the barrel with the radial channels and the clutch in the upper part, which is mounted on the barrel upper and lower anchor assemblies, the sealing elements, which are located between the anchor assemblies, the hydraulic drive, which consists of the cylinder, which is connected to the barrel that forms the annular cavity with the barrel, which is connected to the inner cavity of the barrel through the radial channels, which are located in the annular cavity of the internal piston, which is interconnected with the cone of the lower anchor assembly, and connected to the ram holder of the lower anchor assembly of the outer piston, which is mounted with its possibility to be fixed to the barrel. Under the inner piston, the return spring is mounted, which rests from below with onto the ring protrusion. Protrusion is made on the inner surface of the outer piston. Above the sealing elements the collet is located on the barrel with the possibility to move it, the collet rests with its inner protrusion onto the shoulder, which is made on the outer surface of the barrel.

EFFECT: higher reliability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения интервалов обсадной колонны при освоении и эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.The invention relates to the field of oil and gas industry and can be used to separate the intervals of the casing string during the development and operation of oil, gas and gas condensate wells.

Известен пакер, выбранный в качестве аналога, включающий корпус с радиальными каналами, герметизирующий элемент, верхний конус со шлипсами, жестко связанный с корпусом, нижний конус со шлипсами, гидроцилиндр, выполненный с двумя концентрично расположенными поршнями, из которых внутренний взаимодействует с нижним конусом, а наружный - со шлипсами, расположенными на этом конусе (авторское свидетельство №307177, МПК Е21В 33/12, опубл. 21.06.1971 г.).A known packer selected as an analogue, comprising a housing with radial channels, a sealing element, an upper cone with slips, rigidly connected to the body, a lower cone with slips, a hydraulic cylinder made with two concentrically arranged pistons, of which the inner interacts with the lower cone, and outer - with slips located on this cone (copyright certificate No. 307177, IPC ЕВВ 33/12, publ. 06/21/1971).

Недостатком известного пакера является низкая надежность, так как наличие свободного хода корпуса, жестко связанного с верхним конусом, при сокращении колонны насосно-компрессорных труб во время работы или в процессе проведения технологических операций в скважине может привести к срыву пакера и потере герметичности. Также недостатком пакера является невозможность его повторного использования за одну спускоподъемную операцию из-за неполного возврата шлипсов в транспортное положение.A disadvantage of the known packer is its low reliability, since the presence of free-wheeling of the body rigidly connected to the upper cone, when the tubing string is shortened during operation or during technological operations in the well, can lead to breakdown of the packer and loss of tightness. Another disadvantage of the packer is the impossibility of reusing it in one tripping operation due to the incomplete return of the slips to the transport position.

Известен гидравлический пакер многоразового действия, выбранный в качестве прототипа, включающий полый ствол с радиальными каналами, установленную на стволе уплотнительную манжету, размещенные на стволе с возможностью перемещения верхний конус с плашками и плашкодержателем, установленный под уплотнительной манжетой нижний конус с плашками и нижним плашкодержателем, гидроцилиндр, образующий со стволом кольцевую полость, связанную с полостью ствола через радиальные каналы, размещенный в кольцевой полости поршень, взаимодействующий с нижним конусом, и связанный с нижним плашкодержателем патрубок, установленный в кольцевой полости с возможностью фиксации относительно ствола (патент РФ №2018628, МПК Е21В 33/12, опубликован 30.08.1994 г.).Known hydraulic reusable packer, selected as a prototype, comprising a hollow barrel with radial channels, a sealing collar mounted on the barrel, a top cone with rams and a ram holder mounted on the barrel, a lower cone with rams and a bottom ram mounted under the sealing collar, a hydraulic cylinder forming an annular cavity with the barrel associated with the barrel cavity through radial channels, a piston located in the annular cavity interacting with a lower cone, and a pipe connected to the lower ram holder, mounted in the annular cavity with the possibility of fixation relative to the barrel (RF patent No. 19868628, IPC ЕВВ 33/12, published on August 30, 1994).

Недостатком известного пакера является невозможность его повторного использования за одну спускоподъемную операцию из-за неполного возврата нижних плашек в транспортное положение. Также к недостаткам следует отнести и то, что величина усилия срыва пакера и перевода его в транспортное положение задается упругим кольцом и шаровыми фиксаторами, а получить стабильную расчетную величину этого усилия в предложенной конструкции при существующих технологиях изготовления практически невозможно, несмотря на то, что этот параметр является ключевым для изделий подобного назначения.A disadvantage of the known packer is the inability to reuse it in one tripping operation due to the incomplete return of the lower dies to the transport position. Also, the disadvantages include the fact that the amount of effort to break the packer and translate it into the transport position is set by an elastic ring and ball clamps, and it is almost impossible to obtain a stable calculated value of this effort in the proposed design with existing manufacturing technologies, despite the fact that this parameter is key to products for this purpose.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы пакера за счет более полного срабатывания плашек нижнего якорного узла при срыве пакера, обеспечение возможности его многократной установки в скважине за одну спускоподъемную операцию, исключение самопроизвольного освобождения пакера.The technical result of the invention is to increase the reliability of the packer due to a more complete operation of the dies of the lower anchor unit when the packer is broken, providing the possibility of its multiple installation in the well in one round-trip operation, eliminating spontaneous release of the packer.

Указанный технический результат достигается в пакере гидравлическом, содержащем ствол с радиальными каналами и муфтой в верхней части, установленные на стволе верхний и нижний якорные узлы, уплотнительные элементы, расположенные между якорными узлами, гидропривод, состоящий из связанного со стволом цилиндра, образующего со стволом кольцевую полость, связанную с внутренней полостью ствола через радиальные каналы, размещенного в кольцевой полости внутреннего поршня, взаимосвязанного с конусом нижнего якорного узла, и соединенного с плашкодержателем нижнего якорного узла наружного поршня, установленного с возможностью фиксации относительно ствола, при этом под внутренним поршнем установлена возвратная пружина, опирающаяся снизу на кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности наружного поршня, а над уплотнительными элементами размещена с возможностью перемещения на стволе цанга, упирающаяся своим внутренним выступом в буртик, выполненный на наружной поверхности ствола.The specified technical result is achieved in a hydraulic packer containing a barrel with radial channels and a sleeve in the upper part, upper and lower anchor assemblies mounted on the trunk, sealing elements located between the anchor assemblies, a hydraulic actuator consisting of a cylinder connected to the barrel forming an annular cavity with the barrel associated with the internal cavity of the barrel through radial channels located in the annular cavity of the internal piston, interconnected with the cone of the lower anchor node, and connected to the pl with a shkoderzhatel of the lower anchor assembly of the external piston, mounted with the possibility of fixation relative to the barrel, while a return spring is installed under the internal piston, resting on the bottom of the annular protrusion made on the inner surface of the external piston, and above the sealing elements it is movable on the barrel of the collet, resting against its an internal protrusion into a shoulder made on the outer surface of the barrel.

Кроме того, муфта и корпус верхнего якорного узла связаны срезными винтами.In addition, the coupling and the housing of the upper anchor assembly are connected by shear screws.

Установка под внутренним поршнем возвратной пружины, опирающейся снизу на кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности наружного поршня, позволяет вернуть плашки нижнего якорного узла в исходное положение при срыве пакера, что позволяет повысить надежность работы пакера и обеспечить возможность его многократной установки в скважине за одну спускоподъемную операцию.The installation of a return spring under the inner piston, resting on the bottom of an annular protrusion made on the inner surface of the outer piston, allows you to return the dies of the lower anchor assembly to its original position when the packer is broken, which improves the reliability of the packer and allows it to be installed repeatedly in the well in one tripping operation.

Размещение над уплотнительными элементами с возможностью перемещения на стволе цанги, упирающейся своим внутренним выступом в буртик, выполненный на наружной поверхности ствола, позволяет исключить самопроизвольное освобождение пакера после его установки.The placement of the collet above the sealing elements with the possibility of movement on the barrel, abutting with its inner protrusion on the shoulder, made on the outer surface of the barrel, eliminates the spontaneous release of the packer after installation.

Для увеличения допустимого усилия натяжения колонны труб до потери герметичности пакера муфта и корпус верхнего якорного узла могут быть связаны срезными винтами.To increase the allowable tension force of the pipe string until the packer is tight, the coupling and the housing of the upper anchor assembly can be connected with shear screws.

На чертеже представлена схема пакера гидравлического в транспортном положении.The drawing shows a diagram of a hydraulic packer in transport position.

Пакер гидравлический состоит из ствола 1, муфты 2 в верхней части, соединяющей пакер с колонной труб (не показана), установленных на стволе уплотнительных элементов 3, верхнего и нижнего якорных узлов. Верхний якорный узел состоит из корпуса 4, плашек 5 и конуса 6, поджатых к стволу 1 соответственно пружинами 7 и 8. Нижний якорный узел состоит из конуса 9, плашек 10 и плашкодержателя 11.The hydraulic packer consists of a barrel 1, a sleeve 2 in the upper part connecting the packer to a pipe string (not shown) installed on the barrel of the sealing elements 3, upper and lower anchor assemblies. The upper anchor assembly consists of a housing 4, dies 5 and a cone 6, pressed against the barrel 1 by springs 7 and 8. respectively. The lower anchor assembly consists of a cone 9, dies 10 and a ram holder 11.

В нижней части пакера расположен гидропривод, состоящий из цилиндра 12, внутреннего 13 и наружного 14 поршней. Цилиндр 12 образует со стволом 1 кольцевую полость 15, гидравлически связанную с внутренней полостью ствола 1 через радиальные каналы 16. Размещенный в кольцевой полости 15 внутренний поршень 13 взаимосвязан с конусом 9 нижнего якорного узла. Наружный поршень 14 соединен с плашкодержателем 11 нижнего якорного узла. Переводник 17 соединяет пакер с колонной труб и удерживает гидропривод на стволе 1. Для активации гидропривода и освобождения поршней 13 и 14 в кольцевой полости 15 установлена втулка 18, ограниченная от перемещения на стволе 1 пружинным кольцом 19, а с другой стороны поджатая нижней пружиной 20 через шайбу 21. Втулка 18 фиксирует защелку 22, установленную на наружном поршне 14 с возможностью взаимодействия с внутренним буртиком 23 цилиндра 12. Защелка 22 служит для фиксации наружного поршня 14 относительно ствола 1 и цилиндра 12. Для предотвращения преждевременной активации гидропривода в цилиндре 12 установлены срезные элементы 24, фиксирующие от перемещения поршень 25, надетый на втулку 18. Под внутренним поршнем 13 установлена возвратная пружина 26, опирающаяся снизу на кольцевой выступ 27, выполненный на внутренней поверхности наружного поршня 14.At the bottom of the packer is a hydraulic actuator consisting of a cylinder 12, an internal 13 and an external 14 pistons. The cylinder 12 forms an annular cavity 15 with the barrel 1, hydraulically connected to the inner cavity of the barrel 1 through the radial channels 16. The internal piston 13 located in the annular cavity 15 is interconnected with the cone 9 of the lower anchor assembly. The outer piston 14 is connected to the ram holder 11 of the lower anchor assembly. Sub 17 connects the packer to the pipe string and holds the hydraulic actuator on the barrel 1. To activate the hydraulic actuator and release the pistons 13 and 14, a sleeve 18 is installed in the annular cavity 15, which is limited from movement on the barrel 1 by the spring ring 19, and, on the other hand, is pressed by the lower spring 20 through the washer 21. The sleeve 18 fixes the latch 22 mounted on the outer piston 14 with the possibility of interaction with the inner shoulder 23 of the cylinder 12. The latch 22 serves to fix the outer piston 14 relative to the barrel 1 and cylinder 12. To prevent premature belt activation of the hydraulic actuator in the cylinder 12 is installed shear elements 24, securing the piston 25, worn on the sleeve 18. The return spring 26 is installed under the inner piston 13, resting on the bottom of the annular protrusion 27, made on the inner surface of the outer piston 14.

Между верхним якорным узлом и уплотнительными элементами 3 установлен механизм фиксации пакера в рабочем положении, состоящий из цанги 28, размещенной внутри переходника 29, соединяющего кожух 30 верхнего якорного узла с упором 31. Цанга 28 своим внутренним выступом 32 упирается в буртик 33, выполненный на наружной поверхности ствола 1.Between the upper anchor assembly and the sealing elements 3, a packer fixation mechanism is installed in the working position, consisting of a collet 28 located inside the adapter 29 connecting the casing 30 of the upper anchor assembly with a stop 31. The collet 28 abuts against the shoulder 33 made on the outer barrel surface 1.

При необходимости жесткого соединения ствола 1 с верхним якорным узлом для увеличения допустимого усилия натяжения колонны до потери герметичности пакера муфта 2 и корпус 4 верхнего якорного узла могут быть связаны срезными винтами 34. При этом усилие разъединения для срыва пакера регулируется количеством срезных винтов 34.If necessary, a rigid connection of the barrel 1 with the upper anchor unit to increase the allowable tension force of the column until the packer is leak tight, the coupling 2 and the housing 4 of the upper anchor unit can be connected by shear screws 34. In this case, the disconnecting force for breaking the packer is controlled by the number of shear screws 34.

Пакер гидравлический работает следующим образом.The hydraulic packer works as follows.

Пакер спускают в скважину на колонне труб на требуемую глубину. Установку пакера осуществляют перекрытием нижнего прохода ствола 1 и созданием перепада давления между колонной труб и затрубным пространством. В качестве перекрывающего устройства могут быть использованы: переводник со срезным седлом под шар; опрессовочный клапан с уравнительной камерой (глухая пробка) с посадкой в посадочный ниппель, установленный ниже пакера, с установкой пробки на инструментах канатной техники; клапан с соответствующим давлением открытия и другие устройства (не показаны). Под действием давления происходит передвижение втулки 18 с поршнем 25 и срез срезных элементов 24. Защелка 22 выходит из зацепления с внутренним буртиком 23 цилиндра 12 и освобождает наружный 14 и внутренний 13 поршни. Под действием давления происходит взаимосвязанное движение внутреннего поршня 13 и конуса 9 нижнего якорного узла вверх, при этом сжимаются уплотнительные элементы 3. Далее усилие последовательно передается на упор 31, переходник 29, кожух 30 и конус 6 верхнего якорного узла. При превышении заданной нагрузки срабатывает цанга 28, внутренний выступ 32 которой срывается с буртика 33 ствола 1, в результате чего происходит перемещение в радиальном направлении конуса 6 верхнего якорного узла до соприкосновения с плашками 5. При дальнейшем движении внутреннего поршня 13 плашки 5 верхнего якорного узла, взаимодействуя с конусом 6, раздвигаются радиально и зацепляются со стенкой эксплуатационной колонны (не показана). Одновременно с внутренним поршнем 13 происходит перемещение вверх наружного поршня 14 с плашкодержателем 11 нижнего якорного узла. При этом плашки 10 нижнего якорного узла раздвигаются радиально и зацепляются со стенкой эксплуатационной колонны. Ствол 1 пакера остается неподвижным при посадке. Благодаря наличию механизма фиксации пакера в рабочем положении исключается перемещение ствола 1 вверх и освобождение пакера. Увеличение трубного давления или механическая нагрузка при удлинении колонны труб преобразуется в дополнительное пакерующее усилие. Снижение давления не приводит к уменьшению первоначального посадочного усилия.The packer is lowered into the well on the pipe string to the required depth. The installation of the packer is carried out by blocking the lower passage of the barrel 1 and creating a pressure differential between the pipe string and the annulus. As the overlapping device can be used: sub with shear saddle under the ball; crimping valve with equalization chamber (blind plug) with landing in the landing nipple installed below the packer, with the installation of the plug on the tools of cable technology; a valve with appropriate opening pressure and other devices (not shown). Under the action of pressure, the sleeve 18 with the piston 25 moves and the shear elements 24 are cut. The latch 22 disengages from the inner shoulder 23 of the cylinder 12 and releases the outer 14 and inner 13 pistons. Under the action of pressure there is an interconnected movement of the internal piston 13 and the cone 9 of the lower anchor assembly upward, while the sealing elements 3 are compressed. Further, the force is sequentially transmitted to the stop 31, adapter 29, casing 30 and cone 6 of the upper anchor assembly. When the specified load is exceeded, the collet 28 is triggered, the inner protrusion 32 of which breaks off the shoulder 33 of the barrel 1, as a result of which the cone 6 of the upper anchor assembly moves in the radial direction until it contacts the dies 5. With further movement of the internal piston 13 of the ram 5 of the upper anchor assembly, interacting with the cone 6, move apart radially and engage with the wall of the production string (not shown). Simultaneously with the internal piston 13, the external piston 14 moves upward with the ram holder 11 of the lower anchor assembly. In this case, the dies 10 of the lower anchor unit are moved apart radially and engage with the wall of the production casing. The trunk 1 of the packer remains stationary during landing. Due to the presence of the mechanism of fixation of the packer in the working position, the barrel 1 is prevented from moving up and the packer is released. An increase in pipe pressure or mechanical load during elongation of the pipe string is converted into additional packer force. The decrease in pressure does not reduce the initial landing force.

Перевод пакера в транспортное положение производится натяжением колонны труб. При перемещении муфты 2 со стволом 1 вверх срезаются срезные винты 34 (в случае их установки), затем срабатывает цанга 28. Конус 6 верхнего якорного узла под действием пружины 8 переходит в транспортное положение, затем плашки 5 верхнего якорного узла под действием пружины 7 возвращаются в первоначальное положение. Далее переходят в исходное состояние уплотнительные элементы 3. Конус 9 нижнего якорного узла освобождается из-под плашек 10, которые под действием возвратной пружины 26 возвращаются в транспортное положение. Наружный поршень 14 переходит в исходное положение, отжимая втулку 18, поджатую нижней пружиной 20. После возврата защелки 22 в первоначальное положение нижняя пружина 20 отжимает втулку 18, которая в свою очередь фиксирует защелкой 22 наружный поршень 14 относительно цилиндра 12, связанного со стволом 1. При многократной установке пакера за одну спускоподъемную операцию необходимо использовать совместно с клапаном многократного действия (например, применение растворимых шаров).The packer is moved to the transport position by tensioning the pipe string. When moving the coupling 2 with the barrel 1 upward, the shear screws 34 are cut off (if installed), then the collet 28 is triggered. The cone 6 of the upper anchor unit under the action of the spring 8 goes into transport position, then the dies 5 of the upper anchor unit under the action of the spring 7 return to initial position. The sealing elements 3 then return to their initial state. The cone 9 of the lower anchor assembly is released from the dies 10, which are returned to the transport position by the action of the return spring 26. The outer piston 14 transitions to its original position by depressing the sleeve 18, pressed by the lower spring 20. After the latch 22 is returned to its original position, the lower spring 20 presses the sleeve 18, which in turn fixes the outer piston 14 with the latch 22 relative to the cylinder 12 connected to the barrel 1. When installing the packer multiple times in one round trip, it is necessary to use it together with a multiple-acting valve (for example, the use of soluble balls).

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение надежности работы пакера за счет более полного срабатывания плашек нижнего якорного узла при срыве пакера, обеспечивается возможность его многократной установки в скважине за одну спускоподъемную операцию. Также исключается самопроизвольное освобождение пакера.Thus, the present invention improves the reliability of the packer due to a more complete operation of the dies of the lower anchor unit when the packer is broken, it is possible to install it repeatedly in the well in one round-trip operation. Spontaneous release of the packer is also excluded.

Claims

1. A hydraulic packer containing a barrel with radial channels and a sleeve in the upper part, upper and lower anchor assemblies mounted on the trunk, sealing elements located between the anchor assemblies, a hydraulic actuator consisting of a cylinder connected to the barrel and forming an annular cavity associated with the barrel the internal cavity of the barrel through radial channels, located in the annular cavity of the internal piston, interconnected with the cone of the lower anchor assembly, and connected to the ram holder of the lower anchor assembly of the outer a piston mounted with the possibility of fixation relative to the barrel, characterized in that a return spring is installed under the inner piston, resting on the bottom of the annular protrusion made on the inner surface of the outer piston, and the collet is placed above the sealing elements, abutting against its inner protrusion in shoulder made on the outer surface of the barrel.

2. The hydraulic packer according to claim 1, characterized in that the coupling and the housing of the upper anchor assembly are connected by shear screws.