Пакер

 

Изобретение относится к конструкциям заколонных пакеров для разобщения пластов при цементировании скважин. Для повышения надежности работы пакера за счет снижения сил трения между уплотнительными элементами при пакеровке пакер снабжен обратным клапаном. Последний размещен в корпусе под нижним уплотнительным элементом. На внутренних поверхностях уплотнительных элементов выполнены продольные пазы с возможностью их гидравлической связи через обратный клапан с полостью корпуса. Уплотнительные элементы армированы металлическими стержнями, а нижняя часть нижнего уплотнительного элемента имеет защитный кожух. 6 ил.

Изобретение относится к области крепления скважин, а именно, к заколонным пакерам для разобщения пластов при цементировании скважин и может быть использовано для повышения качества цементного кольца между колонной и стенками скважины за счет исключения миграции пластового флюида в затрубном пространстве в процессе схватывания и твердения тампонажного раствора.

Известен гидромеханический пакер включающий полый корпус, уплотнительный элемент, размещенный на наружной поверхности корпуса, причем в уплотнительном элементе размещен пружинный радиально-распорный элемент. Во внутренней конической полости уплотнительного элемента размещена наружная коническая поверхность составного разжимного радиально-распорного элемента [1].

Недостатками пакера являются низкая прочность резиновой оболочки уплотнительного элемента в раздутом до большого коэффициента пакеровки и, соответственно, невысокий перепад давления, выдерживаемый пакером, большая вероятность отрыва резины уплотнительного элемента при втором этапе пакеровки повышением гидравлического давления поршнем 9 под уплотнительным элементом за счет расположения пружинного элемента не в теле уплотнительного элемента, а на его внутренней границе.

Известен пакер включающий полый корпус с размещенными на его наружной поверхности уплотнительными элементами и нажимной втулкой, посадочное седло в полости корпуса, связанное рычагами, пропущенными через продольные прорези корпуса, с нажимной втулкой, причем наружная коническая поверхность верхнего уплотнительного элемента из пластичного металла размещена во внутренней конической полости нижнего уплотнительного элемента из эластомера, а наружная поверхность нажимной втулки размещена во внутренней конической полости верхнего уплотнительного элемента [2].

Недостатками указанного пакера являются: необходимость использования полной площади полости корпуса для достижения осевых усилий, достаточных для преодоления сил трения и расширения нажимной втулкой резинового и металлического уплотнительных элементов и в связи с этим установка в корпусе посадочного седла под шар; использование бросового элемента - шара с необходимостью расчета времени его падения и возможностью оставления цементного стакана в колонне, или оголения ее башмака при неточном расчете; невозможность использования разделительных пробок при цементировании, которые могут остановиться на седле и, следовательно, большая зона смешения тампонажного раствора и продавочной жидкости; невысокая надежность обеспечения падения седла на забой, вероятность его разбуривания в пакере, что приведет к растрескиванию цементного кольца в интервале пакера, снижению герметичности заколонного пространства, вероятность механического нарушения целостности и герметичности пакера.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении надежности работы пакера. Задача решается за счет снижения сил трения между уплотнительными элементами при пакеровке.

Для решения поставленной задачи пакер, включающий полый корпус, верхний и нижний уплотнительные элементы, установленные на наружной поверхности корпуса с размещением наружной конической поверхности разжимного конуса во внутренней конической поверхности верхнего уплотнительного элемента, а наружной конической поверхности этого элемента во внутренней конической полости нижнего уплотнительного элемента, снабжен обратным клапаном, размещенным в корпусе под уплотнительными элементами и гидравлически связанным с полостью корпуса и с кольцевым зазором между внутренней поверхностью нижнего уплотнительного элемента и наружной поверхностью корпуса, при этом нижний и верхний уплотнительные элементы армированы продольными металлическими стержнями, а нижняя часть нижнего уплотнительного элемента имеет защитный кожух.

На фиг. 1-6 приведен предлагаемый пакер.

Пакер (фиг. 1) включает полый корпус 1, верхний 2 и нижний 3 уплотнительные элементы, установленные на наружной поверхности корпуса 1, разжимной конус 4, жестко и герметично связанный с гидроцилиндром 5, причем наружная коническая поверхность разжимного конуса 4 размещена во внутренней конической полости верхнего уплотнительного элемента 2, а наружная коническая поверхность конуса 6 элемента 2 размещена во внутренней конической полости нижнего уплотнительного элемента 3. Пакер снабжен обратным клапаном 7, размещенным в корпусе 1 под уплотнительными элементами и гидравлически связанным с полостью корпуса 1 и посредством трубки 8 с кольцевым зазором между внутренней поверхностью нижнего уплотнительного элемента 3 и наружной поверхностью корпуса 1. Уплотнительные элементы 2 и 3 армированы продольными металлическими стержнями 9 и 10, имеющими наружную резьбовую насечку для лучшей связи с массивом резины. Нижняя часть уплотнительного элемента 3 имеет защитный кожух 11. В верхней части гидроцилиндра 5, между ним и корпусом 1, размещен фиксатор транспортного и рабочего положений гидроцилиндра 5, включающий фиксирующее разрезное кольцо 12 с конусной наружной поверхностью и кольцевой насечкой на внутренней цилиндрической поверхности, конус 13 и кольцо 14, жестко связанное винтами 15 с гидроцилиндром 5 и срезными винтами 16 с корпусом 1, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые насечки 1, ответные по профилю насечкам на внутренней поверхности кольца 12. Между корпусом 1 и гидроцилиндром 5 размещена защитная втулка 17, перекрывающая разжимное фиксирующее кольцо 18, размещенное в канавке на наружной поверхности корпуса 1, имеющая кольцевую расточку 19 на внутренней поверхности, упирающаяся своим верхним торцем в упорное кольцо 20 и связанная с корпусом 1 срезным винтом 21. Стержни 9 и 10 манжет жестко связаны с конусами 4 и 6 посредством плашек 22 и 23 и срезных винтов 24, причем количество винтов 24 манжеты 3 меньше числа винтов 24 манжеты 2. На внутренней поверхности манжет 2 и 3 могут быть выполнены продольные пазы 25 и 26 (фиг. 1 и 2) для подвода жидкости от клапана 7, впускное отверстие которого в транспортном положении перекрыто полой разрушаемой пробкой 27, ко всей внутренней поверхности манжет. Для подвода жидкости в рабочую полость Г гидроцилиндра 5 в корпусе 1 выполнено радиальное отверстие 28, перекрытое полой разрушаемой пробкой 29, в котором размещен впускной клапан, конструкция которого нами не оговаривается. Между корпусом 1 и разжимным конусом 4 размещена манжета 30 одностороннего перепуска. Для связи с колонной труб на верхнем и нижнем концах корпуса 1 выполнены конусные резьбы 31 и 32. Герметизация в пакере обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 33 круглого сечения.

Пакер работает следующим образом.

В составе обсадной колонны пакер спускают в скважину, при этом в процессе промывки скважины, закачивания в колонну тампонажного раствора и вытеснения его в затрубное пространство, пакер надежно защищен от преждевременного срабатывания за счет того, что рабочая полость "Г" гидроцилиндра 5 и обратный клапан 7 герметично разобщены от полости колонны разрушаемыми пробками 29 и 27.

В процессе цементирования скважины разделительная пробка 34 проходит через центральный канал пакера и ломает разрушаемые пробки 27 и 29, при этом, однако, не происходит срабатывание пакера благодаря конструктивным и технологическим особенностям клапанов 7 и 28, открывающимся для перепуска жидкости из колонны в полость "Г" и под манжеты 3 и 2 только после снижения давления в колонне до гидростатического.

После получения сигнала "Стоп" и снижения давления в цементировочной головке до нуля, клапаны 7 и 28 открываются. При повторном повышении давления в колонне (см.фиг. 2), жидкость через клапан 28 поступает в полость Г, при достижении давлением заданной величины срезаются тарированные винты 16 и гидроцилиндр 5 начинает смещаться вниз. Происходит первый этап пакеровки. Клапан 7 при этом не перепускает жидкость под уплотнительные элементы 2 и 3, поскольку его пружина оттарирована на давление открытия клапана более высокое, чем давление среза винтов 16. Фиксирующее разрезное кольцо 12 с внутренней насечкой перемещается кольцом 14 по ответной насечке 1 на корпусе 1, предохраняя гидроцилиндр 5 от смещения вверх при снижении давления в колонне. Поскольку винтов 24 в сечении А-А в два раза больше, чем в сечении В-В при прочих равных их параметрах, сначала срезаются винты 24 в сечении В-В и конус 6, а за ним и уплотнительный элемент 2 входят под уплотнительный элемент 3. При возрастании сил трения между уплотнительными элементами 2 и 3 до значительных величин, замедлении перемещения манжеты 2, давление в колонне растет и при определенной величине давления открывается клапан 7. Жидкость из колонны через клапан 7, трубу 8 и продольные пазы 25 и 26 поступает к контактным поверхностям манжет 2 и 3, смачивает и смазывает их, расширяет манжету 3, на что требуется значительно меньшее давление, чем давление, необходимое для расширения манжеты конусом при ограниченной рабочей площади гидроцилиндра. Контакт и силы трения между манжетами 2 и 3 резко ослабевают и перемещение манжеты 2 под манжету 3 возобновляется или ускоряется.

По достижении конусом 6 крайнего нижнего положения и росте давления в колонне, срезаются винты 24, связывающие конусную поверхность гидроцилиндра 5 с плашками 22 манжеты 2 и гидроцилиндр входит под уплотнительные элементы 2 и 3, плотно прижимая их к стенкам скважины. Осуществляется второй этап пакеровки.

В случае остановки перемещения гидроцилиндра 5 и роста давления в колонне, жидкость из центрального канала пакера через клапан 7, трубку 8 и пазы 25 поступает к трущимся поверхностям гидроцилиндра 5 и манжеты 2 и действует аналогично первому этапу пакеровки. По достижении гидроцилиндром 5 крайнего нижнего положения и упора его конуса в конус 6, давление в колонне наращивают до величины, необходимой для подготовки клапана 7 к герметичному закрытию и снижают до гидростатического. Клапан 7 автоматически закрывается, исключая при последующих повышениях давления в колонне перепуск жидкости из колонны в затрубное пространство. Защитная втулка 17 под действием избыточного гидростатического давления столба тампонажного раствора, поднятого выше пакера, срезает винт 21, перемещается вниз до герметичного контакта с манжетой 30 и фиксируется в этом положении разжимным кольцом 18, расширяющимся в расточке 19 втулки 17. Пакер загерметизирован от перепуска жидкостей в колонну, из колонны, разобщая затрубное пространство скважины, и в таком положении остается в скважине на период ОЗЦ и весь период дальнейшего бурения и эксплуатации скважины.

Формула изобретения

ПАКЕР, включающий полый корпус, последовательно размещенные на корпусе разжимной конус и верхний уплотнительный элемент с конической расточкой на верхнем торце и коническим нижним торцом, установленные с возможностью осевого перемещения и жестко связанный с корпусом нижний уплотнительный элемент с конической расточкой на верхнем торце с размещением разжимного конуса в конической расточке верхнего торца верхнего уплотнительного элемента, а конического торца последнего в конической расточке верхнего торца нижнего уплотнительного элемента, отличающийся тем, что он снабжен обратным клапаном, размещенным в корпусе под нижним уплотнительным элементом, а на внутренних поверхностях уплотнительных элементов выполнены продольные пазы с возможностью их гидравлической связи через обратный клапан с полостью корпуса, при этом уплотнительные элементы армированы металлическими стержнями, а нижняя часть нижнего уплотнительного элемента имеет защитный кожух.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6