Узел уплотнения пакера

 

Изобретение на узел уплотнения пакера относится к глубинному скважинному оборудованию, в частности для изоляционных работ при эксплуатации скважин. Сущность изобретения: для упрощения конструкции и обеспечения надежности работы узла уплотнения в широком диапазоне давлений упорные кольца, установленные на стволе пакера, выполнены в виде тарельчатых пружин, а кольцевые камеры в виде трапеций, образованные со стволом упорными кольцами, размещены последовательно по стволу, причем эластичные кольца выполнены в поперечном сечении в виде круга. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к скважинному оборудованию для нефтегазодобывающей промышленности, в частности к глубинному оборудованию, например для раздельной эксплуатации пластов, предотвращения открытого фонтанирования, изоляционных работ и т.д.

Известно уплотнение пакера, содержащее одно или несколько эластичных колец треугольного сечения, металлические разжимные и цельные кольца со скошенными торцами с каждой стороны группы эластичных колец (Зайцев Ю.В. и др. Оборудование для предотвращения открытых фонтанов нефтяных и газовых скважин. М. Недра, 1973, с.99, фиг.4,а,б).

Недостатки этого уплотнения заключается в том, что эластичные кольца, находясь длительное время под влиянием агрессивной среды и постоянной нагрузки (5-10 г) разбухают, теряют радиальную упругость, прилипают друг к другу и к обсадной трубе, что при попытке извлечения пакера из скважины приводит к прихватам его, обрыву насосно-компрессорных труб (НКТ) и другим осложнениям.

Известно уплотнение пакера, содержащее поочередно установленные цельные и разжимные металлические кольца с взаимно наклонными торцами, между которыми по периметру колец установлены уплотнительные прокладки [1] Под нагрузкой цельные кольца вытесняют разжимные кольца и уплотнительные прокладки к стенке обсадной колонны, герметизируя зазоры между ней и кольцами.

Недостатки этого уплотнителя заключаются в том, что уплотнительные прокладки имеют небольшое поперечное сечение. Вследствие приобретенных обсадной трубой дефектов зазор между ней и металлическими разжимными кольцами неравномерен. Небольшие в поперечном сечении уплотнительные прокладки не могут эффективно герметизировать такой зазор: остаются свищи, возможна экструзия прокладок на отдельных участках зазора.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является узел уплотнения пакера, содержащий эластичные кольца и с обоих сторон каждого из них упорные кольца, выполненные с наклонными торцовыми поверхностями с возможностью вытеснения эластичных колец в противоположных радиальных направлениях к соответствующим уплотняемым поверхностям [2] Этот узел уплотнения имеет большие контактные поверхности, что при химически активных средах приводит к появлению высоких сил адгезионного взаимодействия материалов эластичного кольца и обсадной трубы. Адгезионное взаимодействие при снятии нагрузки с уплотнения препятствует размыканию контактных поверхностей, что при распакеровке устройства приводит к аварийным ситуациям.

Кроме того, уплотнительный элемент (эластичные кольца) работает на полный перепад давления, что при высоких давлениях требует специальной антиэкструзионной защиты, т.е. усложнения конструкции.

Задача изобретения упрощение конструкции и обеспечение ее надежности в широком диапазоне давлений за счет использования упругости материала уплотнительного (эластичного) элемента.

Это достигается тем, что в узле уплотнения пакера, содержащем эластичные кольца и, с обоих сторон каждого из них упорные кольца, выполненные с наклонными торцовыми повеpхностями с возможностью вытеснения эластичных колец в противоположных радиальных направлениях к соответствующим уплотняемым поверхностям, согласно изобретению упорные кольца выполнены по форме тарельчатых пружин, расположенных навстречу друг другу попарно с образованием между собой камер в виде трапеций, ориентированных в противоположных радиальных направлениях поочередно, в камерах установлено по одному эластичному кольцу кругового или близкого к нему сечения, вписанного в контур камеры.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема уплотнения пакера в исходном состоянии; на фиг.2 то же, в рабочем состоянии.

Узел уплотнения пакера содержит корпус 1 пакера, относительно которого уплотняется обсадная труба 2 скважины. В проточке на корпусе 1 установлены набор упорных колец 3, выполненных в виде тарельчатых пружин, и эластичных колец 4 между упорными кольцами. Упорные кольца 3 установлены с зазором 5, исключающим экструзию эластичного материала колец 4. Ориентированы кольца 3 так, что друг с другом образуют в поперечном сечении камеры 6 в виде трапеции. В каждой камере установлено по эластичному кольцу 4. Кольца 4 выполнены в поперечном сечении круглыми (или близкими к этому). Тарельчатая форма упорных колец противоположно друг к другу (попарно навстречу друг другу) установленных на корпусе дает форму камер между кольцами в виде трапеций, что обеспечивает возможность вытеснения эластичных колец 4 поочередно в противоположных направлениях, т.е. к уплотняемой поверхности обсадной трубы 2 и к уплотняемой поверхности корпуса 1 пакера.

По величине поперечного сечения эластичные кольца вписываются в контур камер 6.

Упорные кольца 3 могут быть выполнены с неодинаковым наклоном для создания различных контактных нагрузок на соответствующих уплотняемых поверхностях вдоль одного уплотнения.

Нагружается уплотнение механически или гидравлически, например через поршень 7.

Пакер с узлом уплотнения устанавливают в обсадной трубе 2 скважины над эксплуатируемым пластом. Для разобщения зон затрубного пространства выше и ниже пакера нагружают узел уплотнения продольной нагрузкой Р_упр. Нагрузка через упорные кольца 3, скользящие вдоль корпуса пакера, воспринимается эластичными кольцами 4. Под нагрузкой кольца 4 деформируются и вытесняются по наклонным торцовым поверхностям упорных колец 3 в сторону уплотняемой поверхности. Ввиду того, что упорные кольца образуют камеры 6 в виде трапеций, большей стороной всегда направленные поочередно к уплотняемым поверхностям обсадной трубе и корпусу пакера, эластичные кольца 4 перемещаются также поочередно в противоположных направлениях к поверхности обсадной трубы и к поверхности пакера. При этом деформации эластичного кольца состоят из изменения формы поперечного сечения (фиг.2) и из изменения диаметра кольца. Каждое эластичное кольцо при сжатии, как правило, не полностью занимает объем камеры, т.е. эластичные кольца 4 чередуются с полостями 8. Под влиянием давления среды (жидкость, газ) контактное давление первого эластичного кольца с уплотняемой поверхностью 2 уменьшается и среда заполняет полость 8 (часть камеры незаполненная кольцом 4) между первым и вторым кольцом (со стороны высокого давления) и т.д. Каждое эластичное кольцо 4 работает на разность давлений до и после себя. Подбирая количество колец, можно исключить утечки среды, обеспечивая на каждом кольце планируемое падение давления.

В течение использования пакера эластичные кольца могут находиться под влиянием агрессивной среды и постоянной нагрузки. Тогда резина разбухает, радиальная упругость кольца значительно снижается, а материал кольца прилипает к контактным поверхностям, но собственная упругость материала кольца в поперечном сечении сохраняется.

При снятии пакера осевая нагрузка с уплотнения убирается, эластичный материал, ранее деформированный между упорными кольцами 3, стремится принять первоначальную форму поперечного сечения в виде круга, вследствие чего происходит отрыв кольца от уплотняемой поверхности по большей части контакта. После этого усилие снятия пакера значительно снижается, т.е. уменьшается возможность прихвата пакера.

Деформации обсадной трубы 1 в процессе эксплуатации часто встречающийся дефект, усложняющий работу уплотнения, так как зазор 5 между упорными кольцами 3 и поверхностью обсадной трубы может превышать оптимальный размер.

Радиальный размер упорных колец значительно больше зазора их с обсадной трубой, а он определяет размеры камеры и, следовательно, размеры эластичного кольца. Вследствие этого поперечный размер эластичного кольца 4 значительно превосходит возможный зазор 5 между упорным кольцом 3 и обсадной трубой 1. За счет большого размера колец 4 и деления давления и уплотнении перекрытие зазора ими осуществляется с низкими относительными деформациями, что обуславливает низкий уровень напряжений при его деформации.

Конструкция уплотнения обеспечивает применение эластичных колец 4 большого сечения, в которых проявляются соответственно достаточно большие упругие деформации. Отвод эластичных колец от поверхности обсадной трубы 1 обеспечен упругой восстанавливаемостью круглой формы (или близкой к ней) поперечного сечения уплотнительных элементов 4. Наиболее эффективна эта восстанавливаемость при относительно невысоких перепадах давления, достигнутых увеличением количества уплотнительных элементов.

Антиэкструзионная защита проявляется в том, что уплотнительные кольца 4 значительно больше возможных уплотняемых зазоров 5 (с учетом приобретенных дефектов обсадной трубы) и снижением перепада давления на один уплотняемый элемент 4.

Упрощение конструкции объясняется применением набора простых элементов.

Достаточно простая конструкция уплотнения обеспечивает надежную работу при высоких перепадах давления.

При определенном алгоритме работы уплотнение пакера может быть применено в необсаженных скважинах.

Формула изобретения

1. УЗЕЛ УПЛОТНЕНИЯ ПАКЕРА, содержащий установленные на стволе упорные кольца с наклонными торцевыми поверхностями, образующими между собой и стволом в виде трапеций эластичные кольца, установленные между упорными кольцами с возможностью вытеснения эластичных колец в противоположных направлениях при создании на них осевого усилия, отличающийся тем, что упорные кольца выполнены в виде тарельчатых пружин, а камеры в виде трапеций размещены последовательно по стволу.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что эластичные кольца выполнены в поперечном сечении в виде круга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2