Узел уплотнения пакера

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к скважинному оборудованию для раздельной эксплуатации пластов, изоляционных работ, гидроразрыва пластов и др. Техническим результатом изобретения является сохранение надежности уплотнения при практически любых встречающихся внутрискважинных температурах, обеспечение стойкости элементов уплотнения к воздействию скважинного флюида и совмещение в узле уплотнения функций герметизации и заякоривания. Узел уплотнения пакера содержит цилиндрический корпус с установленными на нем подвижным и неподвижным упорами и последовательно размещенными между ними распорными тарельчатыми пружинами и подвижными опорными шайбами. Новым в узле уплотнения является выполнение обращенных попарно друг к другу контактных поверхностей подвижных и неподвижных упоров и подвижных опорных шайб коническими, а внутренних торцев распорных тарельчатых пружин - скругленными с образованием герметичных пар типа "тор по конусу" и выполнение наружных торцев распорных тарельчатых пружин скошенными в виде кольцевых режущих кромок, образующих при взаимодействии с внутренней поверхностью обсадной трубы герметичное уплотнение и анкерное соединение. 4 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к скважинному оборудованию для раздельной эксплуатации пластов, изоляционных работ, гидроразрыва пластов и др.

В известном техническом решении узла уплотнения пакера /1/, герметизация межтрубного пространства достигается последовательной установкой ряда уплотнительных колец из эластичного материала, для разделения и поджатия которых используются тарельчатые пружины.

Недостатками этого технического решения являются использование тарельчатых пружин по существу лишь как разделительных элементов, что неоправдано усложняет конструкцию, кроме того, ограничен температурный диапазон работы уплотняющего материала.

Другое известное уплотни тельное устройство пакера /2/ содержит уплотнительные конические втулки, шайбы между втулками и упорные ограничительные элементы, причем шайбы выполнены разрезными коническими и пружинными.

Недостатком этого устройства является необходимость преодоления значительных сил трения между уплотнительными коническими втулками и шайбами при развороте последних в плоскость. Кроме того, ограничен температурный диапазон работы уплотняющего материала.

Наиболее близким по технической сущности является узел уплотнения скважинного устройства, содержащий корпус и установленные на нем чередующиеся между собой уплотнительные кольца из эластичного материала и шайб в виде тарельчатых пружин с возможностью иx смыкания при предельной нагрузке /3/.

К числу недостатков данного технического решения следует отнести сложность конструкции, необходимость подбора для конкретных условий пакерования сечений эластичных колец и геометрии тарельчатых пружин, ограниченный температурный диапазон рабочих характеристик материала эластичного уплотнения (не ниже -10°С и не выше +120°С) и его недостаточная стойкость к химически агрессивному скважинному флюиду, а также необходимость использования для фиксации узла уплотнения пакера в скважине отдельного якорного устройства.

Техническим результатом изобретения является сохранение надежности уплотнения при практически любых встречающихся внутрискважинных температурах, обеспечение стойкости элементов уплотнения к воздействию скважинного флюида и совмещение в узле уплотнения функций герметизации и анкерного соединения.

Технический результат достигается тем, что узел уплотнения содержит цилиндрический корпус с установленными на нем подвижным и неподвижным упорами и последовательно размещенными между ними распорными тарельчатыми пружинами и подвижными шайбами, причем обращенные попарно друг к другу контактные поверхности упоров и подвижных опорных шайб выполнены коническими и с меньшей твердостью, чем выполненные скругленными в виде элемента тора и имеющие большую твердость внутренние торцы распорных тарельчатых пружин, что при приложении осевых усилий вызывает смятие конических поверхностей с образованием пояска сферической поверхности в местах контакта, чем достигается геометрическое замыкание и герметизация пары "тор по конусу", а наружные торцы распорных тарельчатых пружин выполнены скошенными в виде кольцевых режущих кромок, образующих при взаимодействии с внутренней поверхностью обсадной трубы герметичное уплотнение и анкерное соединение.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство отличается тем, что обращенные попарно друг к другу контактные поверхности подвижного и неподвижного упоров и подвижных опорных шайб выполнены коническими и внутренние торцы распорных тарельчатых пружин - скругленными в виде элемента тора с образованием, при приложении осевых усилий геометрического, замыкания и герметизации пары "тор по конусу", а наружные торцы распорных тарельчатых пружин выполнены скошенными в виде кольцевых режущих кромок, взаимодействующих с внутренней поверхностью обсадной трубы с образованием герметичного уплотнения и анкерного соединения. Таким образом, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области (пакеры и якори нефтяных и газовых скважин) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом узле уплотнения пакера.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема узла уплотнения пакера в исходном состояние; на фиг.2-4 - то же, в рабочем состоянии.

Узел уплотнения пакера выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 с аксиальным отверстием и размещенными на корпусе подвижным 2 и неподвижным 3 упорами, между которыми последовательно размещены распорные тарельчатые пружины 4 и подвижные опорные шайбы 5, причем обращенные попарно друг к другу контактные поверхности упоров и опорных шайб выполнены коническими и с меньшей твердостью, чем выполненные скругленными в виде элемента тора и имеющие большую твердость внутренние торцы распорных тарельчатых пружин, что при приложении осевых усилий вызывает смятие конических поверхностей с образованием пояска сферической поверхности в местах контакта, чем достигается геометрическое замыкание и герметизация пары "тор по конусу", а наружные торцы распорных тарельчатых пружин выполнены скошенными в виде кольцевых режущих кромок, образующих при взаимодействии с внутренней поверхностью обсадной трубы 6 герметичное уплотнение и анкерное соединение.

В составе пакера заявленный узел уплотнения работает следующим образом. После установки пакера в требуемом для работы месте скважины узел уплотнения нагружают осевым усилием P_упр.. Нагрузка через подвижный 2 и неподвижный 3 упоры воспринимается распорными тарельчатыми пружинами 4 и подвижными опорными шайбами 5. В процессе нагружения распорных тарельчатых пружин осевой нагрузкой происходит их деформация и разворот относительно плоскости смыкания. При этом внутренние торцы распорных тарельчатых пружин, будучи скругленными, под действием контактных усилий самоустанавливаются по конусным поверхностям подвижного и неподвижного упоров и подвижных опорных шайб и, имея большую твердость, сминают их в местах контакта, образуя пояске сферической поверхности, чем достигается геометрическое замыкание и герметизация пары "тор по конусу", фиг.3 место А. Одновременно наружные торцы, имея кольцевые режущие кромки и разворачиваясь относительно плоскости смыкания распорных тарельчатых пружин, врезаются в тело обсадной трубы 6, образуя герметичное уплотнение и анкерное соединение, фиг.4 место Б.

Использование в составе пакера заявленного узла уплотнения предотвращает возникновение аварийных ситуаций, связанных с разрушением уплотняющих элементов при высоких скважинных температурах, а исполнение узла уплотнения из коррозионно-стойких сталей обеспечивает его работу в среде скважинного флюида с агрессивными свойствами. Кроме того, предложенный узел уплотнения пакера, совмещая в себе функции герметизирующего узла и якоря, позволяет резко сократить осевые габариты пакера и использовать последний в скважинах, имеющих криволинейные участки (включая наклонные и горизонтальные скважины). Предложенный узел уплотнения позволяет производить многократную установку пакера без извлечения последнего из скважины, что резко сокращает время на проведение технологических операций.

Источнике информации

1. Патент №2055155, Россия, Е 21 В 33/12, 1996, БИ 6.

2. Патент №2129647, Россия, Е 21 В 33/12, 1999, БИ 12.

3. Патент №2105130, Россия, Е 21 В 33/12, 1998, БИ 5.

Формула изобретения

Узел уплотнения пакера, содержащий цилиндрический корпус с установленными на нем подвижным и неподвижным упорами и последовательно размещенными между ними распорными тарельчатыми пружинами и подвижными опорными шайбами, отличающийся тем, что обращенные попарно друг к другу контактные поверхности подвижного и неподвижного упоров и подвижных опорных шайб выполнены коническими и внутренние торцы распорных тарельчатых пружин - скругленными с образованием герметичных пар типа "тор по конусу", а наружные торцы распорных тарельчатых пружин выполнены скошенными в виде кольцевых режущих кромок, образующих при взаимодействии с внутренней поверхностью обсадной трубы герметичное уплотнение и анкерное соединение.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4