Гидромеханический пакер

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для перекрытия осевого канала обсадных труб скважины ниже интервала перфорации с целью водоизоляции подошвенной жидкости. Технический результат, который может быть получен при реализации устройства, - возможность перекрытия ствола скважины уплотнителем, стойким к пластовым условиям в течение длительного времени, с возможностью подачи изолирующего состава в подпакерную зону, перекрытием гидродинамической связи с подпакерной зоной после сброса давления. Устройство состоит из ствола, соединенного через переходник с колонной труб. С внешней стороны на переходнике установлен корпус гидроцилиндра с образованием кольцевой камеры, в которой установлен поршень с разжимным конусом. Корпус гидроцилиндра снабжен металлической уплотнительной оболочкой. Ствол пакера снабжен разрезной цангой, головки которой входят внутрь металлической уплотнительной оболочки и охватывают разжимной конус. На внешней стороне разрезной цанги, ниже места расположения металлической уплотнительной оболочки, установлены зубцы якоря. В осевом канале ствола установлена ступенчатая подпружиненная втулка с седлом и шаровым клапаном. В осевом канале ступенчатой подпружиненной втулки установлен обратный клапан. В теле ствола ниже места расположения седла выполнены радиальные отверстия. Ступенчатая подпружиненная втулка связана со стволом тарированным срезным элементом. Посадка пакера ведется путем установки шарового клапана на седло и подачей избыточного давления на поршень с вводом разжимного конуса внутрь головок разрезной цанги, их радиальной деформации совместно с металлической уплотнительной оболочкой до контакта со стенкой обсадной колонны. Одновременно зубцы якоря внедряются в тело трубы, тем самым осуществляется фиксация пакера. 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для перекрытия межтрубного пространства нефтяных и газовых скважин при водоизоляции подошвенной воды.

Известно пакерующее устройство (см. а.с. № 1118760, М.кл. Е 21 В 33/12. опубл. 15.10.84. Бюл. №38), состоящее из ствола, на котором установлена головка с уплотнительным элементом, опирающимся на опорную втулку, фиксатор и ограничитель фиксатора, специальная резьбовая муфта обсадной колонны, причем фиксатор выполнен в виде подпружиненной относительно опорной втулки резьбовой гайки, связанной со стволом шлицевым соединением и имеющей на наружной поверхности резьбу для взаимодействия с резьбой муфты.

Для перекрытия межтрубного пространства пакерующее устройство в сборе опускается в скважину к месту установки специальной резьбовой муфты и садится на выступ опорной втулкой. Правым вращением колонны труб вводят резьбовую гайку в зацепление с ответной резьбой муфты. При расчетном осевом усилии, сообщаемом уплотнительному элементу, последний теряет свою устойчивость в месте выполнения внутренней проточки и деформируется в радиальном направлении с образованием герметичного контакта с внутренней поверхностью муфты.

Недостатки. Устройство может быть применено только в новом фонде скважин, при спуске обсадной колонны, в состав которой вводится специальная резьбовая муфта.

Уплотнитель выполнен из пластичного металла, способного к пластическому деформированию при приложении осевой нагрузки.

В старом фонде скважин устройство неприменимо, поскольку нет возможности оснастить обсадную колонну специальной резьбовой муфтой.

Устройство предназначено для использования преимущественно в па-ронагнетательных скважинах, то есть в условиях циклического воздействия температуры и давления. При подаче теплоносителя в скважину произойдет неравномерный во времени нагрев уплотнителя и специальной резьбовой муфты, что может привести к увеличению герметичности соединения в начальный момент и к потере герметичности после прогрева специальной резьбовой муфты и термического изменения размера в месте посадки уплотнительного элемента.

В случае наличия механических частиц на посадочной поверхности специальной резьбовой муфты могут возникнуть проблемы, связанные с потерей герметичности пакера.

Известен термостойкий пакер (см. а.с. № 1548405, М.кл. 5 Е 21 В 33/12, опубл. 07.03.90. Бюл. № 9), содержащий полый ствол, узел фиксации пакера, седло в осевом канале ствола, снабженное шаром, корпус с закрепленным на нем уплотнительным элементом, разжимной конус и распорные фиксирующие элементы - шлипсы по периметру. Уплотнительный элемент выполнен в виде цилиндрической металлической оболочки с узлом расширения в виде шариков, взаимодействующих с внутренней поверхностью уплотнительного элемента и поверхностью разжимного конуса.

Посадка пакера производится путем создания избыточного давления под разжимным конусом шлипсов и передачей давления на конус узла расширения с одновременным вращением колонной труб ствола пакера и раскатыванием шариками цилиндрической металлической оболочки до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны. Шлипсы якорящего узла также выдвигаются в радиальном направлении до внедрения зубьями в стенку обсадной колонны и фиксацией пакера.

Освобождают осевой канал ствола пакера от седла с шаром путем превышения давления рабочей жидкости по сравнению с давлением посадки и сбросом седла с шаром на забой. Пакер готов к работе.

Недостатки конструкции пакера:

- необходимость тщательной подготовки поверхности обсадной колонны в месте посадки пакера;

- необходимость передачи крутящего момента на ствол пакера во время посадки - деформации уплотнителя;

- наличие малого пятна контакта с обсадной колонне по высоте при наличии достаточной жесткости уплотнителя и существования различных дефектов на стенке трубы обсадной колонны не позволяет надежно изолировать подпакерную зону от надпакерной;

- при необходимости разбуривания пакера возникает необходимость исключения вращения его ствола, что не предусмотрено конструкцией и может значительно увеличить сроки разбуривания.

Наличие шлипсов с зубьями, внедряемыми в стенку обсадной колонны, расположенными по периметру, способствует удержанию пакера на месте при восприятии осевых нагрузок. Тем не менее, съем пакера с места установки также затруднен из-за отсутствия механизма возврата разжимных конусов уплотнителя и якоря в исходное положение.

Известен термостойкий пакер (см. а.с. № 1361303, М.кл. 4 Е 21 В 33/12, опубл. 23.12.87. Бюл. № 47), состоящий из полого корпуса, на котором закреплен нижний конец уплотнительного элемента - тонкостенной цилиндрической оболочки, образующей кольцевую полость, заполненную наполнителем - резиной. Корпус снабжен нажимным элементом в виде кольцевого поршня. Устройство снабжено шлипсовым якорем.

Посадка пакера осуществляется путем передачи осевой нагрузки от веса труб на нажимной элемент, созданием сжимающих напряжений в резине, которые передаются на тонкостенную металлическую оболочку с обеспечением ее пластичной деформации в радиальном направлении до образования герметичного контакта со стенкой обсадной колонны. Фиксация пакера в этом положении осуществляется за счет вывода шлипсов якоря в радиальном направлении разжимным конусом до контакта со стенкой обсадной колонны.

Недостатки. Поскольку деформация тонкостенной металлической оболочки происходит за счет создания давления в замкнутом объеме и передачей радиального давления на оболочку с наличием зазора между оболочкой и кольцевым поршнем, то с течением времени после потери резиной упругих свойств образуется зазор, через который существует сообщение подпакерной полости с надпакерной, что нежелательно.

Неясно, каким образом возможно осуществить радиальное перемещение шлипсов якоря для фиксации пакера внутри обсадной колонны, поскольку нет механизма передачи нагрузки на шлипсы якоря.

Известен термостойкий пакер (см. а.с. № 1731937, М.кл. 5 Е 21 В 33/12, опубл. 07.05.92. Бюл. № 17), взятый авторами в качестве прототипа.

Пакер содержит полый ствол, на котором установлен цилиндр с тонкостенной металлической оболочкой. В цилиндре установлен разжимной конус с образованием зазора между ним и металлической оболочкой, в котором размещена разрезная цанга в виде клиновидных кулачков с фигурным кольцевым пазом, в котором установлено фигурное кольцо, выходящих за пределы металлической оболочки. В осевом канале ствола установлено седло под шаровой клапан, а на его нижнем конце - выступ для взаимодействия с конусом.

На колонне насосно-компрессорных труб пакер опускают в скважину на заданную глубину, перекрывают осевой канал ствола шаром и поднимают давление рабочей жидкости, которое сообщается разжимному конусу. При этом последний перемещается в осевом направлении вниз с преобразованием в радиальное перемещение клиновидных кулачков разрезной цанги, которое передается на металлическую оболочку с волнообразно изогнутым кольцом. Наружный диаметр металлической оболочки увеличивается с превышением предела текучести материала оболочки. Волнообразно изогнутое кольцо также увеличивает свой диаметральный размер и доводится до контакта со стенкой обсадной колонны с внедрением в поверхностный слой. Поднимают давление в насосно-компрессорных трубах от номинального с обеспечением дальнейшего внедрения в обсадную колонну острой наружной кромки волнообразного кольца, которое выполняет функцию якоря. Одновременно седло с шаром выводится из осевого канала ствола и сбрасывается на забой.

Сбрасывают давление и нагружают ствол пакера весом колонны насосно-компрессорных труб, сообщаемым на разжимной конус, что обеспечивает непрерывное поджатие металлической оболочки и волнообразного кольца к стенке обсадной колонны.

Недостатки конструкции. При передаче радиальной деформации на уплотнитель, последний изменяет (увеличивает) свой диаметр до диаметра обсадной колонны с получением между ними контактных напряжений, достаточных, по мнению авторов, для герметичного перекрытия подпакерной полости от надпакерной. Однако известно, что обсадная колонна имеет эллипсоидную форму осевого канала, откуда следует, что по периметру взаимодействия металлической оболочки с внутренней поверхностью обсадной колонны контактные напряжения по меньшей оси эллипса будут приемлемы для дальнейшей работы пакера, а по большей оси эллипса существует вероятность сохранения зазора, что делает проблематичным добиться герметизации подпакерной зоны от надпакерной. Установка на внешней стороне уплотнителя якоря, выполненного в виде волнообразно изогнутого кольца, также вносит неопределенность в определении и создании необходимых усилий посадки, к тому же, наличие волнообразного кольца на внешней стороне уплотнителя негативно влияет на его герметизирующую способность, то есть чтобы уплотнитель довести до контакта со стенкой обсадной колонны, необходимо обеспечить внедрение кольца, что проблематично, поскольку необходимо развить достаточно высокое усилие, а при изменении диаметра уплотнителя имеет место изменение шага изгибов волнообразного кольца и, соответственно, высоты волны, что практически невозможно осуществить при наличии контакта кольца со стенкой обсадной колонны.

Кроме того, в зависимости от толщины стенки обсадной колонны необходимо корректировать внешний диаметр уплотнителя и волнообразного кольца, что требует иметь достоверную информацию по обсадной колонне каждой конкретной скважины.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- возможность гидравлической посадки пакера с надежным перекрытием межтрубного пространства комбинированным уплотнителем с одновременной фиксацией пакера в обсадной колонне;

- совмещение якорящего узла с цангой для одновременной посадки-фиксации пакера и деформации уплотнителя в радиальном направлении упрощает конструкцию;

- возможность образования гидравлической связи осевого канала ствола пакера с подпакерной областью, например, в случае подачи изолирующего состава в подпакерную область и прекращения этой связи после сброса давления в осевом канале лифтовой колонны труб.

Анализ изобретательского уровня показал следующее:

известна конструкция пакерующего устройства (см. а.с. № 1153040, М.кл. Е 21 В 33/12, опубл. 30.04.85. Бюл. № 16), где уплотнительный элемент выполнен заодно с цилиндром и представляет собой тонкостенную металлическую оболочку, снабженную цилиндрическим пояском, играющим роль фиксирующего элемента при посадке пакера в специальной посадочной муфте.

Известен термостойкий пакер (см. а.с. № 1252477, М.кл. Е 21 В 33/12, опубл. 23.08.86. Бюл. № 31), где уплотнительный элемент выполнен комбинированным со стальной оболочкой, имеющей кольцевые выступы, на которой установлена оболочка из легкоплавкого металла, которая при посадке пакера расплавляется за счет температуры, получаемой при поджоге термитного заряда.

При проведении патентных исследований по научно-технической литературе нами не обнаружено описание конструкции механических пакеров, в которых совмещено в одном узле привод, направленный на деформацию-посадку уплотнителя и последующую фиксацию якорения пакера внутри обсадной колонны, создание герметичного контакта с обсадной колонной путем передачи растягивающих напряжений со стороны тонкостенной металлической оболочки на эластичный уплотнитель при его радиальном перемещении к стенке обсадной колонны.

Не обнаружено также выполнение уплотнительного элемента в виде тонкостенной металлической оболочки, имеющей коническую форму, на внешней стороне которой установлен эластичный уплотнительный элемент.

Также не обнаружено совмещение элементов якоря с разрезной цангой, входящей в одновременное взаимодействие с разжимным конусом и тонкостенной металлической оболочкой уплотнителя.

Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними.

Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, то есть соответствует критерию изобретательский уровень.

Технический результат достигается тем, что в гидромеханическом пакере, включающем ствол, соединенный через переходник с лифтовой колонной, гидроцилиндр с разжимным конусом и металлической уплотнительной оболочкой, якорь, разрезную цангу, согласно изобретению металлическая уплотнительная оболочка выполнена конической и снабжена уплотнительным кольцом на внешней стороне, ствол снабжен ступенчатой подпружиненной втулкой в осевом канале с седлом под шаровой клапан в верхней части и обратным клапаном, установленной с возможностью осевого перемещения и образования гидравлической связи осевого канала ствола с подпакерной полостью в крайнем нижнем положении и связанной со стволом тарированным срезным элементом, причем разрезная цанга жестко связана со стволом, якорь выполнен в виде кольцевого выступа с зубцами по периметру и установлен ниже места расположения металлической уплотнительной оболочки.

Конструкция пакера поясняется следующими чертежами, где

на фиг.1 представлена конструкция пакера в разрезе, в исходном положении;

на фиг.2 - взаимное положение деталей пакера при его посадке;

на фиг.3 - взаимное положение деталей пакера в положении подачи изоляционного материала в подпакерную полость;

Гидромеханический пакер состоит из ствола 1, жестко связанного верхним концом с переводником 2, на внешней стороне которого установлен корпус 3 гидроцилиндра, с образованием между ними кольцевой камеры 4, в которой размещен поршень 5 с разжимным конусом 6. Корпус 3 гидроцилиндра жестко связан с металлической уплотнительной оболочкой 7. На нижнем конце ствола 1 установлена разрезная цанга 8, входящая своим верхним концом внутрь металлической уплотнительной оболочки 7 и охватывающая разжимной конус 6. Разрезная цанга 8 ниже места расположения металлической уплотнительной оболочки 7 снабжена кольцевым выступом 9, на котором по периметру закреплены зубцы 10 якоря, и жестко связана нижним концом со стволом 1. На внешней стороне металлической уплотнительной оболочки 7 установлено уплотнительное кольцо 11, удерживаемое резьбовой гайкой 12.

В осевом канале 13 ствола 1 установлена ступенчатая подпружиненная втулка 14 с седлом 15 и шаровым клапаном 16. В осевом канале 17 ступенчатой подпружиненной втулки 14 установлен обратный клапан 18. В теле ствола 1 выполнены радиальные отверстия 19, изолированные телом ступенчатой подпружиненной втулки 14 и уплотнительным кольцом 20 от его осевого канала 13. Ступенчатая подпружиненная втулка 14 связана со стволом 1, тарированным срезным элементом 21. Кольцевая камера 4 над поршнем 5 постоянно гидравлически связана с осевым каналом 13 ствола 1 радиальными каналами 22.

Работа устройства.

Устройство через байонетный замок присоединяется к нижнему концу лифтовой колонны труб и опускается в скважину на заданную глубину. Шаровой клапан 16 на седло 15 не устанавливается и осевой канал 13 ствола 1 свободно сообщается с осевым каналом 17 ступенчатой подпружиненной втулки 14.

В таком положении осуществляют промывку ствола скважины путем подачи рабочей жидкости в лифтовую колонну труб. Рабочая жидкость подается в осевой канал 13 ствола 1 устройства, отжимает обратный клапан 18 и по кольцевому зазору между устройством и стенкой обсадной колонны возвращается на поверхность.

В осевой канал лифтовой колонны труб сбрасывают шаровой клапан 16 с посадкой его на седло 15 (см. фиг.1). Тем самым перекрывают гидравлическую связь между полостью лифтовой колонны труб и подпакерной полостью скважины. Создают избыточное давление в лифтовой колонне труб, которое через радиальные каналы 22 подается в кольцевую камеру 4 корпуса 3 гидроцилиндра и действует на поршень 5 с разжимным конусом 6. Разжимной конус 6 перемещается относительно ствола 1 и корпуса 3 гидроцилиндра и вводится внутрь разрезной цанги 8, которая раздвигается в радиальном направлении с обеспечением радиальной деформации металлической уплотнительной оболочки 7 с уплотнительным кольцом 11 до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны. При дальнейшем перемещении поршня 5 вниз происходит сжатие уплотнительного кольца 11 и ввод зубцов 10 якоря во взаимодействие со стенкой обсадной колонны (см. фиг.2). Тем самым осуществляется перекрытие кольцевого зазора между лифтовой и обсадной колонной труб с фиксацией устройства.

Подают в осевой канал лифтовой колонны труб изолирующий состав и повышают давление выше давления посадки пакера, которое сообщается на площадь сечения ступенчатой подпружиненной втулки 14. При расчетном усилии происходит срез тарированного срезного элемента 21с перемещением ступенчатой подпружиненной втулки 14 вниз ниже радиальных отверстий 19 ствола 1, что открывает гидравлическую связь между осевым каналом 13 ствола 1 с подпакерной полостью (см. фиг.3). Расчетный объем изолирующего состава продавливается в подпакерную зону продавочной пробкой, сбрасываемой сверху в лифтовую колонну труб. Жидкость, которой заглушена скважина, вытесняется в окружающие горные породы с заменой на изолирующий состав. Продавочная пробка доходит до кольца “стоп” и процесс останавливают. Избыточным давлением в подпакерной полости закрывается обратный клапан 18, усилием сжатой пружины ступенчатая подпружиненная втулка 14 возвращается в исходное положение с прекращением гидравлической связи подпакерной полости с полостью лифтовой колонны труб. Отсоединяют лифтовую колонну труб от пакера и поднимают ее на поверхность. Устройство в таком положении остается в скважине. При необходимости возврата на нижележащий горизонт, который был перекрыт изолирующим составом, устройство может быть разбурено, поскольку оно выполнено из легкоразрушаемых материалов.

Формула изобретения

Гидромеханический пакер, включающий ствол, соединенный через переходник с лифтовой колонной, гидроцилиндр с разжимным конусом и металлической уплотнительной оболочкой, якорь, разрезную цангу, отличающийся тем, что металлическая уплотнительная оболочка выполнена конической и снабжена уплотнительным кольцом на внешней стороне, ствол снабжен ступенчатой подпружиненной втулкой в осевом канале с седлом под шаровой клапан в верхней части и обратным клапаном, установленной с возможностью осевого перемещения и образования гидравлической связи осевого канала ствола с подпакерной полостью в крайнем нижнем положении и связанной со стволом тарированным срезным элементом, причем разрезная цанга жестко связана со стволом, якорь выполнен в виде кольцевого выступа с зубцами по периметру и установлен ниже места расположения металлической уплотнительной оболочки.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3