Чашечный пакер осевого действия

Группа изобретений относится к чашечному пакеру осевого действия и способу его активации. Чашечный пакер осевого действия содержит мандрель, на которую установлен пакерующий элемент, выполненный с возможностью изоляции затрубного пространства скважины. Пакерующий элемент выполнен чашеобразной формы с закрепленным на мандреле одним концом и открытым другим концом с образованием соответствующей полости, закрываемой со стороны открытого конца пакерующего элемента прижимным кольцом. Прижимное кольцо установлено на мандреле с возможностью перемещения и сжатия пакерующего элемента осевым усилием. На мандреле в полости установлена проставка, выполненная с возможностью ограничения подвижности прижимного кольца. Проставка зафиксирована на мандреле упорным кольцом. Верхний конец прижимного кольца, взаимодействующий с пакерующим элементом, имеет отверстия с возможностью прохождения потока жидкости от внешней поверхности прижимного кольца в полость, осуществляя дополнительное гидравлическое давление потока жидкости для сжатия пакерующего элемента, а другой нижний конец прижимного кольца соединен с помощью резьбы с нижним патрубком. На мандреле установлено стопорное кольцо с зубьями, входящими в зацепление с ответной поверхностью мандрели в транспортном положении пакера, стопорное кольцо выполнено с возможностью защиты от преждевременной активации пакерующего элемента, стопорное кольцо одним нижним концом контактирует с опорной поверхностью нижнего патрубка, а другим верхним концом - с нижним торцом фиксирующих полуколец. Прижимное кольцо и нижний патрубок установлены на мандреле посредством фиксирующих полуколец и стопорного кольца так, что полукольца установлены между торцами прижимного кольца и стопорного кольца и выполнены с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно мандрели в ее профиле. Техническим результатом является повышение надежности пакера и всей компоновки для повторного гидроразрыва пласта, а также повышение количества стадий гидроразрыва пласта без подъема компоновки на поверхность. 2. н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Данное техническое решение относится, в общем, к нефтегазодобывающей промышленности, а в частности к устройствам для разобщения пластов в скважинах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Существует много ситуаций, в которых скважинные инструменты должны селективно приводиться в действие. Например, для гидравлического разрыва пласта, где существуют скважины с заканчиванием в нескольких продуктивных пластах, каждая зона оборудуется одним или несколькими инструментами, и каждый инструмент требует такого приведения в действие, при котором текучая среда отводится для подачи от инструмента на наружную часть ствола скважины для гидроразрыва нефтегазосодержащего пласта. Часто требуется приведение в действие в последовательности, обеспечивающей поступательный гидроразрыв пласта по длине ствола без утечки текучей среды гидроразрыва через зоны ранее выполненного гидроразрыва.

[003] В настоящее время все пакерующие устройства, или другими словами, пакеры различных типов предназначены для разделения затрубного и внутритрубного пространства межпластовых зон с целью ограничить поток жидкости между зонами. Несмотря на то, что составные детали конструкции различных решений могут присутствовать в различных количествах и формах, все определяют единственный тип функционирования - это расширение пакерующего элемента за счет гидравличекого или механического давления.

[004] Из уровня техники известен патент US 5217077 A «Resettable packer», патентообладатель: Baker Hughes Inc, дата публикации: 08.06.1993. В данном решении рассматривается сбрасываемый забойный пакер. Циркуляция от поверхности создает обратное давление за элементом уплотнения, которое расширяет элемент уплотнения в контакте со стволом скважины или обсадной колонной. Инструмент может быть перемещен для удержания давления позади элемента, чтобы удерживать его в контакте со стволом скважины или обсадной колонной, в то же время позволяя потоку проходить через пакер для таких процедур, как впрыск или стимуляция. Инструмент включает в себя механизм разблокировки для облегчения извлечения колонны насосно-компрессорных труб, если по какой-либо причине инструмент застревает. В конструкцию включены приспособления, позволяющие удерживать пакер в отведенном положении для операции спуска и удаления, чтобы избежать повреждения пакера.

[005] Анализ технических решений, отобранных из патентной и научно-технической литературы, показал, что известен пакер механический (см. «Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин». Ю.В. Зайцев, Р.А. Максутов, О.В. Чубанов и др. М.: «Недра», 1984 г., с. 76). Пакер состоит из ствола, связанного с лифтовой колонной труб. На ствол свободно установлен разжимной конус и уплотнительные манжеты между последним и верхним упорами.

[006] Для передачи крутящего момента на ствол пакера, при его посадке, применяется пружинный фонарь, есть фигурный байонетный паз, в котором перемещается палец при посадке пакера. Возможно отсоединение лифтовой колонны труб, при необходимости, от пакера путем левого вращения. При необходимости повторного присоединения к пакеру лифтовой колонны труб, возможно его вращение внутри эксплуатационной колонны.

[007] Также из уровня техники известен пакер механический (см. патент РФ №2204427, МПК Е21В 33/12, опубл. 10.02.2004 г.). Пакер содержит ствол, соединительную муфту, якорящий узел с плашками и разжимными конусами, уплотнитель. Пакер снабжен переходником и удлинителем, связанными друг с другом и стволом с резными элементами, подпружиненными сухарями в проточке ствола. Известна также связь, посредством резьбы, нижнего разжимного конуса со стволом.

[008] На основании вышеизложенного и проведенных патентных исследований можно сделать вывод, что в уровне техники отсутствуют технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми существенными признаками заявляемого технического решения.

[009] Все существующие чашечные пакеры требуют высокую нагрузку для установки, имеют высокий риск повреждения чашек во время установки, зависят от целостного состояния скважины и ограничены выдерживать высокие давления после активации.

[0010] В нефтяной и газовой промышленности имеются все основания для улучшения эффективности и надежности пакеров, которые развертываются и эксплуатируются в скважинной среде. При этом должна обеспечиваться эксплуатация пакеров с максимальным КПД, минимальным риском отказа или неточной работы, возможной гибкостью согласно требованиям оператора и минимизацией любого ремонта, связанного с задержками времени и затратами.

СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

[0011] Технической задачей или технической проблемой в данном техническом решении является создание чашечного пакера осевого действия.

[0012] В данном решении раскрывается чашечный пакер осевого действия, который содержит мандрель, на которой установлен резиновый и/или резинометаллический пакерующий элемент, который используется для изоляции затрубного пространства скважины. В некоторых вариантах реализации может использоваться материал, например, марок HNBR, Viton, Afflas и т.п., не ограничиваясь. Конструкция пакерующего элемента позволяет проходить через сужения колонны при спуске компоновки благодаря малому значению наружного диаметра в деактивированном положении. Для активации пакерующего элемента используется прижимное кольцо, которое выполнено в виде тонкостенного цилиндра со сквозными овальными отверстиями по поверхности и предназначено для сжимания пакерующего элемента при приложении осевого усилия. В некоторых вариантах реализации прижимное кольцо может быть выполнено из стали. В прижимном кольце предусмотрены отверстия (например, круглой формы), через которые проходит поток жидкости, который создает дополнительное давление на пакерующий элемент с внутренней стороны для более надежной изоляции. Для ограничения подвижности прижимного кольца используется проставка, например, выполненная из стали, которая защищает пакерующий элемент от чрезмерного сжатия и повреждения. Также, данная конструкция в активированном положении позволяет передавать осевое усилие на нижний пакер двухпакерной компоновки.

[0013] Также, в конструкцию пакера входит резисторное (стопорное) кольцо, которое используется для защиты от преждевременной активации пакерующего элемента.

[0014] Техническим результатом изобретения, проявляющимся при решении вышеуказанной технической проблемы, является повышение надежности пакера и всей компоновки для повторного гидроразрыва пласта, а также повышение количества стадий гидроразрыва пласта без подъема компоновки на поверхность.

[0015] Дополнительным техническим результатом является повышение устойчивости отключения активных пластовых зон во время гидроразрыва пласта и повышение качества прочистки скважины химическими реагентами.

[0016] В некоторых вариантах реализации мандрель имеет ответную резьбу для соединения с остальными инструментами двупакерной компоновки.

[0017] В некоторых вариантах реализации мандрель выполнена одним единым элементом, без соединений.

[0018] В некоторых вариантах реализации прижимное кольцо содержит отверстия, через которые проходит поток жидкости.

[0019] В некоторых вариантах реализации пакерующий элемент выполнен резиновым или резинометаллическим.

[0020] В некоторых вариантах реализации пакер активируется осевым усилием и гидравлическим давлением поступающей жидкости.

[0021] В некоторых вариантах реализации сжатие пакерующего элемента осуществляется за счет гидравлического давления потока жидкости по внешней поверхности прижимного кольца, где происходит сдвиг прижимного кольца по оси в сторону пакерующего элемента.

[0022] В некоторых вариантах реализации пакерующий элемент проходит через сужения колонны без повреждений.

[0023] В некоторых вариантах реализации пакерующий элемент при активации образует малую площадь контакта со стенкой обсадной колонны.

[0024] В некоторых вариантах реализации прижимное кольцо прикручивается с помощью резьбового соединения к нижнему патрубку.

[0025] В некоторых вариантах реализации для фиксации проставки используется упорное кольцо.

[0026] В некоторых вариантах реализации резисторное кольцо рассчитано на многоразовое использование.

[0027] В некоторых вариантах реализации для крепления прижимного кольца и нижнего патрубка на мандрели используется фиксирующее кольцо, которое состоит из двух полуколец, которые устанавливаются в профиль.

[0028] В некоторых вариантах реализации при спуске чашечного пакера в скважину зубья стопорного кольца находятся в профиле.

[0029] В некоторых вариантах реализации для активации пакерующего элемента прикладывают осевое усилие к чашечному пакеру осевого действия, в результате чего зубья выходят из профиля, и прижимное кольцо сжимает пакерующий элемент.

[0030] В некоторых вариантах реализации стопорное кольцо содержит зубья, которые выполнены из стали.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0031] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей конструкции, на которых:

[0032] На Фиг. 1 показаны составные элементы чашечного пакера осевого действия в разобранном виде

[0033] На Фиг. 2 показан чашечный пакер осевого действия в сборке в продольном разрезе.

[0034] На Фиг. 3 показан чашечный пакер осевого действия, находящегося во внутритрубном пространстве колонны осадных труб на участке скважины.

[0035] На Фиг. 4 показан увеличенный вид пакерующего элемента 102 во время активации до начала сдвига прижимного кольца 103.

[0036] На Фиг. 5 изображен увеличенный вид активации пакерующего элемента 102.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0037] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании технического решения, помогающие разобраться в сущности технического решения.

[0038] Пакер - приспособление в буровой скважине для перекрытия и герметизации отдельных зон скважин (пространство между колонной насосно-компрессорных труб и обсадной колонной во время проведения гидроразрыва пласта селективной пакерной компоновкой). Чашечный пакер осевого действия является частью внутрискважинной компоновки для проведения повторного гидроразрыва пласта.

[0039] Чашечный пакер осевого действия является частью внутрискважинной селективной пакерной компоновки для проведения повторного гидроразрыва пласта.

[0040] Гидроразрыв пласта - это способ интенсификации добычи нефтяных и газовых скважин и повышения приемистости нагнетательных скважин. Гидроразрыв проводится для создания в целевом пласте высокопроводящей трещины под действием жидкости, закачиваемой под давлением. Технология гидроразрыва пласта позволяет запускать в эксплуатацию бездействующие скважины, в которых добыча традиционными методами невозможна или является нерентабельной.

[0041] Мандрель представляет собой базовую трубу, выполняющую роль основания для крепления различных вспомогательных деталей, составляющих в сборке конструкцию оборудования.

[0042] Само техническое решение в комплексе для осуществления гидроразрыва пласта работает функционально следующим образом.

[0043] Сначала осуществляют спуск всей компоновки в скважину, которая содержит чашечный пакер, на требуемую глубину (глубина от земной поверхности до участков нефтенасыщенного пласта, представленная как вертикальная линия, значение которой зависит от глубины залегания пласта. Глубина может варьироваться от 1 км до 5 км и более.). Монтаж пакера на обсадную колонну происходит силами буровой бригады, непосредственно перед спуском в скважину. В некоторых вариантах реализации данная компоновка является двухпакерной. Верхним пакером является данное техническое решение, т.е. чашечный пакер осевого действия, а нижним является пакер, который общеизвестен из уровня техники. Конструкция (верхнего) заявляемого пакера спроектирована таким образом, чтобы передавать осевое усилие на нижний пакер, для его активации, даже в том случае, если верхний пакер уже активирован. Двухпакерная компоновка обеспечивает полную изоляцию негерметичного участка обсадной колонны. В некоторых вариантах реализации верхний и нижний пакер могут быть соединены между собой насосно-компрессорными трубами (НКТ).

[0044] Затем осуществляется активация нижнего пакера путем передачи на нее нагрузки (после активации нижнего пакера двухпакерная компоновка фиксируется с помощью встроенных клиньев на данной глубине без возможности перемещения). Создается осевая нагрузка на пакерующий инструмент за счет усиленного продвижения колонны труб вниз по скважине.

[0045] При дальнейшем увеличении нагрузки в заявляемом пакере происходит выход зубьев стопорного кольца 106 из профиля на мандреле 100. Зубья срабатывают, когда значение осевой нагрузки будет достаточным для выхода зубьев стопорного кольца 106, т.е. осуществляется механический путь активации (приложение усилия). Нагрузка увеличивается за счет собственного веса колонны труб. Трубные соединения (колонна труб) имеют большой вес, значительная часть которого сдерживается на наружной земной поверхности. Колонну держат клинья, для увеличения нагрузки на заявляемый пакер клинья слегка разжимаются и увеличивается вес.

[001] Далее левая часть чашечного пакера осевого действия (поз. 100, 102, 107, 108, 109 на Фиг. 1) начинает двигаться вправо. Пакерующий элемент 102 начинает залавливаться прижимным кольцом 103.

[0046] Как только прижимное кольцо 103 достигнет упорного кольца 108, дальнейшее сжатие станет невозможным, на устье скважины зафиксируется увеличение веса, что будет сигнализировать об активации данного чашечного пакера. Способом убедиться в активации элементов является проверка веса колонны. Так как один элемент цепляется за другой, результатом будет рост веса всей колонны труб.

[0047] На Фис. 1-2 показана конструкция чашечного пакера осевого действия. На Фиг. 3-5 показаны конструктивные особенности.

[0048] Чашечный пакер осевого действия включает в себя мандрель 100, на которую устанавливаются все остальные детали. В некоторых вариантах реализации мандрель 100 может быть выполнена одним единым элементом, без дополнительных соединений, что увеличивает ее прочность. Мандрель 100 является основой конструкции чашечного пакера. Мандрель 100 может иметь ответную резьбу для соединения с остальными инструментами двупакерной компоновки. Уплотнительное кольцо 109 вставляется в профиль для изоляции пространства между пакерующим элементом 102 и мандрелью 100, как показано на Фиг. 2. Пакерующий элемент 102 устанавливается на мандрель 100 и служит для изоляции затрубного пространства в скважине. В некоторых вариантах реализации пакерующий элемент 102 может быть выполнен с вставленной внутрь распорной втулкой, что позволяет достичь лучшей герметизирующей способности. Указанный пакерующий элемент 102 по своему принципу работы является не только гидравлическим, но и механическим, так как он деформируется и от избыточного давления, и от осевого сжимающего усилия. В некоторых вариантах реализации пакерующий элемент 102 механического сжатия, состоит из двух секций. Верхняя секция изготовляется из мягкой резины (твердостью, например, 65 - 80 ед.) и предназначается для герметичного перекрытия скважины, а нижняя, служащая для частичного перекрытия зазора между пакером и скважиной, изготовляется из более жесткой резины (твердостью, например, 90 - 95 ед.).

[0049] Для активации пакерующего элемента 102 необходимо сжатие, которое выполняется с помощью прижимного кольца 103. Сжатие осуществляется за счет гидравлического давления потока жидкости по внешней поверхности прижимного кольца 103, где происходит сдвиг прижимного кольца 103 по оси в сторону пакерующего элемента 102, тем самым создавая его деформацию для того, чтобы образовалось касание элемента с обсадной колонной 110. Жидкость подается с наземной поверхности от насосов в скважину. Продвигаясь по глубине скважины через внутреннее пространство труб и достигая отверстий, жидкость выходит из них и начинает движение в сторону пакерующего элемента по внешней поверхности труб или стенок скважины, в результате чего образуется давление. Также, при сжатии пакерующего элемента 102 происходит касание элемента с обсадной колонной 110 с малой площадью контакта благодаря оптимизированному профилю разреза резинового элемента, что позволяет передавать осевое усилие на нижний пакер двухпакерной компоновки без повреждений пакерующего элемента 102, как показано на Фиг. 5. Обсадная колонна 110 предназначена для крепления буровых скважин, а также изоляции продуктивных горизонтов при эксплуатации. Колонна 110 составляется из обсадных труб путем последовательного их свинчивания (иногда сваривания). Обсадные трубы, применяемые при бурении нефтяных и газовых скважин, изготовляются в основном из стали с двумя нарезанными концами и навинченной муфтой на одном конце (иногда безмуфтовые с раструбным концом). В некоторых вариантах реализации может использоваться кондуктор или промежуточная обсадная колонна, или эксплуатационная обсадная колонна.

В конструкции прижимного кольца 103 предусмотрены отверстия (например, круглой формы), через которые проходит поток жидкости, который обеспечивает более надежное прижатие пакерующего элемента 102 к стенке обсадной колонны 110 благодаря попаданию потока жидкости во внутреннее пространство пакерующего элемента со стороны открытого конца, зафиксированного прижимным кольцом 103. В некоторых вариантах реализации под потоком жидкости понимается рабочая жидкость, которая используется для установки данного чашечного пакера и операций гидроразрыва. Рабочей жидкостью может быть как простая вода с примесями, так и различные эмульсии. Для ограничения степени сжатия пакерующего элемента 102 прижимным кольцом 103 используется проставка 107. Для фиксации проставки 107 используется упорное кольцо 108. Прижимное кольцо 103 прикручивается с помощью резьбового соединения к нижнему патрубку 104. Для надежного крепления прижимного кольца 103 и нижнего патрубка 104 на мандрели 100 используется фиксирующее кольцо 105, которое состоит из двух полуколец, которые устанавливаются в профиль. Для защиты от преждевременной активации пакерующего элемента 102 используется резисторное кольцо 106. При спуске чашечного пакера в скважину зубья резисторного кольца 106 находятся в профиле. Для активации пакерующего элемента 102 необходимо приложить осевое усилие к чашечному пакеру осевого действия, в результате чего зубья выходят из профиля, и прижимное кольцо 103 сжимает пакерующий элемент 102. В некоторых вариантах реализации зубья могут быть выполнены из стали и являются частью резисторного кольца 106, например, в трапециевидной форме. Нагрузка, прилагающаяся на колонну труб по оси (по длине), осуществляется за счет собственного веса колонны. Даже если такой вес значителен, создаваемая им нагрузка может ограничиваться по разным техническим причинам, напр. большая глубина скважины, сложность траектории, ограниченность в величине разжатия клиньев, которые ее держат и др. Поэтому прибавляют давление жидкости для того, чтобы увеличить нагрузку для активации.

[0050] Хотя в изложенном выше описании рассмотрены некоторые примеры осуществления чашечного пакера и способы работы с ним, для специалистов в данной области техники будут очевидны различные усовершенствования. Предполагается, что все такие усовершенствования, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения, включены в вышеизложенное описание.

1. Чашечный пакер осевого действия, содержащий мандрель, на которую установлен пакерующий элемент, выполненный с возможностью изоляции затрубного пространства скважины, при этом пакерующий элемент выполнен чашеобразной формы с закрепленным на мандреле одним концом и открытым другим концом с образованием соответствующей полости, закрываемой со стороны открытого конца пакерующего элемента прижимным кольцом, при этом прижимное кольцо установлено на мандреле с возможностью перемещения и сжатия пакерующего элемента осевым усилием, на мандреле в полости установлена проставка, выполненная с возможностью ограничения подвижности прижимного кольца, при этом проставка зафиксирована на мандреле упорным кольцом, причем верхний конец прижимного кольца, взаимодействующий с пакерующим элементом, имеет отверстия с возможностью прохождения потока жидкости от внешней поверхности прижимного кольца в полость, осуществляя дополнительное гидравлическое давление потока жидкости для сжатия пакерующего элемента, а другой нижний конец прижимного кольца соединен с помощью резьбы с нижним патрубком, при этом на мандреле установлено стопорное кольцо с зубьями, входящими в зацепление с ответной поверхностью мандрели в транспортном положении пакера, стопорное кольцо выполнено с возможностью защиты от преждевременной активации пакерующего элемента, стопорное кольцо одним нижним концом контактирует с опорной поверхностью нижнего патрубка, а другим верхним концом - с нижним торцом фиксирующих полуколец, при этом прижимное кольцо и нижний патрубок установлены на мандреле посредством фиксирующих полуколец и стопорного кольца так, что полукольца установлены между торцами прижимного кольца и стопорного кольца и выполнены с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно мандрели в ее профиле.

2. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что мандрель имеет ответную резьбу для соединения с остальными инструментами двупакерной компоновки.

3. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что мандрель выполнена одним единым элементом, без соединений.

4. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что пакерующий элемент выполнен резиновым или резинометаллическим.

5. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что пакер активируется осевым усилием и гидравлическим давлением поступающей жидкости.

6. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что сжатие пакерующего элемента осуществляется за счет гидравлического давления потока жидкости по внешней поверхности прижимного кольца, где происходит сдвиг прижимного кольца по оси в сторону пакерующего элемента.

7. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что стопорное кольцо рассчитано на многоразовое использование.

8. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что при спуске чашечного пакера в скважину зубья стопорного кольца находятся в профиле.

9. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что для активации пакерующего элемента прикладывают осевое усилие к чашечному пакеру осевого действия, в результате чего зубья выходят из профиля и прижимное кольцо сжимает пакерующий элемент.

10. Чашечный пакер осевого действия по п. 1, характеризующийся тем, что стопорное кольцо содержит зубья, которые выполнены из стали.

11. Способ активации чашечного пакера осевого действия по п. 1, включающий следующие шаги:

осуществляют спуск двухпакерной компоновки, содержащей чашечный пакер осевого действия по п. 1, который является верхним, в скважину на заданную глубину;

активируют нижний пакер путем передачи на него нагрузки, причем зубья стопорного кольца верхнего чашечного пакера выходят из профиля;

задавливают пакерующий элемент верхнего чашечного пакера прижимным кольцом, причем после того, как прижимное кольцо достигает упорного кольца, на поверхности фиксируется увеличение веса, что сигнализирует об активации чашечного пакера и дальнейшей передаче нагрузки на нижние элементы компоновки;

при дальнейшем нагнетании давления поток жидкости попадает через отверстия в прижимном кольце в полость пакерующего элемента.