Результат интеллектуальной деятельности: ПАКЕР

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметичного разобщения скважины при эксплуатации, очистке и обработке вскрытого продуктивного пласта.

Известен «Пакер» (патент РФ 2209295, МПК Е21В 33/12, опубл. 27.07.2003 г.), включающий корпус с уплотнительными элементами и радиальными отверстиями выше и ниже уплотнительных элементов, полый ствол, образующий с корпусом кольцевое пространство, соединенное с наружным пространством, подпружиненную втулку, имеющую возможность осевого перемещения, и шлипсы, при этом подпружиненная втулка выполнена в виде полого цилиндра, наружной поверхностью взаимодействующего с внутренней поверхностью корпуса и образующего кольцевой зазор между наружной поверхностью ствола и внутренней поверхностью подпружиненной втулки, на внутреннем торце подпружиненной втулки выполнен посадочный поясок, а на внутренней поверхности подпружиненной втулки выполнена проточка, при этом нижние радиальные отверстия размещены на уровне дна кольцевого пространства, а верхнее радиальные отверстия выполнены с возможностью их перекрытия пружинной втулкой.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, сложность изготовления из-за наличия большого числа герметично передвигающихся деталей, требующих точного и качественного изготовления;

во-вторых, возможна несанкционированная установка пакера, так как срабатывание зависит от перепада давлений, который может возникнуть при спуске в скважину в результате гидроудара;

в-третьих, возможно возникновение сообщения надпакерного и подпакерного пространств в результате ослабления пружины и подпружиненной втулки в результате коррозии, так как они постоянно находятся под действием внутри скважинной среды.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является «Устройство для очистки и сохранения продуктивности пласта» (патент РФ 2252308, МПК Е21В 37/00, опубл. Бюл. №14 от 20.05.2005 г.), содержащее забойный отсекатель, включающий корпус, обратный клапан и пакер, состоящий из манжеты и расширяющегося конуса, соединенного с корпусом срезными элементами, и посадочный инструмент, включающий полый шток, заглушенный снизу, с радиальными каналами выше заглушки и нижним концом установленный телескопически в расширяющем конусе, при этом оно снабжено шлипсовым узлом, посадочный инструмент снабжен верхними и нижними корпусами, причем нижний корпус установлен телескопически на полом штоке и соединен с верхней частью расширяющего конуса срезными элементами, в наружном пазу, выполненном в нижнем корпусе, по периметру находится самоуплотняющаяся манжета, верхний корпус соединен полым штоком и колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) ограниченного объема, на верхнем корпусе жестко установлен расширитель самоуплотняющейся манжеты с продольными пазами, колонна НКТ ограниченного объема через муфту соединена с цилиндром сбросового клапана, а ступенчатый шток последнего снабжен верхним и нижним упорами и связан с упомянутым цилиндром срезными элементами, при этом шлипсовый узел включает патрубок с фигурным пазом на наружной поверхности, соединенный с нижнем концом корпуса забойного отсекателя, подвижную втулку, установленную на патрубке, палец, закрепленный одним концом на подвижной втулке, а другим входящим в упомянутый фигурный паз, и пружинный центратор, жестко соединенный с подвижной втулкой, на верхних концах которого установлены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, выполненной на нижнем конце корпуса забойного отсекателя.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, невозможность закачивания технологических жидкостей в подпакерное пространство;

во-вторых, сложный посадочный инструмент;

в-третьих, возможно перемещение устройства вверх при избыточном давлении снизу (особенно актуально для высоконапорных и высокопроизводительных пластов скважин).

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание простой, надежной и технологичной конструкции пакера за счет надежной фиксации механическим способом в требуемом интервале скважины, проведения различных технологических операций, в том числе, с отключенным продуктивным пластом.

Техническая задача решается пакером, включающим корпус с центральным каналом, патрубком, имеющим фигурный паз на наружной поверхности, и конусной выборкой, примыкающей к патрубку, подвижную втулку, установленную на патрубке, с пальцем, взаимодействующим с фигурным пазом, и подпружиненным центратором, на концах которого расположены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, верхнюю самоуплотняющуюся и нижнюю манжеты, посадочный инструмент, соединенный жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) и корпусом срезными элементами, полый заглушенный шток с радиальными каналами, нижним концом установленный телескопически в центральном канале корпуса.

Новым является то, что посадочный инструмент выполнен в виде патрубка с упором на внутренней поверхности, внутренняя полость которого сообщена с его наружным пространством, а полый шток заглушен выше радиальных каналов и снабжен кольцевыми выборками, одной в нижней части и двумя выше радиальных каналов, в верхнюю из которых установлено уплотнение, а две нижние - верхнее и нижнее пружинные кольца, причем конусная выборка корпуса выполнена в виде верхнего и нижнего конусов, между которыми расположен патрубок, причем сверху верхнего конуса и ниже нижнего конуса соответственно расположены верхняя самоуплотняющаяся манжета и нижняя манжета, выполненная в виде самоуплотняющейся манжеты, противоположно направленной верхней, при этом центратор выполнен в виде верхних и нижних центрирующих элементов, снабженных соответствующими разнонаправленными шлипсами, центральный канал корпуса выше верхней самоуплотняющейся манжеты оснащен сужением, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вниз вставлен полый шток, причем радиальные каналы полого штока выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом выше сужения при перемещении полого штока вверх, а верхнее пружинное кольцо выполнено с возможностью регулируемой фиксации полого штока при перемещении его вниз.

Новым является также то, что корпус выше верхней самоуплотняющейся манжеты выполнен с возможностью регулировки по длине.

Новым является также то, что фигурный паз выполнен в виде двух коротких и одного длинного, установленного между короткими, продольными пазами, последовательно соединенными между собой фигурными пазами, один из которых соединяет низ первого из коротких пазов, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза, являющегося рабочим, а другой - низ длинного паза с серединой другого короткого продольного паза, являющегося съемным и расположенного по длине в районе середины длинного паза.

Новым является также то, что полый шток выше уплотнения по наружной поверхности снабжен выборками под съемный механизм.

На фиг.1 изображен пакер в осевом разрезе.

На фиг.2 изображен фигурный паз в развернутом состоянии.

Пакер состоит из корпуса 1 (см фиг.1) с центральным каналом 2, патрубком 3, имеющим фигурный паз 4 на наружной поверхности, и конусной выборки, состоящей из верхнего 5 и нижнего конусов 6, примыкающих к патрубку 3, подвижной втулки 7, установленной на патрубке 3, с пальцем 8, взаимодействующим с фигурным пазом 4, и подпружиненного при помощи пружин 9 центратора, состоящего из верхнего 10 и нижнего 11 центрирующих элементов, на концах которых расположены соответствующие разнонаправленные шлипсы 12 и 13, взаимодействующие с соответствующими конусами 5 и 6 конусной выборки, верхней 14 и нижней 15 самоуплотняющихся разнонаправленных манжет, посадочного инструмента 16, соединенного жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) (на фиг.1, 2 не показана) и корпусом 1 срезными элементами 17, полый, заглушенный посредством заглушки 18 шток 19 с радиальными каналами 20, нижним концом установленный телескопически в центральный канал 2 корпуса 1.

Посадочный инструмент 16 выполнен в виде патрубка с упором 21 на внутренней поверхности, внутренняя полость которого сообщена с его наружным пространством посредством отверстий 22.

Полый шток 19 заглушен с помощи заглушки 18 выше радиальных каналов 20. Полый шток 19 снабжен кольцевыми выборками 23, 24,25, причем кольцевой выборкой 23 в нижней части полого штока 19 и кольцевыми выборками 24 и 25 выше радиальных каналов 20. В верхнюю кольцевую выборку 25 установлены уплотнение 26, а в две нижние кольцевые выборки 24 и 23 - верхнее 27 и нижнее 28 пружинные кольца, выполненные разрезными.

Сверху верхнего конуса 5 и ниже нижнего конуса 6 соответственно расположены верхняя 14 и нижняя 15 самоуплотняющиеся манжеты.

Центральный канал 2 корпуса 1 выше верхней самоуплотняющейся манжеты 14 оснащен сужением 29, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вниз вставлен полый шток 19.

Радиальные каналы 20 полого штока 19 выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом 2 выше сужения 29 при перемещении полого штока 19 вверх, а верхнее пружинное кольцо 27 выполнено с возможностью регулируемой фиксации полого штока 19 при перемещении его вниз.

Корпус 1 выше верхней самоуплотняющейся манжеты 14 может быть выполнен с возможностью регулировки по длине при помощи дополнительных патрубков 30.

Фигурный паз 4 (см. фиг.2) может быть выполнен в виде двух продольных коротких 31,32 и одного продольного длинного паза 33, установленного между короткими 31 и 32 продольными пазами, последовательно соединенными между собой фигурными проточками 34 и 35, одна из которых 34 соединяет низ первого из коротких пазов 31, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза 33, являющегося рабочим, а другая 35 - низ длинного паза 33 с серединой другого короткого продольного паза 32, являющегося съемным и расположенного по длине в районе середины длинного продольного паза 33.

Полый шток 19 выше уплотнения 26 по наружной поверхности снабжен выборками 36 под съемный механизм (на фиг.1, 2 не показано).

Устройство работает следующим образом.

Перед окончательной сборкой пакера (см. фиг.1) подбором верхнего пружинного кольца 27 (по внутреннему и наружному диаметрам, а также по физико-механическим свойствам и марке стали) регулируют зазор между верхним пружинным кольцом 27 и кольцевой выборкой 24 полого штока 19. Устанавливают полый шток 19 относительно корпуса 1 в верхнее положение, в котором нижнее пружинное кольцо 28 находится в разжатом состоянии в центральном канале 2, а верхнее пружинное кольцо 27, также в разжатом состоянии, но посредством веса полого штока 19, опирается на верхнюю кромку сужения 29. При необходимости длину корпуса 1 регулируют при помощи дополнительных патрубков 30.

Пакер в сборе с посадочным инструментом 16 посредством срезных элементов 17 присоединяется к колонне НКТ и спускается в скважину (на фиг.1 и 2 не показано), при этом палец 8 (см. фиг.2) располагается в первом коротком продольном пазе 31 фигурного паза 4 -транспортное положение, не позволяя шлипсам 12 и 13 взаимодействовать с конусами 5 и 6 конусной выборки, а центрирующие элементы 10 и 11 пружинного центратора, поджатые наружу пружинами 9, взаимодействуют со стенками скважины. При необходимости к корпусу 1 посредством резьбы 37 (см. фиг.2) присоединяется необходимое технологическое оборудование, например трубный фильтр (на фиг.1 и 2 не показан). Во время спуска скважинная жидкость не раздувает нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, так как полый шток 19 относительно корпуса 1 находится в верхнем положении (см. фиг.1), в связи с чем скважинная жидкость, воздействуя снизу на заглушку 18 и приподнимая полый шток 19, перетекает снизу вверх сначала по центральному каналу 2 корпуса 1, а затем по внутреннему пространству полого штока 19 сквозь его радиальные каналы 20 и далее сквозь сужение 29 в центральный канал 2 корпуса 1 и отверстия 22 посадочного инструмента 16.

Максимальное осевое перемещение полого штока 19 относительно корпуса 1 в верхнем положении штока (см. фиг.1) ограничено расстоянием между верхним 27 и нижним 28 пружинными кольцами, установленными соответственно в кольцевых выборках 24 и 23 полого штока 19.

По достижении в скважине интервала установки, расположенного выше вскрытого пласта (на фиг.1, 2 не показан), спуск прекращают. Затем колонну НКТ приподнимают с корпусом 1 (см. фиг.1) на длину, большую длины первого короткого продольного паза 31 (см. фиг.2) и поворачивают по часовой стрелке на длину большую длины фигурной проточки 34. В результате палец 8 перемещается из первого короткого продольного паза 31 по фигурной проточке 34 в длинный продольный паз 33 - рабочее положение, так как центрирующие элементы 10 (см. фиг.1) и 11, взаимодействуя со стенками скважины, удерживают подвижную втулку 7 с пальцем 8 на месте. После чего колонну НКТ разгружают, корпус 1 (см. фиг.1) перемещается вниз, а подвижная втулка 7 остается на месте. В результате верхние шлипсы 12, взаимодействуя с верхним конусом 5, прижимаются к стенкам скважины, фиксируя корпус 1 относительно скважины, а срезные элементы 17 разрушаются, освобождая корпус 1 от посадочного инструмента 16, который своим упором 21 опирается на верхнюю кромку корпуса 1 или на дополнительный патрубок 30 (в зависимости от конструкции дополнительного патрубка 30 -на фиг.1 упор 21 будет опирается на дополнительный патрубок 30).

Далее колонну НКТ вместе с посадочным инструментом 16 извлекают из скважины, после чего спускают на колонне НКТ погружной насос (на фиг.1, 2 не показан) или приподнимают, если колонна НКТ оборудована сразу погружным насосом. Затем запускают погружной насос, под действием которого очищается и эксплуатируется вскрытый пласт. При этом продукция пласта под действием погружного насоса и по колонне НКТ извлекается из скважины, поскольку полый шток 19 относительно корпуса 1 находится в верхнем положении (см. фиг.1), то продукция пласта по нижней части центрального канала 2 корпуса 1, воздействуя снизу на заглушку 18 и приподнимая полый шток 19, перетекает снизу вверх сначала по центральному каналу 2 корпуса 1, затем по внутреннему пространству полого штока 19 сквозь его радиальные каналы 20 и далее сквозь сужение 29 в верхнюю часть центрального канала 2 корпуса 1 поступает на прием вышеупомянутого погружного насоса. Максимальное осевое перемещение полого штока 19 относительно корпуса 1 в верхнем положении полого штока 19 ограничено расстоянием между верхним 27 и нижним 28 пружинными кольцами, установленными соответственно в кольцевых выборках 24 и 23 полого штока 19.

Если производительность погружного насоса превышает продуктивность пласта, то уровень жидкости выше пакера снижается, уменьшая давление, действующее на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14, причем давление, действующее на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, остается постоянным, так как оно обусловлено пластовым давлением. Под действием перепада давлений, действующего на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, корпус 1 перемещается вверх до взаимодействия нижних шлипсов 13 с нижним конусом 6, так как подвижная втулка 7 зафиксирована верхними 10 и нижними 11 центрирующими элементами пружинного центратора относительно стенок скважины и может свободно перемещаться вверх - вниз по патрубку 3. В результате корпус 1 жестко фиксируется относительно стенок скважины нижними шлипсами 6, а разнонаправленные самоуплотняющиеся манжеты 14 и 15 надежно разделяют внутренне пространство скважины, при этом эксплуатация пласта погружным насосом не прекращается.

При необходимости временной изоляции (отключения) пласта (например, для замены погружного насоса) скважину заполняют жидкостью и создают избыточное давление сверху пакера, под действием которого на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14 корпус 1 перемещается вниз до взаимодействия верхних шлипсов 12 с верхним конусом 5, фиксируя корпус 1 относительно стенок скважины, при этом избыточное давление сверху также действует на полый шток 19.

По достижении определенного значения избыточного давления, которое регулируется зазором между верхним пружинным кольцом 27 и нижней кольцевой выборкой 24 полого штока 19, верхнее пружинное кольцо 27, взаимодействующее с верхней кромкой сужения 29 в верхнем положении полого штока 19 относительно корпуса 1 (см. фиг.1), сжимается внутрь кольцевой выборки 24 полого штока 19. При этом полый шток 19 перемещается вниз относительно корпуса 1, а верхнее пружинное кольцо 27 в сжатом состоянии скользит по внутренней поверхности сужения 29. Перемещение вниз полого штока 19 продолжается до тех пор, пока верхнее пружинное кольцо 27 не выйдет из сужения 29 и не разожмется в центральном канале 2 корпуса 1, при этом нижнее пружинное кольцо 28 продолжает находиться в центральном канале 2 корпуса 1 в разжатом состоянии, при этом уплотнение 26, находящееся в кольцевой выборке 25 полого штока 19, и заглушка 18 также переместятся вниз. В результате уплотнение 26 полого штока 19 герметично перекроет центральный канал 2 корпуса 1. В результате полый шток 19 занимает нижнее положение относительно корпуса 1, а внутренняя полость скважины герметично разобщается.

Для возобновления эксплуатации пласта разгерметизируют центральный канал 2 корпуса 1. Для этого уровень жидкости выше пакера снижают при помощи насоса, предварительно спущенного в скважину, уменьшая тем самым давление, действующее на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14. Причем давление, действующее на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, остается постоянным, так как оно обусловлено пластовым давлением. Под действием перепада давлений, действующего на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, корпус 1 перемещается вверх до взаимодействия нижних шлипсов 13 с нижним конусом 6, которые фиксируют корпус 1 относительно стенок скважины.

По достижении определенного значения перепада давлений, которое регулируется зазором между верхним пружинным кольцом 27 и нижней кольцевой выборкой 24 полого штока 19, верхнее пружинное кольцо 27, взаимодействующее с нижней кромкой сужения 29 за счет вышеупомянутого перепада давления, сжимается и входит в сужение 29. При этом полый шток 19 с находящимся в его кольцевой выборке 24 в сжатом состоянии верхним пружинным кольцом 27 перемещаются в центральном канале 2 вверх относительно корпуса 1.

Перемещение вверх полого штока 19 продолжается до тех пор, пока верхнее пружинное кольцо 27 не выйдет из сужения 29 и не разожмется в центральном канале 2 корпуса 1, при этом нижнее пружинное кольцо 28 продолжает находиться в центральном канале 2 корпуса 1 в разжатом состоянии, причем находящееся в кольцевой выборке 25 полого штока 19 уплотнение 26 и заглушка 18 также переместятся вверх. В результате полый шток 19 вновь занимает верхнее положение относительно корпуса 1, а его уплотнение 26 разгерметизирует центральный канал 2 корпуса 1 и сообщает внутреннюю полость скважины. После чего эксплуатацию пласта скважины осуществляют в обычном режиме.

При необходимости двусторонней циркуляции жидкости в пакере (например, для закачки реагентов), колонну НКТ и погружной насос извлекают из скважины. Затем в скважину спускают съемный механизм (например, наружную труболовку на канате - на фиг.1, 2 не показана), который захватывает полый шток 19 за выборки 36, выполненные на его наружной поверхности выше уплотнения 26.

После чего съемный механизм начинают поднимать, создавая усилие вверх под действие которого сначала полый шток 19 перемещается вверх до взаимодействия нижнего пружинного кольца 26 с нижней кромкой сужения 29, а затем корпус 1 (см. фиг.1) перемещается вверх до взаимодействия нижних шлипсов 13 с нижним конусом 6, которые фиксируют корпус 1 относительно стенок скважины. При достижении определенного усилия нижнее пружинное кольцо 28 сжимается и входит во внутреннюю поверхность сужения 29 и в сжатом состоянии скользит по внутренней поверхности последнего до окончания сужения 29, после чего полый шток 19 свободно освобождается от корпуса 1 и извлекается из скважины.

Для восстановления пакера в рабочее состояние полый шток 19 телескопически вставляется в центральный канал 2 корпуса 1 - исходное состояние.

При необходимости извлечь пакер из скважины в нее спускают колонну НКТ с труболовкой на нижнем конце, которой захватывают корпус 1 пакера. Затем колонну НКТ приподнимают с корпусом 1 на длину, большую длины длинного продольного паза 33 (см. фиг.2) и поворачивают по часовой стрелке на длину, большую длины горизонтальной части фигурной проточки 35. После чего (см. фиг.1) колонну НКТ с корпусом 1 опускают на длину, большую длины длинного продольного паза 33 (см. фиг.2), а затем снова приподнимают. В результате палец 8 перемещается из длинного продольного паза 33 по фигурной проточке 35 в другой короткий продольный паз 32 - положение для съема пакера, так как шлипсы 12 (см. фиг.1) и 13 не могут взаимодействовать с соответствующими конусами 5 и 6. Далее пакер в сборе извлекается из скважины.

Конструкция предлагаемого пакера проста, надежна и технологична за счет механической его надежной фиксации в требуемом интервале скважины и возможности проведения различных технологических операций, в том числе с отключенным продуктивным пластом.