Результат интеллектуальной деятельности: Пакер, управляемый электроприводом

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам для разобщения зон обсадных колонн при проведении ремонтных, изоляционных и исследовательских работ.

Известен пакер, состоящий из корпуса с осевым каналом, уплотнительного элемента с верхним и нижним упорами, конической втулки со шлипсами и пружиной, полого обтекателя, в котором установлены цилиндры с атмосферным давлением, эластичный элемент, разделенный перегородкой с клапаном в виде диафрагмы (А.С. СССР №1112114, Е21В 33/12, 07.09.1984).

Данный пакер не управляем и в нем не предусмотрен узел для срыва пакера. Невозможно его использовать для многократной посадки без извлечения на поверхность, где необходимо провести подготовительные работы.

Известен также пакер, спускаемый на канате, состоящий из корпуса, уплотнительного элемента, толкателя, конуса, втулки, верхнего и нижнего заякоривающих узлов и клапана (А.С. СССР №775291, Е21В 33/12,1980).

Недостатками данного пакера являются трудоемкость срыва и извлечения его из скважины, сложность конструкции и отсутствие возможности многократного использования без подъема на поверхность.

Известен пакер электромеханический на кабель-канате, состоящий из полого корпуса с радиальными каналами, установленного на корпусе уплотнительного элемента с верхним и нижним фланцами и толкателем, конуса с размещенными на нем шлипсами, установленного в полости корпуса ствола, образующего с корпусом циркуляционный канал,

сообщающий через радиальные каналы корпуса пространства за ним, над и под уплотнительным элементом и установленного с возможностью перекрытия циркуляционного канала после герметизации скважины и электропривода, установленного над уплотнительным элементом и связанного с корпусом и стволом (Патент США № 3542126, Е21В 43/00,1970).

И этот пакер не обеспечивает надежность при многократной посадке и срыве, а также герметичность ствола скважины. Нет узла аварийного снятия пакера.

Известен пакер управляемый электроприводом используемый для поинтервальной опрессовки скважин с многократной посадкой и снятием пакера без подъема на поверхность (RU 2144606 С1 20.01.2000), выбранный в качестве прототипа. Устройство для поинтервальной опрессовки колонн состоит из корпуса, в котором размещены электропривод, винтовая пара -винт и гайка, на которой расположены уплотнительные кольца, гайка соединена с тягой, имеющей выступ, служащий упором, и толкателем с помощью шайбы и разрушаемого шплинта. На наружной поверхности корпуса смонтированы упорный фланец, уплотнительный резиновый элемент, ограниченный с нижней стороны фланцем, посаженным на подвижную втулку. На подвижной втулке смонтирован узел, состоящий из жестко закрепленного конуса с направляющими пазами типа "ласточкин хвост", в которые соответствующим выступом подвижно посажены шлипсы. На корпусе и на подвижной втулке предусмотрены отверстия для перетока жидкости через внутреннюю полость устройства. Устройство соединено кабель-канатом, служащим для подъема и спуска, а также для подачи электроэнергии на электропривод с устья скважины. Концевые выключатели расположены в корпусе и служат для ограничения перемещения гайки и подачи информации о крайних положениях гайки на дневную поверхность через кабель-канат. На верхней части гайки выполнен выступ, взаимодействующий с концевыми выключателями.

Недостатком данного устройства является не полное соответствие своему назначению одного его узла - узла, предназначенного для аварийного закрытия пакера и снятия якоря при потере штатного управляющего воздействия. Этот узел выполнен разрушаемым элементом и находится в рабочем цикле между тягой и толкателем и к нему предъявляются повышенные требования. А именно, он не должен разрушаться в рабочем цикле, удерживая элементы пакера в рабочей зоне тяги (ствола) и должен выполнить свою функцию при возникновении нештатных ситуаций, увеличивая рабочую зону за счет прибавления дополнительной зоны, после разрушения шплинта и перемещения шайбы. При этом кабель не должен испытывать нагрузку, превышающую критических значений его возможностей. В практике:

1. Очень часто этот элемент разрушается при попытке посадки пакера и приходится поднимать устройство на поверхность для его замены, а ограничивание усилия посадки искусственно (по току электродвигателя) - ограничивает возможность эффективного использования для работы достигнутого уровня развития технической возможности, т.е. степени сжатия уплотнительного элемента.

2. Аварийное снятие предусматривает увеличение натяжения кабеля до тех пор пока не снимутся якорь и пакер после разрушения предусмотренного элемента, но этого не происходит в более 50% случаев, так как сильно натянутая тяга превращает весь комплекс элементов в единое целое вместе с элементами обсадной колонны и не хватает подвижности необходимой для разрушения т.е. на разрушающийся элемент передается, во первых, не вся энергия, приложенная к кабелю, а во вторых, этому узлу не хватает элементарной подвижности для окончательного разрушения деформированного разрушающегося элемента и обрыв происходит на кабельном наконечнике.

Цель изобретения - обеспечение надежной и однозначной работы каждого элемента устройства в штатном режиме работы и надежное, безопасное снятие и подъем пакера при потере управляющего на него воздействия, с возможностью быстрого восстановления работоспособности исследовательской партии для продолжения или выполнения других работ.

Поставленная цель достигается установкой управляемого фиксатора, вместо разрушающегося элемента для аварийного снятия пакера, между рабочим и дополнительными зонами, на силовом стволе, который выдерживает все возникающие нагрузки, с многократным запасом прочности, в штатном режиме, а снимается, при необходимости, приложением усилия, не выходящего за пределы прочности, из-за прямого управляющего воздействия на фиксатор, определенного уровня натяжения кабеля. Управляемый фиксатор имеет проточку и расположен с внешней стороны силового ствола. А на силовом стволе выполнены радиальные каналы, в которых размещены шары, выполненные с возможностью частичного выталкивания из радиальных каналов в проточку, для фиксации силового ствола с управляемым фиксатором. Этот фиксатор активируется только при возникновении нештатной ситуации, увеличением натяжения кабеля, которое приводит к срезу фиксирующего винта элемента (кабельного перехода), удерживающего упомянутые шары в проточке управляемого фиксатора в штатном режиме работы пакера. Для этого электропривод расположен ниже уплотнительного элемента и узла якоря, а элемент аварийного закрытия расположен выше уплотнительного элемента, т.е. со стороны кабельного перехода и управляется прямым увеличением натяжения кабеля. Такое расположение, в свою очередь, дает ряд дополнительных положительных моментов:

1. Если во время опрессовки имеет место сползания пакера с посаженного места, при применении прототипа, кабель обрывается из-за резко возросшей не контролируемой нагрузки на него, а в предлагаемом варианте, при аналогичной ситуации, в самом начальном моменте автоматически срабатывает аварийное снятие пакера, т.е. сбрасывается давление, не успев создать опасного натяжения кабеля.

2. Если во время опрессовки в скважине имеет место осыпание оторвавшейся от колонны фракции, при применении прототипа, им засыпается пространство между корпусом электропривода и эксплуатационной колонной, за время ожидания контрольного спада давления на каждой точке (по 30 минут), повышая риск прихвата устройства. А при применении предлагаемого варианта эти фракции, собираясь выше уплотнительного элемента пакера, где нет прихватоопасного объекта, не создают опасного момента и при необходимости, легко доступны для промывки.

3. В процессе снятия пакера, в предлагаемом варианте, электропривод работает при меньшем окружающем давлении, чем при работе прототипа, т.е. узел гидрозащиты работает в более комфортных условиях, понижая риск потери герметизации вовремя движении в нем штока привода (силового ствола).

4. В случае ликвидации осложнений на трубах и трубных ловителях, при предлагаемом варианте, механическому воздействию подвергается именно аварийная механическая часть устройства, а электропривод остается целой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1. на левой половине чертежа показано устройство пакера управляемого электроприводом в транспортном (исходном) положении, на правой половине чертежа в рабочем положении после посадки пакера. На фиг. 2. На правой половине чертежа показано, также пакер после посадки, а на левой половине показано снятие, этого же пакера, натяжением кабеля.

Устройство состоит из электропривода 1 в корпусе и выходящего из него через узел гидрозащиты 2 силового ствола 3. На этом стволе 3 монтируется сначала узел заякоривания 4, а выше устанавливается уплотнительный элемент 5 пакера между двумя упорами 6, 7. Верхний упор 7 со стволом 3 взаимодействует через узел фиксатора 8. Фиксатор 8 на своем крайнем нижнем положении, на стволе 3 фиксируется шарами 9. Шары 9 находятся, в своих радиальных каналах 10 на стволе 3 и когда кабельный переход 11 находится в нижнем крайнем положении, выталкиваются, частично, в проточку 12 на фиксаторе 8 скрепляя ствол 3 с фиксатором 8. Это его нормальное рабочее положение. Таким образом, фиксатор 8 на силовом стволе 3 выделяет его рабочую зону 13, ограничивающий рабочий ход взаимодействия электропривода 1 на подвижные элементы пакера - узел заякоривания 4 и уплотнительный элемент 5. А при его снятии (срабатывании) эти подвижные элементы получают возможность дополнительного хода за счет вновь подключающейся дополнительной зоны 14 силового ствола 3. Силовой ствол 3 заканчивается верхней гайкой 15, который с одной стороны ограничивает фиксатор 8 в предельном верхнем крайнем положении, а с другой стороны ограничивает свободный ход 16 кабельного перехода 11. Кабельный переход 11 со стволом 3 соединяется, имея свободный ход 16, который нужен для оказания управляющего воздействия на фиксатор 8. Этот ход 16 при штатном режиме работы всегда ограничен срезным винтом 17.

На соприкасающихся поверхностях фиксатора 8 и верхнего упора 7 уплотняющего элемента 5 образованы герметизирующие поверхности играющих роль клапана 18 необходимого для временного разделения (перекрытия) над и под пакерных пространств вовремя опрессовки и для дальнейшего выравнивания над и под пакерного давления перед снятием пакера. Для опережающего срабатывания клапана 18 по сравнению с началом движения уплотнительного элемента 5 и узла заякоривания 4 между фиксатором 8 и верхним упором 7 уплотнительного элемента 5, в специальной проточке, установлена пружина 19. По центральному каналу кабельного перехода 11 и по каналу в силовом стволе 3 проложены электрические провода для осуществления связи электропривода 1 с кабелем 20 (на чертеже не показаны).

Устройство работает таким образом:

Подавая электроприводу 1 напряжения разной полярности, силовой ствол 3 устройства укорачивается или удлиняется в пределах своей рабочей зоны 13 на его рабочий ход и тем самым "сажается" и снимается пакер. При этом усилие распределяется равномерно между сжатием уплотнительного элемента 5 и посадкой конусно-шлипсовой системы узла заякоривания 4 из-за их свободнопоследовательного соединения. При посадке уплотнительного элемента 5 пакера, когда усилие возрастает до величины, преодолевающей сжатие пружины 19 клапана 18, последний перекрывает (герметизирует) над и под пакерные пространства обсадной колонны 21. После завершения процесса опрессовки, путем подачи соответствующего напряжения на электропривод 1, начинают удлинять силовой ствол 3, в пределах упомянутого своего рабочего хода в рабочей зоне 13. Первым делом открывается клапан 18, приводящее, к сбрасыванию над пакерного давления, только потом равномерно разжимается уплотнительный элемент 5 и освобождаются шлипсы якорного узла 4. Этот процесс повторяют необходимое количество раз на необходимых глубинах, т.е. совершается штатный режим работы.

Если возникает ситуация, когда пакер посажен, а электропривод 1 не может оказать управляющего воздействия то для его аварийного снятия достаточно увеличить натяжение кабеля 20, к которому через кабельный наконечник 22 присоединен кабельный переход 11, до величины среза срезного винта 17. При этом кабельный переход 11 занимает верхнее крайне-ограниченное положение, срезая винт 17 и давая возможность шарам 9 выйти из зацепления с проточки 12 на фиксаторе 8. В результате открывается клапан 18 и сбрасывается над пакерное давление, а сработавший фиксатор 8 дает возможность верхнему упору 7 уплотнительного элемента 5 переместиться по стволу 3 на дополнительный ход в пределах дополнительной зоны 14. Не зависимо от положения элементов электропривода 1 ствол 3 как бы "удлиняется" в пределах этой дополнительной зоны 14 и уплотнительный элемент 5 пакера с узлом заякоривания 4 получают возможность снятия с посаженных мест. Для возврата устройства в исходное состояние достаточно фиксатор 8 довести до крайнего нижнего положения и закрепить его шарами 9 к стволу 3, убрав свободный ход 16 кабельного перехода 11, переводя его на нижнее крайнее положение. А затем зафиксировать это положение новым срезным винтом 17.

Техническим результатом использования пакера управляемого электроприводом является повышение безопасности и безаварийности работ, обеспечивая возможность снятия этого пакера в нештатных ситуациях, избегая осложнений в скважине и сохраняя работоспособность исследовательской партии. Создание дополнительных эксплуатационных удобств повышающих эффективность труда при штатном режиме работы.