Результат интеллектуальной деятельности: ПАКЕР СДВОЕННЫЙ С ПРИВОДОМ ОТ ВРАЩЕНИЯ

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметизации межтрубного пространства над противопесочным фильтром при его установке на газовых скважинах месторождений и подземных хранилищах газа (далее ПХГ).

Анализ существующего уровня техники показал следующее:

известны пакеры гидравлические двустороннего действия (см. п. РФ №2160356 от 03.07.98 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 10.12.2000 г.; п. РФ №2208127 от 05.11.01 по кл. Е21В 33/12, опубл. 10.07.03 г. и др.) для изоляции вскрытых продуктивных объектов в нефтегазовых скважинах, исключения межпластовых перетоков, ликвидации мест негерметичности эксплуатационной колонны в скважинах. Недостатком пакеров данной конструкции является тот факт, что установку пакеров осуществляют путем создания в них перепада давления, что предполагает перекрытие условного прохода и соответственно приводит к дополнительным операциям по его восстановлению для дальнейшей эксплуатации скважины. При этом также возникает проблема соединения пакера с фильтром.

Известны двойные пакеры для изоляции опробуемого интервала скважины (см. а.с. №1370226 от 27.06.86 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 30.01.88 г.; а.с. №1573139 от 16.08.88 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 23.06.90 г.), применяемые при инженерно-геологических изысканиях. Недостатком данных пакеров является низкая эксплуатационная надежность работы устройства. Данные пакеры работают в необсаженных скважинах, осуществить надежную их посадку в обсаженных скважинах невозможно из-за малого трения пружин о стенки обсадной трубы. Конструкции этих пакеров не предназначены для соединения с фильтром, так как имеют глухие нижние торцы, однако в случае соединения пакера с фильтром вращение приводной трубы при посадке приведет к деформации или разрушению неподвижного фильтра.

Известны интервальные пакеры (см. а.с. №613081 от 05.06.75 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 30.06.78 г.; а.с. №901472 от 06.03.80 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 30.01.82 г.; а.с. №1442636 от 03.10.86 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 07.12.88 г.) для разобщения ствола скважин. Вышеуказанные пакеры оснащены двумя пакерующими устройствами и не предназначены для соединения с фильтром, так как гидромеханический способ их посадки предусматривает наличие глухого нижнего торца для создания давления в насосно-компрессорных трубах (далее НКТ). Для деформации герметизирующих элементов необходим вес колонны труб, что ограничивает применение пакеров при невозможности создания требуемой нагрузки.

Известна механическая пакерная система (см. п. РФ №2246604 от 21.07.03 по кл. Е21В 33/12, опубл. 20.02.05), предназначенная для изоляции участков в обсадной колонне при ее негерметичности. Для установки пакерной системы ее спускают на необходимую глубину, а затем приподнимают на 2,5 метра, переключая якорь нижнего пакера в рабочее положение. Пакеровка осуществляется перемещением пакерной системы вниз. Такие перемещения недопустимы в случае соединения пакерной системы с неподвижным фильтром.

Известно устройство для изоляции опробуемого интервала скважины (см. а.с. №987076 от 09.07.81 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 07.01.83 г.), включающее два уплотнительных элемента, применяемое при производстве работ по нагнетанию жидкости или газа в горный массив с целью фильтрационного опробования пород неглубоких скважин. В конструкции пакера заложен ручной привод его посадки. Для обеспечения механического привода пакера в глубоких скважинах необходим одновременный спуск труб двух типоразмеров труб (труба в трубе), что практически невыполнимо.

Известен механический пакер (см. а.с. №1667637 от 05.05.87 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 30.07.91 г.), предназначенный для разобщения ствола обсаженной скважины. Недостатком пакера является низкая эффективность работы устройства. Для деформации уплотнительных элементов в радиальном направлении необходимо приложить значительную осевую нагрузку, что не всегда возможно (например, в неглубоких скважинах). Для посадки пакера необходимо осевое перемещение ствола с колонной эксплуатационных труб, что недопустимо при жестком соединении ствола пакера с неподвижным фильтром. Один уплотнитель не обеспечит надежной герметизации из-за возможных дефектов внутренней поверхности обсадной колонны на участке их контакта.

Известен механический пакер (см. п. РФ №2294427 от 29.07.02 г. по кл. Е21В 33/12, опубл. 27.02.07 г.), предназначенный для герметизации ствола преимущественно пьезометрических скважин. Недостатком известного пакера является низкая эксплуатационная надежность и эффективность работы устройства, обусловленная следующим рядом причин. Посадку пакера осуществляют вращением ствола, с последующим его перемещением относительно уже неподвижных плашек якоря, что недопустимо в случае соединения пакера в комплексе с противопесочным фильтром, так как может привести к деформации неподвижного фильтра или перемещению последнего вдоль обсадной колонны. Установка одного уплотнителя не обеспечивает надежной герметизации из-за возможных дефектов внутренней поверхности обсадной колонны на участке их контакта. При извлечении пакера лифтовую колонну труб соединяют правым вращением, а затем левым вращением разрушают срезной элемент и откручивают переходник от ствола. При этом велика вероятность как отворота лифтовой колонны труб от пакера, так и разъединения отдельных труб лифтовой колонны.

Таким образом, нами не выявлены технические решения, близкие по технической сути, а именно пакеры сдвоенные с приводом от вращения, позволяющие соединить их с фильтром, осуществить посадку без нагрузки от веса инструмента и перемещения фильтра вдоль обсадной колонны, имеющие раздельный привод нижнего и верхнего уплотнительных элементов, а также разный принцип их деформации. Ближайший аналог не выделен, в связи с чем формула изобретения составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и эффективности работы устройства за счет

- комплексного управления пакером посредством правого вращения, позволяющего соединить пакер с фильтром, осуществить его посадку и произвести съем ключа, исключая перемещение фильтра вдоль обсадной колонны, и левого вращения, позволяющего вернуть пакер в положение спуска и отсоединить его от фильтра;

- раздельного привода уплотнительного элемента верхнего пакера и уплотнителя нижнего пакера, а также разного принципа их деформации, то есть радиальной деформации уплотнительного элемента верхнего пакера сжатием и радиального расширения уплотнителя нижнего пакера конусом, обеспечивающим контакт металлического уплотнительного кольца с внутренней торцевой поверхностью соединительной муфты;

- возможности применения в скважинах различной глубины, т.к. для посадки пакера не требуется нагрузка от веса инструмента;

- возможности поэтапного контроля срабатывания отдельных конструктивных элементов пакера.

Технический результат достигается с помощью предлагаемого пакера, сдвоенного с приводом от вращения, включающего

верхний и нижний пакеры, жестко связанные между собой соединительной муфтой, и механизм посадки, коаксиально установленный в верхнем пакере.

Верхний пакер содержит ствол с диаметрально расположенными выступами на верхней торцевой поверхности, при этом ствол в верхней части жестко соединен с полым валом, имеющим верхнюю внутренней левую и нижнюю наружную правую резьбы;

в нижней части на стволе между двумя обжимными обоймами установлен уплотнительный элемент, состоящий из двух или более цилиндрических манжет, разделенных шайбой;

над уплотнительным элементом установлен якорь, с возможностью осевого перемещения относительно ствола, состоящий из корпуса, шлипсов, прижатых пружиной к стволу, и конуса;

корпус выполнен в виде стакана, на боковой поверхности которого в средней части расположены окна под шлипсы, а в верхней части выполнены продольные пазы с винтами, жестко связанными с конусом, и установлены срезные винты, связывающие конус с корпусом;

над якорем расположен разъемный корпус с внутренней резьбой в нижней части, обеспечивающей перемещение разъемного корпуса по полому валу, причем в верхней части разъемного корпуса выполнены два внутренних диаметрально противоположных шпоночных паза, а также внутренняя резьба, при этом нижняя часть разъемного корпуса охватывает верхнюю поверхность конуса с установленным на нем подшипником.

Нижний пакер содержит ствол с металлическим уплотнительным кольцом и наружной резьбой в верхней части, а в нижней части ствол жестко связан с муфтой, над которой установлены уплотнитель, конус и корпус;

нижняя часть уплотнителя обжата кольцом-зацепом, боковая поверхность которого выполнена в виде загнутых лепестков, а на наружной боковой поверхности уплотнителя выполнены кольцевые проточки, при этом верхняя часть уплотнителя обжимает конус;

в средней части конуса установлен резиновый армированный компенсатор, при этом конус установлен с возможностью перемещения по стволу, обеспечивая контакт металлического уплотнительного кольца с внутренней торцевой поверхностью соединительной муфты;

корпус имеет внутреннюю резьбу в нижней части, обеспечивающую его перемещение по стволу, причем нижняя часть корпуса охватывает верхнюю поверхность конуса с установленным на нем подшипником, при этом в верхней части корпуса установлены срезные винты, связывающие корпус со стволом.

Механизм посадки содержит зацеп и патрубок, жестко связанные между собой ключом, гайку и муфту;

зацеп выполнен в виде полого цилиндра, в нижней части которого расположены по два диаметрально противоположных верхних и нижних пазов, при этом нижние пазы входят в зацепление с выступами ствола верхнего пакера;

ключ выполнен в виде муфты, на нижней наружной поверхности которой расположены две диаметрально противоположные шпонки, входящие в зацепление со шпоночными пазами разъемного корпуса верхнего пакера;

гайка установлена на зацепе под ключом с возможностью осевого перемещения по зацепу и имеет наружную левую резьбу, соответствующую внутренней левой резьбе полого вала, и диаметрально расположенные выступы на нижней торцевой поверхности, входящие в зацепление с верхними пазами зацепа;

муфта жестко связана с верхней частью патрубка.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: из источников патентной документации и научно-технической литературы нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения. Достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами конструктивных элементов верхнего и нижнего пакеров, а также механизма посадки и связями между конструктивными элементами, обеспечивающими соединение пакера сдвоенного с фильтром и его посадку без нагрузки от веса инструмента и перемещения фильтра вдоль обсадной колонны.

Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, то есть соответствует условию изобретательского уровня.

На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого устройства.

Пакер сдвоенный с приводом от вращения содержит верхний пакер 1 и нижний пакер 2, жестко связанные между собой соединительной муфтой 3. В верхнем пакере 1 коаксиально установлен механизм посадки 4. Верхний пакер 1 состоит из ствола 5, на верхней торцевой поверхности которого диаметрально расположены выступы 6. В верхней части ствол 5 жестко соединен с полым валом 7, имеющим верхнюю внутреннюю левую и нижнюю наружную правую резьбы, а в нижней части на стволе 5 между двумя обжимными обоймами 8, 9 установлен уплотнительный элемент, состоящий из двух цилиндрических манжет 10, 11, разделенных шайбой 12. В зависимости от технического состояния колонны количество цилиндрических манжет может быть увеличено. Над уплотнительным элементом установлен якорь с возможностью осевого перемещения относительно ствола 5. Якорь состоит из корпуса 13, шлипсов 14, прижатых пружиной 15 к стволу 5 и конуса 16. Корпус 13 выполнен в виде стакана, на боковой поверхности которого в средней части расположены окна 17 под шлипсы 14. В верхней части корпуса 13 выполнены продольные пазы 18, в которых установлены винты 19, жестко связанные с конусом 16. В верхней части корпуса 13 установлены срезные винты 20, связывающие конус 16 с корпусом 13. В верхней части конуса 16 установлен подшипник 21. Над якорем установлен разъемный корпус 22 с внутренней резьбой в нижней части, обеспечивающей перемещение разъемного корпуса 22 по полому валу 7. В верхней части разъемный корпус 22 имеет два внутренних диаметрально противоположных шпоночных паза 23, а также внутреннюю резьбу. Нижняя часть разъемного корпуса 22 охватывает верхнюю поверхность конуса 16 с подшипником 21, обеспечивающим возможность вращения разъемного корпуса 22 относительно конуса 16.

Нижний пакер 2 состоит из ствола 24, на верхней торцевой поверхности которого установлено металлическое уплотнительное кольцо 25. В верхней части ствола 24 выполнена наружная резьба, а в нижней части ствол 24 жестко связан с муфтой 26. На стволе 24 над муфтой 26 установлены уплотнитель 27, конус 28 и корпус 29. Нижняя часть уплотнителя 27 обжата кольцом-зацепом 30, боковая поверхность которого выполнена в виде загнутых лепестков. На наружной боковой поверхности уплотнителя 27 выполнены кольцевые проточки 31. Верхняя часть уплотнителя 27 обжимает конус 28. В средней части конуса 28 установлен резиновый армированный компенсатор 32, а в верхней части - подшипник 33. Конус 28 установлен с возможностью перемещения по стволу 24, обеспечивая контакт металлического уплотнительного кольца 25 с внутренней торцевой поверхностью соединительной муфты 3. Корпус 29 имеет внутреннюю резьбу в нижней части, обеспечивающую его перемещение по стволу 24. Нижняя часть корпуса 29 охватывает верхнюю поверхность конуса 28 с подшипником 33, обеспечивающим вращение корпуса 29 относительно конуса 28. В верхней части корпуса 29 установлены срезные винты 34, связывающие корпус 29 со стволом 24.

Механизм посадки 4 содержит зацеп 35 и патрубок 36, жестко связанные между собой ключом 37, гайку 38 и муфту 39. Зацеп 35 выполнен в виде полого цилиндра, в нижней части которого расположены по два диаметрально противоположных верхних и нижних пазов 40, 41. Нижние пазы 41 зацепа 35 входят в зацепление с выступами 6 ствола 5 верхнего пакера 1. Ключ 37 выполнен в виде муфты, на нижней наружной поверхности которой расположены две диаметрально противоположные шпонки 42, входящие в зацепление со шпоночными пазами 23 разъемного корпуса 22 верхнего пакера 1. Гайка 38 установлена на зацепе 35 под ключом 37 с возможностью осевого перемещения по зацепу 35. Гайка 38 имеет наружную левую резьбу, соответствующую внутренней левой резьбе полого вала 7 верхнего пакера 1. На нижней торцевой поверхности гайки 38 диаметрально расположены выступы 43, входящие в зацепление с верхними пазами 40 зацепа 35. Муфта 39 жестко связана с верхней частью патрубка 36.

Пакер скважины ПХГ, оборудованной противопесочным фильтром, разъединяет кольцевое пространство скважины между эксплуатационной колонной и НКТ и призабойной зоной, оборудованной фильтром. Пакер служит для направления потока газа в полость НКТ через фильтр-каркас при отборе флюида и, наоборот, при закачке флюида. Пакер предотвращает воздействие рабочих давлений на эксплуатационную колонну, а также вынос гравийной обсыпки вверх в кольцевое пространство. Несмотря на то, что в настоящее время разработано значительное количество конструкций пакеров различного назначения и принципа действия, задача создания надежного технологичного пакера для скважин ПХГ, оборудованных противопесочным фильтром, остается актуальной ввиду специфики условий его работы:

- пакер должен обеспечивать надежное и герметичное соединение с фильтром, исключающее их самопроизвольное рассоединение в процессе эксплуатации скважины и перемещение вдоль эксплуатационной колонны;

- соединение пакера с фильтром, пакеровка и рассоединение его от НКТ необходимо проводить только правым вращением и осевым перемещением инструмента;

- пакер должен обеспечивать разъединение от фильтровой компоновки при извлечении в процессе последующего ремонта скважины;

- габаритные размеры пакера должны обеспечивать проход через эксплуатационную колонну с внутренним диаметром 148 мм;

- пакер должен выдерживать перепад давления кратковременно 25 МПа, длительно 16 МПа;

- манипуляции с пакером необходимо проводить с использованием стандартного оборудования.

Всем вышеперечисленным требованиям отвечает разработанный пакер сдвоенный с приводом от вращения.

Устройство работает следующим образом.

Пакер сдвоенный с приводом от вращения спускают в скважину, оборудованную противопесочным фильтром, на НКТ. Нижние пазы 41 зацепа 35 механизма посадки 4 вводят в зацепление с выступами 6 ствола 5 верхнего пакера 1 и к НКТ сообщают правое вращение для соединения пакера сдвоенного с противопесочным фильтром. После соединения пакера сдвоенного с фильтром усилие от вращения НКТ передается срезным винтам 34, в результате чего они срезаются и корпус 29 перемещается вниз по стволу 24, перемещая вниз конус 28. Перемещение корпуса 29 и соответственно конуса 28 происходит до тех пор, пока верхний торец ствола 24 с металлическим уплотнительным кольцом 25 не сомкнется с нижним внутренним торцом соединительной муфты 3, обеспечив торцевое уплотнение ствола 24. При этом конус 28 деформирует уплотнитель 27 и производится пакеровка нижнего пакера 2. Установленный на конусе 28 армированный компенсатор 32 под действием осевой силы от уплотнителя 27 раздается в радиальном направлении, препятствуя выдавливанию уплотнителя 27 за конус 28 и потере им напряжений сжатия и герметичности при более высоких давлениях. Сам компенсатор 32 не выдавливается благодаря армированию. Затем натяжением механизма посадки 4 зацеп 35 выводят из зацепления со стволом 5 верхнего пакера 1 и вводят в зацепление его верхние пазы 40 с выступами 43 гайки 38. При этом диаметрально противоположные шпонки 42 ключа 37 механизма посадки 4 выходят из шпоночных пазов 23 разъемного корпуса 22 верхнего пакера 1, и при правом вращении НКТ гайка 38 выкручивается из полого вала 7. Далее механизм посадки 4 опускают вниз, заводя диаметрально противоположные шпонки 42 ключа 37 в шпоночные пазы 23 разъемного корпуса 22. При этом нижние пазы 41 зацепа 35 механизма посадки 4 не входят в зацепление с выступами 6 ствола 5 верхнего пакера 1, поэтому дальнейшее правое вращение НКТ приводит к вращению разъемного корпуса 22 с одновременным перемещением вниз по полому валу 7. Осевое усилие передается конусу 16 и соответственно корпусу 13 якоря, перемещение которых по стволу 5 приводит к пакеровке уплотнительного элемента верхнего пакера 1. После пакеровки при дальнейшем вращении возрастающее осевое усилие передается срезным винтам 20, в результате чего они срезаются и конус 16 якоря, перемещаясь вниз по стволу 5, входит во взаимодействие со шлипсами 14, которые разводятся в радиальном направлении до контакта со стенкой обсадной колонны. После посадки пакера сдвоенного механизм посадки 4 извлекают на поверхность. Для эксплуатации пакера сдвоенного проводят спуск НКТ, которые соединяют с разъемным корпусом 22.

После завершения эксплуатации пакера и извлечения НКТ проводят спуск левого инструмента с левым метчиком. Левым вращением инструмента метчик вворачивают в разъемный корпус 22 и дальнейшим вращением влево пакер сдвоенный возвращают в положение спуска (исходное положение). При этом разъемный корпус 22, перемещаясь по полому валу 7 вверх, перемещает конус 16 якоря. Конус 16 выходит из взаимодействия со шлипсами 14 и под действием пружины 15 они возвращаются в исходное положение. Далее происходит перемещение вверх корпуса 13 якоря и освобождение уплотнительного элемента верхнего пакера 1. После того как разъемный корпус 22 займет крайнее верхнее положение, левое вращение через ствол 5 и соединительную муфту 3 передается корпусу 29, в результате чего он, перемещаясь по стволу 24 вверх, выводит конус 28 из-под уплотнителя 27. После того как корпус 29 займет крайнее верхнее положение, муфта 26 отворачивается от фильтра, после чего проводят подъем пакера сдвоенного.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию "промышленная применимость".

Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности, а именно условиям "новизна" и "изобретательский уровень".