Гидромеханический пакер

Изобретение относится к области горного дела, в частности к нефтедобывающей промышленности, и может быть использовано для разобщения скважин.

Известен пакер инерционный механический, содержащий смонтированные на трубе кольцевое уплотнение, разобщающее полость скважины радиальным расширением до герметичного разобщения полости скважины, механический якорь и телескопический замок с возможностью ограниченного осевого перемещения трубы внутри якоря, последний содержит подпружиненные фрикционные плашки, размещенные в пазах обоймы. Плашки выполнены с внутренней конической поверхностью, взаимодействующей с ответным конусом, установленным на трубе с возможностью осевого перемещения. (Патент RU №2532496 С1. Пакер инерционный механический. - МПК: Е21В 33/12. - 10.11.2014).

Известен двуякорный механический пакер, содержащий шпиндель, установленные на нем верхний и нижний якоря с конусом верхнего якоря со стопорными плашками и разжимающими их конусами, муфту, в которой выполнена расточка и соединенную с конусом верхнего якоря, временно закрепленным на шпинделе срезными штифтами, и соединенную с конусом нижнего якоря нижнюю гайку. Между муфтой и нижней гайкой расположено кольцевое уплотнение. Шпиндель верхней частью соединен с переводником, на котором установлена верхняя гайка. Обойма верхнего якоря и верхняя гайка соединены между собой кожухом, внутри которого установлена пружина для нажима на торец обоймы верхнего якоря относительно переводника. Стопорные плашки верхнего и нижнего якорей установлены в радиальных пазах обоймы и подпружинены в направлении шпинделя с помощью плоских пружин с возможностью скольжения по стволу скважины. В обойме нижнего якоря дополнительно установлены подпружиненные фрикционные плашки. Под обоймой выполнен лабиринтный паз. Обойма соединена с затвором, в последнем размещен плавающий палец телескопического замка. (Патент RU №2536534 С2. Двуякорный механический пакер. - МПК: Е21В 33/12. - 27.12.2014).

Известен гидромеханический пакер, содержащий полый корпус с радиальным каналом. На корпусе размещен уплотнительный элемент, взаимодействующий с упорным переводником, и дифференциальная втулка, образующая с корпусом кольцевую камеру, которая сообщается с полостью корпуса радиальным каналом при превышении давления во внутри колонном пространстве. Дифференциальная втулка имеет полость, в которой помещен поршень. Полость сообщается с кольцевой камерой. Корпус выполнен с щелевым пазом, сообщающим кольцевую камеру с радиальным каналом. (Патент RU №2118442 С1. Гидромеханический пакер. - МПК: Е21В 33/12. - 27.08.1998).

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является пакер гидромеханический, включающий ствол с радиальными каналами, оснащенный снизу упором, гидроцилиндр с поршнем, присоединенный снизу к гидроцилиндру разрезную цангу с якорем, уплотнительное кольцо, седло, размещенное в нижней части ствола. Изнутри под якорем разрезная цанга оснащена конусной поверхностью, выполненной с возможностью взаимодействия с поршнем. Разрезная цанга снизу оборудована внутренними зацепами, а цилиндр сверху - внутренним сужением. Ниже поршня снаружи ствола установлена подпружиненная от поршня подвижная втулка, выполненная с возможностью упора во внутренние зацепы цанги при ее расширении, при этом в стволе над упором выполнены дополнительные радиальные отверстия, покрываемые снаружи подвижной втулкой в транспортном положении и выполненные с возможностью открытия при перемещении их ниже цанги. (Патент RU №2439286 С1. Пакер гидромеханический. - МПК: Е21В 33/12. - 10.01.2012). Данное изобретение принято за прототип.

Недостатком известных пакеров с кабельным вводом является сложность закрепления пакера и низкая надежность разобщения полости скважины сжатием кольцевых манжет с радиальным их расширением.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности закрепления пакера и герметичности разобщения полости скважины.

Техническим результатом является повышение надежности закрепления пакера и герметичности разобщения полости скважины.

Указанный технический результат достигается тем, что, в известном пакере, содержащем ствол с радиальным отверстием, соединенный переходником с колонной насосно-компрессорных труб, гидроцилиндр с поршнем, установленные на стволе опорный якорь, включающий стопорные плашки и разжимающий их конус, сжимаемые кольцевые манжеты с возможностью радиального расширения до герметичного разобщения межтрубной полости скважины, скользящий центратор, содержащий корпус с разжимающимися фрикционными плашками с возможностью фиксации его на стволе пакера при спуске пакера в скважину, седло с шаровым клапаном, размещенные внизу ствола, согласно предложенному техническому решению,

снаружи ствола ниже корпуса центратора, при разомкнутом положении стопорных плашек и конуса якоря, установлен гидромеханический зацеп центратора, содержащий гидроцилиндр с поршнем, последний для спуска пакера в скважину закрепляется срезными штифтами в гидроцилиндре, сообщающемся с полостью ствола через осевой канал в основании гидроцилиндра и радиальный канал в стенке ствола пакера посредством соединяющего их ниппеля, а на поршне установлен упругий крюк, удерживающий скользящий центратор при спуске пакера в скважину за внутренний буртик корпуса, выполненный с внутренней угловой подсечкой и зазором относительно ствола для перемещения крюка, для чего в верхнем торце гидроцилиндра выполнен паз с выступом для размещения крюка, а на последнем выполнен кулачок, выводящий упругий крюк из зацепления с буртиком корпуса центратора путем перемещения поршня до упора в кольцевой буртик, выполненный внутри гидроцилиндра, и среза фиксирующих штифтов под давлением жидкости из полости ствола, кинематическим взаимодействием кулачка крюка с выступом в пазу на верхнем торце гидроцилиндра, для последующего взаимодействия стопорных плашек на скользящем центраторе с разжимающим их конусом опорного якоря;

может дополнительно содержать запорный якорь для фиксирования сжатых кольцевых манжет при радиальном их расширении до герметичного разобщения межтрубной полости обсадной колонны скважины;

снаружи ствола под кольцевыми манжетами и якорем выполнен продольный глухой паз для проводки силового кабеля, причем под кольцевыми манжетами кабель размещается с герметизацией паза посредством компаунда.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного гидромеханического пакера, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Предложенный гидромеханический пакер может быть использован на нефтяных скважинах, что соответствует критерию «промышленная применимость».

На фиг. 1 представлена конструкция гидромеханического пакера (в транспортном состоянии); на фиг. 2 - гидромеханический зацеп центратора при разомкнутом положении стопорных плашек и конуса якоря, узел А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, в действии; на фиг. 4 - то же, при рабочем положении пакера.

Гидромеханический пакер содержит ствол 1, соединенный переходником с колонной насосно-компрессорных труб (условно не показаны), установленные на стволе опорный якорь, включающий стопорные плашки 2 и разжимающий их конус 3, сжимаемые кольцевые манжеты 4 с возможностью радиального расширения до герметичного разобщения межтрубной полости обсадной колонны скважины, скользящий центратор 5, содержащий корпус 6 с разжимающимися фрикционными плашками 7, создающими с внутренней стенкой обсадной колонны трение скольжения, с возможностью фиксации на стволе 1 при спуске пакера в скважину, седло 8 с шаровым клапаном 9, размещенные внизу ствола 1. (Фиг. 1). Снаружи ствола 1 ниже корпуса 6 центратора 5 при разомкнутом положении стопорных плашек и конуса якоря, закреплен гидромеханический зацеп 10 центратора 5, содержащий гидроцилиндр 11 с поршнем 12, последний для спуска пакера в скважину закрепляется срезными штифтами 13 в гидроцилиндре 11, сообщающемся с полостью ствола 1 через осевой канал 14 в основании гидроцилиндра 11, и радиальный канал 15 в стенке ствола 1 пакера посредством соединяющего их ниппеля 16. На поршне 12 установлен упругий крюк 17, удерживающий скользящий центратор 5 при спуске пакера в скважину за внутренний буртик 18 корпуса 6 центратора 5, выполненный с зазором 19 относительно ствола 1 для перемещения крюка 17, для чего в верхнем торце гидроцилиндра 11 выполнен паз 20 с выступом 21 для размещения крюка 17. (Фиг. 2). На крюке 17 выполнен кулачок 22, выводящий упругий крюк 17 из зацепления с буртиком 18 корпуса 6 центратора 5 перемещением поршня 12 до упора в кольцевой буртик 23, выполненный внутри гидроцилиндра 11, и срезом фиксирующих штифтов 13 под давлением жидкости на торец поршня 12, поступающей с поверхности скважины по колонне насосно-компрессорных труб через полость ствола 1, радиальный канал 15, ниппель 16 и осевой канал 14. (Фиг. 3). Путем кинематического взаимодействия кулачка 22 крюка 15 с упором в выступ 21 паза 20 на верхнем торце гидроцилиндра 11 упругий крюк 17 выводится из зацепления с буртиком 18 корпуса 6 центратора 5 для последующего взаимодействия стопорных плашек 2 на скользящем центраторе 5 с разжимающим их конусом 3 опорного якоря. (Фиг. 4). Пакер может дополнительно содержать запорный якорь (условно не показан) для фиксирования сжатых кольцевых манжет 4 при радиальном их расширении до герметичного разобщения межтрубной полости обсадной колонны скважины. Снаружи ствола 1 под кольцевыми манжетами 4 и якорями по необходимости может быть выполнен продольный глухой паз (условно не показан) для проводки силового кабеля (условно не показан), причем под кольцевыми манжетами 4 кабель размещается в пазе с герметизацией посредством компаунда.

Пакер гидромеханический работает следующим образом.

Пакер гидромеханический в транспортном состоянии, при котором стопорные плашки 2 на центраторе 5 и разжимающий их конус 3 опорного якоря разъединены, причем центратор 5 зафиксирован на стволе 1 пакера гидромеханическим зацепом 8, закрепленным на стволе 1 пакера, последний спускают на колонне насосно-компрессорных труб в обсадную трубу скважины. При этом установленный на стволе 1 центратор 5 скользит разжимающимися фрикционными плашками 7 по внутренней стенке обсадной трубы скважины, которые трением скольжения обеспечивают стопорение пакера в заданном интервале скважины. Затем с поверхности скважины по колонне насосно-компрессорных труб под давлением p нагнетают жидкость в гидроцилиндр 11 гидромеханического зацепа 10 через полость ствола 1 пакера, радиальный канал 15, ниппель 16 и осевой канал 14, при этом давление поддерживается обратным шаровым клапаном 9, расположенным в седле 8 внизу ствола 1 пакера. На поршень 12, закрепленный в гидроцилиндре 11 срезными штифтами 13, начинает действовать сила давления жидкости P_п=p⋅S_п, где S_п - площадь торца поршня 12, S_п=π⋅d²/4, где d - диаметр поршня 12, причем d<δ, где δ - зазор между внутренним диаметром обсадной трубы, D_обс.тр., и наружным диаметром колонны насосно-компрессорных труб, D_НКТ, δ=(D_обс.тр.-D_НКТ)/2. При этом необходимо выполнение условия:

Р_п>Р_ср.шт>Р_тр.ц,

где: P_ср.шт усилие, необходимое на срез штифтов 13 поршнем 12 в гидроцилиндре 11,

Р_тр.ц - сила трения скольжения фрикционных плашек 7 центратора 5.

Поршень 12 под действием усилия Р_п срезает штифты 13, перемещается до упора в кольцевой буртик 23 внутри гидроцилиндра 11 и отжимает упругий крюк 17 кулачком 22 упором в выступ 21 паза 20 на верхнем торце гидроцилиндра 11 в направлении ствола 1 и выводит его из зацепления с буртиком 18 корпуса 6, освобождая скользящий центратор 5. Далее опусканием колонны насосно-компрессорных труб ствол 1 с кольцевыми манжетами 4 и конусом 3 скольжением смещают в центраторе 5, удерживаемый в обсадной трубе скважины силами трения скольжения Р_тр.ц разжимающимися фрикционными плашками 7 на внутренней стенке обсадной трубы скважины, и разжимающим конусом 3 воздействуют на стопорные плашки 2, образуя опорный якорь, которым закрепляют пакер в обсадной трубе скважины с одновременным сжатием и радиальным расширением кольцевых манжет 4 до герметичного разобщения полости скважины. При этом одновременно выводится из корпуса 6 центратора 5 через зазор 19 отжатый крюк 17. При наличии в пакере запорного якоря, последним фиксируют сжатые кольцевых манжет 4 при радиальном их расширении до герметичного разобщения межтрубной полости обсадных труб скважины. При необходимости проводки через пакер силового кабеля, снаружи ствола 1 под кольцевыми манжетами и якорем выполняют продольный глухой паз для его проводки, причем под кольцевыми манжетами кабель размещается в пазе с герметизацией посредством компаунда. После закрепления пакера в обсадной трубе скважины, из ствола 1 пакера и колонны насосных труб удаляют жидкость, по которым затем ведут добычу нефти или газа перетеканием через седло 8 с само открывающим обратным шаровым клапаном 9.

Предложенная конструкция пакера гидромеханического позволяет повысить надежность закрепления пакера и герметичность разобщения скважин.