МЕХАНИЧЕСКИЙ ПАКЕР

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметизации ствола преимущественно пьезометрических скважин.

Уровень техники

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно устройство для герметизации межтрубного пространства (см. пат. РФ №2101461 6 Е 21 В 33/12), содержащее шток с пазом, установленные на штоке уплотнительный элемент, верхний и нижний заякоривающие узлы, конусы с внутренним выступом, размещенные соответственно над и под уплотнительным элементом, фиксатор в нижнем заякоривающем узле, переводник на верхнем конце штока.

В нижней и верхней частях корпуса якорные узлы выполнены в виде подпружиненных плашек.

В процессе спуска пакера в скважину центраторы заякоривающих узлов прижаты к стенке скважины, плашки сложены вовнутрь и их несанкционированное перемещение в радиальном направлении исключается.

Пакер работает следующим образом:

- при достижении заданной глубины колонну труб с пакером приподнимают и поворотом вправо вводят фиксатор в длинную часть паза с разгрузкой инструмента. Шток перемещается вниз относительно заякоривающих узлов, с вводом нижнего конуса в контакт с плашками и сжатием пружины, что приводит к их перемещению к стенке скважины;

- при разгрузке инструмента нижний выступ штока входит в контакт с дополнительным выступом верхнего конуса и сжатием пружины. Уплотнительный элемент под действием сжимающей нагрузки деформируется к стенке скважины и герметизирует межтрубное пространство;

- для перевода пакера в транспортное положение снимают избыточное давление под пакетом;

- штоки с верхним конусом и уплотнителем перемещаются вниз до упора с нижним конусом. Плашки усилием пружины возвращаются в исходное положение:

- натяжением труб снимают сжимающую нагрузку пакера;

- плашки нижнего заякоривающего узла складываются;

- уплотнитель принимает первоначальное положение.

Недостатки данного пакера:

- необходимость ввода под высоким давлением рабочей жидкости в лифтовую колонну труб для посадки пакера;

- для условий применения последнего в пьезометрических скважинах неприемлемо;

- в случае применения для посадки пакера веса лифтовой колонны сложно осуществить отсоединение-присоединение лифтовой колонны труб.

Известен пакер типа ПВ-ЯМ, состоящий из уплотнительного элемента, установленного на стволе, связанного с заякоривающим и фиксирующим устройствами (см. «Пакеры, якори, разъединители колонн, инструменты и принадлежности для них». Каталог - М.: ЦИНТИХИМНефтемаш, 1984, с.6).

Для посадки пакера колонну труб вместе с пакером сначала приподнимают, а затем поворотом вправо с одновременным спуском выводят палец из фигурного паза. Шток с пальцем перемещаются вниз относительно якорного узла. В результате плашки выводятся в радиальном направлении до контакта с обсадной колонной. При дальнейшем перемещении штока пакера уплотнительный элемент сжимается в осевом направлении до контакта со стенкой обсадной колонны.

В предложенном устройстве герметичность обеспечивается только за счет передачи веса лифтовой колонны труб. Однако в ряде случаев веса лифтовой колонны труб для посадки пакера бывает недостаточно. Кроме того, в случае применения такого пакера в пьезометрических скважинах, после его посадки лифтовая колонна труб отсоединяется от пакера и извлекается на поверхность. В этом случае после снятия осевой нагрузки может произойти разгерметизация уплотнительного элемента и даже съем пакера с места установки. Удержание пакера на месте возможно с применением якоря гидравлического типа.

Однако при условии применения в компоновке якоря гидравлического типа возникает необходимость подачи в лифтовую колонну труб рабочей жидкости под давлением, с соответствующим заполнением скважин. Это недопустимо в условиях применения в пьезометрических скважинах, поскольку они предназначены для наблюдения за работой месторождения или подземного хранилища газа. Это наблюдение ведется путем измерения уровня пластовой жидкости, взятия проб и исследования их состава. Ввод рабочей жидкости в скважину исказит результаты исследований, что недопустимо. Кроме того, гидравлическая посадка пакера или якорящего узла подразумевает применение шарового клапана, устанавливаемого на седло, связанное со стволом тарированными срезными штифтами. В условиях применения пакера в пьезометрических скважинах подразумевается его оснащение клапаном-отсекателем. Это делает невозможным применение пакера с гидравлическим методом посадки, поскольку шар с седлом не могут быть сброшены на забой скважины.

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), состоящий из уплотнительного узла, плашечного механизма и фиксатора. На стволе пакера свободно насажен конус и уплотнительные манжеты между конусом и верхним упором. Плашки входят в пазы плашкодержателя и прижимаются к конусу пружинами. Ниже места расположения разъемного конуса установлен корпус пружинного фонаря с башмаками и замком, в котором выполнен фигурный паз и расположен палец, связанный со стволом.

Пакер спускают в скважину на заданную глубину, затем натяжением лифтовой колонны приподнимают на величину, необходимую для создания на пакер расчетной осевой нагрузки, и поворачивают ствол на полтора-два оборота вправо. За счет контакта башмаков корпус фонаря и плашки не меняют своего положения относительно обсадной колонны. При вращении труб палец скользит по фигурному пазу и опускается по длинному пазу вниз.

Конус раздвигает плашки в радиальном направлении до контакта с обсадной колонной.

Затем нагружением веса труб осуществляют сжатие манжет уплотнителя.

Однако для условий применения такого пакера, например, в пьезометрических скважинах, в ряде случаев после посадки пакера от последнего отсоединяют лифтовую колонну труб путем приложения левого вращения, что может привести к съему его с места установки.

В случае необходимости повторного подсоединения к пакеру лифтовой колонны труб путем ввода резьбового конуса в резьбу муфты и передачей крутящего манжета возможен проворот пакера вокруг своей оси, что делает проблематичным вывод пальца из длинного паза и его ввод в фигурную прорезь замка. Это снижает надежность работы всего устройства.

Известен пакер механический типа ПЗФМ - 146 (см. «Геология, бурение и разработка газовых и газоконденсатных месторождений и ПХГ», ОАО «Газпром», ОАО «СевКавНИПИгаз», Сборник научных трудов. Вып.32, с.137-143. Ставрополь, 2001 г.).

Пакер состоит из ствола, на котором установлен уплотнитель, разжимной конус, связанный с корпусом, который в верхней части снабжен байонетным пазом. Внутрь байонетного паза введен палец пистолета, связанного в свою очередь с лифтовой колонной труб. На нижнем конце ствола пакера закреплен патрубок-удлинитель с башмаком-клапаном на нижнем конце.

Длина патрубка-удлинителя определяется, исходя из глубины скважины и расположения пакера над интервалом перфорации.

Пистолет связан с корпусом срезным штифтом.

Посадка пакера осуществляется следующим образом: компоновка фильтров вместе с башмаком-клапаном и пакером опускается в скважину до упора на забой.

Правым вращением лифтовой колонны выводят палец пистолета из короткого участка байонетного паза и нагруженном - передачей веса - вводят разжимной конус внутрь уплотнителя с деформацией последнего в радиальном направлении до контакта с обсадной колонной. Фиксация устройства в этом положении осуществляется за счет ввода стопорного кольца на стволе пакера в ответную канавку в корпусе.

Правым вращением лифтовой колонны труб, при нахождении пальца пистолета в длинном пазу байонета и натяжением труб осуществляют отсоединение лифтовой колонны от компоновки.

При необходимости извлечения компоновки из скважин, на нижнем конусе лифтовой колонны труб перед спуском в скважину устанавливают пистолет и осуществляют спуск в скважину с вводом его в паз байонета с фиксацией в короткой части. Натяжением лифтовой колонны осуществляют вывод разжимного конуса из уплотнителя. Дальнейшим перемещением вверх снимают пакер с места установки.

К недостаткам конструкции пакера следует отнести: необходимость опоры компоновки на забой скважины, для осуществления посадки пакера требуется применение патрубка-удлинителя, длина которого может быть различной и достаточно большой в зависимости от интервала перфорации и глубины скважин. Однако по условиям эксплуатации пьезометрических скважин использование патрубка-удлинителя между пакером и забоем недопустимо, поскольку будут искажены результаты исследований проб пластовой жидкости, что может иметь место при его расположении в стволе скважины. Это препятствует также свободной миграции флюида в пласте, а также попадания окислов при коррозии металла, в пробы пластового флюида. Установка патрубка-удлинителя препятствует также оснащению пакера клапаном-отсекателем.

Известен пакер (см. пат. РФ №2068074, М. кл. Е 21 В 33/12), состоящий из полого корпуса с кольцевой канавкой и радиальным отверстием, втулки-толкателя с радиальными отверстиями, манжеты, цилиндра, кольцевого конуса, упорной гильзы с отверстием, кольцевой полости, храповика, стопорного кольца, плашек, плашкодержателя, муфты на нижнем кольце с седлом шарового клапана и шаром, связанного со стволом тарированным срезным элементом.

Недостаток конструкции: необходимость использования рабочей жидкости для гидравлической посадки пакера с последующим освобождением осевого канала от седла с шаром. По условиям оснащения таким оборудованием пьезометрических скважин недопустимо попадание рабочей жидкости на забой скважин, а взятые пробы пластовой жидкости, смешанной с рабочей, исказят результаты исследований. Кроме того, при оснащении скважин такими пакерами, связанными своим нижним концом с клапаном-отсекателем, невозможно осуществить его посадку, поскольку при сбросе седла с шаром последние могут застрять в осевом канале корпуса клапана-отсекателя, являющимся обязательным устройством, устанавливаемым на нижнем конце ствола пакера.

Известен механический пакер (см. а.с. СССР №1667637, кл. Е 21 В 33/12, опубл. 30.07.1991), взятый авторами в качестве прототипа по максимальному количеству сходных конструктивных признаков.

Механический пакер состоит из ствола, имеющего на концах быстроразъемные соединения, корпуса с зубчатой наружной поверхностью в нижней части, соединенного верхней частью с упорной втулкой, под которой установлен уплотнительный элемент, опирающийся на распорную втулку, соединенную с узлом заякоривания и фиксации пакера, узла заякоривания и узла центратора. Узел заякоривания выполнен в виде направляющей втулки, в окнах которой размещены шлипсы между верхним и нижним клиновыми втулками. Нижняя клиновая втулка соединена с втулкой узла центратора, в которой установлены подпружиненные фрикционные центрирующие колодки. Между нижней клиновой втулкой и втулкой узла центратора установлен разрезной стопорный элемент с внутренней упорной резьбой для взаимодействия с зубчатой наружной поверхностью нижней части корпуса. Между наружной зубчатой поверхностью нижней части корпуса и разрезным стопорным элементом установлена скользящая втулка с внутренним кольцевым выступом, перемещаемая стволом пакера в двух направлениях.

Недостатки конструкции:

- для посадки пакера требуется создание осевой нагрузки, максимальное значение которой определяется весом колонны труб. Однако в ряде случаев веса колонны труб бывает недостаточно для создания необходимой нагрузки на уплотнитель, особенно это касается скважин газовых месторождений и подземных хранилищ газа, характеризующихся небольшими глубинами. Таким образом, пакер имеет ограничение по минимальной глубине (месту) его установки в скважине. В этом случае либо данный пакер не может быть применен вообще либо его установка потребует дополнительных технико-технологических решений, неизбежно осложняющих работу с ним;

- в случае применения пакера в пьезометрических скважинах, а также, если пакер используется для установки на нем внутрискважинного оборудования (клапан-отсекатель, диспергатор и т.д.), требуется отсоединение и извлечение колонны труб после посадки пакера и последующее подсоединение колонны труб, когда потребуется съем пакера. В данном случае конструкция пакера не предусматривает возможность отсоединения-присоединения колонны. Использование промежуточного стыковочного устройства в случае установки его между стволом пакера и колонной труб проблематично, поскольку стыковочное устройство, как правило, требует приложения крутящего момента, а вращение может привести к развинчиванию быстроразъемного соединения пакера и его случайному съему;

- после посадки пакера сжимающее усилие на уплотнитель поддерживается за счет фиксированного положения корпуса, находящегося в зацеплении своей зубчатой поверхностью с разрезным стопорным элементом. При съеме пакера осевая нагрузка на верхнюю часть отсутствует, разрезной стопорный элемент находится в полностью нагруженном состоянии и его принудительный вывод из зацепления может привести к слому зубьев, резкому, скачкообразному перемещению корпуса, что снижает надежность конструкции.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- возможность применения устройства в условиях пьезометрических скважин независимо от интервала перфорации, глубины скважины и отсутствия передачи веса лифтовых труб;

- исключение применения рабочей жидкости для посадки пакера путем создания избыточного давления в лифтовой колонне труб;

- исключение применения для посадки пакера веса лифтовой колонны труб с опорой на забой патрубком-удлинителем;

- возможность удержания пакера в рабочем положении при отсоединении от него лифтовой колонны труб;

- возможность подсоединения к пакеру лифтовой колонны труб и его извлечение из скважины приложением растягивающего осевого усилия.

Технический результат достигается с помощью механического пакера, содержащего ствол, соединительную муфту, плашечный механизм в виде фонаря с подпружиненными плашками и плашками якоря, верхний и нижний разжимные конусы, уплотнитель, при этом он снабжен переходником и удлинителем, связанными срезными элементами друг с другом и со стволом, подпружиненными сухарями, установленными в проточке, выполненной в стволе ниже переходника, стаканом, охватывающим переходник и подпружиненные сухари, гильзой, охватывающей стакан, охватывающим ствол посадочным конусом, имеющим подшипник и связанным с нижним концом гильзы телескопической тягой, охваченной уплотнителем, и телескопически связанной с верхним разжимным конусом и посадочным конусом, образующей со стволом герметичное резьбовое соединение замковой муфтой, охватывающей соединительную муфту, при этом переходник связан с верхним концом стакана телескопическим соединением, а в торце ствола выполнены пазы, в которые входят ответные выступы удлинителя.

Посадочный конус снабжен тягой, установленной в кольцевом зазоре между верхним режимным конусом и стволом, с возможностью образования с ним телескопического соединения. Верхний разжимной конус установлен с возможностью взаимодействия с плашками якоря, установленными в окнах корпуса, выше места расположения нижнего разжимного конуса и фонаря с подпружиненными плашками.

Переходник связан со стволом и удлинителем тарированными срезными элементами. Ствол и удлинитель в торцах, направленных друг к другу, содержат выступы, входящие в ответные пазы. Нижний разжимной конус установлен в корпусе фонаря и связан со стволом посредством резьбы, снабжен пальцем, входящим в продольный паз и выполненным в теле фонаря выше места расположения подпружиненных плашек.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известна конструкция механического пакера (см. а.с. №1439208. Мкл. 4 Е 21 В 33/12, опубл. 23.11.88. Бюл. №43), где для осуществления посадки пакера применено вращение вправо с передачей веса лифтовой колонны труб.

Известен пакер гидравлический (см. а.с. №1788207 Е 21 В 33/12, опубл. 15.01.93 г., Бюл. №2), фиксация которого в обсадной колонне осуществляется путем ввода разжимного конуса под плашки якоря за счет нагружения веса лифтовой колонны труб.

Нами не обнаружены в патентной и научно-технической литературе описание конструкций механических пакеров, в которых для осуществления его посадки применена передача крутящего момента для фиксации пакера внутри обсадной колонны, с последующей деформацией уплотнителя в радиальном направлении при продолжении передачи крутящего момента от лифтовой колонны труб, с преобразованием вращения на осевое перемещение ствола и вводом посадочного конуса под уплотнитель.

Не обнаружены также конструктивное выполнение механической связи ствола через переходник и удлинитель с присоединительной муфтой и телескопическая связь переходника со стаканом, охватывающим подпружиненные сухари, установленные в кольцевой проточке ствола, причем переходник связан со стволом и удлинителем тарированными срезными элементами и снабжен пазами в торцевой части, обращенной к торцу ствола, с ответными выступами, входящими в них.

Не обнаружено также наличие дополнительной замковой муфты для повторного соединения с лифтовой колонной труб, установленной на верхнем конце переходника с возможностью охвата соединительной муфты.

Не обнаружено также наличие телескопической связи тяги, связанной с посадочным конусом и верхним разжимным конусом, входящим во взаимодействие с плашками якоря, при наличии нагруженного контакта последних с нижним разжимным конусом.

Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними.

Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, то есть соответствует критерию изобретательский уровень.

Краткое описание чертежей

Конструкция устройства для перекрытия межтрубного пространства скважины, преимущественно пьезометрических, поясняется следующими чертежами:

- на фиг.1 представлена конструкция механического пакера в разрезе, в исходном положении;

- на фиг.2 - конструкция механического пакера в положении составных элементов при перекрытии межтрубного пространства;

- на фиг.3 - конструкция механического пакера в положении отсоединения от него лифтовой колонны труб;

- на фиг.4 - конструкция устройства в положении соединения с ним лифтовой колонны труб и съема с места установки;

- на фиг.5 - пакер механический в положении снятия контакта разжимного конуса с плашками якоря;

- на фиг.6 - пакер механический в положении возврата плашек якоря в исходное состояние и его извлечение из скважины.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство состоит из ствола 1, связанного через переходник 2 с удлинителем 3, которые связаны друг с другом тарированным срезным элементом 4. Верхний конец удлинителя 3 снабжен соединительной муфтой 5 для подсоединения лифтовой колонны труб.

В торце ствола 1, обращенном к торцу удлинителя 3, выполнены пазы 6, в которые входят ответные выступы 7 удлинителя 3. Переходник 2 снабжен замковой муфтой 8, охватывающей муфту 5, и образует со стволом 1 герметичное резьбовое соединение. С внешней стороны переходник 2 охвачен стаканом 9 и образует с его верхним концом телескопическое соединение. На стволе 1 пакера, ниже места расположения переводника 2 выполнена кольцевая проточка 10, в которой расположены подпружиненные сухари 11, охваченные стаканом 9.

Переходник 2 и ствол 1 связаны друг с другом тарированным срезным элементом 12, установленным над резьбой, соединяющей ствол 1 с переходником 2. Стакан 9 охвачен гильзой 13, связанной нижним концом с посадочным конусом 14, охватывающим ствол 1 и снабженным подшипником 15.

На нижнем конце ствола 1 установлен корпус 16 фонаря, внутри которого расположена кольцевая пружина 17, поджимающая плашки 18 к внутренней стенке обсадной колонны. В зазоре между корпусом 16 фонаря на ствол 1 установлен нижний разжимной конус 19, содержащий палец 20, головка 21 которого расположена в продольном пазу 22 корпуса 16 фонаря. Нижний разжимной конус 19 входит в контакт с плашками 23 якоря, которые установлены в окнах 24 по периметру корпуса 16 фонаря. Сверху в ненагруженный контакт с плашками 23 якоря входит верхний разжимной конус 25, охватывающий ствол 1, связанный телескопически тягой 26 с посадочным конусом 14. Тяга 26 введена в кольцевой зазор 27 между стволом 1 и верхним разжимным конусом 25, связанным с экструзионным кольцом 28, в котором установлен нижний конец уплотнителя 29, охватывающий тягу 26. Кольцевые зазоры между стволом 1, переходником 2 и посадочным конусом 14 герметизированы уплотнительными кольцами 30 и 31.

Пакер механический работает следующим образом.

На нижний конец первой лифтовой трубы устанавливается пакер механический в сборе с клапаном-отсекателем (на фигуре не обозначен) (см. фиг.1) и опускается в скважину на заданную глубину.

В процессе спуска плашки 18 постоянно контактируют с внутренней поверхностью обсадной колонны. Правым вращением лифтовой колонны труб, которое сообщается стволу 1 пакера, через взаимодействие выступов 7 на торце удлинителя 3, с ответными пазами 6 на торце ствола 1. При этом корпус 16 фонаря остается неподвижным за счет взаимодействия подпружиненных плашек 18 с обсадной колонной. Нижний разжимной конус 19 при правом вращении ствола 1 перемещается вверх и входит во взаимодействие с плашками 23 якоря, которые разводятся в радиальном направлении до контакта со стенкой обсадной колонны. Дальнейшим вращением ствола 1 последний перемещается вниз относительно плашек 23 якоря. При этом стакан 9 вместе с удлинителем 3 и сухарями 11 перемещается относительно гильзы 13 до входа в торцовый контакт с подшипником 15 в посадочном конусе 14. При вращении ствола 1 посадочный конус 14 перемещается в осевом направлении и вводится внутрь уплотнителя 29 с его радиальной деформацией к стенке обсадной колонны.

Одновременно с посадочным конусом 14 перемещается тяга 26 внутри верхнего разжимного конуса 25, а осевое усилие на плашки 23 якоря сверху передается верхним разжимным конусом 25 через уплотнитель 29, опирающийся на экструзионное кольцо 28.

При фиксации пакера плашками 23 якоря осуществляется полная деформация уплотнителя 29 с вводом внутрь посадочного конуса 14 и образованием герметичного контакта со стенкой обсадной колонны. Пакер готов к эксплуатации. Для отсоединения лифтовой колонны труб от пакера на удлинитель 3 через муфту 5 сообщается осевое растягивающее усилие, при котором происходит разрушение тарированного срезного элемента 4 и лифтовая колонна труб извлекается на поверхность (см. фиг.3).

В случае необходимости извлечь пакер на поверхность к нижнему концу лифтовой колонны труб, перед спуском в скважину подсоединяют переводник (см. фиг.4) с резьбой на конус идентичной резьбе замковой муфты 8. В замковую муфту 8 правым вращением лифтовой колонны вкручивают переводник с приложением максимально допустимого крутящего момента, который намного превосходит по своему значению крутящий момент, необходимый для скручивания переходника 2 со стволом 1. Левым вращением лифтовой колонны труб, сообщаемым переходнику 2, разрушают тарированный срезной элемент 12 и откручивают переходник 2 от ствола 1.

При этом переходник 2 свободно телескопически перемещается относительно стакана 9 и входит с ним в торцовый контакт.Натяжением лифтовой колонны труб переходник 2 взаимодействует со стаканом 9 и перемещает его вверх относительно ствола 1 и сухарей 11. Сухари 11 пружиной выводятся из кольцевой проточки 10 на стволе 1 пакера. Дальнейшим перемещением вверх лифтовой колонны труб переходник 2 через стакан 9 взаимодействует своим торцом с гильзой 13 и перемещает ее 14 вместе с посадочным конусом 14 и тягой 26 относительно уплотнителя 29 и верхнего разжимного конуса 25 до входа в торцовый контакт с экструзионным кольцом 28. Дальнейшим перемещением вверх переходника 2 вместе с посадочным конусом 14 и тягой 26 последнюю вводят в торцовое взаимодействие с экструзионным кольцом 28, что приводит к выходу из взаимодействия верхнего разжимного конуса 25 с плашками 23 якоря, которые при натяжении корпуса 16 фонаря и взаимодействии своими зубьями со стенкой обсадной колонны выводятся из зацепления. Нижний разжимной конус 19 входит в торцовый контакт с корпусом 16 фонаря, что полностью освобождает плашки 23 якоря от взаимодействия со стенкой обсадной колонны и их вводу внутрь окон 24. Тем самым пакер свободно извлекается из скважины.