Результат интеллектуальной деятельности: ПАКЕР-ПРОБКА

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ при капитальном ремонте скважин, исследовании и обработке пластов.

Известен пакер, содержащий полый ствол с заглушкой и упором, установочный фиксатор, приводной корпус и шток установочного гидроцилиндра, размещенные на стволе конус со шлипсами, уплотнительный элемент и фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками (патент РФ №2137901, МПК ⁶ Е21В 33/12, опубл. в бюл. №26 от 20.09.1999 г.).

Недостатком пакера является сложность конструкции, обусловленная наличием сложных деталей, таких как конус, фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками, конические вкладыши, которые требуют высокой точности при изготовлении и значительно усложняют сборку, что возможно выполнить только в специализированных мастерских. Невыполнение жестких требований при изготовлении и сборке снижает надежность работы пакера.

Также известен пакер-пробка (патент РФ №2259466, МПК ⁷ Е21В 33/12, опубл. в бюл. №24 от 27.08.2005 г.), включающий ствол с заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного направления основным шлипсам, а также - упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением; ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом; ствол имеет на внутренней поверхности цилиндрическую выборку, а съемный узел выполнен в виде патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности; основной конус со стволом соединен через срезные элементы, а шток посадочного инструмента с заглушкой - через разрывной элемент.

Недостатком данной конструкции является сложный технологический процесс извлечения пакер-пробки, поскольку необходимо сначала приподнимать пакер-пробку, а затем опускать, ударяя съемным узлом о заглушку, при этом, если ловильный инструмент спущен в скважину на канате, то необходимо подбирать вес груза таким образом, чтобы силы удара съемного узла о заглушку было достаточно для того, чтобы дополнительный конус опустился вниз, кроме того, возможно затекание или повреждение резинового уплотнительного элемента данной конструкции. Все это усложняет процесс извлечения пакер-пробки из скважины.

Наиболее близким по технической сущности является пакер-пробка (патент РФ №2346142, МПК ⁸ Е21В 33/12, опубл. в бюл. №4 от 10.02.2009 г.), включающий ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного основным шлипсам направления, а также - упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением, при этом ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом, а съемный узел выполнен в виде полого патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности, при этом основной конус со стволом, а также ствол со съемным узлом соединены срезными элементами, при этом уплотнительный элемент выполнен в виде бочкообразных уплотнений, разделенных между собой опорным кольцом, а съемный узел заглушен сверху и размещен внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом разрывным элементом, при этом заглушка выполнена в виде глухой поперечной перегородки, установленной внутри ствола, и полой втулки, жестко закрепленной к дополнительному конусу снаружи, при этом шток посадочного инструмента установлен внутри съемного узла и соединен с глухой поперечной перегородкой разрывным элементом, причем снизу в глухую поперечную перегородку уперт подпружиненный вниз полый стакан, размещенный внутри на нижнем конце ствола, при этом ствол ниже глухой поперечной перегородки снабжен сквозным вертикальным пазом, в котором с возможностью осевого перемещения установлен палец, соединенный с одной стороны с дополнительным конусом, а с другой - с подпружиненным полым стаканом.

Недостатками данной конструкции являются:

- во-первых, в процессе эксплуатации пакер-пробки возникают проблемы с его извлечением, а именно происходит заклинивание дополнительных шлипсов на дополнительном конусе, вследствие чего нижняя часть пакера (ниже дополнительных шлипсов) остается в скважине, что ведет к дополнительным спуско-подъемным операциям (проведению ловильных работ) по извлечению из скважины остатков пакера;

- во-вторых, невозможно произвести залавливание отдельных узлов и деталей пакер-пробки в случае его поломки в скважине в процессе извлечения.

Задачей изобретения является исключение заклинивания пакер-пробки при его извлечении из скважины, а также падения отдельных узлов и деталей пакер-пробки на забой скважины в случае его поломки в процессе извлечения из скважины.

Указанная задача решается предлагаемым пакером-пробкой, включающим ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой, выполненной в виде глухой поперечной перегородки и верхним упором, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента в виде фиксирующего кольца верхнего упора, взаимодействующего с насечками на стволе, основной, взаимодействующий снизу с уплотнительным элементом, и дополнительный конусы, с которыми связаны соответственно основные и дополнительные шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности и с ловильной головкой вверху, расположенной внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом разрывным элементом, причем корпус посадочного инструмента выполнен опирающимся на верхний упор, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие изнутри со съемным узлом, а снаружи - с полой втулкой, соединенной снизу с дополнительным конусом, упорное кольцо, верхний и нижний торцы которого связаны Т-образным соединением соответственно основными и дополнительными шлипсами, при этом ствол снабжен упором, установленным с возможностью взаимодействия с основным конусом при перемещении ствола вверх.

Новым является то, что дополнительный конус выполнен в виде нескольких плашек под дополнительные шлипсы, при этом плашки снизу связаны Т-образным соединением с обоймой, размещенной в полой втулке, причем плашки имеют возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы, при этом в основном конусе изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка, а упор выполнен под выборку основного конуса в виде утолщения ствола, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с плашками дополнительного конуса в транспортном положении и расположения выше плашек дополнительного конуса при извлечении пакер-пробки, после ограниченного перемещения съемного узла вверх относительно ствола для освобождения шариков, причем ствол снизу снабжен предохранительным кольцом со срезным винтом.

На фиг.1 изображен предлагаемый пакер-пробка в продольном разрезе.

На фиг.2 - разрез по Б-Б фигуры 1.

На фиг.3 - вид А крупным планом.

Пакер-пробка состоит из ствола 1 (фиг.1) с внутренней цилиндрической выборкой 2, с наружной стороны которого установлены уплотнительный элемент 3 с упором 4. Выше последнего находится упорная втулка 5, а между ней и упором 4 - фиксирующее кольцо 6 с насечками (фиг.3). На стволе 1 (фиг.1 и 3) напротив упора 4 выполнены кольцевые насечки 7 противоположного насечкам кольца 6 направления. Ниже уплотнительного элемента 3 (см. фиг.1) расположены основной конус 8 с основными шлипсами 9, упорное кольцо 10 и дополнительный конус 11 с дополнительными шлипсами 12 (например, в количестве трех штук, расположенных под углом 120° по периметру относительно друг друга). Основные шлипсы 9 и дополнительные шлипсы 12 с основным конусом 8 и дополнительным конусом 11 соответственно связаны соединением «ласточкин хвост», а с торцами упорного кольца 10 - Т-образным соединением. Упорное кольцо 10 может быть выполнено сборным, как показано на фиг.1.

Дополнительный конус 11 выполнен в виде нескольких плашек под дополнительные шлипсы 12 (в данном случае трех плашек 11'; 11''; 11''', что соответствует дополнительным шлипсам 12, выполненным в количестве трех штук и расположенным под углом 120° по периметру относительно друг друга). Плашки 11'; 11''; 11''' снизу связаны Т-образным соединением с обоймой 13, размещенной в полой втулке 14.

Внутри ствола 1 телескопически установлен съемный узел 15 с наружной цилиндрической выборкой 16 в верхней части и с ловильной головкой 17 вверху. В нижней части ствола 1 расположены радиальные отверстия 18, в которых установлены фиксирующие шарики 19. Дополнительный конус 11, состоящий из трех плашек 11'; 11''; 11''', имеет возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы 13.

В основном конусе 8 изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка 20.

Упор 21 выполнен под цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с плашками 11'; 11''; 11''' дополнительного конуса 11 в транспортном положении и с возможностью расположения выше плашек 11'; 11''; 11''' дополнительного конуса 11 при извлечении пакер-пробки.

Внутренняя цилиндрическая выборка 22 выполнена в нижней части ствола 1 ступенчатой с большим диаметром нижней ступени, а на съемном узле 13 выполнен выступ 23 для взаимодействия с торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1.

Шарики 19 взаимодействуют, с одной стороны, со съемным узлом 15, а с другой - винтом 24 с полой втулкой 14.

На упор 4 сверху опирается корпус 25 посадочного инструмента. Шток 26 посадочного инструмента выполнен полым и соединен со стволом 1 разрывным элементом 27.

Срезными элементами 28 и 29 ствол 1 соединен соответственно со съемным узлом 15 и основным конусом 8. Ствол 1 оснащен заглушкой 30, выполненной в виде глухой поперечной перегородки. Ствол 1 снизу снабжен предохранительным кольцом 31 со срезным винтом 32.

Работает устройство следующим образом.

Пакер-пробку в транспортном положении (фиг.1) спускают в требуемый интервал скважины, после чего приводят в действие посадочный инструмент. При этом корпус 25 посадочного инструмента оказывает давление на упор 4, а его шток 26, соединенный разрывным элементом 27 со стволом 1, тянет вверх сам ствол 1 и связанные с ним детали 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 17, 19, 22. В этот момент происходит сжатие уплотнительного элемента 3 и прижатие его к внутренней стенке эксплуатационной колонны. При расчетной нагрузке (например, 2 тонны=20 кН) происходит разрушение срезных элементов 28, после чего основной конус 8 и дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''', соединенных снизу обоймой Т-образным соединением, наезжают на основные шлипсы 9 и дополнительные шлипсы 12 соответственно, раздвигают их, при этом последние приходят в соприкосновение с внутренней стенкой эксплуатационной колонны и в результате происходит фиксация пакер-пробки в скважине.

При дальнейшем натяжении штока 26 посадочного инструмента осуществляется досжатие уплотнительного элемента 3. Кольцо 6 фиксирует в кольцевых насечках 7 ствола 1 положение уплотнительного элемента 3 в окончательно запакерованном состоянии.

По достижении расчетной нагрузки (например, 8 тонн=8 кН) посадки пакера разрывной элемент 27 разрушается, освобождая тем самым посадочный инструмент, который после этого извлекается из скважины, а пакер-пробка остается в требуемом интервале скважины, после чего в скважине производят запланированный объем работ.

Для снятия пакера-пробки в скважину спускают ловильный инструмент (на фиг. не показан), который захватывает пакер-пробку ниже наружной цилиндрической выборки 16 под ловильную головку 17 съемного узла 15.

Делают натяжку инструмента (например, на 1 тонну = 10 кН), при этом срезные элементы 29 разрушаются, и съемный узел 15 приподнимается на величину «L₁» (фиг.1) относительно ствола 1, и выступ 23 съемного узла 15 взаимодействует с торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1, при этом шарики 19 выпадают во внутрь ствола 1 на заглушку 30, выполненную в виде глухой поперечной перегородки, и обеспечивается дальнейшее перемещение ствола 1 относительно элементов 8-12, при этом дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''' опускается вниз относительно ствола 1, освобождая дополнительные шлипсы 12, которые отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны и сдвигаются к центру.

Натяжение съемного узла 15 продолжают, при этом съемный узел 15 совместно со стволом 1 приподнимается на величину «L₂» (фиг.1), тем самым снимается нагрузка с уплотнительного элемента 3, который приходит в исходное положение, а дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''', радиально перемещается внутрь относительно обоймы 13 до взаимодействия со стволом 1 ниже упора 21.

При дальнейшем подъеме съемного узла 15 вместе со стволом 1 упор 21, выполненный под цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1, изнутри воздействуют на основной конус 8, в результате чего основной конус приподнимается совместно со стволом 1 и снимает нагрузку с основных шлипсов 9, которые сдвигаются к центру и отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны, плашки имеют возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы.

Процесс распакеровки пакер-пробки окончен и его можно поднимать на поверхность.

В процессе распакеровки или в процессе подъема пакер-пробки могут происходить затяжки или прихваты, что может привести к поломке пакер-пробки в скважине, например выламыванию полой втулки 14, которая устремится вниз. В этом случае предохранительное кольцо 31 задержит полую втулку 24 на стволе 1 пакер-пробки и не позволит ей упасть на забой скважины.

В случае заклинивания пакер-пробки в скважине разрушится срезной элемент 32, что приведет к тому, что предохранительное кольцо 31 отсоединится от ствола 1 и упадет на забой скважины, после чего можно будет продолжить процесс извлечения пакер-пробки из скважины.

Предлагаемый пакер-пробка имеет простую конструкцию, кроме того, выполнение дополнительного конуса разрезным, состоящим из нескольких сегментов, позволяет гарантированно извлечь пакер-пробку без заклинивания, исключив лишние спуско-подъемные операции по извлечению пакер-пробки, и избежать аварийной ситуации в скважине. Кроме того, пакер-пробка позволяет исключить падение отдельных узлов и деталей пакер-пробки в случае его поломки в процессе извлечения из скважины.