ПАКЕР Российский патент 1999 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к пакерным устройствам для опрессовки обсадных колонн.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пакер, содержащий цилиндрический корпус с центральным осевым каналом и седлом на внутренней поверхности, установленный на корпусе уплотнительный элемент, который снабжен нижней опорой и распорным кольцом, подпружиненный толкатель с поршнем, кожух, размещенный на верхнем седле корпуса клапанный узел, выполненный в виде подвижной в осевом направлении втулки, которая снабжена опорными сухарями и срезным элементом и выполнена с седлом на верхнем торце, установленный в седле втулки шаровой запорный элемент (см. а.с. N 1808993 E 21 B 33/12, 91 г.) - прототип.

Известное устройство имеет недостаток:
Наличие на кольцевой втулке двух ярусов сухарей с различными срезными элементами и необходимость в связи с этим выполнения сложной формы расточки центрального канала корпуса: наличие на кольцевой втулке двух рядов уплотнений усложняют конструкцию клапанного узла пакера. Между тем, клапанные узлы должны изготавливаться в нескольких экземплярах, т.к. после подъема или спуска пакера на новую глубину необходимо сбрасывать новый клапанный узел.

Например, для того, чтобы определить с технологически приемлемой точностью /около 30 метров/ место повреждения обсадной колонны скважины глубиной 5000 метров, требуется 7 клапанных узлов.

Радиальное расположение каналов, связывающих центральный канал ствола с кольцевой полостью, в которой расположен поршень, вызывает необходимость защиты резиновых уплотнений на клапанном узле, чтобы уплотнение, проходя мимо отверстий каналов, не было повреждено острыми кромками или заусенцами, оставшимися после сверления каналов. С этой целью в центральном канале ствола в месте выхода радиальных каналов выполнена расточка специальной конфигурации.

Сложность конструкции пакера вызывает снижение технологичности его изготовления и понижает надежность устройства в целом, т.к. она является произведением надежности его составных частей, каждая из которых меньше единицы.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования пакера, в котором за счет изменения конструкции корпуса и размещения срезного элемента достигается упрощение конструкции пакера, что позволяет повысить надежность его работы и технологичность изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в пакере, содержащем цилиндрический корпус с центральным осевым каналом и седлом на внутренней поверхности, установленный на корпусе уплотнительный элемент с нижней опорой и распорным кольцом, кожух, образующий внутренней поверхностью с наружной поверхностью корпуса кольцевое пространство, поршень, размещенный в кольцевом пространстве, подпружиненный толкатель, связанный с поршнем, клапанный узел, размещенный на седле корпуса и выполненный в виде подвижной в осевом направлении втулки с опорными сухарями, срезным элементом и седлом на верхнем торце, шаровой запорный элемент, установленный в седле втулки, новым является то, что корпус выполнен с осевыми каналами, соединяющими кольцевое пространство с центральным осевым каналом, а срезной элемент установлен на втулке с возможностью ограничения продольного перемещения шарового запорного элемента. Корпус выполнен с осевыми каналами, соединяющими кольцевое пространство с центральным осевым каналом, что позволяет избежать выполнения в центральном канале корпуса расточки специальной формы для предохранения уплотнений от повреждений.

Срезной элемент установлен на втулке с возможностью ограничения продольного перемещения шарового запорного элемента, что позволяет упростить конфигурацию втулки и сухарей, уменьшить количество деталей клапанного узла.

На фиг. 1 показан пакер в продольном разрезе: левая половина - в исходном положении, правая в рабочем, на фиг. 2 - элемент, перекрывающий центральный осевой канал - шаровой кран.

Пакер содержит корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 муфтами. В корпусе 1 и в муфтах 2 и 3 выполнен центральный осевой канал 4. Корпус 1 снабжен кожухом 5, между внутренней поверхностью которого и наружной поверхностью корпуса 1 образовано кольцевое пространство, в котором размещен с возможностью осевого перемещения поршень 6. Кольцевое пространство соединено с центральным осевым каналом 4 осевыми каналами 7. Поршень 6 кинематически связан с толкателем 8, установленном на корпусе 1 с возможностью осевого перемещения. Между буртиками толкателя 8 и кожуха 5 расположена пружина 9. Толкатель 8 кинематически связан с распорным кольцом 10, установленным подобно поршню 6 и толкателю 8, на корпусе 1 с возможностью осевого перемещения.

Над нижней муфтой 3 на корпусе 1 расположена опора 11. Между распорным кольцом 10 и опорой 11 размещен резиновый уплотнительный элемент 13.

В нижнюю муфту 3 ввернута на резьбе ловушка 13, снабженная отверстиями для прохода жидкости.

Центральный осевой канал 4 снабжен седлом конической формы, выполненным в корпусе 1, на котором размещены клапанный узел, включающий втулку 14, два сухаря 15, закрепленные на втулке 14 срезным элементом 16, и снабженный размещенным на верхнем торце втулки 14 седлом с расположенным на нем шаровым запорным элементом 17. Центральный осевой канал перекрывают шаровым краном 18.

Устройство работает следующим образом.

Спускают пакер на заданную глубину на колонне бурильных или насосно-компрессорных труб /не показана/, на которую пакер крепится верхней муфтой 2. В процессе спуска пакера жидкость, находящаяся в скважине, поступает через отверстия в ловушке 13 в центральный осевой канал 4, отжимает шаровой запорный элемент 17 до упора в срезной элемент 16 и поднимается по трубному каналу колонны труб.

После достижения заданной глубины спуск прекращают и создают с помощью насосов в трубном, а следовательно, и в центральном осевом канале 4 давление, достаточное для срабатывания пакера, но меньше, чем требующееся для среза срезного элемента 16. Под действием этого давления шаровой запорный элемент 17 прижимается к седлу втулки 14, давление жидкости из центрального осевого канала 4 по осевым каналам 7 передается в кольцевое пространство и воздействует на находящийся в нем поршень 6. Под действием давления жидкости поршень 6 движется вниз, движение поршня 6 передается толкателю 8, который своим буртиком сжимает пружину 9, опирающуюся своим нижним торцом на оставшийся неподвижный буртик кожуха 5. Перемещение толкателя 8 вызывает движение распорного кольца 10, которое сжимает в осевом направлении уплотнительный элемент 12, который опирается при этом своим нижним торцом на опору 11, остающейся неподвижной, т.к. ее перемещению препятствует нижняя муфта 3. Под действием сжимающего осевого усилия уплотнительный элемент 12, сохраняя объем и силу несжимаемости резины, увеличивает свой наружный диаметр, т.к. изменению внутреннего диаметра препятствует корпус 1. Изменение наружного диаметра уплотнительного элемента 12 приводит к герметизации межтрубного пространства. Об окончании процесса герметизации судят по увеличению давления в трубном канале, которое контролируют по манометру.

Запирают герметично трубный канал с помощью шарового крана 18 и подают в межтрубное пространства жидкость под давлением опрессовки, которое меньше, чем давление срабатывания пакера.

Если давление после отключения насосов и запирания межтрубного пространства с течением времени остается неизменным, это свидетельствует о том, что колонна обсадных труб выше места расположения пакера герметична.

Если давление жидкости с течением времени уменьшается, выясняют, по какой причине это происходит: негерметичность колонны обсадных труб выше места расположения пакера или пакер не обеспечивает полной герметизации межтрубного пространства.

Для проверки работоспособности пакера отпирают межтрубное пространство, включают насосы и с их помощью поддерживают давление в межтрубном пространстве: одновременно шаровой кран 18, перекрывающий ранее трубный канал. Давление в трубном канале и центральном осевом канале 4 падает, поршень 6 и толкатель 8 под действием сил упругости пружины 9 и давления жидкости в межтрубном пространстве возвращаются в исходное положение, однако, уплотнительный элемент 12 остается в рабочем положении, т.к. давление жидкости в межтрубном пространстве воздействует на его верхний торец, заменяя действие поршня 6. Если пакер не обеспечивает достаточной герметичности, жидкость, находящаяся в межтрубном пространстве, проходит через уплотнительный элемент 12 в пространство под пакером, через отверстия в ловушке 13 поступает в центральный осевой канал 4, поднимает запорный элемент 17 и по трубному каналу поступает к устью скважины. Если это движение жидкости не наблюдается, то значит она уходит из межтрубного пространства через место повреждения колонны обсадных труб, расположенное выше места нахождения пакера.

Закончив проверку, включают насос.

Когда перепад давления над и под уплотнительным элементом 12 исчезает, уплотнительный элемент 12 под действием внутренних сил упругости восстанавливает свою первоначальную форму.

Если в дальнейшем требуется опустить пакер на глубину больше предыдущей, это осуществляют, наращивая колонну бурильных или обсадных труб, после чего повторяют опрессовку, так как это описано выше.

Если требуется поднять пакер выше, то во избежание возникновения поршневого эффекта /свабирования/ поднимают давление в трубном канале и, следовательно, в центральном осевом канале 4. Это давление должно быть больше, чем давление, при котором срабатывает пакер. Под действием этого давления шаровой запорный элемент 17 прижимается жидкостью к седлу втулки 14, герметизируя центральный осевой канал 4. Элементы пакера снова перемещаются в рабочее положение. Давление жидкости, воздействуя на торце втулки 14, стремится переместить ее вниз по центральному каналу 4, но этому препятствуют сухари 15, закрепленные на втулке 14 с помощью срезного элемента 16, т.к. они опираются на седло в центральном осевом канале 4. При дальнейшем повышении давления сила, обусловленная им, действующая на торце втулки 14, достигает величины, при которой происходит срез по двум поверхностям срезного элемента 16. Ничем не удерживаемая теперь втулка 14 по центральному осевому каналу 4 выдавливается в ловушку 13. Туда же падают сухари 15.

После этого выключают насосы. Поршень 6, толкатель 8, распорное кольцо 10 и уплотнительный элемент 12 под действием сил упругости пружины 9 и резины уплотнительного элемента 12 возвращаются в исходное положение, т.к. исчезает перепад давления в центральном осевом канале 4 и межтрубном пространстве.

Перемещают пакер вверх, демонтируя по мере подъема колонну бурильных или насосно-компрессорных труб. В процессе подъема в трубный канал доливают жидкость, которая проходя через центральный осевой канал 4, заполняет освобождающееся пространство под пакером. Жидкость, не успевшая перелиться через кольцевой зазор между внутренней поверхностью обсадной колонны и наружной поверхностью уплотнительного элемента 12 из межтрубного пространства в пространство под пакером, вытесняется вверх к устью скважины и направляется в трубный канал.

После подъема пакера на заданную отметку в трубный канал вводят новый клапанный узел, который под действием собственного веса достигает седла в центральном осевом канале 4. При последующей подаче жидкости под давлением в трубный канал клапанный узел подается вниз до упора сухарями 15 в коническую поверхность седла в центральном осевом канале 4.

В дальнейшем все действия с пакером производятся так, как это описано выше.

Использование: в нефтяной и газовой промышленности, в частности в пакерных устройствах для опрессовки обсадных колонн. Обеспечивает усовершенствование устройства, повышение надежности его работы и технологичности изготовления. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с центральным осевым каналом и седлом на внутренней поверхности. На корпусе установлен уплотнительный элемент с нижней опорой и распорным кольцом. Устройство имеет кожух. Он образует внутренней поверхностью с наружной поверхностью кольцевое пространство. В нем размещен поршень. С поршнем связан подпружиненный толкатель. На седле корпуса размещен клапанный узел. Он выполнен в виде подвижной в осевом направлении втулки с сухарями, срезным элементом и седлом на верхнем торце. При этом корпус выполнен с осевыми каналами. Они соединяют кольцевое пространство с центральным осевым каналом. Срезной элемент установлен с возможностью ограничения продольного перемещения шарового запорного элемента, установленного в седле втулки. 2 ил.

Пакер, содержащий цилиндрический корпус с центральным осевым каналом и седлом на внутренней поверхности, установленный на корпусе уплотнительный элемент с нижней опорой и распорным кольцом, кожух, образующий внутренней поверхностью с наружной поверхностью корпуса кольцевое пространство, поршень, размещенный в кольцевом пространстве, подпружиненный толкатель, связанный с поршнем, клапанный узел, размещенный на седле корпуса и выполненный в виде подвижной в осевом направлении втулки с опорными сухарями, срезным элементом и седлом на верхнем торце, шаровой запорный элемент, установленный в седле втулки, отличающийся тем, что корпус выполнен с осевыми каналами, соединяющими кольцевое пространство с центральным осевым каналом, а срезной элемент установлен на втулке с возможностью ограничения продольного перемещения шарового запорного элемента.