ИНТЕРВАЛЬНЫЙ ПАКЕР Российский патент 1999 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для разобщения ствола скважины при проведении технологических операций по воздействию на пласт.

Известен интервальный пакер для разобщения ствола скважины при проведении технологических операций по воздействию на пласт, взятый нами в качестве прототипа, состоящий из верхнего и нижнего герметизирующих элементов со стволами и фиксатором сжатого положения герметизирующих элементов, якоря и клапанного механизма, установленного на колонне труб с муфтой на нижнем конце.

Колонна труб в верхней части связана с насосно-компрессорными трубами (НКТ) переходной муфтой. Клапанный механизм выполнен в виде ступенчатой втулки, установленной концентрично в перевернутом станке, и управляющей муфты со штифтом, жестко закрепленным на ее боковой поверхности. Перевернутый стакан в верхней части связан обечайкой, имеющей продольный паз и ограничитель. В нижней части поверхностный стакан через патрубок связан с седлом, которое выполнено с пересекающимися радиальным и аксиальным отверстиями, причем в аксиальном отверстии размещен с возможностью перекрытия радиального отверстия запорный элемент, имеющий в верхней части выступ. Ступенчатая втулка выполнена с двумя наружными кольцевыми выступами и двумя фигурными пазами, верхним и нижним, для размещения в них штифта управляющей муфты и выступа запорного элемента. Фигурный паз выполнен с чередующимися вертикальными и наклонными участками, соединенными между собой, а нижний фигурный паз выполнен волнообразным с чередующимися горизонтальными и наклонными участками. Переходная муфта имеет жестко закрепленный на ней штифт, установленный в продольном пазу обечайки.

Недостатком данного интервального пакера является невозможность обеспечения надежности работы клапана пакера. При любой конструкции такой запорный элемент, выполненный в виде штыря (плунжера) с верхним выступом, имеющим консоль значительной длины, изгибаясь разбивает аксиальное отверстие седла клапана и заклинивается в нем. Например, длина консоли складывается из расчета: от расстояния для перекрытия радиального отверстия, от расстояния гарантированного плотного перекрытия, расстояния от нижнего конца и до середины горизонтального паза ступенчатой втулки. При подъеме или спуске НКТ ступенчатая втулка вращается, а вместе с ней по наклонному фигурному пазу опускается или поднимается этот консольный запорный элемент, в то же время, при вращении ступенчатой втулки, наклонно выполненные стенки паза, где размещен выступ запорного элемента, не только вертикально вниз давят или поднимают горизонтально вверх поршень запорного элемента, но его и изгибают в сторону вращения ступенчатой втулки, и поэтому в процессе открытия или закрытия клапана буквально через несколько циклов пакеровки отверстие седла разбивается и затем происходит разгерметизация пакера.

Задачей изобретения является повышение надежности работы пакера за счет предотвращения заклинивания запорного элемента в аксиальном отверстии седла клапанного механизма в процессе открытия и закрытия клапана при одновременном повышении безопасности в эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в интервальном пакере, содержащем верхний и нижний герметизирующие элементы со стволами и фиксатором сжатого положения герметизирующих элементов, якорь, клапанный механизм, выполненный в виде ступенчатой втулки, установленной в корпусе, и управляющей муфты со штифтом, жестко закрепленным на ее боковой поверхности, а корпус имеет связанные между собой обечайку с ограничителем на верхнем конце, колонну труб с муфтой на нижнем конце, связанной в верхней части с насосно-компрессорными трубами НКТ переходной муфтой, повернутый стакан с центральным отверстием в дне и патрубок, установленный между стаканом и стволом пакера, при этом ступенчатая втулка размещена концентрично в стакане и выполнена с двумя наружными кольцевыми выступами и фигурным пазом для размещения в нем штифта управляющей муфты, причем фигурный паз выполнен с чередующимися вертикальными и наклонными участками, соединенными между собой, при этом переходная муфта имеет жестко закрепленный на ней штифт, установленный в продольном пазу обечайки, причем исполнительный механизм клапана выполнен в виде конусного крана, при этом золотник крана выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне, а корпус золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника крана, причем золотник крана со стороны малого конусного диаметра имеет наружную цилиндрическую обточку и наружную резьбу, при этом он выполнен с пересекающимися радиальным и аксиальным отверстиями, а корпус его выполнен радиальным отверстием, причем радиальные отверстия золотника и корпуса золотника крана выполнены совмещенными в одном положении, а в другом расположены диаметрально противоположно, причем золотник крана со стороны большего конусного диаметра жестко связан с корпусом пакера, причем в верхней части расточки корпуса золотника крана выполнены продольные концевые пазы, а в нижней части ступенчатой втулки выполнен кольцевой наружный выступ, на котором выполнены концевые шипы для размещения их в продольных концевых пазах верхней части расточки корпуса золотника крана с возможностью для свободного взаимодействия, а также на цилиндрической обточке золотника крана, между торцом внутренней расточки его корпуса со стороны малого диаметра конусного отверстия и торцом прижимной гайки, завинченной на наружную резьбу золотника крана, установлена нажимная втулка, контактирующая поверхность которой с торцом внутренней расточки корпуса золотника крана выполнена в разрезе с радиусом, равным не более 1/2 высоты бурта его внутренней расточки.

Поставленная задача также решается тем, что между торцом внутренней расточки корпуса золотника крана со стороны малого конусного отверстия и торцом нажимной втулки в местах взаимодействия установлен подшипник.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом являются:
- исполнительный механизм клапана выполнен в виде конусного крана, при этом золотник крана выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне труб, а корпус золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника крана, причем золотник крана со стороны малого конусного диаметра имеет наружную цилиндрическую обточку и наружную резьбу, при этом золотник крана выполнен с пересекающимися радиальным и аксиальным отверстиями, а корпус его выполнен с радиальным отверстием, причем радиальные отверстия золотника и корпуса золотника крана должны быть в одном положении совмещены, а в другом - расположены диаметрально противоположно;
- причем золотник крана со стороны большего конусного диаметра жестко связан со стволом пакера, а в свою очередь в верхней части расточки корпуса золотника крана выполнены продольные концевые пазы, а в нижней части ступенчатой втулки выполнен кольцевой наружный выступ и на нем выполнены концевые шипы для размещения их в продольных концевых пазах верхней части расточки корпуса золотника крана с возможностью для свободного взаимодействия;
- а также на цилиндрической обточке золотника крана, между торцом внутренней расточки его корпуса со стороны малого диаметра конусного отверстия и торцом прижимной гайки, завинченной на наружную резьбу золотника крана, установлена нажимная втулка, контактирующая поверхность которой с торцом внутренней расточки корпуса золотника крана выполнена в разрезе с радиусом, равным не более 1/2 высоты бурта его внутренней расточки;
- между торцом внутренней расточки корпуса золотника крана со стороны малого конусного отверстия и торцом нажимной втулки в местах взаимодействия установлен подшипник.

С целью лучшего использования изобретения предлагается по обе стороны конических образующих поверхностей золотника крана и его корпуса крана на их цилиндрических наружных и внутренних частях предусмотреть уплотнительные элементы.

В техническом решении, взятым нами в качестве прототипа, трудно обеспечить надежность работы без бокового давления клапана на седло или выступающей части клапана, так как здесь запорный элемент выполнен в виде плунжера с верхним выступом, размещенным в наклонном фигурном пазу ступенчатой втулки. При открытии и закрытии клапана (подъем-спуск НКТ) ступенчатая втулка вращается, тем самым стенки наклонном фигурного паза этой втулки приподнимают или опускают этот запорный элемент (плунжер с верхним выступом, служащий вместо клапана), и одновременно эти же стенки фигурного паза и изгибают этот запорный элемент в сторону вращения ступенчатой втулки. Поэтому соосность отверстия клапана нарушается и оно (аксиальное отверстие седла) разбивается, затем запорный элемент (поршень) заклинивается в этом отверстии, что приводит к разгерметизации пакерного клапана. В связи с этим снижается эффективность пакеровки.

А в предложенном изобретении клапан и седло выполнены в виде конусного крана, при этом золотник крана выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне, а корпус золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра, установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника крана. При открытии и закрытии клапана (конусного крана) соосность существенно не влияет, т.к. при вращении ступенчатой втулки вместе с ней вращается и корпус золотника крана (открывая или закрывая отверстие крана), свободно связанный (размещенный) верхним концом в верхней части ступенчатой втулки. Здесь развязаны функции привода и исполнительного механизма. Такое выполнение клапана и привода его обеспечивает надежную работу пакера и увеличивает безопасность в эксплуатации.

Вышеуказанные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и соответствуют критерию "Новизна", т.е. существенные отличительные признаки являются "Новыми".

Учитывая то, что вышеуказанные существенные отличительные признаки являются неочевидными для среднего специалиста в этой области знаний, то мы считаем, что изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Что же касается "Промышленной применимости", то изобретение соответствует этому критерию, так как на него выполнены рабочие чертежи. В настоящее время идет подготовка к изготовлению и испытанию опытного образца в промысловых условиях.

Сущность изобретения поясняется ниже, где на фиг. 1-2 представлен интервальный пакер, продольный разрез; на фиг. 3 - развертка ступенчатой втулки (ротора) с пазом; на фиг. 4 - узел I на фиг. 1.

Интервальный пакер состоит из верхнего 1 и нижнего 2 герметизирующих элементов со стволами 3 и 4 и фиксатором 5 сжатого положения герметизирующих элементов 1 и 2, якоря 6 и клапанного механизма, выполненного в виде ступенчатой втулки 7, установленной в корпусе 8 (перевернутого стакана), и управляющей муфты 9 со штифтом 10, жестко закрепленным на ее боковой поверхности, а корпус (перевернутого стакана) имеет связанные между собой обечайку 11 с ограничителем 12 на верхнем конце, колонны труб 13 с муфтой 14 на нижнем конце, связанной в верхней части с насосно-компрессорными трубами НКТ 15 переходной муфтой 16. В нижней части перевернутый стакан 8 с центральным отверстием 17 в дне жестко связан через патрубок 18 со стволом 3 пакера. Перевернутый стакан 8 может быть выполнен из трех составных элементов, а именно: из корпуса-втулки с внутренним концевым буртом, внутренней втулки с внутренними расточками по ее концам и дна с центральным отверстием. Ступенчатая втулка 7 размещена концентрично в перевернутом стакане 8 и выполнена с двумя наружными концевыми и фигурным пазом для размещения в нем штифта 10 управляющей муфты 9, причем фигурный паз выполнен с чередующимися вертикальными 19 и наклонными 20 участками, соединенными между собой. Переходная муфта 16 имеет жестко закрепленный на ней штифт 21, установленный в продольном пазу обечайки 11. Исполнительный механизм клапана выполнен в виде конусного крана, при этом золотник 22 крана выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне труб 13, а корпус 23 золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника 22 крана. Золотник 22 крана со стороны малого конусного диаметра имеет наружную цилиндрическую обточку 24 и наружного резьбу 25, а также он выполнен с пересекающимися радиальным 26 и аксиальным 27 отверстиями. Корпус 23 золотника крана имеет радиальное 28 отверстие, причем радиальные отверстия золотника крана и корпуса его должны быть в одном положении совмещены, а в другом - расположены диаметрально противоположно. Золотник 22 крана со стороны большего конусного диаметра жестко связан со стволом 3 пакера. В верхней части расточки корпуса 23 золотника крана выполнены продольные концевые пазы 29, а в нижней части ступенчатой втулки 7 выполнен кольцевой наружный выступ 30 и на нем выполнены концевые шипы 31 (выступы) для размещения их в продольных концевых пазах 29 верхней части расточки корпуса 23 золотника крана с возможностью для их свободного взаимодействия. На цилиндрической обточке 24 золотника 22 крана, между торцом внутренней расточки корпуса 23 золотника со стороны малого конусного отверстия и торцом прижимной гайки 32, завинченной на наружную резьбу 25 золотника 22 крана, установлена нажимная втулка 33, контактирующая поверхность которой с торцом внутренней расточки корпуса 23 золотника крана выполнена в разрезе с радиусом, равным не более 1/2 высоты бурта его внутренней расточки, а также между торцом внутренней расточки корпуса 23 золотника крана со стороны малого конусного отверстия и торцом нажимной втулки 33 в местах взаимодействия установлен подшипник 34. На цилиндрических наружных и внутренних частях золотника 22 крана и его корпуса 23 предусмотрены уплотнительные элементы 35, 36, 37.

Интервальный пакер работает следующим образом.

Пакер спускают в скважину до требуемой глубины на колонне насосно-компрессорных труб 15, после чего в ней повышают давление. При этом якорь 6 плотно прижимается к обсадной колонне 38. Вес колонны труб передается на герметизирующие элементы 1 и 2, которые одновременно сжимаются и герметизируют кольцевое пространство, при этом фиксатор 5 входит в зацепление с конусными проточками 39 цилиндра 40 и происходит фиксация герметизирующих элементов 1 и 2.

При установившемся рабочем положении пакера отверстия 41, 42 и 43 совмещаются, образуя каналы для перехода жидкости.

Для открытия клапана, если он после посадки закрыт, проводят подъем НКТ 15 на 1-3 м, обеспечивающий движение колонны труб 13 от нижней мертвой точки вверх на расстояние не менее 0,3 м (для обеспечения перемещения штифта 10 по всему наклонному 20 участку фигурного паза и выхода его в вертикальный 19 участок паза, но не более (L-0,1) м для предотвращения выхода фиксатора 5 из зацепления с проточками 39, разгерметизации герметизирующих элементов и срыва пакера. При этом штифт 10 управляющий муфты 9 движется вверх вместе с колонной труб 13 и, попадая в наклонный 20 участок фигурного паза при дальнейшем его движении по последнему, приводит к повороту ступенчатой втулки 7. После ее поворота на 180^o штифт 10 попадает в другой вертикальный 19 участок паза. Одновременно при вращении ступенчатой втулки 7 корпус 23 золотника поворачивается на том же направлении (т. к. корпус 23 золотника крана в верхней части зацеплен свободно с нижней частью ступенчатой втулки 7), при этом открывается отверстие 28, т.е. радиальные отверстия 26 и 28 золотника 22 крана и корпуса 23 золотника крана совмещаются, и так происходит открытие клапана.

При открытом клапана жидкость из НКТ 15 через каналы нижнего пакера (путь жидкости при промывке показан на фиг. 1, 2 стрелками) попадает в затрубное пространство скважины.

При дальнейшем спуске НКТ 15 штифт 10 управляющей муфты 9 движется по вертикальному 19 участку паза до момента упора переходной муфты 16 в дно перевернутого стакана 8 клапанного механизма, при этом ступенчатая втулка 7 не поворачивается и корпус 23 золотника крана также остается на месте, при совмещенных радиальных 26 и 28 отверстиях.

До последующего закрытия клапана проводят снова подъем-спуск НКТ 15, при этом штифт 10 управляющей муфты 9 перемещается в другой вертикальный 19 участок фигурного паза. Ступенчатая втулка 7 снова поворачивается на 180^o, а вместе с ней поворачивается и корпус 23 золотника крана тоже на 180^o, при этом радиальные отверстия золотника 22 крана и корпуса 23 его становятся диаметрально противоположно (клапан закрыт).

Таким образом, приподъемом-посадкой колонны НКТ 15 осуществляют последовательное открытие-закрытие клапана пакера. (Поворотом ступенчатой втулки 7 и корпуса 23 золотника крана на 180^o каждый раз).

Срыв пакера осуществляют подъемом НКТ 15, при этом муфта 14, дойдя до внутреннего выступа ствола 3 верхнего пакера, выводит фиксатор 5 из зацепления с конусными проточками 39 и приводит в транспортное положение герметизирующие элементы 1 и 2, при этом якорь 6 также приводится в транспортное положение. После этого пакер может быть извлечен на поверхность или установлен в другом интервале для его обработки.

Заявленное изобретение в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность работы пакера при одновременном повышении безопасности в эксплуатации.

Источник информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1576685, A1 МКл⁵ E 21 B 33/12 1990 г.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для разобщения ствола скважины при проведении технологических операций по воздействию на пласт. Интервальный пакер состоит из верхнего и нижнего герметизирующих элементов со стволами и фиксатором сжатого положения герметизирующих элементов, якоря и клапанного механизма в виде ступенчатой втулки, установленной в корпусе (в форме перевернутого стакана), управляющей муфты со штифтом на ее боковой поверхности. Корпус перевернутого стакана имеет обечайку с ограничителем на верхнем конце колонны труб, связанной с НКТ. Ступенчатая втулка размещена концентрично в перевернутом стакане и выполнена с двумя наружными концевыми выступами и фигурным пазом для размещения в нем штифта управляющей муфты. Исполнительный механизм клапана выполнен в виде конусного крана, золотник которого выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне труб, а корпус золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра, установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника крана. Золотник крана со стороны малого конусного диаметра имеет наружную цилиндрическую обточку и наружную резьбу, а также он выполнен с пересекающимися радиальными и аксиальными отверстиями. Корпус золотника крана имеет радиальное отверстие, причем радиальные отверстия золотника крана и корпуса его должны быть в одном положении совмещены, а в другом - расположены диаметрально противоположно. Золотник крана со стороны большего конусного диаметра жестко связан со стволом 3 пакера. Изобретение позволяет повысить надежность работы пакера с одновременным повышением безопасности в эксплуатации при разобщении ствола скважины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интервальный пакер, содержащий верхний и нижний герметизирующие элементы со стволами и фиксатором сжатого положения герметизирующих элементов, якорь, клапанный механизм, выполненный в виде ступенчатой втулки, установленной в корпусе, и управляющей муфты со штифтом, жестко закрепленным на ее боковой поверхности, а корпус имеет связанные между собой обечайку с ограничителем на верхнем конце, колонну труб с муфтой на нижнем конце, связанную в верхней части с насосно-компрессорными трубами (НКТ) переходной муфтой, перевернутый стакан с центральным отверстием в дне и патрубок, установленный между перевернутым стаканом и стволом пакера, при этом ступенчатая втулка размещена концентрично в стакане и выполнена с двумя наружными кольцевыми выступами и фигурным пазом для размещения в нем штифта управляющей муфты, причем фигурный паз выполнен с чередующимися вертикальными и наклонными участками, соединенными между собой, при этом переходная муфта имеет жестко закрепленный на ней штифт, установленный в продольном пазу обечайки, отличающийся тем, что исполнительный механизм клапана выполнен в виде конусного крана, при этом золотник крана выполнен с наружной конусной образующей поверхностью и размещен подвижно на колонне труб, а корпус золотника крана, выполненный с внутренним конусным отверстием и внутренней расточкой со стороны малого конусного диаметра, установлен с возможностью поворота на конусной образующей поверхности золотника крана, причем золотник крана со стороны малого конусного диаметра имеет наружную цилиндрическую обточку и наружную резьбу, при этом золотник крана выполнен с пересекающимися радиальным и аксиальным отверстиями, а корпус его выполнен с радиальным отверстием, причем радиальные отверстия золотника крана и корпуса золотника крана выполнены совмещенными в одном положении, а в другом расположены диаметрально противоположно, причем золотник крана со стороны большего конусного диаметра жестко связан со стволом пакера, в верхней части расточки корпуса золотника крана выполнены продольные концевые пазы, а в нижней части ступенчатой втулки выполнен кольцевой наружный выступ, на котором выполнены концевые шипы для размещения их в продольных концевых пазах верхней части расточки корпуса золотника крана с возможностью их свободного взаимодействия, а также на цилиндрической обточке золотника крана, между торцом внутренней расточки его корпуса со стороны малого диаметра конусного отверстия и торцом прижимной гайки, завинченной на наружную резьбу золотника крана, установлена нажимная втулка, контактирующая поверхность которой с торцом внутренней расточки корпуса золотника крана выполнена с радиусом не более 1/2 высоты бурта его внутренней расточки. 2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что между торцом внутренней расточки корпуса золотника крана со стороны малого конусного отверстия и торцом нажимной втулки в местах взаимодействия установлен подшипник.