ПАКЕР ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ Российский патент 2000 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к пакерующим устройствам для герметизации кольцевого пространства между трубами, и может быть использовано при ремонте скважин и проведении различных технологических операций.

Известен пакер ПН-ЯГМ, состоящий из корпуса, на котором установлены уплотнительный элемент, якорный узел, гидравлический привод, установленный под якорным узлом, и срезной клапан с посадочным седлом под сбросной элемент /1/.

Недостатками известного пакера являются низкая надежность разобщения призабойной зоны от ствола скважины, которая обеспечивается герметичностью уплотнительного элемента, и ограниченность применения пакера.

Так, при создании давления внутри пакера при его установке происходит одновременное заякоривание и уплотнение уплотнительного элемента, сопровождающиеся перемещением пакера вниз за счет удлинения спущенной колонны труб. В этом случае уплотнительный элемент движется по эксплуатационной колонне, и на уплотнительном элементе создаются риски и канавки, которые впоследствии ухудшают герметизирующую способность пакера. Доуплотнение уплотнительного элемента может быть обеспечено только в глубоких скважинах за счет разгрузки труб на пакер при достаточно большой массе труб, что ограничивает применение пакера на малых глубинах.

Кроме того, после длительной эксплуатации пакера, между уплотнительным элементом пакера и эксплуатационной колонной попадают остатки бурового раствора, окалина и т.п., что делает невозможным извлечение пакера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому пакеру гидравлическому является эксплуатационный пакер гидравлического типа фирмы BAKER. Пакер относится к неизвлекаемым, т.к. для его извлечения требуются приспособления для разбуривания верхних деталей пакера и последующего извлечения его из скважины.

Известный пакер содержит корпус, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, упругий уплотнительный элемент, расположенный между якорными узлами, гидравлический привод, выполненный в виде цилиндра с поршнем, образующих камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством, и срезной клапан, снабженный посадочным седлом под сбросной элемент и соединенный с нижней частью корпуса, при этом поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами, а гидравлический привод установлен под нижним якорным узлом /2/.

Известный пакер работает следующим образом.

В спущенную компоновку на трубах, включающую пакер, сбрасывают шар, который садится в посадочное седло. При создании давления внутри спущенной компоновки с пакером срезаются штифты, фиксирующие поршень гидравлического привода, при этом поршень, перемещаясь вверх вдоль оси пакера, сдвигает нижние шлипсы коническими втулками в радиальном направлении до касания их зубьев эксплуатационной колонны.

Это увеличение давления внутри спущенной компоновки с пакером одновременно вызывает удлинение труб и срезание резьбовых штифтов, фиксирующих нижнюю втулку, корпус пакера перемещается вниз относительно нижних шлипсов и поэтому создается осевое усилие на уплотнительный элемент, который при его сжатии деформируется в радиальном направлении.

В этом случае при проскальзывании зубьев шлипсов по эксплуатационной колонне уплотнительный элемент пакера также перемещается по колонне с нанесением на нем рисок, канавок, которые при полном пакеровании уплотнителя не создают надежной герметичности разобщения. При осевом перемещении корпуса пакера относительно нижних шлипсов происходит срезка резьбовых штифтов верхней втулки и происходит закрепление верхних шлипсов на эксплуатационной колонне. Осевые перемещения поршня и корпуса в пакере фиксируются фиксатором перемещения. При этом шлипсы и уплотнительный элемент должны быть прижаты к эксплуатационной колонне после сброса давления внутри пакера. При осевом усилии уплотнительный элемент, в данном случае, может в радиальном направлении деформироваться произвольно, например, с равномерным прилеганием по всей цилиндрической части уплотнителя. В этом случае, как известно, необходимо создание концентрации радиальных усилий на минимальной кольцевой площадке, на внутреннем диаметре эксплуатационной колонны с целью обеспечения надежной герметичности уплотнительного элемента.

Кроме того, после сброса шара в скважину и посадки его в посадочное седло срезного клапана и создания давления пакерования создается давление срезки штифтов посадочного седла, в результате седло с шаром выпадают на забой скважины. В этом случае, по указанным причинам, герметичность уплотнителя на стыке с эксплуатационной колонной может быть не достигнута, при этом отсутствует возможность повторного создания давления для доуплотнения уплотнительного элемента.

Недостатками известного пакера являются низкая надежность работы пакера из-за низкой герметизирующей способности уплотнительного элемента.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы пакера за счет повышения герметизирующей способности уплотнительного элемента.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в известном пакере гидравлическом, содержащем корпус, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, упругий эластичный уплотнительный элемент, расположенный междуякорными узлами, гидравлический привод, выполненный в виде цилиндра и поршня, образующих камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством, и срезной клапан, соединенный с нижней частью корпуса и снабженный посадочным седлом под сбросной элемент, при этом поршень, верхний и нижний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами, согласно изобретению, в упругий эластичный уплотнительный элемент встроены, по крайней мере, три фигурных металлических кольца с уплотнителями, охватывающими корпус, причем поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами с возможностью поочередного их расфиксирования при сознании избыточного давления внутри пакера.

Причем фигурные металлические кольца с уплотнениями встроены в упругий эластичный уплотнительный элемент на расстоянии друг от друга, соизмеримом с наружным диаметром корпуса.

При этом пакер дополнительно содержит верхнее посадочное седло под сбросной элемент большего диаметра, установленное в срезном клапане.

Кроме того, поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочные седла зафиксированы различным числом срезных элементов или срезными элементами, выполненными из различных по прочности материалов или имеющими различные поперечные сечения, обеспечивающие поочередное расфиксирование вышеперечисленных узлов.

Отличительный признак "в упругий эластичный уплотнительный элемент встроены, по крайней мере, три фигурных металлических кольца с уплотнениями, охватывающими корпус", позволяет повысить надежность разобщения ствола скважины. Встроенные по краям фигурные металлические кольца удерживают края уплотнителя от их отрыва от корпуса и тем самым предотвращают их разрушение. Расположенное в середине упругого эластичного уплотнительного элемента, фигурное металлическое кольцо разделяет уплотнительный элемент на два герметизирующих участка, которые при осевом сжатии уплотнительного элемента создают герметизацию в 2-х местах по эксплуатационной колонне, расположенными между фигурными металлическими кольцами. Уплотнения в металлических кольцах дополнительно обеспечивают герметизацию по корпусу пакера.

Отличительный признак "фигурные металлические кольца с уплотнениями встроены в упругий эластичный уплотнительный элемент на расстоянии друг от друга, соизмеримом с наружным диаметром корпуса", позволяет избежать возникновение сил трения между корпусом и уплотнительным элементом при осевом сжатии уплотнительного элемента и создать концентрированные удельные нагрузки уплотнителем на участках между фигурными металлическими кольцами по эксплуатационной колонне.

Количество применяемых фигурных металлических колец может быть больше трех, в этом случае количество уплотняемых участков составит на одно меньше применяемых фигурных металлических колец.

Отличительные признаки "поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами с возможностью поочередного их расфиксирования при создании избыточного давления внутри пакера" позволяет повысить надежность работы пакера.

Отличительные признаки "поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочные седла зафиксированы различным числом срезных элементов или срезными элементами, выполненными из различных по прочности материалов или имеющими различные поперечные сечения, обеспечивающие поочередное расфиксирование вышеперечисленных узлов", позволяет обеспечить четкое поочередное срабатывание каждого из перечисленных узлов.

Отличительный признак "пакер дополнительно содержит верхнее посадочное седло под сбросной элемент большего диаметра, установленное в срезном клапане", позволяет повторно создать повышенное давление внутри пакера, в случае его недостаточной герметичности и обеспечить герметичность пакера.

На фиг.1 представлен заявляемый пакер гидравлический в разрезе.

На фиг. 2 представлен упругий эластичный уплотнительный элемент до герметизации пакера.

На фиг. 3 представлен упругий эластичный уплотнительный элемент после герметизации пакера.

Пакер гидравлический содержит корпус 1, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, включающие шлипсы соответственно 2 и 3 и конические втулки 4 и 5, упругий эластичный уплотнительный элемент 6, установленный между верхним и нижним якорными узлами, поршень 7 и цилиндр 8, образующие камеру 9, сообщающуюся посредством канала 10 с внутритрубным пространством 11, фиксатор перемещения 12 поршня 7 и корпуса 1, комплект раздвижных колец 13, срезной клапан 14 с верхним 15 и нижним 16 посадочными седлами под сбросные элементы, соответственно, 17 и 18, при этом срезной клапан 14 соединен с корпусом посредством нижней втулки 19 и зафиксирован резьбой 20, посадочные седла 15 и 16 зафиксированы соответственно срезными элементами 21 и 22, причем поршень 7, нижняя коническая втулка 5 и верхняя коническая втулка 4 зафиксированы соответственно срезными элементами 23, 24 и 25. Верхняя часть корпуса соединена с верхней втулкой 26.

В упругий эластичный уплотнительный элемент 6 встроены, по крайней мере, три фигурных металлических кольца 27 с уплотнениями 28, охватывающими корпус 1, при этом кольца 27 расположены на расстоянии друг от друга, соизмеримом с величиной наружного диаметра корпуса 1.

Поршень 7, нижняя 5 и верхняя 4 втулки, посадочные седла 15 и 16 зафиксированы с возможностью поочередного их расфиксирования различным числом срезных элементов соответственно 23, 24, 25, 21 и 22 или срезными элементами 23, 24, 25, 21 и 22, выполненными из различных по прочности материалов, или срезными элементами 23, 24, 25, 21 и 22, имеющими различные по площади поперечные сечения.

Пакер работает следующим образом.

Пакер спускают на колонне труб в обсаженную эксплуатационной колонной скважину на необходимый интервал установки. В колонну спускают сбросной элемент - шар 18, который садится в посадочное седло 16. Затем закачивают жидкость для создания давления в колонне труб. Жидкость через канал 10 поступает в камеру 9. При создании определенного давления в колонне труб срезные элементы 23 срезаются и поршень 7 вместе с фиксатором перемещений 12 перемещается вверх, продвигая вверх верхний шлипс 3 по конической втулке 5 до момента врезки его зубцами в эксплуатационную колонну.

После врезки зубьев шлипса 3 в эксплуатационную колонну и повышении давления внутри спущенной компоновки происходит дальнейшее перемещение корпуса 1 вниз относительно шлипсов 3. При этом происходит срезание срезных элементов 24 и корпус 1 вместе с верхними шлипсами 2, верхней конической втулкой 4 деформируют в осевом направлении уплотнительный элемент 6, который создает в радиальном направлении уплотняющие участки по эксплуатационной колонне с высокими удельными давлениями.

При дальнейшем повышении давления срезные элементы 25 срезаются и втулка 4, упертая в торец уплотнительного элемента 6, становится неподвижной относительно корпуса 1, перемещающегося вниз. Шлипсы 2, перемещаясь вместе с корпусом 1, надвигаются на втулку 4, получают поперечное перемещение и врезаются зубцами в эксплуатационную колонну и фиксируют пакер от перемещений вверх.

При последующем увеличении давления внутри спущенной компоновки происходит срезка срезных элементов 22 и седло 16 вместе с шаром 16 выпадают на забой скважины. При этом фиксатор перемещений 12 фиксирует все перемещения элементов пакера и при сбросе давления внутри компоновки пакер остается загерметизирован и зафиксирован от перемещений.

В случае, если не достигнута герметичность пакера, в колонну спускают шар 17, который садится в седло 15. Затем создают повышенное давление внутри спущенной компоновки относительно давления срезки штифтов 21 седла 15, при котором за счет дополнительных перемещений корпуса 1, вызванного удлинение колонны труб, и работы поршня 7 происходит создание дополнительной нагрузки на уплотнительный элемент 6, который в свою очередь плотнее прилегает к эксплуатационной колонне. При достижении внутри компоновки давления, превышающего усилие срезки срезных элементов 21, штифты 21 срезаются и седло 15 вместе с шаром 17 выпадают на забой скважины.

Заявляемый пакер гидравлический по сравнению с пакером - прототипом позволяет повысить надежность его работы за счет повышения герметизирующей способности уплотнительного элемента.

Источники информации
1. Бухаленко Е.И., Бухаленко В.Е. Оборудование и инструмент для ремонта скважин. М.: Недра, 1991, с. 254.

2. Catalog, Baker pakers completion systems, A Baker oil Tools company, 1981, с. 660.

Использование: изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к пакерующим устройствам для герметизации кольцевого пространства между трубами, и может быть использовано при ремонте скважин и проведении различных технологических операций. Обеспечивает повышение надежности работы пакера. Сущность изобретения: пакер содержит корпус, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, упругий эластичный уплотнительный элемент, расположенный между якорными узлами, гидравлический привод, выполненный в виде цилиндра и поршня, образующих камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством, срезной клапан, соединенный с нижней частью корпуса и снабженный посадочным седлом под сбросной элемент. Поршень, верхний и нижний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами с возможностью поочередного их расфиксирования при создании избыточного давления внутри пакера. В упругий эластичный уплотнительный элемент встроены, по крайней мере, три фигурных металлических кольца с уплотнениями, охватывающими корпус. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Пакер гидравлический, содержащий корпус, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, упругий эластичный уплотнительный элемент, расположенный между якорными узлами, гидравлический привод, выполненный в виде цилиндра и поршня, образующих камеру, сообщающуюся с внутритрубным пространством, и срезной клапан, соединенный с нижней частью корпуса и снабженный посадочным седлом под сбросной элемент, при этом поршень, верхний и нижний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами, отличающийся тем, что в упругий эластичный уплотнительный элемент встроены, по крайней мере, три фигурных металлических кольца с уплотнениями, охватывающими корпус, причем поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочное седло зафиксированы срезными элементами с возможностью поочередного их расфиксирования при создании избыточного давления внутри пакера. 2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что фигурные металлические кольца с уплотнениями встроены в упругий эластичный уплотнительный элемент на расстоянии друг от друга, соизмеримом с наружным диаметром корпуса. 3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит верхнее посадочное седло под сбросной элемент большего диаметра, установленное в срезном клапане. 4. Пакер по п.1, отличающийся тем, что поршень, нижний и верхний якорные узлы и посадочные седла зафиксированы различным числом срезных элементов или срезными элементами, выполненными из различных по прочности материалов или имеющими различные поперечные сечения, обеспечивающие поочередное расфиксирование вышеперечисленных узлов.