ПАКЕР И СПОСОБ ЕГО ФИКСАЦИИ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2002 года по МПК E21B33/12 E21B23/06 

Предлагаемое техническое решение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения продуктивности скважин путем интенсификации притоков нефти и повышения коэффициента нефтеизвлечения, а также для капитального ремонта скважин, отключения обводненных пластов и т.д.

Известен пакер по авт. свид. СССР 1099047, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 23, 1984, включающий полый корпус с радиальными каналами, на котором установлен уплотнительный элемент с полостью для его привода, размещенный в корпусе с возможностью осевого перемещения и связанный с колонной труб, полый, заглушенный в нижней части ствол с двумя рядами радиальных каналов для связи внутритрубного пространства соответственно с затрубным надпакерным пространством и полостью привода уплотнительного элемента. При этом пакер снабжен кожухом с радиальными каналами, установленным над уплотнительным элементом, образующим с корпусом камеру, в которой установлена подпружиненная штуцерная втулка, а связь затрубного надпакерного пространства с внутритрубным осуществляется через канал штуцерной втулки.

Недостатками известного пакера является сложность конструкции и в связи с этим низкая надежность работы, так как не исключено засорение частицами, находящимися в скважинной жидкости, канала "А" гидравлического сопротивления и отверстий, сообщающих внутреннюю его полость с верхней, и верхнюю и нижнюю камеры.

Известен также пакер по авт. свид. СССР 304345, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 17, 1971, содержащий корпус с радиальными каналами, герметизирующие элементы со шлипсами, кожух и фиксирующий узел с подпружиненными плашками, взаимодействующими с толкателями и зубчатой поверхностью патрубка. Между корпусом и кожухом концентрично расположен поршень, жестко связанный с толкателями, а подпоршневая полость сообщена с внутритрубным пространством.

Недостатком известного пакера является низкая надежность его работы из-за возможного засорения каналов "а" и "б" и полостей "А" и "Б" частицами, находящимися в скважинной жидкости. Кроме того, резко уменьшено поперечное сечение центрального канала пакера из-за концентрически расположенных корпуса, кольцевого поршня и кожуха.

Известен также гидравлический пакер для испытателя пластов по авт. свид. СССР 571581, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 33, 1977, содержащий шток, гидронасос и эластичную манжету с пружинящей опорой, выполненной из смещенных друг относительно друга внутренних и внешних рядов пластин. При этом внутренние пластины снабжены наконечниками, которые размещены в эластичной манжете и жестко связаны с пластинами внешнего ряда.

Недостатками рассматриваемого гидравлического пакера является низкая надежность его работы, связанная с возможностью засорения канала "а" и внутренней полости эластичной манжеты частицами, находящимися в скважинной жидкости.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является пакер по патенту США 4515213, имеющий конструктивные элементы, выполненные из материала с памятью формы, которые при нагреве увеличиваются в радиальном направлении. Эти элементы могут быть выполнены в виде: а) концентрически расположенных пружин, сдвигаемых друг относительно друга в радиальном направлении; б) тарельчатых пружин, обращенных друг к другу внутренними поверхностями, распрямляющихся при нагреве; в) конических пружинных стабилизаторов, при нагреве приобретающих цилиндрическую форму; г) муфты с отверстиями, увеличивающей при нагреве радиальный размер. Все конструкции пакера используют пружинистые свойства материала, который выполнен с памятью формы. Одновременное сочетание этих свойств у раздвижного в радиальном направлении элемента ограничивает возможность применения известного пакера. Кроме этого, использование для обратного мартенситного превращения температур, превышающих температуру окружающей среды на разных глубинах, существенно снижает возможность применения пакеров по патенту США 4515213 (для исключения размягчения - термин, используемый авторами патента США, то есть для возможности использования пружинистых свойств материала предлагается охлаждение пакера циркуляцией воды, но это усложняет конструкцию пакера и приводит к дополнительным затратам энергии, необходимой для постоянного нагрева его элементов выше температуры окружающей среды в скважине и обеспечения циркуляции воды).

Известен способ фиксации пакера в скважине, реализованный в конструкции пакера по авт. свид. СССР 252244, кл. Е 21 В, опуб. в БИ 29, 1969, заключающийся в том, что расклинивают уплотнительные элементы пакера, сдвигая одну его часть относительно другой, при этом сдвигают конические элементы пакера, имеющие конические поверхности (в продольном сечении два соседние элемента имеют наклонную поверхность, а каждый элемент выполнен в виде треугольника, причем основания соседних элементов обращены одно к стенке скважины, а другое - к продольной его оси). Для извлечения пакера его тянут вверх, срезая при этом штифты и тем самым уменьшая его поперечное сечение.

Недостатком этого способа является трудность извлечения пакера такой конструкции из-за больших диаметральных размеров, так как используют конические сечения, надвигающиеся друг на друга, в результате чего пакер и занимает большое пространство в поперечном сечении. При расклинивании нельзя значительно уменьшить его поперечное сечение для надежного извлечения из скважины.

Известен также способ фиксации пакера в скважине, реализованный в гидравлическом пакере по авт. свид. СССР 571581, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 33, 1977, заключающийся в том, что раздвигают эластичную манжету в радиальном направлении за счет подачи под давлением бурового раствора во внутреннюю полость эластичной манжеты. Для создания давления используют поршень и гидронасос. Для извлечения пакера отключают давление и перемещением поршня в верхнее положение эластичную манжету возвращают в исходное положение специально предназначенными для этой цели пружинами.

Недостатком описываемого способа является необходимость использования двух приводов для фиксации пакера к стенке скважины и рассоединения, что усложняет конструкцию пакера и управление его работой.

Известен способ фиксации пакера, реализованный в пакетирующем устройстве по авт. свид. СССР 898043, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 2, 1982, заключающийся в изменении радиального размера уплотнительного элемента пакетирующего устройства за счет механического осевого воздействия на него, при этом это воздействие осуществляют в два этапа, а именно: сначала нижнюю часть пакетирующего устройства упирают в забой скважины, сдвигая одну из его частей относительно другой в осевом направлении, а затем создают поджатие за счет гидравлического напора.

Недостатком известного способа является невозможность установки пакетирующего устройства высоко от забоя скважины. Кроме того, использование двух приводов для фиксации и рассоединения предопределяет сложность конструкции пакетирующего устройства и сложность управления им.

Известен также способ фиксации пакера в скважине, реализованный в пакере по авт. свид. СССР 304345, кл. Е 21 В 33/12, опуб. в БИ 17, 1971, заключающийся в радиальной деформации уплотнительного кольцевого элемента пакера за счет его осевого сжатия гидравлическим давлением жидкости, нагнетаемой в скважину.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает надежность работы пакера, связанную с необходимостью постоянной подачи скважинной жидкости под давлением, что в итоге приводит к засорению рабочей камеры пакера, которая через движущийся поршень подает гидравлическое давление жидкости на герметизирующие элементы пакера.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ фиксации пакера в скважине, реализованный в пакере по патенту США 4515213, сущность которого заключается в том, что, используя материал с памятью формы, нагревают последний выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит обратное мартенситное превращение материала с памятью формы и элемент пакера из этого материала раздвигается в радиальном направлении. При поддержании температуры пакера выше температуры окружающей среды осуществляют фиксацию его к стенкам скважины.

Недостатками рассматриваемого способа являются: а) постоянная затрата энергии для нагрева пакера выше температуры окружающей среды; б) постоянное воздействие на элементы пакера повышенной температуры, снижающей его долговечность; в) в силу того, что температура в каждой скважине на глубине установки пакера различна, а температура обратного мартенситного превращения должна быть выше температуры скважинной жидкости, нужно для каждого случая подбирать необходимый материал с памятью формы (точнее необходимо иметь большое количество пакеров) либо иметь один пакер с максимальной температурой обратного мартенситного превращения, но при этом (в последнем случае) необходимо нагревать элемент с памятью формы до максимальной температуры, последнее предопределяет необходимость охлаждения конструкции пакера, т.к., кроме снижения долговечности элементов конструкции, необходимо исключение размягчения материала с памятью формы.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение надежности фиксации пакера в скважине за счет снижения температуры обратного мартенситного превращения материала с памятью формы, при этом уменьшаются энергозатраты за счет использования для фиксации энергии окружающей среды и одновременно упрощается обслуживание за счет использования меньшего количества пакеров, т. е. возможно использование универсальных пакеров для различных условий производства.

Эта задача решается за счет того, что в пакере, содержащем раздвижные щеки, выполненные из материала с памятью формы, манжету-уплотнитель, тепловой элемент и привод, согласно техническому решению тепловой элемент выполнен в виде охладителя для снижения температуры элементов пакера при подаче в него электропитания. Такая конструкция пакера обеспечивает реализацию предлагаемого способа, т.к. позволяет до опускания пакера в скважину охладить его элементы, установить пакер на нужной глубине, а затем, подогревая его до температуры обратного мартенситного превращения материала с памятью формы за счет температуры окружающей среды (или искусственно нагревая), осуществлять фиксацию пакера к стенкам скважины.

Целесообразно пакер дополнительно снабжать нагревателем, например пиропатроном или электрической спиралью. Такая конструкция пакера обеспечивает быстрый нагрев его элементов и, как следствие, быструю фиксацию пакера.

Целесообразно раздвижные щеки пакера выполнять в виде цилиндра с продольными прорезями, заканчивающимися отверстиями, при этом продольные части цилиндра между прорезями выполнять в виде лепестков. Такой пакер, обладая простотой конструкции, обеспечивает надежную фиксацию к стенкам скважины и рассоединение, а также свободное извлечение из скважины.

В способе фиксации пакера в скважине, включающем спуск пакера с раздвижными щеками из материала с памятью формы и лепестками в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера раскрытием лепестков при подъеме температуры в скважине выше температуры начала обратного мартенситного превращения материала с эффектом памяти формы, деформацию в радиальном направлении манжеты-уплотнителя пакера и температурное воздействие на пакер, отличное от температуры скважинной жидкости в месте его установки, согласно техническому решению температурное воздействие на пакер осуществляют понижением температуры ниже температуры скважинной жидкости в месте установки пакера до опускания его на требуемую глубину. Это позволяет управлять процессом фиксации пакера в скважине вне зависимости от ее глубины (температура скважинной жидкости зависит от глубины скважины). Кроме того, совокупность этих операций позволит обеспечить фиксацию пакера продолжительное время без затрат дополнительной энергии, так как фиксация осуществляется за счет температуры скважинной жидкости.

На представленных чертежах иллюстрируются: фиг.1 - операция по установке пакера, выполненного из материала с памятью формы и с тепловым элементом в виде охладителя-термопары (термохолодильника) в скважине (обсадной трубе); фиг. 2 - операция по термическому воздействию на пакер (нагрев) и его фиксации к стенке скважины.

Сущность предлагаемого пакера и способа его фиксации в скважине поясним на примере конкретного использования.

Пакер 1, закрепленный к трубе 2 (тросу), устанавливают в скважину 3 (обсадную трубу, которая на фиг. не показана). На фиг.1, 2 показан пакер с элементом конструкции, выполненным из материала с памятью формы. В этом случае диаметральное увеличение его размера осуществляется за счет объемного расширения материала элементов конструкции и за счет изменения формы элемента конструкции пакера 1 из материала с памятью формы. При этом второй фактор в десятки, а порой в сотни раз превышает первый.

Пакер 1 содержит эластичную манжету-уплотнитель 4 с упорной шайбой 5, хомуты 6, 7, установленные сверху и снизу манжеты-уплотнителя 4, цилиндр 8 с лепестками 9, образованными прорезями 10, в нижней части которого прорези 10 выходят в отверстия 11. Цилиндр 8 с лепестками 9 изготовлен из материала с памятью формы, поэтому они служат в качестве привода (при раздвижке), а совместно с эластичной манжетой-уплотнителем 4 - в качестве раздвижных щек, часть которых перекрывает зазор между пакером 1 и стенкой скважины (обсадной трубы) 3. Цилиндр 8 с лепестками 9 и прорезями 10 может быть цельным либо состоять из нескольких секторов, установленных по окружности. Тепловой элемент 12 выполнен в виде охладителя-термопары (термохолодильника), которую желательно монтировать возле лепестков 9 для более эффективного их охлаждения. Питание теплового элемента 12 - термопары может осуществляться с поверхности по проводам 13. Цилиндр 8 выполнен из материала с памятью формы, например из сплава никеля с титаном (например, никелида титана NiTi с содержанием 50% никеля и 50% титана). Особенность таких сплавов заключается в том, что если образцу, изготовленному из них, придать при температуре выше температуры А_к определенную форму путем пластической деформации, а затем охладить его до температуры ниже температуры М_к и вновь деформировать, уничтожив прежнюю форму, то после нагрева образца выше температуры А_н он "вспомнит" свою исходную форму.

Температуры М_н и М_к являются температурами начала и конца прямого мартенситного превращения, а А_н и А_к - соответственно температурами начала и конца обратного мартенситного превращения. Для сплава никелида титана NiTi температуры М_н= 63^oС, А_н=75^oС. Добавление легирующих добавок Fe и Со к никелиду титана NiTi стехиометрического состава понижает температуру восстановления формы. Влияние легирующих добавок на температуру восстановления формы изложено, например, в работе Тихонова А.С., Герасимова А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, М., 1981, с. 80. У различных сплавов с эффектом памяти формы имеются свои физико-механические параметры. Приведем некоторые из них: степень восстановления исходной формы достигает 100%; величина обратной деформации достигает 10-20%; величина давления, генерируемого при нагреве, достигает значения 500-700 МПа; напряжение, необходимое для предварительной деформации, должно быть не более 50-100 МПа. Температуру проявления памяти формы в сплавах можно менять от -250^o до 500^oС, а ширину интервала температуры для восстановления формы - от 5 до 100^oС, гистерезис от 2 до 80^oС.

Здесь в качестве примера приведен материал на основе никелида титана NiTi, обладающий высокой механической прочностью и стойкостью к длительному термоциклированию, генерирующий значительные механические напряжения при нагреве, обладающий значительной удельной работоспособностью. При применении в качестве теплового элемента 12 термопары можно, меняя полярность, использовать ее в качестве охладителя или нагревателя.

Принцип работы пакера и способ его фиксации в скважине заключаются в следующем.

В скважину (обсадную трубу) 3 опускают на тросе 2 или трубе 2 (фиг.1, 2) пакер 1 до глубины, на которой необходимо его зафиксировать. Учитывая, что с глубиной температура скважинной жидкости (это может быть буровой раствор или смесь нефти с водой) повышается, диаметральный размер пакера 1 подбирают таким, чтобы при температуре скважинной жидкости на глубине его фиксации диаметральный размер пакера 1 был бы меньше диаметра скважины 3. Это можно достичь конструктивно, то есть изготовить детали пакера 1 соответствующего диаметра либо охладить пакер 1, уменьшив искусственно его диаметральный размер. Затем производят температурное воздействие (в данном случае нагрев) на пакер 1, которое приводит к увеличению его диаметрального размера (фиг.2). Если пакер 1 выполнен конструктивно с диаметральным размером, меньшим диаметра скважины 3, то нагрев можно осуществить термопарой (при смене ее полярности) или нагревателем, например электрической спиралью, или используя пиропатрон (на фиг. не показан), которым дополнительно снабжен пакер. При использовании пиропатрона нагрев будет осуществлен одноразово, а затем эта температура будет поддерживаться температурой скважинной жидкости. При использовании электрической спирали можно многократно нагревать пакер 1 и выдерживать максимальную или оптимальную температуру. Это особенно важно, когда температура скважинной жидкости меньше температуры обратного мартенситного превращения используемого сплава с памятью формы. При этом нагрев осуществляют от источника тока, установленного на поверхности (на фиг. не показан). В результате нагрева создается натяг между поверхностью манжеты-уплотнителя 4 пакера 1 и поверхностью стенки скважины (обсадной трубы) 3. Для удаления пакера 1 из скважины 3 необходимо осуществить температурную разгрузку (охладить пакер), после чего произойдет уменьшение объема его конструктивных элементов, диаметральный размер пакера 1 уменьшится и его можно будет извлечь из скважины 3. Охлаждение может быть естественным (когда температура скважинной жидкости мала) либо искусственным за счет использования, например, термопар. В последнем случае управляемость процессом лучше, так как она практически не зависит от температуры скважинной жидкости.

Последовательность этих операций целесообразна, когда используется объемное расширение манжеты-уплотнителя 4 и у пакера 1 имеется элемент, выполненный из материала с памятью формы.

Предлагаемая конструкция пакера 1 работоспособна при реализации способа по прототипу-патенту США 4515213, когда температура обратного мартенситного превращения материала с памятью формы выше температуры окружающей среды на заданной глубине. При этом необходимо постоянно подводить энергию для нагрева элементов конструкции пакера, выполненного из материала с памятью формы.

Предлагаемая конструкция пакера позволяет фиксировать пакер к стенке скважины с температурой обратного мартенситного превращения ниже температуры скважинной среды на соответствующей глубине.

Для этого перед установкой пакера 1 в скважину 3 на требуемую глубину его надо охладить (на поверхности или в момент опускания). На поверхности для этого можно использовать различные средства (например, обложить его льдом), в скважине 3 наиболее целесообразно использовать для этого тепловой элемент в виде охладителя-термопары (термохолодильника). При охлаждении пакера 1 диаметральный его размер уменьшится и он станет существенно меньше диаметра скважины 3, что упростит процесс опускания пакера 1 в нее. Под действием температуры скважинной жидкости пакер 1 нагреется, что приведет к увеличению его диаметрального размера. Зная температуру скважинной жидкости на глубине установки пакера 1, можно рассчитать первоначальный его диаметр таким образом, чтобы при температуре скважинной жидкости возник натяг между боковой поверхностью пакера 1 и стенкой скважины 3. Сила, возникающая при натяге, обеспечит фиксацию пакера 1 к стенке скважины 3. Для удаления пакера 1 из скважины 3 необходимо его вновь охладить (осуществить температурную разгрузку). При этом диаметральный его размер станет меньше диаметра скважины 3, после чего можно будет извлечь пакер 1 из скважины 3. Такая конструкция пакера 1 исключает затраты энергии при фиксации его к стенке скважины 3, т.к. при этом используется энергия окружающей среды.

На фиг. 1 и 2 показана конструкция пакера 1 с элементом, выполненным из материала с памятью формы.

Лепесткам 9 до монтажа в пакер 1 после нагрева их выше температуры А_к придают форму, показанную на фиг.2, то есть лепестки 9 раскрыты. Затем их охлаждают и, деформируясь, они совместно образуют форму цилиндра (фиг.1), то есть пакер 1 собирается, когда лепестки 9 имеют прямолинейную форму, образуя сообща цилиндрическую поверхность. Цилиндр 8 совместно с лепестками 9 размещают в эластичной манжете-уплотнителе 4, при этом их соприкасающиеся поверхности можно склеить. Возможно и изготовление эластичной манжеты-уплотнителя 4 совместно с цилиндром 8 и его лепестками 9, для чего можно резину, из которой изготовлена манжета-уплотнитель 4, сварить, а цилиндр 8 и лепестки 9 при этом будут служить как бы арматурой. Вопрос изготовления эластичной манжеты-уплотнителя 4 совместно с цилиндром 8 и его лепестками 9 решается конкретно при подборе материалов (имеется в виду температура нагрева резины манжеты-уплотнителя 4 и температура А_н, причем последняя должна быть выше первой). Отверстия 11 в цилиндре 8 выполняются для исключения образования трещин в цельной его части.

Перед погружением пакера 1 в скважину 3 подают электропитание по проводам 13 в тепловой элемент 12 в виде охладителя-термопары (термохолодильника). Последний снижает температуру конструктивных элементов пакера 1, поэтому несколько уменьшаются его диаметральные размеры, а лепестки 9 сохраняют цилиндрическую форму (фиг.1). Пакер 1 погружают на требуемую глубину в скважину 3. Затем отключают питание термопары. Под действием температуры скважинной жидкости происходит нагрев элементов конструкции пакера 1. Когда температура поднимается выше А_н, лепестки 9 примут форму, показанную на фиг. 2, которая будет удерживаться, пока будет воздействие температуры. Если необходим более быстрый подъем температуры, то можно дополнительно снабдить пакер 1 пиропатроном или электрической спиралью, которые можно разместить между трубой 2 и манжетой-уплотнителем 4 (на фиг. не показано). Использование дополнительного подвода тепла, например, за счет нагрева электрической спирали оправдано в случае, если температура скважинной жидкости ниже температуры А_к, что бывает при неглубоких скважинах и в случае использования материала с памятью формы, имеющего значения А_н, А_к, М_н и М_к больше температуры скважинной жидкости. Это, в свою очередь, целесообразно, когда используются универсальные пакеры, работающие на всех глубинах, при этом на больших глубинах для фиксации достаточна температура скважинной жидкости, а при использовании на малых глубинах необходим дополнительный подвод тепла.

Раскрытые лепестки 9 (фиг.2) прижимают манжету-уплотнитель 4 к поверхности стенки скважины 3. Объемное расширение конструктивных элементов пакера 1 от воздействия температуры будет способствовать натягу между поверхностями эластичной манжеты-уплотнителя 4 и стенкой скважины 3.

Для извлечения пакера 1 из скважины 3 необходимо охладить лепестки 9, подавая электропитание на охладитель-термопару и осуществляя температурную разгрузку пакера 1. Лепестки 9 сойдутся в радиальном направлении, натяг между поверхностями эластичной манжеты-уплотнителя 4 и стенкой скважины 3 исчезнет, после чего можно извлечь пакер 1 из скважины 3, так как диаметральный его размер будет небольшим, меньшим диаметрального размера скважины 3.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения продуктивности скважин и для капитального ремонта скважин. Обеспечивает универсализацию устройства и повышение надежности его фиксации в скважине. Сущность изобретения: пакер содержит раздвижные щеки, выполненные из материала с памятью формы, манжету-уплотнитель, тепловой элемент и привод. Тепловой элемент выполнен в виде охладителя для снижения температуры элементов пакера при подаче в него электропитания. Способ включает спуск пакера с раздвижными щеками из материала с памятью формы и лепестками в скважину на требуемую глубину. Увеличивают диаметральный размер пакера раскрытием лепестков при подъеме температуры в скважине выше температуры начала обратного мартенситного превращения материала с эффектом памяти формы. Деформируют в радиальном направлении манжету-уплотнитель пакера. Осуществляют температурное воздействие на пакер, отличное от температуры скважинной жидкости в месте его установки. Температурное воздействие на пакер осуществляют понижением температуры ниже температуры скважинной жидкости в месте установки пакера до опускания его на требуемую глубину. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пакер, содержащий раздвижные щеки, выполненные из материала с памятью формы, манжету-уплотнитель, тепловой элемент и привод, отличающийся тем, что тепловой элемент выполнен в виде охладителя для снижения температуры элементов пакера при подаче в него электропитания. 2. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен нагревателем, например, пиропатроном или электрической спиралью. 3. Пакер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что раздвижные щеки выполнены в виде цилиндра с продольными прорезями, заканчивающимися отверстиями, при этом продольные части цилиндра между прорезями выполнены в виде лепестков. 4. Способ фиксации пакера в скважине, включающий спуск пакера с раздвижными щеками из материала с памятью формы и лепестками в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера раскрытием лепестков при подъеме температуры в скважине выше температуры начала обратного мартенситного превращения материала с эффектом памяти формы, деформацию в радиальном направлении манжеты-уплотнителя пакера и температурное воздействие на пакер, отличное от температуры скважинной жидкости в месте его установки, отличающийся тем, что температурное воздействие на пакер осуществляют понижением температуры ниже температуры скважинной жидкости в месте установки пакера до опускания его на требуемую глубину.