ПАКЕР Российский патент 2003 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к технике бурения, обустройства и ремонта скважин, а именно к пакерующим устройствам для герметизации межтрубного пространства скважин.

Известен уплотнительный элемент пакера, состоящий из упругой среды, внутри которой заделан каркасный элемент из набора кольцевых и продольных пружинящих проволок (SU 905431, МПК³ Е 21 В 33/12, 1982). Считается, что за счет этого уменьшается релаксация при сжатии уплотнительного элемента и его затекание в уплотняемый кольцевой зазор скважины.

Технический недостаток данного элемента - ограниченные возможности, поскольку армирование не в состоянии предотвратить выдавливание упругой массы в уплотняемый зазор при повышенном давлении со стороны скважины.

Известен также пакер, содержащий корпус, нажимной и упорный элемент, между которыми установлен уплотнительный элемент в виде эластичной втулки, на которой выполнены кольцевые выступы и впадины (SU 972041, МПК³ Е 21 В 33/12, 1982). Утверждается, что здесь уменьшается усилие сжатия эластичной втулки и повышается герметичность перекрытия кольцевого пространства скважины.

Технический недостаток пакера - указанные преимущества действуют до определенного давления в скважине, при возрастании давления и повышении контактного напряжения на втулке кольцевые выступы и впадины нивелируются и упругая среда начинает "перетекать" в уплотняемый зазор.

Наиболее близким аналогом является пакер, содержащий корпус с упорами, разделительные кольца и П-образные манжеты с кольцевыми полостями, в каждой из которых размещена эластичная цилиндрическая оболочка из материала меньшей твердости, чем материал манжет, образующий совместно с манжетой уплотнительный элемент. Здесь повышается надежность работы (SU 1663181 А1, МПК⁵ Е 21 В 33/12, 1991).

Технический недостаток пакера - невозможность герметизации высоких давлений из-за ограниченного кольцевого участка, который взаимодействует со скважиной. Поэтому необходимо многократно дублировать уплотнительный элемент.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в расширении функциональных возможностей и повышении герметизируемого скважинного давления при снижении энергоемкости процесса за счет уменьшения усилий на деформацию уплотнительного элемента, расширения кольцевого уплотнительного участка и предотвращения выдавливания упругой массы в уплотняемый зазор при высоких давлениях со стороны скважины.

Согласно изобретению уплотнительный элемент выполнен, по крайней мере, из двух концентрично расположенных с зазором эластичных цилиндрических оболочек, каждая из которых снабжена по торцам дополнительной П-образной манжетой с кольцевой полостью, в которой размещены торцы указанной эластичной цилиндрической оболочки таким образом, что дополнительные П-образные манжеты по образующей линии создают прямоугольную форму сечения стенки уплотнительного элемента. По основаниям манжет обеих цилиндрических оболочек закреплены разделительные кольца, выполненные в виде центрирующих колец с утопающим между оболочками кольцевым выступом, на противолежащих сторонах которых выполнены кольцевые канавки, взаимодействующие посредством цилиндрических центраторов с упорами корпуса. В зазор между цилиндрическими оболочками помещено передаточное звено из эластичного материала, при этом поверхностный слой наружной и внутренней сторон уплотнительного элемента имеет модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичной цилиндрической оболочки.

Наружные лепестки дополнительных П-образных манжет сопряжены со своими поперечинами перемычками, при этом на поперечинах выполнены скосы, направленные в сторону передаточного звена; центрирующие кольца выполнены из эластичного материала более высокой твердости по сравнению с материалом дополнительных П-образных манжет, при этом кольцевые выступы колец находятся в контакте с упомянутыми скосами на дополнительных П-образных манжетах; как вариант исполнения, пакер снабжен несколькими уплотнительными элементами, взаимодействующими между собой торцами посредством цилиндрического центратора, помещенного в кольцевые канавки на центрирующих кольцах; кольцевые канавки на центрирующих кольцах в сечении имеют форму трапеции, а сечение цилиндрических центраторов имеет форму неправильного шестиугольника; поверхностный слой внутренних сторон эластичных цилиндрических оболочек, примыкающих к передаточному звену, имеет модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичной цилиндрической оболочки; материал для изготовления частей уплотнительного элемента подбирается с увеличением твердости, например, твердость эластичных цилиндрических оболочек меньше твердости материала дополнительных П-образных манжет, но больше твердости материала передаточного звена, и отношение их твердости определяется параметрами проведения работ на той или иной скважине, а центрирующие кольца изготавливаются из резиноткани или полимерного материала.

На фиг.1 изображен пакер в разрезе при спуске в скважину; на фиг.2 - то же, с двумя уплотнительными элементами; на фиг.3 - уплотнительный элемент в разрезе; на фиг.4 - выноска I из фиг.3; на фиг.5 - схема действия пакера в скважине; на фиг.6 - фрагмент уплотнительного элемента в момент герметизации скважины.

Пакер содержит корпус 1 (фиг.1) с буртом в нижней части, на который (с посадкой на корпус) установлен нижний (ниппельный) упор 2. В верхней части корпуса на резьбе посажен верхний (муфтовый) упор 3. Между упорами 2 и 3, посредством двух цилиндрических центраторов 4, на корпус 1 посажен уплотнительный элемент 5. Нижний упор 2 имеет наружную резьбу, на которую навернут переводник 6, заканчивающийся конической (насосно-компрессорной) резьбой для связи с продолжением насосно-компрессорной трубы. Верхний упор 3 имеет внутреннюю коническую (насосно-компрессорную) резьбу для связи с насосно-компрессорной трубой (колонной). В варианте исполнения с двумя уплотнительными элементами 5 (фиг. 2) корпус 1 имеет пропорционально увеличенную длину, а торцы уплотнительных элементов взаимодействуют между собой посредством цилиндрических центраторов 4, аналогичных центраторам, взаимодействующим с упорами 2 и 3 (фиг.1 и 2). Оба варианта пакера - с одним и двумя уплотнительньми элементами 5 - максимально унифицированы между собой, отличием является лишь длина корпуса 1. Возможны варианты с тремя и четырьмя уплотнительными элементами 5 - каждый со своим корпусом 1.

Оба варианта пакера (фиг.1 и 2) в нерабочем состоянии размещены в скважине в обсадной трубе 7 с определенньм зазором.

Уплотнительный элемент 5 (фиг. 3 и 4) выполнен из двух концентрично расположенных с зазором эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9, каждая из которых по торцам снабжена двумя соответствующими противоположно расположенными дополнительными П-образными манжетами 10 и 11 с кольцевой полостью. В этих полостях размещены торцы эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9. На уплотнительном элементе 5 предусмотрены разделительные кольца, выполненные в виде закрепленных на торцах обеих оболочек 8 и 9 центрирующих колец 12 с утопающим между оболочками выступом 13. На противолежащих сторонах колец выполнены кольцевые канавки 14, взаимодействующие с цилиндрическими центраторами 4. В зазор между оболочками 8 и 9 помещено передаточное звено 15 из эластичного материала твердостью меньшей, чем твердость оболочек 8 и 9. Наружные (по отношению к толщине уплотнительного элемента) лепестки 16 и 17 П-образных манжет 10, 11 сопряжены со своими поперечинами 18 и 19 перемычками. Длина внешних лепестков 16, 17 больше длины внутренних лепестков 20 и 21. На поперечинах 18, 19 выполнены скосы 22 и 23, направленные в сторону передаточного звена 15. Кольцевые канавки 14 на центрирующих кольцах 12 в сечении имеют форму трапеции, а сечение цилиндрических центраторов 4 имеет форму неправильного шестиугольника.

Центрирующие кольца 12 выполнены из эластичного материала более высокой твердости по сравнению с материалом П-образных манжет 10 и 11, при этом кольцевые выступы 13 центрирующих колец находятся в контакте со скосами 22 и 23 на манжетах 10, 11. Твердость эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9 меньше твердости материала манжет 10, 11, но больше твердости материала передаточного звена 15, и определяется параметрами проведения работ на той или иной скважине. Цилиндрические центраторы 4 могут быть выполнены из эластичного полимерного материала, твердость которого несколько больше по сравнению с материалом центрирующих колец 12. Дополнительно к этому поверхностный слой глубиной 1,5-2,0 мм наружной 24 и внутренней 25 сторон уплотнительного элемента имеют модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9. В данном варианте исполнения поверхностный слой внутренних сторон 26 и 27 оболочек 8, 9, примыкающих к передаточному звену 15, также имеет модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9. Это достигается за счет диффузионной поверхностной модификации оболочек 8 и 9 до их сборки в уплотнительный элемент. После модификации резины, кроме повышения модуля упругости (и твердости) поверхностного слоя, достигается снижение коэффициента трения примерно в 2 раза. При сборке уплотнительного элемента передаточное звено 15 свободно располагается между оболочками 8, 9 и центрирующими кольцами 12 без приклеивания и вулканизации.

Пакер работает следующим образом.

При опускании устройства в скважину наружная поверхность эластичной цилиндрической оболочки 8 уплотнительного элемента 5 более надежно предохраняется от повреждений за счет упрочнения (со снижением коэффициента трения) поверхностного слоя наружной стороны 24. При воздействии на устройство веса насосно-компрессорной трубы 28 (фиг.5) и, при необходимости, других известных средств, усилие F на деформацию уплотнительного элемента 5 существенно уменьшается, снижается и энергоемкость процесса. Это достигается за счет того, что уплотнительный элемент 5 выполнен многослойным (в нашем варианте - трехслойным) - из двух эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9 и передаточного звена 15, размещенного между ними (на поперечную деформацию монолитного уплотнительного элемента такой толщины необходимо затратить усилие в 5-8 раз больше по сравнению с предложенным многослойным элементом). При продольном сжатии и поперечной деформации уплотнительного элемента 5 сводится до минимума внутреннее трение связанных между собой структур резины, поскольку происходит рациональная (с точки зрения энергоемкости) и независимая объемная деформация каждой эластичной цилиндрической оболочки 8 и 9, при этом передаточное звено 15 "перетекает" в замкнутом кольцевом зазоре, принимая форму, обусловленную примерно одинаковыми (равномерно распределенными) внешними нагрузками. Этот процесс сопровождается проскальзыванием эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9 относительно передаточного звена 15 и проскальзыванием всего уплотнительного элемента 5 относительно корпуса 1 и обсадной трубы 7. Дополнительному снижению сил трения и энергоемкости процесса способствует модификация резиновой поверхности в парах трения: обсадная труба 7 - оболочка 8, оболочка 8 - передаточное звено 15, передаточное звено 15 - оболочка 9, оболочка 9 - корпус 1.

При воздействии силы F на пакер, связанное с ним продолжение (конец) насосно-компрессорной трубы 29 (фиг.5) упирается в дно скважины. На уплотнительный элемент 5 действуют нагрузки: сверху - со стороны насосно-компрессорной трубы 28 и верхнего упора 3, снизу - со стороны упирающегося в дно скважины конца насосно-компрессорной трубы 29, переводника 6 и нижнего упора 2. По этой причине теряется контакт между буртом корпуса 1 и нижним упором 2, и уплотнительный элемент 5 находится в динамическом равновесии под действием силы F, давления Р (разрыва пласта) снизу и гидростатического давления Р₀ (бурового раствора в смеси водно-нефтяной эмульсией) сверху. Давление Р подводится снизу к деформированному (раздавленному) уплотнительному элементу 5. Последний должен обеспечивать герметизацию затрубного пространства между упорами 2, 3 и обсадной трубой 7, воспринимая давление Р-Р₀, где Р>>Р₀, при этом Р может достигать 100 и более МПа.

После сжатия уплотнительного элемента 5 (фиг.6) внутренняя эластичная цилиндрическая оболочка 9 прижимается к корпусу 1, а ее внешняя сторона 27, примыкает к передаточному звену 15, становится бочкообразной. Наружная эластичная цилиндрическая оболочка 8 принимает определенную бочкообразность по внутренней стороне 26 и существенно выгибается на внешней стороне 24, прижимаясь широким кольцевым участком к обсадной трубе 7. Вследствие этого высота уплотнительного элемента уменьшается. В этой ситуации передаточное звено 15 занимает равновесное состояние. Цилиндрические центраторы 4, имеющие форму неправильного шестиугольника, плотно обжимают кольцевые трапециевидные канавки 14 и прижимают (с торцов уплотнительного элемента) центрирующие кольца 12 к поперечинам 18 и 19 П-образных манжет 10 и 11, воздействуя на эластичные цилиндрические оболочки 8 и 9. Этому способствуют и уменьшающаяся твердость эластичного материала от центраторов 4 к кольцам 12, от колец 12 к П-образным манжетам 10 и 11, а от последних - к эластичным цилиндрическим оболочкам 8 и 9. Наличие перемычек между лепестками 16 и поперечинами 18 П-образных манжет 10 позволяют выгибаться самим лепесткам 16 и выгибаться эластичной цилиндрической оболочке 9, увеличивая ширину активного кольцевого участка, взаимодействующего с обсадной трубой 7 и, вместе с тем, предотвращая выдавливание эластичной цилиндрической оболочки 8 в кольцевой зазор. Этому также способствует упрочненный поверхностный слой 24 эластичной цилиндрической оболочки 8. Лепестки 17 внутренних П-образных манжет 11 прижимаются к корпусу 1, увлекая за собой эластичную цилиндрическую оболочку 9. Этому процессу не препятствуют противолежащие лепестки 20 и 21 меньшей длины П-образных манжет 10 и 11.

При деформации всех составляющих уплотнительного элемента 5 и, прежде всего, эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9, сопровождающейся воздействием высокого давления, на определенных участках резины могут возникнуть критические контактные, сжимающие и другие напряжения. В традиционных конструкциях пакеров это зачастую приводит к выдавливанию резины в уплотняемый зазор и к разрывам перенапряженных участков. В нашем случае внешняя нагрузка уплотнительного элемента уменьшается и, как следствие, уменьшаются деформации и напряжения. Это достигается за счет податливости эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9, особого и дифференцированного распределения твердости различных эластичных деталей, поверхностного упрочнения эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9, независимой деформации эластичных цилиндрических оболочек 8 и 9, особой роли эластичного передаточного звена 15, резкого снижения внутреннего трения и сил трения в упомянутых парах трения. В итоге расширяются функциональные возможности пакера, достигается повышение герметизируемого скважинного давления на фоне снижения энергоемкости процесса.

Использование - техника бурения, обустройства и ремонта скважин. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение герметизируемого давления скважины при снижении энергоемкости процесса. Пакер содержит корпус с упорами, цилиндрические центраторы и уплотнительные элементы. Каждый уплотнительный элемент выполнен, по крайней мере, из двух концентрично расположенных с зазором эластичных цилиндрических оболочек. Они снабжены по торцам дополнительной П-образной манжетой с кольцевой полостью, в которой размещены торцы указанной эластичной цилиндрической оболочки так, что П-образные манжеты по образующей линии создают прямоугольную форму сечения стенки уплотнительного элемента. По основаниям манжет обеих оболочек закреплены разделительные кольца. Центрирующие кольца выполнены с утопающими между оболочками кольцевыми выступами, на противолежащих сторонах которых выполнены кольцевые канавки, взаимодействующие посредством цилиндрических центраторов с упорами корпуса. В зазор между оболочками помещено передаточное звено из эластичного материала. Поверхностный слой наружной и внутренней сторон уплотнительного элемента имеет более высокий модуль упругости, чем соответствующий показатель сердцевины эластичной цилиндрической оболочки. 6 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Пакер, содержащий корпус с упорами, цилиндрические центраторы и уплотнительные элементы, отличающийся тем, что каждый уплотнительный элемент выполнен, по крайней мере, из двух концентрично расположенных с зазором эластичных цилиндрических оболочек, каждая из которых снабжена по торцам дополнительной П-образной манжетой с кольцевой полостью, в которой размещены торцы указанной эластичной цилиндрической оболочки так, что П-образные манжеты по образующей линии создают прямоугольную форму сечения стенки уплотнительного элемента, по основаниям манжет обеих оболочек закреплены разделительные кольца, выполненные в виде центрирующих колец с утопающим между оболочками кольцевым выступом, на противолежащих сторонах которых выполнены кольцевые канавки, взаимодействующие посредством цилиндрических центраторов с упорами корпуса, в зазор между оболочками помещено передаточное звено из эластичного материала, при этом поверхностный слой наружной и внутренней сторон уплотнительного элемента имеет модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичной цилиндрической оболочки. 2. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что наружные лепестки П-образных манжет сопряжены со своими поперечинами перемычками, при этом на поперечинах выполнены скосы, направленные в сторону передаточного звена. 3. Пакер по п. 2, отличающийся тем, что центрирующие кольца выполнены из эластичного материала более высокой твердости по сравнению с материалом П-образных манжет, при этом кольцевые выступы колец находятся в контакте с упомянутыми скосами на дополнительных П-образных манжетах. 4. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что оно снабжено несколькими уплотнительными элементами, взаимодействующими между собой торцами посредством цилиндрического центратора, помещенного в кольцевые канавки на центрирующих кольцах. 5. Пакер по п. 1 или 4, отличающийся тем, что кольцевые канавки на центрирующих кольцах в сечении имеют форму трапеции, а сечение цилиндрических центраторов имеет форму неправильного шестиугольника. 6. Пакер по п. 1 или 4, отличающийся тем, что поверхностный слой внутренних сторон эластичных цилиндрических оболочек, примыкающих к передаточному звену, имеет модуль упругости, в 10-60 раз превышающий соответствующий показатель сердцевины эластичной цилиндрической оболочки. 7. Пакер по п. 1 или 3, или 4, отличающийся тем, что твердость эластичных цилиндрических оболочек меньше твердости материала П-образных манжет, но больше твердости материала передаточного звена, а центрирующие кольца изготавливаются из резиноткани или полимерного материала.