Пакер Российский патент 2004 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а конкретнее к бурению и эксплуатации скважин, и предназначено преимущественно в качестве пакеров, устанавливаемых на обсадных колоннах.

Известно устройство, предназначенное для пакерования насосно-компрессорных труб в нефтяных и газовых скважинах, содержащее корпус в виде трубы, резиновую оболочку с арматурой и устройство силового воздействия на оболочку для ее пакерования. В корпусе выполнены два канала, закрытые размещенными в насосно-компрессорных трубах съемными поршнями, один из которых выполнен в виде втулки с проходным отверстием, арматура выполнена в виде тонкостенного волнообразного каркаса с продольными прорезями, образующими упругие лепестки, резиновая оболочка выполнена в виде двухсторонней облицовки каркаса, в том числе в прорезях. Силовой привод выполнен в виде, соединенного с каркасом цилиндра с каналами для выхода в заколонное пространство, стаканом, установленным в зоне каналов, и поршнем со штоком. При этом цилиндр прикреплен к корпусу с условием предоставления степени свободы каркасу в осевом направлении при его деформациях от давления скважинной жидкости в заколонном пространстве и имеет возможность выхода внутрь насосно-компрессорных труб над поршнем для подачи жидкости с высоким давлением в резиновую оболочку и под штоком для сброса давления в резиновой оболочке (патент РФ №2177532, кл. Е 21 В 33 /12, 2000 г.).

Недостатками известного пакера является отсутствие защиты резиновой оболочки от повреждений при спуске пакера в скважину, вследствие чего происходит повреждение резиновой оболочки каркаса; отсутствие центровки пакера не позволяет обеспечить необходимой степени герметизации пластов, особенно в наклонных и горизонтальных скважинах: сложность процессов пакерования и распакерования, требующих проведения спускоподъемных операций с использованием ловителя и захвата.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является пакер, устанавливаемый на колонне обсадных труб, включающий корпус в виде цилиндрической трубы с центральным и впускным каналами, уплотнительный элемент и размещенную на корпусе металлическую оболочку, образующую с его наружной стенкой гидравлическую камеру, сообщенную впускным каналом, перекрытым обратным клапаном, с центральным каналом корпуса. При этом оболочка выполнена продольно-гофрированной, а уплотнительный элемент размещен снаружи ее средней части, причем концевые участки оболочки, примыкающие к уплотнительному элементу, выполнены с диаметрами описанных вокруг них окружностей, большими по сравнению со средней ее частью на величину, обеспечивающую предотвращение трения этого элемента о стенки при спуске пакера в скважину, а периметр их после выправления гофр оболочки изнутри давлением равен периметру скважины в месте установки пакера (патент РФ №2143053, кл. Е 21 В 33/12).

Недостатком известного пакера является ненадежность его работы, поскольку при наличии выступов на поверхности стенки скважины жесткая металлическая продольно-гофрированная оболочка с размещенным на ней уплотнительным элементом после распрямления не способна обеспечить надежную герметизацию пластов, так как уплотнение будет происходить лишь в местах расположения выступов и не обеспечиваться в равной степени на остальной ровной поверхности контакта и, особенно, в местах расположения каверн в стенке скважины. Наличие частиц в скважинной жидкости, находящейся в зазоре между уплотнительным элементом и стенкой скважины, является источником образования локальных выступов на поверхности скважины, препятствующими надежной герметизации. Кроме того, поскольку пакер при спуске в скважину представляет собой своеобразный негерметичный поршень, частицы породы будут собираться перед ним или осаждаться на него сверху, проникая в зазоры между стенкой скважины и концевыми секциями оболочки, еще более затрудняя его надежную герметизацию.

Пакер имеет ограниченный ресурс и допускает лишь одноразовое применение, так как под действием давления, создаваемого внутри оболочки, жесткая оболочка распрямляется и принимает размер, близкий к периметру скважины, а поскольку после сброса давления, из-за жесткости оболочки размер ее сохранится, при подъеме пакера он неизбежно повредится вследствие взаимодействия со стенками скважины.

Цель изобретения - повышение надежности работы пакера за счет улучшения его герметизации.

Целью также является обеспечение распакерования скважины после завершения работы с возвращением оболочки в транспортное состояние, что позволит повысить ресурс работы пакера.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном пакере, устанавливаемом на колонне обсадных труб в скважине, включающем корпус в виде цилиндрической трубы с центральным и впускным каналами и размещенную на корпусе оболочку, сообщающуюся с впускным каналом, перекрытым обратным клапаном, с центральным каналом, в отличие от прототипа, оболочка выполнена из слоя растяжимого упругого материала, центральная часть оболочки выполнена в виде призмы, боковые поверхности которой снабжены наружным слоем, выполненным из высокоэластичного материала с толщиной, превышающей размеры неровностей, имеющихся на поверхности скважины, при этом периметры поперечного сечения центральной части оболочки в транспортном и расправленном состояниях равны, а концевые участки оболочки выполнены в виде усеченных конусов, внутри оболочки установлено с возможностью взаимодействия с ней средство для обеспечения создания равномерного давления жидкости, воздействующего на оболочку, в верхней и нижней частях корпуса закреплены конические перфорированные кожухи с условием перекрытия концевых участков оболочки для обеспечения предотвращения трения оболочки о стенки скважины при спуске и подъеме пакера в скважине и для перекрытия поперечного сечения скважины в месте установки пакера при подаче жидкости под давлением внутрь оболочки и с условием предоставления степени свободы оболочке в осевом направлении при ее деформациях от давления скважинной жидкости в заколонном пространстве и, при этом корпус снабжен перекрытыми обратными клапанами, регулирующими каналами, посредством которых заколонное пространство над и под пакером сообщено с внутренним объемом оболочки.

Отличается пакер и тем, что вдоль образующих цилиндрического корпуса размещены опорные элементы, на которых закреплено средство создания равномерного давления, воздействующего на оболочку, выполненное в виде жестких перфорированных пластин, скрепленных между собой, с получением выпуклой формы пластин, каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси корпуса.

Кроме того, корпус пакера снабжен выпускным каналом и внутри него размещен кольцевой выступ, на котором установлен съемный поршень, выполненный в виде втулки с проходным осевым отверстием.

Отличается пакер и тем, что впускной, выпускной, регулирующие каналы и обратные клапаны установлены напротив опорных элементов и число их равно числу граней центральной части оболочки.

Выполнение оболочки в виде призмы в центральной части и концевыми участками в виде усеченных конусов позволяет уменьшить ее поперечное сечение в транспортном положении, и предохраняет от взаимодействия со стенками скважин при спуске и подъеме пакера.

Выполнение боковых поверхностей центральной части оболочки в двухслойном виде, при создании внутри нее заданного рабочего давления, обеспечивает заполнение всех каверн, имеющихся на поверхности скважины, высокоэластичным наружным слоем оболочки (выполненным, например, из "мягких" сортов эластомеров на основе резины или полиуретана) и внедрение в него всех выступов, имеющихся на поверхности скважины, а также позволит разделить функциональное назначение каждого из слоев - наружный герметизирует, внутренний слой, выполненный из растяжимого упругого материала (например, из "жестких" сортов резины или полиуретана) обеспечивает создание силы, необходимой для прижатия оболочки к стенке скважины, что улучшает герметизацию пакера. При изготовлении внешний и внутренний слои центральной части оболочки "сварены" между собой путем полимеризации, что обеспечивает герметичность их соединения.

Условие равенства периметров поперечного сечения центральной части оболочки в транспортном и расправленном состояниях позволяет уменьшить возникающие в оболочке упругие деформации, повысив ее циклическую прочность и долговечность, то есть позволяет увеличить ресурс работы оболочки пакера.

Наличие средства, обеспечивающего равномерное распределение давления, воздействующего на оболочку, в виде, например, жестких перфорированных пластин, скрепленных между собой и закрепленных на опорных элементах, размещенных вдоль образующих цилиндрического корпуса, и симметрично выгнутых выпуклостью в сторону оси корпуса пакера позволяет обеспечить примерное равенство периметра центральной призматической части оболочки в транспортном и рабочем состояниях, предотвратит складкообразование оболочки в процессе ее работы, а наличие перфораций пластин обеспечит равномерную подачу жидкости по всей внутренней поверхности оболочки, обеспечивая равномерное прижатие оболочки к стенке скважины по всей центральной части пакера, что повышает его ресурс работы.

Наличие конических перфорированных кожухов обеспечивает центровку пакера по оси скважины и защиту оболочки пакера от повреждений при спуске пакера в скважину, и не препятствует частицам породы, находящейся в заколонном пространстве, осаждаться или всплывать сквозь пакер в транспортном положении, предупреждает их накопление на защитных кожухах. В соответствии с этим, размер перфораций и зазор между кожухом и стенкой скважины должен быть равен максимальному размеру твердых частиц породы, находящейся в скважинной жидкости. В рабочем состоянии, под воздействием расширившийся под давлением конической части оболочки, в пределах зоны упругих деформаций, кожуха перекроют зазор со стенкой скважины, что также повысит степень герметичности пакера.

Предоставление степени свободы оболочке в осевом направлении относительно кожухов обеспечивает в ней создание деформаций, которые соответствуют перепадам давления внутри оболочки и давлениям в скважинной жидкости над и под пакером, жестко не связанных друг с другом, что препятствует возникновению дополнительных напряжений в оболочке, повышая ресурс работы пакера.

Наличие регулирующих каналов, перекрытых обратными клапанами, соединяющих внутренний объем оболочки с заколонным пространством, позволяет автоматически повышать давление внутри оболочки при возрастании давления в заколонном пространстве, над или под пакером за счет поступления жидкости из зоны повышенного давления заколонной жидкости внутрь оболочки, что также повышает надежность герметизации пакера.

Наличие выпускного канала со съемным поршнем позволяет провести распакерование скважины после завершения работы с возвращением оболочки в исходное транспортное состояние.

Установка впускного, выпускного и регулирующего каналов и обратных клапанов напротив опорных элементов, в местах с наибольшим проходным сечением, препятствует образованию струй непосредственно воздействующих на оболочку, а обеспечивает равномерное воздействие жидкости на нее, что повышает ресурс работы пакера.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 показан предлагаемый пакер в транспортном положении; на фиг.2 - сечение А - А на фиг.1 в случае выполнения центральной части оболочки в виде четырехгранной призмы; на фиг.3 - пакер после установки его в скважине; на фиг.4 - сечение А - А на фиг.1 в случае выполнения центральной части оболочки в виде трехгранной призмы.

Пакер (см. фиг.1) содержит корпус 1 в виде отрезка обсадной цилиндрической трубы с резьбами 2 по концам для соединения с обсадной колонной (на фиг.1 не показана), центральным 3 и впускным 4 каналами, последний из которых перекрыт обратным клапаном 5, выпускным каналом 6 и съемным поршнем 7, выполненным в виде втулки с осевым проходным отверстием 8, опирающимся на кольцевой выступ 9. На корпусе 1 размещена оболочка 10, выполненная из слоя растяжимого упругого материала (например из "жестких" сортов резины или полиуретана), центральная часть оболочки представляет собой призму, боковые поверхности которой снабжены наружным слоем 11, выполненным из высокоэластичного материала (например из "мягких" сортов резины или полиуретана) с толщиной, превышающей размеры неровностей, имеющихся на поверхности скважины 12. Концевые участки оболочки 10 выполнены в виде усеченных конусов 13. На корпусе 1 закреплены верхний и нижний конические перфорированные кожуха 14, перекрывающие концевые участки оболочки 10 - усеченные конусы 13. Диаметр окружности, описанной вокруг призмы (центральной части оболочки), на 2-4 мм меньше диаметра кожухов 14. Внутри оболочки установлено средство 15, обеспечивающее равномерное распределение давления жидкости, воздействующего на оболочку 10 изнутри.

Вдоль образующих цилиндрического корпуса 1 размещены опорные элементы 16 (см. фиг.2 и 4), на которых закреплено средство 15. Средство 15 выполнено в качестве примера в виде жестких перфорированных пластин 17, скрепленных между собой, с получением выпуклой формы пластин, при этом каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси корпуса 1.

Корпус 1 снабжен также перекрытыми обратными клапанами 18 регулирующими каналами 19, посредством которых заколонное пространство 20 над и под пакером сообщено с внутренним объемом оболочки 10.

В исходном, транспортном положении поперечное сечение центральной части оболочки показано на фиг.2 позицией 21, а в рабочем состоянии - позицией 22. Верхний и нижний конические кожуха 14 закреплены на корпусе 1 с помощью упругого элемента 23. Верхний и нижний конуса 13 закреплены на корпусе 1, например, с помощью крышки 24.

Пакер работает следующим образом.

С помощью резьб 2 пакер устанавливается на определенном участке обсадной колонны (на фиг.1 и 2 не показана), соответствующем заданному месту изоляции пластов, и спускают на ней в скважину 12. При этом низ обсадной колонны заглушают башмаком с шаровым клапаном (на фиг.1 и 3 не показан).

Поскольку наибольший поперечный размер оболочки 10 меньше диаметра конических перфорированных кожухов 14, они защищают оболочку от повреждения и центрируют пакер в процессе его спуска и, благодаря наличию перфораций соответствующего размера и малой площади поперечного сечения оболочки в транспортном состоянии, пропускают сквозь пакер твердые частицы, содержащие в скважинной жидкости, препятствуя накоплению частиц породы (механических примесей) как на внешних сторонах кожухов 14, так и, что особенно важно, в зазоре между оболочкой 10 и поверхностью скважины 12.

По достижении пакером заданного участка его установки, в обсадной колонне закачкой жидкости создается заданное давление во внутренней полости корпуса 1, которое через впускной канал 4 и обратный клапан 5, вместе с поступающей жидкостью, распространяется в оболочку 10, расправляя ее призматическую и конические части, до прижатия ее центральной части к стенке скважины 12, которая принимает позицию 21 (см. фиг.2), а конических участков к внутренней поверхности конических кожухов 14 (см. фиг.3). В результате этого воздействия за счет того, что центральная часть оболочки выполнена двухслойной, происходит надежная герметизация, поскольку существующие каверны на поверхности скважины 12 заполняются наружным высокоэластичным слоем оболочки 11, имеющиеся выступы и отдельные частицы механических примесей плотно облегаются этим же слоем, а необходимая степень прижатия осуществляется за счет наличия упругого внутреннего слоя оболочки 10 и передаваемого через него давления на стенку скважины. Одновременно, за счет воздействия оболочки на внутреннюю сторону кожухов 14, последние расправляются, поворачиваясь при помощи упругого элемента 23 в пределах его зоны упругости, перекрывают зазор между кромкой кожуха 14 и стенкой скважины 12, препятствуют затеканию оболочки за пределы кожухов 14, что способствует более надежной изоляции пластов. При распакеровании, после сброса избыточного давления, в скважину на кабеле опускается захват и поднимается на поверхность поршень 7. Поршень 7 перестает перекрывать канал 6, соединяющий полость оболочки с внутренним объемом обсадной трубы, при этом жидкость из внутреннего объема оболочки поступает внутрь корпуса 1 (трубы) и далее в обсадную трубу (не показана) и давление жидкости внутри оболочки снижается до уровня давления жидкости в обсадной трубе. Под действием давления жидкости в заколонном пространстве 20 пакер складывается, принимая форму, отвечающую транспортному положению 21. После этого пакер может быть извлечен из скважины вместе с обсадной колонной.

В случае если после установки пакера, возрастает давление в заколонном пространстве 20 и возникает опасность образования протечек сквозь уплотнение, жидкость из той зоны заколонного пространства, в которой возросло давление, по связанному с этой зоной регулирующему каналу 19 и обратному клапану 18, поступает во внутренний объем оболочки 10, повышая в ней давление до уровня максимального значения в заколонном пространстве, с точностью до перепада давления на обратном клапане, примерно ниже на 0,1 МПа.

При определении конструктивных размеров основных элементов пакера необходимо руководствоваться следующим. Периметр поперечного сечения центральной части оболочки в транспортном и расправленном (принявшей цилиндрическую форму) состояниях должны быть равны, а поперечное сечение оболочки в транспортном состоянии минимально. В рабочем состоянии, за счет давления внутри оболочки защитные кожуха, в рамках зоны упругой деформации, должны раскрываться полностью перекрыв зазор между пакером и стенкой скважины, одновременно центруя последний. Длина центральной части пакера определяется из условия, что ожидаемый перепад давления, действующий на пакер, должен быть меньше силы трения покоя герметизирующей поверхности пакера.

На фиг.4 показано исполнение пакера в случае трехгранной призмы, обеспечивающей минимальное поперечное сечение пакера в транспортном положении. В этом случае средство, обеспечивающее равномерное распределение давления внутри оболочки, принимает форму скрепленных между собой радиально направленных пластин, закрепленных на опорных элементах.

Предложенный пакер обеспечивает надежную герметизацию, может многократно использоваться, прост в эксплуатации.

Предложенный пакер, с центральной частью оболочки в виде трехгранной призмы, будет изготовлен и испытан в ГУП НПО "Гидротрубопровод".

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к бурению и эксплуатации скважин, и предназначено преимущественно в качестве пакеров, устанавливаемых на обсадных колоннах. Технический результат - повышение ресурса работы пакера. Пакер, устанавливаемый на колонне обсадных труб в скважине, включает корпус в виде цилиндрической трубы с центральным и впускным каналами и размещенную на корпусе оболочку, сообщающуюся с впускным каналом, перекрытым обратным клапаном, с центральным каналом. Оболочка выполнена из слоя растяжимого упругого материала, центральная часть оболочки выполнена в виде призмы, боковые поверхности которой снабжены наружным слоем, выполненным из высокоэластичного материала с толщиной, превышающей размеры неровностей, имеющихся на поверхности скважины. Периметры поперечного сечения центральной части оболочки в транспортном и распрямленном состояниях равны. Концевые участки оболочки выполнены в виде усеченных конусов, внутри оболочки установлено с возможностью взаимодействия с ней средство для обеспечения создания равномерного давления жидкости, воздействующего на оболочку. В верхней и нижней частях корпуса закреплены конические перфорированные кожухи с условием перекрытия концевых участков оболочки для обеспечения предотвращения трения оболочки о стенки скважины при спуске и подъеме пакера в скважине и для перекрытия поперечного сечения скважины в месте установки пакера при подаче жидкости под давлением внутрь оболочки и с условием предоставления степени свободы оболочке в осевом направлении при ее деформациях от давления скважинной жидкости в заколонном пространстве. Корпус снабжен перекрытыми обратными клапанами, регулирующими каналами, посредством которых заколонное пространство над и под пакером сообщено с внутренним объемом оболочки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пакер, устанавливаемый на колонне обсадных труб в скважине, включающий корпус в виде цилиндрической трубы с центральным и впускным каналами и размещенную на корпусе оболочку, сообщающуюся с впускным каналом, перекрытым обратным клапаном, с центральным каналом, отличающийся тем, что оболочка выполнена из слоя растяжимого упругого материала, центральная часть оболочки выполнена в виде призмы, боковые поверхности которой снабжены наружным слоем, выполненным из высокоэластичного материала с толщиной, превышающей размеры неровностей, имеющихся на поверхности скважины, при этом периметры поперечного сечения центральной части оболочки в транспортном и расправленном состояниях равны, а концевые участки оболочки выполнены в виде усеченных конусов, внутри оболочки установлено с возможностью взаимодействия с ней средство для обеспечения создания равномерного давления жидкости, воздействующего на оболочку, в верхней и нижней частях корпуса закреплены конические перфорированные кожухи с условием перекрытия концевых участков оболочки для обеспечения предотвращения трения оболочки о стенки скважины при спуске и подъеме пакера в скважине и для перекрытия поперечного сечения скважины в месте установки пакера при подаче жидкости под давлением внутрь оболочки и с условием предоставления степени свободы оболочке в осевом направлении при ее деформациях от давления скважинной жидкости в заколонном пространстве, и при этом корпус снабжен перекрытыми обратными клапанами, регулирующими каналами, посредством которых заколонное пространство над и под пакером сообщено с внутренним объемом оболочки.2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что вдоль образующих цилиндрического корпуса размещены опорные элементы, на которых закреплено средство создания равномерного давления, воздействующего на оболочку, выполненное в виде жестких перфорированных пластин, скрепленных между собой, с получением выпуклой формы пластин, каждая пластина симметрично обращена своей выпуклостью в сторону оси корпуса.3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен выпускным каналом и внутри него размещен кольцевой выступ, на котором установлен съемный поршень, выполненный в виде втулки с проходным осевым отверстием.4. Пакер по п.3, отличающийся тем, что впускной, выпускной, регулирующие каналы и обратные клапаны установлены напротив опорных элементов и число их равно числу граней центральной части оболочки.