ПАКЕР Российский патент 2005 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам, применяемым при эксплуатации и ремонте скважин, а также для разобщения ствола скважин при проведении технологических операций по воздействию на пласт.

Известен интервальный пакер для разобщения ствола скважины при проведении технологических операций по воздействию на пласт, состоящий из верхнего и нижнего герметизирующих элементов со стволами и фиксатором сжатого положения герметизирующих элементов, установленного на колонне труб с муфтой на нижнем конце [1].

Колонна труб в верхней части связана с насосно-компрессорными трубами (НКТ) переходной муфтой. Клапанный механизм выполнен в виде ступенчатой втулки, установленной концентрично в перевернутом стакане, 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 патрубок связан с седлом. Седло выполнено с пересекающимися радиальными и аксиальными отверстиями. 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. Переходная муфта имеет жестко закрепленный на ней штифт, установленный в продольном пазу обечайки.

Недостатком пакера является узкая технологическая возможность его использования, так как он применяется только для разобщения полости межтрубного пространства при проведении технологических операций, и 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 клапана и заклинивается в нем. При подъеме и спуске НКТ ступенчатая втулка вращается, а вместе с ней по наклонному фигурному пазу опускается или поднимается этот консольный запорный элемент. При вращении ступенчатой втулки наклонно выполненные стенки паза, где размещен выступ запорного элемента, давят не только вертикально вниз или поднимают вверх поршень этого запорного элемента, но и изгибают в сторону вращения ступенчатой втулки, и поэтому в процессе открытия и закрытия клапана через несколько циклов пакеровки отверстие седла разбивается и затем происходит разгерметизация данного пакера.

Несмотря на сложность конструкции фиксирующего узла манжетных уплотнителей [выполненного в виде нажимной втулки с внутренним выступом в конце ее, и размещенной концентрично подвижной втулки с собачкой с возможностью скольжения ее относительно корпуса, при этом она (втулка с собачкой) выполнена с прорезями в виде цанги и концевыми внутренними буртами (зубцами) с возможностью захвата ими за наклонные стенки канавки наружной трубы], у него недостаточно надежная фиксация из-за проскальзывания втулки с собачкой (внутренних концевых буртиков) в момент зацепа за наклонные канавки корпуса и, как следствие, разгерметизация пакерующего узла. Кроме того, ограничена его область применения из-за невозможности использования в других технологических процессах без дополнительных запорных органов.

Задачей данного изобретения является расширение технологических возможностей пакера, а именно повышение надежности фиксации герметизирующего узла при одновременном увеличении надежности герметизации межтрубного пространства и упрощение конструкции в целом.

Поставленная задача решается тем, что в известном пакере, содержащем корпус, выполненный в виде трубы, на котором размещены фиксирующие элементы манжетных уплотнителей и манжетные уплотнители, седло под сбрасываемый с поверхности запорный орган, кожух, верхний и нижний фиксирующие элементы, выполненные в виде заякоривающих узлов, наклонные канавки, выполненные на наружной поверхности корпуса, верхнюю конусную втулку, жестко связанную с нажимной втулкой, нижнюю конусную втулку, выполненную жестко с корпусом, направляющую этой конусной втулки, выполненную в виде пластинчатой пружины, размещенной нижним концом подвижно в направляющей канавке в нижней части плашки с зубцами, а другим концом прикрепленной жестко на большом диаметре этой конусной втулки, вспомогательную трубку, размещенную внутри корпуса, при этом заякоривающие узлы, выполненные в виде плашек с зубцами, размещены на направляющих втулках и расположены в верхней и нижней частях концентрично корпусу на конусных частях втулок, причем верхние плашки с зубцами и малым диаметром верхней конусной втулки выполнены направленными вверх, а нижние плашки с зубцами и малым диаметром нижней конусной втулки выполнены направленными вниз, причем манжетные уплотнители с ограничительными шайбами размещены между торцами нажимной и нижней конусной втулки, а седло под сбрасываемый с поверхности запорный орган установлено жестко к торцу верхней конусной втулки, при этом пакер в нижней части снабжен обратным клапаном, размещенным внутри расточки корпуса, одновременно являющимся и корпусом клапана, причем против седла клапана на одной оси установлена ступенчатая запорная втулка с возможностью скольжения внутри расточки корпуса с ограниченным ходом для перекрытия радиальных пазов, выполненных в корпусе, которая, в свою очередь, соединена жестко с вспомогательной трубкой посредством срезного штифта, а между ступенчатой запорной втулкой и седлом помещена отжимная пружина, при этом фиксирующие элементы манжетных уплотнителей выполнены в виде гребенки с внутренними зубцами и наружными конусными образующими в носовой части со стороны манжетных уплотнителей, и они охвачены внутренней конусной частью нажимной втулки, в свою очередь, жестко связанной с верхней конусной втулкой, а с другой стороны гребенки с внутренними зубцами, расположенными скользяще-подвижно в радиальных пазах направляющей втулки, размещенной между торцами верхней конусной втулки и внутренней конусной части нажимной втулки с возможностью зацепления гребенки за наклонные стенки канавки корпуса и взаимодействия со всеми элементами этого узла.

Поставленная задача также решается тем, что геофизическая головка в верхней части соединена жестко с корпусом при помощи срезного штифта и вспомогательной трубкой при помощи винта, при этом винт прикреплен к вспомогательной трубке жестко, а с геофизической головкой он соединен подвижно по оси.

В транспортном положении верхняя конусная втулка и кожух жестко связаны при помощи срезных штифтов со вспомогательной трубкой, а корпус, установленный подвижно между ними, имеет сквозные продольные радиальные пазы против этих срезных штифтов.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в сравнении с прототипом являются:

- пакер в нижней части снабжен обратным клапаном, размещенным внутри расточки корпуса, одновременно являющимся и корпусом клапана, причем против седла клапана на одной оси установлена ступенчатая запорная втулка с возможностью скольжения внутри расточки корпуса с ограниченным ходом для перекрытия радиальных пазов, выполненных в корпусе, которая, в свою очередь, соединена жестко со вспомогательной трубкой посредством срезного штифта, а между ступенчатой запорной втулкой и седлом помещена отжимная пружина;

- фиксирующие элементы манжетных уплотнений выполнены в виде гребенки с внутренними зубцами и наружными конусными образующими в носовой части, со стороны манжетных уплотнений, и они охвачены внутренней конусной частью нажимной втулки, в свою очередь, жестко связанной с верхней конусной втулкой, а с другой стороны гребенки с внутренними зубцами, расположенными скользяще-подвижно в радиальных пазах направляющей втулки, размещенной между торцами верхней конусной втулки и внутренней конусной части нажимной втулки с возможностью зацепления внутренними зубцами гребенки за наклонные стенки канавки корпуса и взаимодействия со всеми элементами этого узла.

Такое выполнение конструкции пакера в сравнении с прототипом позволит повысить надежность фиксации и тем самым увеличит надежность герметизации межтрубного пространства, а также расширит технологические возможности и область его применения при одновременном упрощении конструкции в целом.

Вышеприведенные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и в совокупности с известными позволяют решить задачу, поставленную изобретением, и в связи с этим считаем заявленные существенные отличительные признаки “Новыми”.

На заявленное изобретение выполнены рабочие чертежи и изготовлен опытный образец, который прошел успешное испытание на Вуктыльском газоконденсатном месторождении. Может быть легко изготовлен в условиях мастерских промысла. В связи с этим считаем, что изобретение соответствует критерию “Промышленная применимость”.

Заявляемое изобретение не является очевидным для специалиста в данной области и в связи с этим соответствует “Изобретательскому уровню”.

На фиг.1 представлен пакер, спускаемый на канате в скважину в транспортном положении; фиг.2 - после извлечения вспомогательной трубки, рабочее положение; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2.

Пакер состоит из корпуса 1, выполненного в виде трубы, на котором размещены манжетные уплотнители 2 с ограничительными шайбами 3, седла 4 под сбрасываемый с поверхности запорный орган, кожуха 5, верхнего и нижнего фиксирующих элементов, выполненных в виде заякоривающих узлов, верхней конусной втулки 6, жестко связанной с нажимной втулкой 7 и подвижно с корпусом 1, нижнюю конусную втулку 8, выполненную жестко с корпусом 1, направляющую 9 этой конусной втулки, выполненной в виде пластинчатой пружины, размещенной нижним концом подвижно в направляющей канавке 10 в нижней части нижней плашки 11 с зубцами (см. фиг.5), а другим концом прикрепленной жестко на большом диаметре этой конусной втулки 8, вспомогательной трубки 12, размещенной внутри корпуса 1.

Заякоривающие узлы, выполненные в виде плашек с зубцами, размещены на направляющих втулках и расположены в верхней и нижней частях концентрично корпусу, причем верхние плашки 13 с зубцами и малым диаметром верхней конусной втулки 6 выполнены направленными вверх, а нижние плашки 11с зубцами и малым диаметром нижней конусной втулки 8 выполнены направленными вниз.

Манжетные уплотнители 2 с ограничительными шайбами 3 размещены между торцами нажимной 7 и нижней конусной втулкой 8. Седло 4 под сбрасываемый с поверхности запорный орган (шарик, пробка) установлено к торцу верхней конусной втулки 6.

Пакер в нижней части снабжен обратным клапаном 14, размещенным внутри расточки 15 корпуса 1, одновременно являющимся и корпусом клапана. Против седла 16 клапана 14 на одной оси установлена ступенчатая запорная втулка 17 с возможностью скольжения внутри расточки 15 корпуса 1 с ограниченным ходом и возможностью перекрытия радиальных пазов, выполненных в корпусе, которая соединена жестко с вспомогательной трубкой 12 посредством срезного штифта 18. Между ступенчатой запорной втулкой 17 и седлом 16 помещена отжимная пружина 19. Седло 16 в расточке корпуса закреплено при помощи переводного штуцера 20.

Фиксирующие элементы манжетных уплотнителей выполнены в виде гребенки 21 с внутренними зубцами 22 и наружными конусными образующими 23 в носовой ее части, со стороны манжетных уплотнителей 2 они охвачены внутренней конусной частью 24 нажимной втулки 7, в свою очередь, жестко связанной с верхней конусной втулкой 6, а с другой стороны гребенки 21 с внутренними зубцами 22, расположенными скользяще-подвижно в радиальных пазах 25 направляющей втулки 26, размещенной между торцами верхней конусной части 24 нажимной втулки 7 с возможностью зацепления внутренними зубцами 22 гребенки 21 за наклонные стенки канавки 27 корпуса 1 и взаимодействия со всеми элементами этого узла.

Внизу под нижней конусной втулкой 8 установлен кожух 5 с охватом внутренней расточкой 28 нижних плашек 11 с зубцами.

Геофизическая головка 29 в верхней части соединена с корпусом при помощи срезного штифта 30 и со вспомогательной трубкой 12 при помощи винта 31. Винт 31 прикреплен к вспомогательной трубке 12 жестко, а с геофизической головкой 29 он соединен подвижно по оси.

В транспортном положении верхняя конусная втулка 6 и кожух 5 жестко связаны при помощи срезных штифтов 32, 18 со вспомогательной трубкой 12, а корпус 1 установлен подвижно между ними и имеет сквозные продольные радиальные пазы 33, 34 против этих штифтов 32 и 18.

Срезные штифты 18, 30, 32 должны быть рассчитаны и установлены исходя из технологических условий.

После остановки спуска пакера на нужной глубине скважины и подъема с усилием, необходимым для сжатия уплотнительных манжет 2 на 20...25 мм с целью освобождения нижних плашек 11 с зубцами из-под кожуха 5, и предварительной фиксации в этом положении, и на этом уровне и после этого сначала должен срезаться верхний штифт 30, соединяющий геофизическую головку 2 с корпусом 1, а затем остальные срезные штифты 18 и 32, соединяющие верхнюю конусную втулку 6 и нижний кожух 5 со вспомогательной трубкой 12. Позиция 35 - насосно-компрессорные трубы (НКТ).

ПАКЕР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Пакер с хвостиком спускают в скважину до требуемой глубины на кабеле за геофизическую головку 29 (хвостик условно не показан). По окончании спуска верхние плашки 13 с зубцами входят в зацепление со стенкой насосно-компрессорных труб 35. После чего кабель натягивают вверх на 20...25 мм за геофизическую головку 29, соединенную с корпусом 1 с усилием, необходимым для сжатия манжетных уплотнителей 2 и выхода нижних плашек 11 с зубцами из-под кожуха 26. После этого нижние плашки 11 с зубцами прижимаются к внутренней стенке НКТ, манжетные уплотнители 2 сжимаются на необходимую величину и герметизируют кольцевое пространство между корпусом пакера 1 и внутренней стенкой НКТ, а седло 4, верхняя конусная втулка 6, нажимная втулка 7, гребенка 21 с внутренними зубцами 22, направляющая втулка 26, кожух 5, винт 31 со вспомогательной трубкой 12 остаются на месте. При этом приподнимаются геофизическая головка 29 с корпусом 1, нижняя конусная втулка 8 и установленные на ней нижние плашки 11 с зубцами. После чего нижние плашки 11 с зубцами выходят из-под неподвижного кожуха 5 и пластинчатые направляющие пружины 9 прижимают их к стенке НКТ. При этом происходит зацепление нижними плашками 11 с зубцами с внутренней поверхностью НКТ, что предотвратит от падения пакера с хвостиком на забой скважины. Одновременно с этим также входят в зацепление гребенки 21 с внутренними зубцами 22 с канавкой 27 с корпусом 1. При этом происходит фиксация манжетных уплотнителей 2 в сжатом положении.

При дальнейшем увеличении усилия на кабеле выше расчетного срезается сначала основной срезной штифт 30, а затем последовательно срезаются 32 и 18. После чего геофизическая головка 29, вспомогательная стопорная трубка 12 с винтом 31 извлекаются на поверхность. Но при этом при продолжении подъема вспомогательной стопорной трубки 12 вместе с ней приподнимается ступенчатая запорная втулка 17, связанная с ней при помощи того же штифта 18, которая (ступенчатая запорная втулка 17), дойдя до буртика нижней расточки 15 корпуса 1, останавливается, заняв верхнее (по схеме) положение и перекрыв технологические щели 34 корпуса 1. Здесь штифт 18 окончательно срезается с внутренней стороны вспомогательной стопорной трубки 12. Таким образом, перекрываются технологические щели 34 корпуса 1 и ступенчатая стопорная втулка 17 фиксируется в этом положении при помощи отжимной пружины 19.

Обратный клапан (поз. 14, 16, 20), установленный на нижней части пакера, выполняет свою обычную функцию при совершении технологических операций.

После этого в скважину спускают на геофизическом кабеле пробку (запорный элемент), на фигуре не показано, опирающуюся на конусную поверхность седла 4, закрепленного жестко к торцу верхней конусной втулки 6. Затем в НКТ нагнетают рабочую жидкость под давлением, необходимым для полного раскрытия манжетных уплотнителей 2 для надежной герметизации межтрубного пространства. При этом происходит герметизация межтрубного пространства, окончательная фиксация манжетных уплотнителей 2 в сжатом положении и заякорирование нижними плашками с зубцами 11 о внутреннюю стенку НКТ от сползания вниз в скважину пакера с хвостиком.

После этих операций скважину пускают в работу. Подъем пакера с хвостиком осуществляется вместе с НКТ.

Предложенное изобретение позволяет использовать его при осуществлении следующих технологических операций:

- для образования камеры замещения в лифтовой колонне;

- для разобщения интервалов пласта;

- для добычи повышенного объема жидкости в нефтяных и газовых скважинах в условиях аномально низкого пластового давления;

- для обеспечения безопасных условий консервации и др.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1576685, кл. Е 21 В 33/112, опубл. 07.07.1990.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам, применяемым при эксплуатации и ремонте скважин, а также для разобщения ствола скважин при проведении технологических операций по воздействию на пласт. Повышает надежность фиксации герметизирующего узла при одновременном увеличении надежности герметизации межтрубного пространства. Пакер состоит из корпуса, выполненного в виде трубы, на котором размещены манжетные уплотнители с ограничительными шайбами, седла под сбрасываемый с поверхности запорный орган, кожух верхнего и нижнего фиксирующих элементов, выполненных в виде заякоривающих узлов, верхней конусной втулки, жестко связанной с нажимной втулкой и подвижно с корпусом, нижнюю конусную втулку, выполненную жестко с корпусом, направляющую этой конусной втулки, выполненной в виде пластинчатой пружины, размещенной нижним концом подвижно в направляющей канавке в нижней части нижней плашки с зубцами, а другим концом прикрепленной жестко на большом диаметре этой конусной втулки вспомогательной трубки, размещенной внутри корпуса. Пакер в нижней части снабжен обратным клапаном, размещенным внутри расточки корпуса, одновременно являющимся и корпусом клапана. Против седла клапана на одной оси установлена ступенчатая запорная втулка с возможностью скольжения внутри расточки корпуса с ограниченным ходом и возможностью перекрытия радиальных пазов, выполненных в корпусе, которая, в свою очередь, соединена жестко со вспомогательной трубкой посредством срезного штифта. Между ступенчатой запорной втулкой и седлом помещена отжимная пружина. Фиксирующие элементы манжетных уплотнителей выполнены в виде гребенки с внутренними зубцами и наружными конусными образующими в носовой части. Со стороны манжетных уплотнителей они охвачены внутренней конусной частью нажимной втулки, в свою очередь, жестко связанной с верхней конусной втулкой, а с другой стороны гребенки с внутренними зубцами, расположенными скользяще-подвижно в радиальных пазах направляющей втулки, размещенной между торцами верхней конусной втулки и внутренней конусной части нажимной втулки с возможностью зацепления внутренними зубцами гребенки за наклонные стенки канавки корпуса и взаимодействия со всеми элементами этого узла. 5 ил.

Пакер, содержащий корпус, выполненный в виде трубы, на котором размещены фиксирующие элементы манжетных уплотнителей и манжетные уплотнители, седло под сбрасываемый с поверхности запорный орган, кожух, верхний и нижний фиксирующие элементы, выполненные в виде заякоривающих узлов, наклонные канавки, выполненные на наружной поверхности корпуса, верхнюю конусную втулку, жестко связанную с нажимной втулкой, нижнюю конусную втулку, выполненную жестко с корпусом, направляющую этой конусной втулки, выполненную в виде пластинчатой пружины, размещенной нижним концом подвижно в направляющей канавке в нижней части плашки с зубцами, другим концом прикрепленной жестко на большом диаметре этой конусной втулки, вспомогательную трубку, размещенную внутри корпуса, при этом заякоривающие узлы, выполненные в виде плашек с зубцами, размещены на направляющих втулках и расположены в верхней и нижней частях концентрично корпусу, причем верхние плашки с зубцами и малым диаметром верхней конусной втулки выполнены направленными вверх, а нижние плашки с зубцами и малым диаметром нижней конусной втулки выполнены направленными вниз, причем манжетные уплотнители с ограничительными шайбами размещены между торцами нажимной и нижней конусной втулками, а седло под сбрасываемый с поверхности запорный орган установлено жестко к торцу верхней конусной втулки, отличающийся тем, что пакер в нижней части снабжен обратным клапаном, размещенным внутри расточки корпуса, одновременно являющимся и корпусом клапана, причем против седла клапана на одной оси установлена ступенчатая запорная втулка с возможностью скольжения внутри расточки корпуса с ограниченным ходом и возможностью перекрытия радиальных пазов, выполненных в корпусе, которая, в свою очередь, соединена жестко со вспомогательной трубкой посредством срезного штифта, а между ступенчатой запорной втулкой и седлом помещена отжимная пружина, при этом фиксирующие элементы манжетных уплотнителей выполнены в виде гребенки с внутренними зубцами и наружными конусными образующими в носовой части, со стороны манжетных уплотнителей они охвачены внутренней конусной частью нажимной втулки, в свою очередь, жестко связанной с верхней конусной втулкой, а с другой стороны гребенки с внутренними зубцами, расположенными скользяще-подвижно в радиальных пазах направляющей втулки, размещенной между торцами верхней конусной втулки, и внутренней конусной части нажимной втулки с возможностью зацепления внутренними зубцами гребенки за наклонные стенки канавки корпуса и взаимодействия со всеми элементами этого узла.