ПАКЕР-ПРОБКА Российский патент 2006 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ при эксплуатации и капитальном ремонте скважин, исследовании пластов, при закачке жидкости в скважины.

Известен пакер (Патент RU №2137901, МПК 7 Е 21 В 33/12, 1999), содержащий полый ствол с заглушкой и упором, установочный фиксатор, приводной корпус и шток установочного гидроцилиндра, размещенные на стволе конус со шлипсами, уплотнительный элемент и фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками.

Недостатком пакера является сложность конструкции, обусловленная наличием сложных деталей, таких как конус, фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками, конические вкладыши, которые требуют высокой точности при изготовлении и значительно усложняют сборку, что возможно выполнить только в специализированных мастерских. Невыполнение жестких требований при изготовлении и сборке снижает надежность работы пакера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пакер (Патент RU №2170808, МПК 7 Е 21 В 33/12, 2001 г.), включающий ствол с заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы.

Недостатками пакера являются:

- ограниченные функциональные возможности. Пакер держит давление только в одну сторону, сверху вниз. При давлении, направленном снизу вверх, плашки сдвинутся с места;

- для срыва пакера нужен специальный ловильный инструмент;

- большая площадь соприкосновения сопряженных деталей (ствола и съемного узла), что приводит к их «закипанию» а следовательно, возникают большие нагрузки при снятии пакера, что чревато «прихватом» и может создать проблему при извлечении пакера.

Задачей изобретения является создание конструкции пакера, обладающей более широкими функциональными возможностями и позволяющей использовать серийно выпускаемый ловильный инструмент.

Указанная задача решается предлагаемым пакером-пробкой, включающим ствол с верхним и нижним упорами и кольцевой выборкой по наружной поверхности, в которую вставлена втулка с наружным кольцевым выступом, уплотнительный элемент, конус, шлипсы, корпус и шток посадочного инструмента, установочный фиксатор, вертикальные пазы, съемный узел.

Новым является то, что корпус посадочного инструмента соединен вверху разрушаемыми элементами со штоком, который дополнительно снабжен верхним и нижним технологическими выступами и герметично установлен в ствол с возможностью только осевого ограниченного перемещения вверх - вниз, а кольцевая выборка ствола расположена между верхней и нижней конусными частями ствола, сужающимися навстречу друг другу, при этом втулка оснащена установочным фиксатором, выполненным в виде пальца, взаимодействующего с вертикальными пазами, которые выполнены на кольцевой выборке ствола в виде двух коротких и одного длинного, размещенной между короткими вертикальными пазами, причем короткий вертикальный паз, в который установлен палец в транспортном положении, нижней частью соединен со средней частью длинного паза, в который установлен палец в рабочем положении, верхним поперечным пазом, а другой короткий вертикальный паз, в который установлен палец перед извлечением устройства, соединен нижней частью с нижней частью длинного вертикального паза нижним поперечным пазом, верхний конец короткого вертикального паза выполнен с фигурным пазом, в котором расположен палец после возвратно-поступательного перемещения корпуса во время извлечения устройства, причем фигурный паз имеет меньшие вертикальные размеры, чем вертикальные размеры длинного вертикального паза, при этом шлипсы установлены на втулке и изготовлены сборными, состоящими из верхних и нижних плашек с центраторами, подпружиненными наружу и обращенными к наружному кольцевому выступу, расположенному в средней части втулки, причем верхние и нижние плашки снабжены соответственно сверху и снизу коническими поверхностями, выполненными с возможностью взаимодействия в рабочем положении с верхней и нижней конусной частью ствола, при этом уплотнительный элемент выполнен сборным, состоящим из верхней и нижней самоуплотняющихся манжет, установленных соответственно выше и ниже верхней и нижней конусных частей и поджатых соответственно верхним и нижним упорами, причем верхняя самоуплотняющаяся манжета выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений сверху вниз, нижняя - снизу вверх, так же верхний и нижний упоры оснащены клапанами, пропускающими жидкость изнутри ствола наружу и выполненными с возможностью взаимодействия соответственно с верхним и нижним технологическими выступами.

На фиг.1 изображен предлагаемый пакер-пробка в продольном разрезе.

На фиг.2 - развертка паза, выполненного на корпусе пакер-пробки.

Пакер - пробка состоит (см. фиг.1) из ствола 1 с верхним 2 и нижним 3 упорами, в которых выполнены соответственно верхние 4 и нижние 5 ряды радиальных сквозных отверстий.

В стволе 1 с возможностью осевого ограниченного перемещения вверх - вниз посредством шлицевого соединения 6 герметично установлен корпус 7 посадочного инструмента с кольцевым упором 8 снизу. Осевое ограниченное перемещение осуществляется с помощью верхнего 9 и нижнего 10 технологических выступов, выполненных на наружной поверхности корпуса 7. Корпус 7 посадочного инструмента соединен вверху разрушаемыми элементами 11 со штоком 12 посадочного инструмента.

На наружной поверхности ствол 1 имеет верхнюю 13 и нижнюю 14 конусные части, сужающиеся навстречу друг другу, между которыми расположена кольцевая выборка 15.

На кольцевую выборку 15 ствола 1 концентрично установлена втулка 16, оснащенная установочным фиксатором, выполненным в виде пальца 17, взаимодействующего с вертикальными пазами 18 (см. фиг.2), которые выполнены на кольцевой выборке 15 ствола 1 в виде двух коротких вертикальных пазов 19 и 20, а также одного длинного вертикального паза 21 длиной L₁. Длинный вертикальный паз 21 размещен между двумя короткими вертикальными пазами 19 и 20. Короткий вертикальный паз 19, в который установлен палец 17 в транспортном положении, нижней частью соединен верхним поперечным пазом 22 со средней частью длинного вертикального паза 21. Другой короткий вертикальный паз 20, в который установлен палец 17 перед извлечением устройства, соединен нижней частью с нижней часть длинного вертикального паза 21 нижним поперечным пазом 23, верхний конец короткого вертикального паза выполнен с фигурным пазом 24, в котором расположен палец 17 после возвратно-поступательного перемещения корпуса 7 во время извлечения устройства, причем фигурный паз 24 имеет меньшие вертикальные размеры L₂, чем вертикальные размеры L₁ длинного вертикального паза 21.

Шлипсы установлены на втулке 16 и изготовлены сборными, состоящими из верхних 25 и нижних 26 плашек с центраторами 27 и 28 соответственно, подпружиненными наружу и обращенными к наружному кольцевому выступу 29, расположенному в средней части втулки 16.

Верхние 25 и нижние 26 плашки снабжены соответственно сверху и снизу внутренними коническими поверхностями 30 и 31, выполненными с возможностью взаимодействия в рабочем положении с верхней 13 и нижней 14 конусными частями ствола 1 соответственно.

Уплотнительный элемент выполнен сборным, состоящим из верхней 32 и нижней 33 самоуплотняющихся манжет, установленных соответственно выше и ниже верхней 13 и нижней 14 конусных частей ствола 1 и поджатых соответственно верхним 2 и нижним 3 упорами.

Верхняя самоуплотняющаяся манжета 32 выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений сверху вниз. Нижняя самоуплотняющаяся манжета 33 выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений снизу вверх.

Верхний 2 и нижний 3 упоры оснащены соответственно верхними 34 и нижними 35 подпружиненными клапанами, пропускающими жидкость изнутри ствола 1 наружу.

Верхний подпружиненный клапан 34 поджат сверху заглушкой 36, которая жестко соединена со стволом 1, а снизу опирается на кольцевую проточку 37 верхнего упора 2. Нижний подпружиненный клапан 35 поджат снизу заглушкой 38, которая жестко соединена со стволом 1, а сверху опирается на кольцевую проточку 39 нижнего упора 3.

Работает устройство следующим образом.

Пакер-пробку в транспортном положении (см. фиг.1 и 2) в сборе с посадочным инструментом, состоящим из соединенных между собой корпуса 7 и штока 12 разрывным элементом 11, на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (на фигурах 1 и 2 не показано) спускают в скважину.

При спуске пакера-пробки в скважину находящаяся в скважине жидкость перепускается снизу вверх через внутреннее пространство 40 ствола 1. Это происходит благодаря тому, что нижний технологический выступ 10 корпуса 7 в процессе спуска отжимает вниз нижний перепускной клапан 35 и жидкость, находящаяся в скважине, устремляется через радиальные сквозные отверстия 5 нижнего упора 3 во внутреннее пространство 40 ствола 1, где, заполняя его, отжимает верхний перепускной клапан 34 вверх, и жидкость из внутреннего пространства 40 ствола 1 через радиальные сквозные отверстия 4 верхнего упора 2 попадает в пространство скважины выше пакер-пробки (на фиг.1 и 2 не показано). Это исключает поршневание пакера-пробки и, следовательно, задержку по времени в процессе спуска пакер-пробки в требуемый интервал скважины.

По достижении требуемого интервала приподнимают на устье скважины колонну НКТ и, следовательно, посадочный инструмент вверх на длину, большую длины L короткого вертикального паза 19. Далее на устье скважины (на фиг.1 и 2 не показано) поворачивают вправо колонну НКТ на величину, большую по длине развертки верхнего поперечного паза 22 (см. фиг.2).

В результате проделанной операции палец 17, находившийся в транспортном положении в коротком вертикальном пазу 19 (см. фиг.2) благодаря шлицевому соединению 6, передающему угловое вращение от корпуса 7 посадочного инструмента 7 к стволу 1 посредством заглушки 36 (см. фиг.1), перемещается по поперечному пазу 22 и попадает в длинный паз 21, то есть в рабочее положение.

Далее вновь приподнимают колонну НКТ с посадочным инструментом вверх, при этом шток 12 посадочного инструмента посредством разрушаемого элемента 11 тянет вверх корпус 7 посадочного инструмента и все остальные детали устройства, кроме деталей 16, 17, 25, 26, 27, 28, 29, остающихся на месте.

Благодаря этому палец 17 оказывается в нижней части длинного вертикального паза 21. В определенный момент нижние плашки 26 своей внутренней конусной поверхностью 31 наезжают на конусную часть 14 ствола 1 и раздвигаются. В итоге, нижние плашки 26 приходят в соприкосновение со стенками обсадной колонны (на фиг.1 и 2 не показано), центрируются посредством центраторов 28 и фиксируют пакер-пробку в обсадной колонне скважины.

При дальнейшем натяжении штока 12 и достижении расчетной нагрузки посадки пакера-пробки разрушаемый элемент 11 разрушается, при этом дожимая нижние плашки 26 к стекам обсадной колонны и освобождая тем самым посадочный инструмент, который после этого извлекается из скважины, а пакер-пробка остается в требуемом интервале скважины.

При наличии давления снизу нижняя самоуплотняющаяся манжета 33 плотно прижимается к стенкам обсадной колонны, герметично отсекая ту часть скважины, которая находится ниже пакер-пробки. После чего в скважине проводят запланированный объем ремонтных работ выше пакер-пробки (например, изоляцию заколонных перетоков).

В случае, если давление сверху превышает давление снизу (например, при проведения выше пакер-пробки таких работ как гидроразрыв пласта или кислотная обработка пласта под большим давлением), то по мере проведения таких работ и роста давления сверху, которое воспринимается уже верхней самоуплотняющейся манжетой 32 и плотно прижимает ее к стенкам обсадной колонны, та, в свою очередь, передает давление на ствол 1. В результате этого все детали пакер-пробки, кроме деталей 16, 17, 24, 25, 26, 27, 28, остающихся на месте, перемещаются вниз относительно пальца 17 по длинному вертикальному пазу 21.

В результате палец 17 оказывается в верхней части длинного вертикального паза 21. В определенный момент верхние плашки 25 своей конусной поверхностью 30 наезжают на конусную часть 13 ствола 1 и раздвигаются. В итоге верхние плашки 26 приходят в соприкосновение со стенками обсадной колонной, центрируются посредством центраторов 27 и фиксируют пакер-пробку в обсадной колонне скважины, при этом верхняя самоуплотняющаяся манжета 32, воспринимающая давление сверху и плотно прижатая к стенкам обсадной колонны, держит давление сверху вниз. Далее продолжают цикл ремонтных работ.

По окончании ремонтных работ для снятия пакера-пробки в скважину спускают серийно выпускаемый ловильный инструмент на колонне НКТ (например, наружную труболовку, не показана), с помощью которого захватывают пакер-пробку за верхнюю кольцевую выборку 41 корпуса 7 (см. фиг.1).

После этого на устье скважины (на фиг.1 и 2 не показано) поднимают колонну НКТ с ловильным инструментом и пакер-пробкой вверх на длину, большую длины L₁ - длинного вертикального паза 21, и поворачивают вправо колонну НКТ на величину, большую длины развертки нижнего поперечного паза 23 (см. фиг.2).

В результате проделанной операции палец 17, находившийся в рабочем положении в длинном пазу 21 вертикальных пазов 18 благодаря шлицевому соединению 6, передающему угловое вращение от корпуса 7 посадочного инструмента 7 к стволу 1, посредством заглушки 36 перемещается по поперечному пазу 23 и попадает в нижнюю часть короткого паза 20.

Далее на устье скважины колонну НКТ с ловильным инструментом и пакер-пробкой опускают вниз на длину, равную длине L₁ длинного вертикального паза 21, при этом палец 17 перемещается вверх по короткому пазу 20 и далее, пока не упрется в верхнюю часть фигурного паза 24. После чего начинают поднимать колонну НКТ с ловильным инструментом и пакер-пробкой вверх, при этом палец 17 опускается вниз на длину L₂, равную длине фигурного паза 24, и занимает транспортное положение в ее нижней части (см. фиг.2).

В процессе дальнейшего подъема пакер-пробки верхний технологический выступ 9 корпуса 7 отжимает вверх верхний перепускной клапан 34 и жидкость, находящаяся в скважине выше пакера-пробки, устремляется через радиальные сквозные отверстия 4 верхнего упора 2 во внутреннее пространство 40 ствола 1, где, заполняя его, отжимает уже нижний перепускной клапан 35 вниз, и жидкость из внутреннего пространства 40 ствола 1 через радиальные сквозные отверстия 5 нижнего упора 3 попадает в пространство скважины ниже пакер-пробки (на фиг.1 и 2 не показано), в результате чего исключается поршневание и ускоряется подъем пакера-пробки на дневную поверхность.

Использование в предлагаемом пакере-пробке сборного шлипсового узла, установленного между верхним и нижним самоуплотняющимися манжетами уплотнительного элемента, обеспечивает высокую надежность запакеровки и распакеровки пакера-пробки и расширяет его функциональные возможности, так как поддерживает в рабочем состоянии как при давлениях, направленных вниз, так и вверх, и позволяет использовать серийно выпускаемый ловильный инструмент при его извлечении.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ при эксплуатации и капитальном ремонте скважин, исследовании пластов, при закачки жидкости в скважины. Позволяет расширить функциональные возможности. В ствол с возможностью осевого ограниченного перемещения вверх - вниз посредством шлицевого соединения герметично установлен корпус посадочного инструмента с кольцевым упором снизу. Осевое ограниченное перемещение осуществляется с помощью верхнего и нижнего технологических выступов, выполненных на наружной поверхности корпуса. Корпус посадочного инструмента соединен вверху разрушаемыми элементами со штоком посадочного инструмента. На наружной поверхности ствола имеет верхняя и нижняя конусные части, сужающиеся навстречу друг другу, между которыми расположена кольцевая выборка. На кольцевую выборку ствола концентрично вставлена втулка, оснащенная установочным фиксатором, выполненным в виде пальца, взаимодействующего с вертикальными пазами, которые выполнены на кольцевой выборке ствола в виде двух коротких вертикальных пазов и одного длинного вертикального паза, размещенного между короткими вертикальными пазами. Палец в транспортном положении установлен в правый короткий вертикальный паз, который верхней частью соединен со средней частью длинного вертикального паза, в который попадает палец, посредством верхнего поперечного паза в рабочем положении. Левый короткий вертикальный паз соединен своей нижней частью с нижней частью длинного вертикального паза нижним поперечным пазом. Верхний конец левого короткого вертикального паза выполнен с фигурным пазом, в котором расположен палец после возвратно-поступательного перемещения корпуса во время извлечения устройства. Фигурный паз имеет меньшие вертикальные размеры, чем вертикальные размеры длинного вертикального паза. Шлипсы установлены на втулке и изготовлены сборными, состоящими из верхних и нижних плашек с центраторами, подпружиненными наружу и обращенными к наружному кольцевому выступу, расположенному в средней части втулки. Верхние и нижние плашки снабжены соответственно сверху и снизу коническими поверхностями, выполненными с возможностью взаимодействия в рабочем положении с верхней и нижней конусными частями ствола. Уплотнительный элемент выполнен сборным, состоящим из верхней и нижней самоуплотняющихся манжет, установленных соответственно выше и ниже верхней и нижней конусных частей и поджатых, соответственно, верхним и нижним упорами. Верхняя самоуплотняющаяся манжета выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений сверху вниз. Нижняя самоуплотняющаяся манжета выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений снизу вверх. Верхний и нижний упоры оснащены соответственно верхними и нижними подпружиненными клапанами, пропускающими жидкость изнутри ствола наружу. Верхний подпружиненный клапан поджат сверху заглушкой, которая жестко соединена со стволом, а снизу опирается на кольцевую проточку верхнего упора. Нижний подпружиненный клапан поджат снизу заглушкой, которая жестко соединена со стволом, а сверху опирается на кольцевую проточку нижнего упора. Использование в предлагаемом пакере-пробке сборного шлипсового узла, установленного между верхним и нижним самоуплотняющимися манжетами уплотнительного элемента, обеспечивает высокую надежность запакеровки и распакеровки пакера-пробки и расширяет его функциональные возможности, так как поддерживает в рабочем состоянии как при давлениях, направленных вниз, так и вверх, и позволяет использовать серийно выпускаемый ловильный инструмент при его извлечении. 2 ил.

Пакер-пробка, включающий ствол с верхним и нижним упорами и кольцевой выборкой по наружной поверхности, в которую вставлена втулка с наружным кольцевым выступом, уплотнительный элемент, конус, шлипсы, корпус и шток посадочного инструмента, установочный фиксатор, вертикальные пазы, съемный узел, отличающийся тем, что корпус посадочного инструмента соединен вверху разрушаемыми элементами со штоком, который дополнительно снабжен верхним и нижним технологическими выступами и герметично установлен в ствол с возможностью только осевого ограниченного перемещения вверх - вниз, а кольцевая выборка ствола расположена между верхней и нижней конусными частями ствола, сужающимися навстречу друг другу, при этом втулка оснащена установочным фиксатором, выполненным в виде пальца, взаимодействующего с вертикальными пазами, которые выполнены на кольцевой выборке ствола в виде двух коротких и одного длинного, размещенного между короткими вертикальными пазами, причем короткий вертикальный паз, в который установлен палец в транспортном положении, нижней частью соединен верхним поперечным пазом со средней частью длинного паза, в который установлен палец в рабочем положении, а другой короткий вертикальный паз, в который установлен палец перед извлечением устройства, соединен нижней частью с нижней частью длинного вертикального паза нижним поперечным пазом, верхний конец короткого вертикального паза выполнен с фигурным пазом, в котором расположен палец после возвратно-поступательного перемещения корпуса во время извлечения устройства, причем фигурный паз имеет меньшие вертикальные размеры, чем вертикальные размеры длинного вертикального паза, при этом шлипсы установлены на втулке и изготовлены сборными, состоящими из верхних и нижних плашек с центраторами, подпружиненными наружу и обращенными к наружному кольцевому выступу, расположенному в средней части втулки, причем верхние и нижние плашки снабжены соответственно сверху и снизу коническими поверхностями, выполненными с возможностью взаимодействия в рабочем положении с верхней и нижней конусными частями ствола, при этом уплотнительный элемент выполнен сборным, состоящим из верхней и нижней самоуплотняющихся манжет, установленных соответственно выше и ниже верхней и нижней конусных частей ствола и поджатых соответственно верхним и нижним упорами, причем верхняя самоуплотняющаяся манжета выполнена с возможностью сдерживать перепад давлений сверху вниз, нижняя - снизу вверх, так же верхний и нижний упоры оснащены клапанами, пропускающими жидкость изнутри ствола наружу и выполненными с возможностью взаимодействия соответственно с верхним и нижним технологическими выступами.