ПАКЕР РАЗБУРИВАЕМЫЙ Российский патент 2010 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к средствам защиты эксплуатационных колонн от высоких давлений при ремонтно-изоляционных работах в скважинах.

Известен пакер (см. RU №2162137, МПК 7 Е21В 32/12, бюл. №1 от 20.01.01), включающий патрубок с размещенным на его наружной поверхности уплотнителем в виде эластичной оболочки и расширяющий конус, связанный с приводом через тягу, при этом расширяющий конус выполнен составным из цилиндра и концентрично установленного на нем расширяющего элемента, связанных между собой разъединяющим элементом для освобождения расширяющего элемента от цилиндра и спуска колонны насосно-компрессорных труб с установленным на их нижнем конце плунжером с уплотнительными элементами для взаимодействия с внутренней стенкой расширяющего элемента, внутренний диаметр которого выбран под наружный диаметр плунжера.

Известен пакер разбуриваемый (см. свидетельство на полезную модель №20342, МПК 7 Е21В 32/12, бюл. №29 от 26.10.01), содержащий посадочный инструмент, включающий гидроцилиндр с поршнем, верхним и нижним штоками, причем последний имеет радиальные каналы и жестко соединен с переходником и перфорирован ниппелем, уплотнительный узел, включающий манжету, деформируемую гильзу, дорн, соединенный в верхней части с установочной втулкой, а в нижней части через срезное кольцо - с насадкой с внутренней цилиндрической выборкой, заглушку со стопорным кольцом и срезным винтом и отсекающий элемент, установленный в центральном канале в зоне переходника, при этом отсекающий элемент выполнен в виде пробки, а установочная втулка - с кольцевой выборкой, переходник снабжен фиксатором, который до запакеровки одним концом взаимодействует с отсекающим элементом, а другим - с дорном, а после запакеровки - с кольцевой выборкой установочной втулки.

Обоим вышеописанным устройствам присущи общие недостатки:

во-первых, нет защиты от ударов, возникающих в посадочном инструменте при спуске, что может привести к несанкционированной посадке пакера;

во-вторых, низкая надежность посадки, так как при повышении давления внутри колонны труб, на которых спускается устройство в скважину, они вытягиваются и оказывают сдвигающее воздействие на устанавливаемый пакер.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является пакер разбуриваемый (см. свидетельство на полезную модель №28371, МПК 7 Е21В 33/12, бюл. №8 от 20.03.2003), содержащий посадочный инструмент, включающий гидроцилиндр с поршнем, верхним и нижним штоками, один из которых выполнен с радиальными каналами, соединенный с патрубком, а последний - с упором, уплотнительный узел, включающий эластичную манжету, деформируемую гильзу и дорн с конически-цилиндрическими участками на наружной поверхности, соединенный в нижней части с насадкой, а сверху с установочной втулкой, наконечник, установленный телескопически в дорне, ниппель, отсекающий клапан и заглушку со стопорным кольцом, при этом нижний торец упора выполнен со сферической кольцевой выборкой, обращенной к периферии и взаимодействующей в рабочем положении с деформируемой гильзой, причем наружный диаметр цилиндрических участков дорна увеличивается сверху вниз.

Недостатками устройства являются:

во-первых, возможна негерметичность отсекающего клапана, выполненного в виде шарика из-за засорения седла в процессе спуска, что ведет к невозможности создания необходимого давления в колонне труб и, соответственно, в посадочном инструменте при посадке разбуриваемого пакера в скважине;

во-вторых, дорн и гильза имеют несовершенную форму конструкции, вследствие чего дорн прижимает гильзу к внутренней стенке эксплуатационной колонны неравномерно по всей длине, что может привести к негерметичной посадке пакера и/или к его «сползанию»;

в-третьих, нет фиксации дорна относительно деформируемой гильзы в запакерованном состоянии от обратного перемещения дорна относительно гильзы при последующих высоких давлениях закачки тампонажных материалов;

в-четвертых, возможна не герметичная посадка пакера из-за пропусков жидкости снизу - вверх между уплотнительным элементом и внутренней стенкой эксплуатационной колонны при высоких давлениях снизу (из зоны изоляции).

Технической задачей предлагаемого изобретения является исключение негерметичности отсекающего клапана при посадке пакера, разбуриваемого в скважине, и надежная фиксация пакера, разбуриваемого в требуемом интервале скважины за счет изменения формы дорна и деформируемой гильзы, а также фиксация дорна от обратного перемещения относительно деформируемой гильзы при высоких давлениях закачки тампонажных материалов и исключение потерь герметичности уплотнительного элемента при высоких давлениях снизу за счет дополнительного прижатия нижнего конца уплотнительного элемента к внутренней стенке эксплуатационной колонны.

Техническая задача решается пакером разбуриваемым, содержащим посадочный инструмент, состоящий из гидроцилиндра с нижним упором, поршня с переводником вверху, верхнего и нижнего штоков, последний из которых выполнен с радиальными каналами и жестко соединен через наконечник, имеющий технологические отверстия, с перфорированным ниппелем, уплотнительного узла, включающего манжету, деформируемую гильзу и дорн с расширяющим углом вверху, соединенный в нижней части при помощи насадки через срезное кольцо с наконечником и перфорированным ниппелем, который телескопически установлен в дорн, оснащенный наружными цилиндрическими участками, отсекающего клапана и заглушки, фиксируемой в насадке стопорным кольцом.

Новым является то, что наконечник телескопически вставлен непосредственно в деформируемую гильзу и нижний упор, относительно которого наконечник в транспортном положении зафиксирован срезным винтом, а отсекающий клапан выполнен в виде пробки с наружной кольцевой выборкой, герметично вставленной в наконечник и зафиксированной стопорами, которые вставлены в технологические отверстия наконечника с возможностью ограниченного перемещения наружу при разрушении срезного кольца и прохождении дорна, а также с возможностью взаимодействия в транспортном положении изнутри с кольцевой выборкой пробки, а снаружи - с дорном, имеющим расширяющий угол 20-25° относительно оси пакера и единый цилиндрический наружный участок с выборкой, имеющей конусную фаску вверху, в которой расположены шлицы, выполненные с возможностью взаимодействия с деформируемой гильзой снаружи и с конусной фаской выборки изнутри, при этом на дорне снаружи снизу срезными элементами зафиксирована втулка с фасками по торцам, наружный диаметр которой превосходит наружный диаметр цилиндрического участка дорна, а внутренняя цилиндрическая поверхность деформируемой гильзы выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром вверху.

На фиг.1 изображен пакер разбуриваемый в сборе с частичным продольным разрезом.

На фиг.2 изображена в разрезе фиксация стопора в начальном положении.

На фиг.3 изображены в разрезе шлицы в выборке дорна в начальном положении.

Пакер разбуриваемый содержит посадочный инструмент 1 (см. фиг.1), содержащий гидроцилиндр 2 с нижним упором 3, поршнем 4 с переводником 5, верхним 6 и нижним 7 штоками. Нижний шток 7 снабжен радиальными каналами 8 и жестко соединен через наконечник 9, имеющий технологические отверстия 10 (см. фиг.2), с перфорированными окнами 11 (см. фиг.1) ниппелем 12.

Уплотнительный узел 13 включает манжету 14, деформируемую гильзу 15 и дорн 16 с расширяющимся углом вверху. Расширяющий угол дорна 16 составляет 20-25° относительно оси разбуриваемого пакера, что обеспечивает наиболее плотное (герметичное) взаимодействие уплотнительного элемента 13 раздорнированной деформируемой гильзы со стенкой эксплуатационной колонны.

Дорн 16 в нижней части при помощи насадки 17 через срезное кольцо 18 соединен с наконечником 9 и перфорированным ниппелем 12.

Перфорированный ниппель 12 телескопически установлен в дорн 16, оснащенный наружными цилиндрическими участками 19, выполненными едиными с выборкой 20 (см. фиг.3). Внутри наконечника 9 (см. фиг.1) установлен отсекающий клапан 21, а ниппель 12 заглушен заглушкой 22 со стопорным кольцом 23.

Наконечник 9 телескопически вставлен непосредственно в деформируемую гильзу 15 и в нижний упор 3, относительно которого наконечник 9 в транспортном положении зафиксирован срезным винтом 24.

Отсекающий клапан 21 выполнен в виде пробки с наружной кольцевой выборкой 25 (см. фиг.2), герметично вставленной в наконечник 9 (см. фиг.1 и 2) и зафиксированной стопорами 26, которые вставлены в технологические отверстия 10 наконечника 9 с возможностью ограниченного перемещения наружу при разрушении срезного кольца 18 (см. фиг.1) и прохождении дорна 16 (см. фиг.1 и 2), а также с возможностью взаимодействия в транспортном положении изнутри с наружной кольцевой выборкой 25, а снаружи - с дорном 16.

Выборка 20 (см. фиг.3) единого наружного цилиндрического участка 19 имеет конусную фаску 27 вверху, в которой расположены шлицы 28, выполненные в виде одного или нескольких пружинных разрезных колец или нескольких сегментов кольца (например трех) с возможностью взаимодействия с деформируемой гильзой 15 снаружи и с конусной фаской 27 выборки 20 изнутри.

На дорне 16 (см. фиг.1) снаружи снизу срезными элементами 29 зафиксирована втулка 30 с фасками 31 и 31' по торцам.

Наружный диаметр D₁ втулки 30 превосходит наружный диаметр D₂ единого наружного цилиндрического участка 19 дорна 16 (D₁>D₂).

Внутренняя цилиндрическая поверхность 32 деформируемой гильзы 15 выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром (D₃<D₄) вверху.

Несанкционированные перетоки жидкости исключены установкой уплотнительных колец 33, 34, 35, 36, 37.

Устройство работает следующим образом: пакер разбуриваемый в сборе спускают в скважину (не показано) на колонне труб 38. Во время спуска возникают удары дорна 16 о внутреннюю стенку эксплуатационной колонны. Для исключения возможного перемещения дорна 16 относительно деформируемой гильзы 15 и несанкционированного срабатывания устройства установлен срезной винт 24, фиксирующий наконечник 9 относительно нижнего упора 3.

По достижении интервала установки пакера разбуриваемого, колонна труб 38 заполняется технологической жидкостью, после чего внутри колонны труб 38 создается избыточное давление, которое через верхний шток 6 и радиальные каналы 8 нижнего штока 7 передается в гидроцилиндр 2 и воздействует на поршень 4, который удерживается в начальном положении до достижения усилия разрушения срезного винта 24.

Под воздействием избыточного давления колонна труб 38 вытягивается и после разрушения винтов 24 (например, при давлении 4-5 МПа) поршень 4 перемещается вверх относительно гидроцилиндра 2, увлекая за собой нижний шток 7, наконечник 9 с перфорированным ниппелем 12, дорн 16 через срезное кольцо 18 при помощи насадки 17, при этом деформируемая гильза 15 с манжетой 14 удерживаются нижним упором 3 на месте относительно эксплуатационной колонны (не показано).

В результате дорн 16 своим углом при вершине, равным 20-25°, входит в деформируемую гильзу 15, расширяя ее до плотного прилегания манжеты 14 уплотнительного элемента 13 к внутренней стенке эксплуатационной колонны, причем сначала дорн 16 единым наружным цилиндрическим участком 19 диаметром D₂ дорнирует по внутренней цилиндрической поверхности 32 деформируемую гильзу 15 на ее участке большего диаметра D₄, прижимая плотно манжету 14 к внутренней стенке эксплуатационной колонны, и далее по мере перемещения вверх дорна 15 этот же участок большего диаметра D₄ деформируемой гильзы 15 дорнируется втулкой 30, закрепленной на дорне срезными элементами 29, причем диаметр D₁ втулки 30 больше диаметра D₂ единого наружного цилиндрического участка 19 дорна 16, благодаря чему манжета 14 еще сильней прижимается к внутренней стенке колонны.

Дорнирование дорном 16 деформируемой гильзы 15 продолжается, и дорн 16 своим углом при вершине, равным 20-25°, начинает дорнировать по внутренней цилиндрической поверхности 32 участок меньшего диаметра D₃ деформируемой гильзы 15, плотно прижимая манжету 14 к внутренней стенке эксплуатационной колонны, и далее по мере перемещения дорна 16 вверх этот же участок меньшего диаметра D₃ вверху (D₃<D₄) деформируемой гильзы 15 дорнируется втулкой 30, закрепленной на дорне срезными элементами 29, причем диаметр D₁ втулки 30 больше диаметра D₂ единого наружного цилиндрического участка 19 дорна 16, благодаря чему манжета 14 еще сильней прижимается к внутренней стенке эксплуатационной колонны.

Дорнирование продолжается и в определенный момент разрушаются срезные элементы 29, при этом втулка 30 своим верхним торцом 31 прижимает нижний конец манжеты 14 уплотнительного элемента 13 к внутренней стенке эксплуатационной колонны и остается на месте, а дорн 16 продолжает двигаться вверх относительно деформируемой гильзы 15 до тех пор, пока наконечник 9 своим верхним торцом не достигнет низа гидроцилиндра 2, ограничивая дальнейшее перемещение дорна 16 вверх. Далее давление внутри колонны труб 38 повышается до разрушения срезного кольца 18 (например, 14-15 МПа), после чего происходит освобождение наконечника 9 с перфорированным ниппелем 12 от дорна 16.

В результате наконечник 9 перемещается вверх относительно дорна 16 и стопоры 26, вставленные в технологические отверстия 10 наконечника 9, перемещаются наружу в сторону дорнируемой гильзы 15, так как выходят из взаимодействия с внутренней стенкой дорна 16 и одновременно освобождаются от наружной кольцевой выборки 25 отсекающего клапана (пробки) 21, который падает вниз перфорированного ниппеля 12 на верхний торец заглушки 22.

Дорнирование происходит до тех пор, пока поршень 4 своим верхним торцом не достигнет нижнего торца переводника 5 гидроцилиндра 2, при этом окончательная фиксация дорна 16 относительно деформируемой гильзы 15 в запакерованном состоянии осуществляется шлицами 28, фиксирующимися на деформируемой гильзе 15 конусной фаской 27 выборки 20 дорна 16. Это исключает обратное перемещение дорна 16 относительно деформируемой гильзы 15 при высоких давлениях закачки тампонажного материалов.

В процессе посадки пакера открывается канал 39, позволяющий прохождение жидкости по колонне труб 38 через перфорированные окна 11 ниппеля 12 под уплотнительный узел 13 пакера, разбуриваемого в обход отсекающего клапана 21, после чего по колонне труб 38 через верхний 6, нижний 7 штоки, наконечник 9, технологические отверстия 10 и канал 39 производится закачка тампонирующих материалов в зону изоляции пространства скважины под уплотнительным узлом 13 пакера разбуриваемого. Затем колонну труб 38 приподнимают, в результате заглушка 22 герметично устанавливается в дорн 16, а стопорное кольцо 23 насадки 17 фиксирует заглушку 22 за ее наружную кольцевую выборку 40. При достижении нагрузки, достаточной для разрушения срезных элементов 41, перфорированный ниппель 12 освобождается от заглушки 22 и посадочный инструмент 1 приподнимается на один метр и промывается.

По завершении всех технологических операций устройство за исключением уплотнительного узла 13 с насадкой 17 и заглушкой 22 извлекают из скважины. При этом все оставляемые в скважине детали устройства выполнены из легкоразбуриваемых материалов (например, чугун, алюминий и т.п.).

Благодаря совершенной конструкции дорна 16 и деформируемой гильзы 15, которая выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром (D₃<D₄), вверху на месте расширения (перехода от D₄ к D₃) деформируемой гильзы 15 образуется конус из деформируемой гильзы 15, который дожимает манжету 14 к внутренней стенке эксплуатационной колонны, гарантированно исключая «сползание» пакера с интервала установки при последующем проведении ремонтно-изоляционных работ.

Кроме того, наружный диаметр D₁ втулки 30, закрепленной на дорне 16 срезными элементами 29, превосходит наружный диаметр D₂ единого наружного цилиндрического участка 19 дорна 16 (D₁>D₂), что позволяет дважды за один проход дорна 16 дорнировать деформируемую гильзу 15, а последующее разрушение срезных элементов 29, фиксирующих втулку 30 с дорном 16, создает дополнительное прижимающее усилие, создаваемое верхним торцом 31 втулки 30 на нижний конец манжеты 14 уплотнительного элемента 13, что исключает потерю герметичности уплотнительного элемента 13 при высоких давлениях снизу.

Применение пакера разбуриваемого, благодаря усовершенствованной конструкции дорна, у которого расширяющий угол составляет 20-25° относительно оси пакера, и наличию втулки с фасками, зафиксированной срезными элементами на дорне снизу, позволяет дважды за один проход дорна дорнировать расширяемую гильзу, которая в свою очередь выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром (D₁<D₂) вверху, что позволяет получить конус, который дожимает манжету к стенке эксплуатационной колонны, при этом возможность фиксации втулкой уплотнительного элемента создает дополнительное прижимающее усилие на нижний конец манжеты уплотнительного элемента к внутренней стенке эксплуатационной колонны, что исключает потерю герметичности уплотнительного элемента при высоких давлениях снизу.

Кроме того, фиксация дорна относительно деформируемой гильзы в запакерованном состоянии осуществляется шлицами, фиксирующимися на деформируемой гильзе, что исключает обратное перемещение дорна относительно деформируемой гильзы при высоких давлениях закачки тампонажных материалов, а благодаря конструкции отсекающего клапана, выполненного в виде пробки, исключается его негерметичность после закачки тампонажных материалов в зону изоляции.

Изобретение относится к средствам защиты эксплуатационных колонн от высоких давлений при ремонтно-изоляционных работах в скважинах. Обеспечивает: двойное дорнирование за один проход дорна; герметичность уплотнительного элемента при высоких давлениях снизу; герметичность клапана. Исключает обратное перемещение дорна относительно деформируемой гильзы при высоких давлениях закачки тампонажных материалов. Пакер разбуриваемый содержит посадочный инструмент, включающий гидроцилиндр с нижним упором, поршнем с переводником вверху, верхним и нижним штоками. Нижний шток выполнен с радиальными каналами и жестко соединен через наконечник, имеющий технологические отверстия, с перфорированным ниппелем, заглушенным снизу. Уплотнительный узел включает манжету, деформируемую гильзу и дорн. Внутри наконечника установлен отсекающий клапан, выполненный в виде пробки с наружной кольцевой выборкой. Наконечник телескопически вставлен в деформируемую гильзу и в нижний упор. Дорн имеет расширяющий угол 20-25° относительно оси пакера и единый цилиндрический наружный участок с выборкой, имеющей конусную фаску вверху, в которой расположены шлицы. Шлицы выполнены с возможностью взаимодействия с деформируемой гильзой снаружи и с конусной фаской выборки изнутри. На дорне снаружи снизу срезными элементами зафиксирована втулка с фасками по торцам, наружный диаметр которой превосходит наружный диаметр цилиндрического участка дорна, а внутренняя цилиндрическая поверхность деформируемой гильзы выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром вверху. 3 ил.

Пакер разбуриваемый, содержащий посадочный инструмент, состоящий из гидроцилиндра с нижним упором, поршня с переводником вверху, верхнего и нижнего штоков, последний из которых выполнен с радиальными каналами и жестко соединен через наконечник, имеющий технологические отверстия, с перфорированным ниппелем, уплотнительного узла, включающего манжету, деформируемую гильзу и дорн с расширяющим углом вверху, соединенный в нижней части при помощи насадки через срезное кольцо с наконечником и перфорированным ниппелем, который телескопически установлен в дорн, оснащенный наружными цилиндрическими участками, отсекающего клапана и заглушки, фиксируемой в насадке стопорным кольцом, отличающийся тем, что наконечник телескопически вставлен непосредственно в деформируемую гильзу и нижний упор, относительно которого наконечник в транспортном положении зафиксирован срезным винтом, а отсекающий клапан выполнен в виде пробки с наружной кольцевой выборкой, герметично вставленной в наконечник и зафиксированной стопорами, которые вставлены в технологические отверстия наконечника с возможностью ограниченного перемещения наружу при разрушении срезного кольца и прохождении дорна, а также с возможностью взаимодействия в транспортном положении изнутри с кольцевой выборкой пробки, а снаружи - с дорном, имеющим расширяющий угол 20-25° относительно оси пакера и единый цилиндрический наружный участок с выборкой, имеющей конусную фаску вверху, в которой расположены шлицы, выполненные с возможностью взаимодействия с деформируемой гильзой снаружи и с конусной фаской выборки изнутри, при этом на дорне снаружи снизу срезными элементами зафиксирована втулка с фасками по торцам, наружный диаметр которой превосходит наружный диаметр цилиндрического участка дорна, а внутренняя цилиндрическая поверхность деформируемой гильзы выполнена двухступенчатой с меньшим диаметром вверху.