ПАКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2012 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазовой сфере, в частности к пакерным устройствам, и может быть использовано для восстановления герметичности поврежденных стенок скважинной колонны.

Известно пакерное устройство, содержащее закрепленный на напорно-компрессорной трубе и соединенный одним концом с приводом телескопический корпус, концентрично установленную и закрепленную на нем с концов посредством двух упоров спиралевидную пружину веретенообразной формы, металлическую сетку и упругий рукав [1]. Пружина и сетка изготовлены из сплава, обладающего сверхупругостью, например из нитинола, а рукав, например, из силикона. Сетка и рукав концентрично установлены снаружи пружины и закреплены на ней концами. Пружина навита из проволоки круглого, овального, квадратного, прямоугольного или иного сечения.

Во время транспортировки устройства пружина зафиксирована на телескопическом корпусе в растянутом и скрученном до цилиндрического состояния положении. При этом пружина прижата к телескопическому корпусу и наружный диаметр сетки и рукава минимален. Для пакеровки посредством привода укорачивают телескопический корпус, вращая одну из его частей относительно другой. В результате пружина сжимается, раскручивается и, принимая веретенообразную форму, через сетку плотно прижимает собой рукав к внутренним стенкам скважинной колонны.

Недостатком известного пакера являются его ограниченные функциональные возможности.

Диаметр веретенообразной пружины в ее торцевых частях меньше, чем посередине, что затрудняет использование устройства для герметизации поврежденных стенок скважинной колонны, так как после отсоединения пружины от корпуса в будущем торцевые части пружины будут препятствовать транспортировке через нее скважинного оборудования.

Резиновый рукав с постоянной толщиной стенок наиболее эффективно выполняет функцию уплотнителя при однообразном по глубине рельефе всей поврежденной поверхности скважинной колонны. Между тем, поврежденная поверхность стенок скважинных колонн обычно имеет сложный рельеф с глубокими рытвинами и отверстиями в наиболее разрушенных частях.

Известно выбранное в качестве прототипа пакерное устройство, содержащее полый трубчатый корпус, периодически установленный внутри него нагреватель, концентрично закрепленные снаружи корпуса друг под другом трубчатый легкоплавкий металлический слиток и состоящую из биметаллических пластин манжету [2]. Корпус расположен в скважинной трубе на уровне нарушившего ее герметичность отверстия. При нагреве манжета увеличивается в диаметре. Температура полного раскрытия манжеты ниже температуры плавления слитка.

В транспортном положении наружный диаметр устройства меньше внутреннего диаметра поврежденной скважинной колонны. Для приведения устройства в рабочее положение нагреватель располагают в скважине напротив корпуса и включают. В результате сначала происходит раскрытие биметаллических пластин-лепестков манжеты, а затем плавление слитка и заполнение расплавом расположенной снаружи корпуса над манжетой трубчатой полости. Далее нагреватель отключают, и под действием холодных скважинных флюидов происходит кристаллизация расплава. К эксплуатации скважины приступают после извлечения из нее нагревателя.

Недостатком известного пакерного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.

При установке пакерного устройства в скважине важную роль играет его ориентация в пространстве, т.к. манжета выполняет отведенную ей функцию подпирающей опалубки только в вертикальной или наклонной скважине, в горизонтальной же скважине пакеровка невозможна.

Легкоплавкий слиток, например, из сплава Вуда или сплава Розе, обладает недостаточно высокой прочностью, что обуславливает потребность в непроизводительном наращивании толщины стенок корпуса.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей пакерного устройства.

Указанная цель достигается тем, что пакерное устройство содержит расположенный в скважинной трубе на уровне нарушивших ее герметичность отверстий снабженный отверстиями полый трубчатый корпус с концентрично закрепленным снаружи термочувствительным элементом и трубчатым легкоплавким металлическим слитком, и нагреватель, периодически воздействующий на термочувствительный элемент и слиток. При этом дополнительно содержит концентрично установленную на корпусе упругую, например, силиконовую, герметичную полую трубчатую камеру с находящейся внутри, не препятствующей ее деформации арматурой, например, в виде обрезков стальной проволоки, волокон стекла, углерода или бора, слиток расположен внутри трубчатой камеры и арматура находится снаружи или внутри слитка, термочувствительный элемент имеет вид спиралевидной пружины, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например из нитинола, пружина концентрично установлена на корпусе внутри трубчатой камеры, соединена с корпусом близлежащим к устью скважины концом, имеет форму катушки и наряду с корпусом находится в скважине только до окончания пакеровки. Дополнительно содержит насос, напорно-компрессорную трубу, внутренняя полость которой у устья скважины связана с манометром, турбинную камеру с отводным каналом и закрепленными внутри нее направляющими пластинами, установленный в турбинной камере электрогенератор с закрепленными на противоположных концах его вала рабочим и ведомым лопастными колесами, расположенный концентрично снаружи трубчатой камеры и закрепленный с концов на корпусе рукав из упругого материала, например из силикона, нагреватель расположен в корпусе и имеет вид электрического нагревательного элемента, который связан с электрогенератором электрическим термостатом и соответствующими электрическими проводами, рабочее колесо расположено в турбинной камере напротив направляющих пластин, а ведомое колесо расположено в корпусе напротив нагревателя. Спиралевидная пружина покрыта пластичной массой, например пластилином или графитовой смазкой.

На фиг.1 схематично изображено пакерное устройство перед пакеровкой. На фиг.2 схематично представлено пакерное устройство в процессе пакеровки. На фиг.3 схематично показано пакерное устройство в момент отделения его извлекаемой части от остающейся в скважине пломбы в виде находящегося в трубчатой камере армированного легкоплавкого металлического слитка.

На фиг.1-3: отверстие (повреждение) - 1; поврежденная скважинная колонна - 2; насос - 3; напорно-компрессорная труба - 4; турбинная камера - 5; отверстие - 6; трубчатый корпус - 7; направляющая пластина - 8; отводной канал - 9; электрогенератор - 10; вал - 11; рабочее лопастное колесо - 12; ведомое лопастное колесо - 13; тяга - 14; пружина 15; упругая трубчатая камера - 16; упругий рукав - 17; легкоплавкий металлический слиток или расплав - 18; арматура - 19; электрический нагревательный элемент - 20; электрический провод - 21; термостат - 22; манометр - 23.

Пакерное устройство содержит установленный внутри поврежденной отверстием 1 скважинной колонны 2 и связанный с насосом 3 напорно-компрессорной трубой 4 и турбинной камерой 5 снабженный отверстиями 6 трубчатый корпус 7 (фиг.1-3). Камера 5 снабжена направляющими пластинами 8 и отводным каналом 9. Внутри камеры 5 расположен электрогенератор 10, один конец вала 11 которого находится в камере 5, а другой - в корпусе 7. На расположенном в камере 5 конце вала 11 закреплено рабочее лопастное колесо 12, а на находящемся в корпусе 7 конце вала 11, ведомое лопастное колесо 13. На корпусе 7 концентрично расположена и соединена с ним тягой 14 спиралевидная пружина 15. Последняя изготовлена из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например, из нитинола, и имеет форму катушки с цилиндрической центральной и более широкими в диаметре торцевыми частями. Пружина 15 обмазана слоем пластичной массы, например пластилина, пластичного герметика или графитовой смазки (на фиг.1-3 не показана). Снаружи пружины 15 концентрично установлены упругая герметичная трубчатая камера 16 и рукав 17. Камера 16 и рукав 17 изготовлены из упругого материала, например из силикона. В камере 16 находятся легкоплавкий металлический слиток или расплав 18 и арматура 19, например обрезки стальной проволоки, волокна стекла, углерода или бора. В корпусе 7 расположен электрический нагревательный элемент 20, связанный с электрогенератором 10 посредством электрических проводов 21 и термостата 22. Внутренняя полость напорно-компрессорной трубы 4 у устья скважины связана с манометром 23.

Пакерное устройство работает следующим образом. Перед установкой на корпусе 7 пружину 15 охлаждают до мартенситного состояния и, скручивая, уменьшают ее в диаметре. После чего устройство погружают в скважину и фиксируют в положении, при котором корпус 7 с пружиной 15, камерой 16 и рукавом 17 располагаются напротив отверстия 1 и включают насос 3. Под действием подаваемого насосом 3 и завихренного пластинами 8 потока жидкости рабочее колесо 12 приводит во вращение ротор 11 с ведомым колесом 13. Электрогенератор 10 начинает вырабатывать электроэнергию, и происходит нагрев нагревательного элемента 20. При этом ведомое колесо 13 обеспечивает циркуляцию находящейся в корпусе 7 нагретой нагревательным элементом 20 жидкости относительно пружины 15 и камеры 16. В результате нагрева слиток 18 расплавляется, а пружина 15, «вспоминая» предварительно заданную исходную форму и переходя в аустенитное состояние, увеличивается в диаметре и плотно прижимает камеру 16 к поврежденной отверстием 1 стенке скважинной колонны 2 (фиг.2). После этого насос 3 выключают, в результате чего происходит охлаждение пружины 15 и камеры 16 скважинной жидкостью. Материал пружины 15 претерпевает при этом мартенситное превращение и становится более пластичным, а заполняющий камеру 16 расплав 18 кристаллизуется. Далее корпус 7 за трубу 4 поднимают на поверхность. При этом рукав 17 натягивается и обрывается, а легкодеформируемая в мартенситном состоянии пружина 15 в процессе растяжения за тягу 14 вслед за корпусом 7 извлекается из камеры 16 (фиг.3).

Армирование металлической матрицы наполнителями типа стальной проволоки из коррозионностойких сталей, волокнами углерода, бора, нитевидными монокристаллами сапфира, карбида кремния и т.д. является одним из наиболее востребованных в современной технике способов повышения прочности и других эксплуатационных свойств металлических конструкций. Применительно к предлагаемому устройству такое армирование позволяет уменьшить толщину стенок герметизирующей отверстие 1 металлической пломбы и тем самым ограничить ее негативное воздействие на пропускную способность ремонтируемой скважинной колонны 2. После плавления слитка 18 (матрицы) желательно, чтобы арматура 19 (наполнитель) равномерно распределялась во внутреннем объеме камеры 16, не препятствуя при этом деформации последней.

Покрывающий пружину 15 слой пластичной массы (на фиг.1-3 не показан), например пластилина, пластичного герметика или графитовой смазки, защищает камеру 16 от прямого контакта с пружиной 15 и способствует уменьшению трения между пружиной 15 и камерой 16. Тем самым предупреждается повреждение стенок камеры 16 пружиной 15 и снижается сопротивление увеличивающейся в диаметре пружине 15 со стороны камеры 16.

Чтобы избежать изменения эксплуатационных характеристик изделий из сплавов, обладающих эффектом памяти формы, приходится ограничивать температуру их нагрева. Например, недопустим нагрев изделий из нитинола свыше 250°С с целью ограничения температуры нагрева в предлагаемом устройстве в паре с электрическим нагревателем 20 аналогично тому, как, например, в утюгах, используется термостат 22. При этом в паре с манометром 23 термостат 22 может быть использован для определения продолжительности работы нагревательного элемента 20. Поскольку вызванное срабатыванием термостата 22 прекращение работы элемента 20 ведет к резкому снижению противодействия ротора электрогенератора 10 вращению колеса 12, повышению скорости вращения последнего, разгрузке двигателя насоса 3 и отображается на циферблате манометра 23 как падение давления в трубе 4.

Рукав 17 обеспечивает изоляцию жидкости, циркулирующей внутри него, относительно пружины 15 и находящегося в камере 16 сплава или расплава 18 от омывающих рукав 17 снаружи более холодных скважинных флюидов.

Источники информации

1. Патент РФ №2396418, E21B 33/12, бюл. №22, опубликовано: 10.08.2010.

2. Патент РФ №2236555, E21B 33/12, опубликовано: 20.09.2004.

Изобретение относится к пакерным устройствам и может быть использовано для восстановления герметичности поврежденных стенок скважинной колонны. Обеспечивает расширение функциональных возможностей пакерного устройства. Пакерное устройство содержит снабженный отверстиями полый трубчатый корпус с концентрично закрепленным снаружи термочувствительным элементом и трубчатым легкоплавким металлическим слитком, и нагреватель. Устройство содержит также концентрично установленную на корпусе упругую герметичную полую трубчатую камеру с находящейся внутри арматурой, слиток расположен внутри трубчатой камеры и арматура находится снаружи или внутри слитка, термочувствительный элемент имеет вид спиралевидной пружины, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы, пружина концентрично установлена на корпусе внутри трубчатой камеры, соединена с корпусом близлежащим к устью скважины концом, имеет форму катушки и наряду с корпусом находится в скважине только до окончания пакеровки. Устройство дополнительно содержит насос, НКТ, турбинную камеру с отводным каналом и закрепленными внутри нее направляющими пластинами, установленный в турбинной камере электрогенератор с закрепленными на противоположных концах его вала рабочим и ведомым лопастными колесами, расположенный концентрично снаружи трубчатой камеры и закрепленный с концов на корпусе рукав из упругого материала, нагреватель расположен в корпусе и имеет вид электрического нагревательного элемента, который связан с электрогенератором электрическим термостатом и соответствующими электрическими проводами, рабочее колесо расположено в турбинной камере напротив направляющих пластин, а ведомое колесо находится в корпусе напротив нагревателя. Спиралевидная пружина покрыта пластичной массой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пакерное устройство, содержащее расположенный в скважинной трубе на уровне нарушивших ее герметичность отверстий, снабженный отверстиями полый трубчатый корпус с концентрично закрепленным снаружи термочувствительным элементом и трубчатым легкоплавким металлическим слитком, нагреватель, периодически воздействующий на термочувствительный элемент и слиток, отличающееся тем, что дополнительно содержит концентрично установленную на корпусе упругую, например силиконовую, герметичную полую трубчатую камеру с находящейся внутри, не препятствующей ее деформации арматурой, например, в виде обрезков стальной проволоки, волокон стекла, углерода или бора, слиток расположен внутри трубчатой камеры и арматура находится снаружи или внутри слитка, термочувствительный элемент имеет вид спиралевидной пружины, изготовленной из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например из нитинола, пружина концентрично установлена на корпусе внутри трубчатой камеры, соединена с корпусом близлежащим к устью скважины концом, имеет форму катушки и наряду с корпусом находится в скважине только до окончания пакеровки.

2. Пакерное устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит насос, напорно-компрессорную трубу, внутренняя полость которой у устья скважины связана с манометром, турбинную камеру с отводным каналом и закрепленными внутри нее направляющими пластинами, установленный в турбинной камере электрогенератор с закрепленными на противоположных концах его вала рабочим и ведомым лопастными колесами, расположенный концентрично снаружи трубчатой камеры и закрепленный с концов на корпусе рукав из упругого материала, например из силикона, нагреватель расположен в корпусе и имеет вид электрического нагревательного элемента, который связан с электрогенератором электрическим термостатом и соответствующими электрическими проводами, рабочее колесо расположено в турбинной камере напротив направляющих пластин, а ведомое колесо находится в корпусе напротив нагревателя.

3. Пакерное устройство по п.1, отличающееся тем, что спиралевидная пружина покрыта пластичной массой, например пластилином или графитовой смазкой.