ПАКЕР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметизации ствола нефтяной или газовой скважины.

В большинстве известных пакеров герметизация ствола скважины достигается путем сжатия уплотнительного элемента (резиновой манжеты), которая, расширяясь в радиальном направлении, перекрывает кольцевой зазор между корпусом пакера и стволом скважины.

Известен пакер, который содержит ствол, установленные на нем верхний и нижний переводники, между которыми размещен уплотнительный элемент, заключенный между коническими кольцами, с которыми взаимодействуют своими конусными поверхностями подпружиненные выдвижные плашки. Между переводниками установлены дополнительные конические кольца, с которыми взаимодействуют конусные поверхности плашек. Выдвижные плашки выполнены сборными с образованием внутренних полостей, в которых размещены кольцевые пружины. Осевой размер плашек превышает размер зазора между торцами обсадных труб в муфтовом соединении не менее чем в три раза (патент РФ №2209926, МПК E21B 33/12, опубл. 10.08.2003 г.).

Недостатком известного устройства является низкая эксплуатационная надежность ввиду того, что кольцевые пружины, стягивающие плашки, в процессе эксплуатации лопаются, что может привести к заклиниванию плашек в скважине и осложнениям при демонтаже пакера.

Наиболее близким к предложенному является пакер, включающий полый цилиндрический шток с верхней и нижней опорами, установленный на штоке уплотнительный элемент, ограниченный с торцов пакетами антиэкструзионных шайб, содержащими опорные и дополнительные уплотнительные шайбы, между которыми размещены распорные кольца, причем внутренние кромки уплотнительных антиэкструзионных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента (А.с. СССР №1404636, МПК E21B 33/12, опубл. 23.06.88 г.).

Недостатком данного пакера также является низкая эксплуатационная надежность ввиду частой поломки тонких, термически обработанных, опорных и антиэкструзионных колец, что приводит к повреждению уплотнительных элементов.

Задачей изобретения является повышение надежности и эффективности работы пакеров в процессе их установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах.

Поставленная задача решается предложенными тремя вариантами конструкции пакеров.

По первому варианту пакер включает полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхней и нижней опорными шайбами, причем внутренние кромки последних выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, и верхним и нижним антиэкструзионными кольцами, в котором в отличие от прототипа верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, причем уплотнительный элемент выполнен составным из нескольких резиновых манжет, состыкованных между собой коническими торцами, а полиуретановые антиэкструзионные кольца установлены на опорные металлические шайбы и опираются соответственно на верхнюю опору и конус.

По второму варианту пакер включает полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхней и нижней опорными шайбами и верхним и нижним антиэкструзионными кольцами, причем внутренние кромки опорных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, в котором в отличие от прототипа верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, причем уплотнительный элемент выполнен составным из нескольких резиновых манжет, состыкованных между собой коническими торцами, а верхнее антиэкструзионное полиуретановое кольцо выполнено с внутренними конусными боковыми поверхностями и размещено между двумя верхними конусными металлическими шайбами с наружными конусными поверхностями, взаимодействующими с боковыми поверхностями верхнего антиэкструзионного полиуретанового кольца и расположенными под верхней опорой, а аналогичное нижнее антиэкструзионное полиуретановое кольцо размещено между двумя нижними конусными металлическими шайбами, аналогичными верхним конусным металлическим шайбам, расположенными над нижней опорой.

По третьему варианту пакер включает полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхним и нижним антиэкструзионными узлами, в котором в отличие от прототипа верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, а под верхней опорой над уплотнительным элементом расположен верхний антиэкструзионный узел, который состоит из уплотнительного полиуретанового кольца с наружной конусной поверхностью, антиэкструзионного полиуретанового кольца с внутренней конусной поверхностью, которые размещены между верхней, средней и нижней конусными металлическими шайбами, причем внутренние кромки нижней конусной металлической шайбы выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, а ее противоположная сторона имеет наружную конусную поверхность, средняя конусная металлическая шайба имеет наружную и внутреннюю конусные поверхности, верхняя конусная металлическая шайба имеет внутреннюю конусную поверхность, причем эти конусные поверхности взаимодействуют с соответствующими конусными поверхностями уплотнительного и антиэкструзионного полиуретановых колец, а под нижним уплотнительным элементом над нижней опорой расположен нижний антиэкструзионный узел, аналогичный по устройству верхнему, но перевернутый на 180°.

Согласно изобретению верхнее и нижнее антиэкструзионные полиуретановые кольца могут быть армированы металлическими деталями.

Технический результат изобретения достигается благодаря предложенным конструкциям, в которых антиэкструзионные кольца изготовлены из полиуретана. Износостойкость, твердость и термостойкость полиуретана не позволяют уплотнительным манжетам «затекать» в зазор между деталями пакера и стенкой эксплуатационной колонны под действием воспринимаемого давления и температуры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид пакера в разрезе по варианту 1, на фиг.2 - по варианту 2, на фиг.3 - по варианту 3.

Вариант 1.

Пакер (фиг.1) включает полый цилиндрический ствол 1, на котором через переводник 2 установлена посредством резьбового соединения верхняя опора 3, верхнее и нижнее антиэкструзионные кольца из полиуретана, соответственно 4, 5, между которым размещен уплотнительный элемент в виде нескольких (в конкретном примере трех) резиновых манжет 6, 7, 8, нижнюю опору 9, выполненную в виде конуса. Между каждым антиэкструзионным кольцом 4, 5 и уплотнительными резиновыми манжетами 6, 7, 8 установлены верхняя 10 и нижняя 11 опорные металлические шайбы, внутренние кромки которых выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента. Уплотнительные резиновые манжеты 6, 7, 8 состыкованы между собой коническими торцами. Антиэкструзионные кольца 4, 5, опорные металлические шайбы 10, 11, уплотнительные манжеты 6, 7, 8 образуют уплотнительный узел пакера, который опирается на конус 9, являющийся подвижным относительно ствола 1 пакера.

Уплотнительный узел пакера по варианту 1 работает следующим образом.

После спуска пакера на интервал установки и приведения его в рабочее положение конус 9 остается на месте относительно эксплуатационной колонны 12. Ствол 1 с переводником 2 и опорой 3 под действием веса колонны НКТ перемещается вниз относительно конуса 9. Резиновые уплотнительные манжеты 6, 7 и 8 деформируются до соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны 12. Под действием растущих сил сопротивления резиновых манжет 6, 7 и 8 начинают деформироваться полиуретановые антиэкструзионные кольца 4 и 5 до соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны 12. При этом резиновые манжеты 6, 7 и 8 образуют надежное уплотнение, а полиуретановые антиэкструзионные кольца 4 и 5 исключают прихват пакера в эксплуатационной колонне 12 за счет попадания резиновых манжет 6 и 8 в зазор между деталями пакера и стенкой эксплуатационной колонны 12. После выполнения технологических операций при снятии пакера ствол 1 с переводником 2 и опорой 3 перемещаются вверх, все уплотнительные элементы пакера возвращаются в исходное положение за счет собственных упругих сил.

Вариант 2.

Пакер (фиг.2) включает полый цилиндрический ствол 1, на котором через переводник 2 установлена посредством резьбового соединения верхняя опора 3, выполненную в виде конуса нижнюю опору 9, верхнее и нижнее антиэкструзионные полиуретановые кольца 13 и 14, верхнюю и нижнюю опорные металлические шайбы, соответственно 10 и 11, между которыми расположен уплотнительный элемент в виде нескольких (в данном примере трех) резиновых манжет 6, 7, 8, состыкованных между собой коническими торцами. Верхнее антиэкструзионное кольцо 13 выполнено с внутренними конусными боковыми поверхностями и размещено между двумя конусными металлическими шайбами 15 и 16 с наружными конусными поверхностями, взаимодействующими с боковыми поверхностями антиэкструзионного полиуретанового кольца 13 и расположенными под верхней опорой 3. Нижнее антиэкструзионное кольцо 14 аналогично верхнему размещено между двумя конусными металлическими шайбами 17 и 18, расположенными над нижней опорой 9. Антиэкструзионные кольца 13 и 14, металлические шайбы 10 и 11, 15 и 16, 17 и 18, уплотнительные манжеты 6, 7, 8 образуют уплотнительный узел пакера, который опирается на конус 9, являющийся подвижным относительно ствола 1 пакера.

Уплотнительный узел пакера по варианту 2 работает следующим образом.

После спуска пакера на интервал установки и приведения его в рабочее положение конус 9 остается на месте относительно эксплуатационной колонны 12. Ствол 1 с переводником 2 и опорой 3 под действием веса спускаемой колонны НКТ продолжает движение вниз относительно конуса 9. Резиновые манжеты 6, 7, 8 деформируются до соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны 12. Под действием растущих сил сопротивления резиновых манжет начинают деформироваться и передвигаться к стенке эксплуатационной колонны антиэкструзионные полиуретановые кольца 4 и 5, закрывая зазор между опорой 3 и стенкой эксплуатационной колонны 12, а также конусом 9 и стенкой эксплуатационной колонны 12 и препятствуя «затеканию» резины в этот зазор. После выполнения технологических операций при снятии пакера ствол 1 с переводником 2 и опорой 3 перемещается вверх, все уплотнительные элементы пакера возвращаются в исходное положение за счет собственных сил упругости.

Вариант 3.

Пакер (фиг.3) включает полый цилиндрический ствол 1, на котором через переводник 2 установлена посредством резьбового соединения верхняя опора 3; выполненную в виде конуса нижнюю опору 9; верхний антиэкструзионный узел, состоящий из уплотнительного полиуретанового кольца 19 и антиэкструзионного полиуретанового кольца 13 и взаимодействующих с ними верхней 20, средней 21 и нижней 22 конусных металлических шайб; нижний антиэкструзионный узел, аналогичный по устройству верхнему, но перевернутый на 180°; уплотнительный элемент в виде нескольких (в данном примере трех) резиновых манжет 6, 7, 8, состыкованных между собой коническими торцами, расположенный между верхним и нижним антиэкструзионными узлами. Внутренние кромки металлических шайб 9 выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, а их наружные поверхности выполнены конусными и стыкуются с конусной боковой поверхностью антиэкструзионных полиуретановых колец 13, которые другой своей наружной конусной поверхностью стыкуются с конусной поверхностью средних металлических шайб 21, последние, в свою очередь, взаимодействуют с уплотнительными полиуретановыми кольцами 19, взаимодействующими с металлическими шайбами 20. Верхний антиэкструзионный узел расположен под верхней опорой 3. Нижний антиэкструзионный узел расположен над нижней опорой - конусом 9 и выполнен аналогично верхнему, но перевернут на 180°. Он содержит уплотнительное полиуретановое кольцо 25, антиэкструзионное полиуретановое кольцо 14, взаимодействующие с ними корпусные металлические шайбы 23, 24, 26.

Уплотнительный узел пакера по варианту 3 работает следующим образом.

После спуска пакера на интервал установки и приведения его в рабочее положение конус 9 остается на месте относительно эксплуатационной колонны 12. Ствол 1 с переводником 2 и опорой 3 под действием веса спускаемой колонны НКТ продолжают движение вниз относительно конуса 4. Резиновые уплотнительные манжеты 6, 7 и 8 деформируются до соприкосновения со стенкой эксплуатационной колонны 12. Под действием растущих сил сопротивления резиновых уплотнительных манжет 6, 7 и 8 начинают деформироваться и передвигаться к стенке эксплуатационной колоны антиэкструзионные полиуретановые кольца 13 и 14, закрывая зазор между металлическими шайбами 22, 23 и стенкой эксплуатационной колонны 12 и препятствуя «затеканию» резины в этот зазор. Одновременно деформируются уплотнительные полиуретановые кольца 19, 25, закрывая зазор между металлическими шайбами 20, 21, 24, 26 и стволом пакера 1 и надежно герметизируя пространство резиновых уплотнительных манжет 6, 7 и 8. Полиуретановые кольца 19 вместе с металлическими шайбами 20, 21, 22, а также кольца 25 вместе с металлическими шайбами 23, 24, 26, образуют два дополнительных уплотнения межтрубного пространства. Такая конструкция позволяет не только исключить «затекание» резиновых уплотнительных манжет 6, 7 и 8 между деталями пакера и стенкой эксплуатационной колонны 12, но и значительно улучшить герметизацию межтрубного пространства при больших величинах воспринимаемого пакером давления и температуры.

По вариантам 2, 3 исполнения пакера антиэкструзионные полиуретановые кольца могут быть армированы металлическими деталями.

Таким образом, предложенные варианты технического решения позволяют повысить надежность и эффективность работы пакера в процессе его установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах. В результате использования изобретения сокращается количество аварий, увеличивается срок службы пакета, растет межремонтный период работы скважин.

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначена для герметизации ствола нефтяной или газовой скважины. Обеспечивает повышение надежности и эффективности работы пакеров в процессе их установки, эксплуатации и демонтажа в нефтяных и газовых скважинах. По первому варианту пакер включает полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхней и нижней опорными шайбами и верхним и нижним антиэкструзионными кольцами, причем внутренние кромки опорных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента. Верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, причем уплотнительный элемент выполнен составным из нескольких резиновых манжет, состыкованных между собой коническими торцами, а полиуретановые антиэкструзионные кольца установлены на опорные металлические шайбы и опираются соответственно на верхнюю опору и конус. Второй и третий варианты отличаются от первого конструкцией и расположением элементов, подпирающих уплотнительный элемент и состоящих из различных сочетаний антиэкструзионных полиуретановых колец и металлических шайб. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пакер, включающий полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхней и нижней опорными шайбами и верхним и нижним антиэкструзионными кольцами, причем внутренние кромки опорных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, отличающийся тем, что верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, причем уплотнительный элемент выполнен составным из нескольких резиновых манжет, состыкованных между собой коническими торцами, а полиуретановые антиэкструзионные кольца установлены на опорные металлические шайбы и опираются соответственно на верхнюю опору и конус.

2. Пакер, включающий полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхней и нижней опорными шайбами и верхним и нижним антиэкструзионными кольцами, причем внутренние кромки опорных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, отличающийся тем, что верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, причем уплотнительный элемент выполнен составным из нескольких резиновых манжет, состыкованных между собой коническими торцами, а верхнее антиэкструзнонное полиуретановое кольцо выполнено с внутренними конусными боковыми поверхностями и размещено между двумя верхними конусными металлическими шайбами с наружными конусными поверхностями, взаимодействующими с боковыми поверхностями верхнего антиэкструзионного полиуретанового кольца и расположенными под верхней опорой, а аналогичное нижнее антиэкструзионное полиуретановое кольцо размещено между двумя нижними конусными металлическими шайбами, аналогичными верхним конусным металлическим шайбам, расположенными над нижней опорой.

3. Пакер по п.2, отличающийся тем, что верхнее и нижнее антиэкструзионные полиуретановые кольца армированы металлическими деталями.

4. Пакер, включающий полый цилиндрический ствол с верхней и нижней опорами, установленный на нем уплотнительный элемент, ограниченный с торцов верхним и нижним антиэкструзионными узлами, отличающийся тем, что верхняя опора установлена на стволе через переводник, а нижняя опора выполнена в виде конуса, являющегося подвижным относительно ствола пакера, а под верхней опорой над уплотнительным элементом расположен верхний антиэкструзионный узел, который состоит из уплотнительного полиуретанового кольца с наружной конусной поверхностью, антиэкструзионного полиуретанового кольца с внутренней конусной поверхностью, которые размещены между верхней, средней и нижней конусными металлическими шайбами, причем внутренние кромки нижней конусной металлической шайбы выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента, а ее противоположная сторона имеет наружную конусную поверхность, средняя конусная металлическая шайба имеет наружную и внутреннюю конусные поверхности, верхняя конусная металлическая шайба имеет внутреннюю конусную поверхность, причем эти конусные поверхности взаимодействуют с соответствующими конусными поверхностями уплотнительного и антиэкструзионного полиуретановых колец, а под нижним уплотнительным элементом над нижней опорой расположен нижний антиэкструзионный узел, аналогичный по устройству верхнему, но перевернутый на 180°.

5. Пакер по п.4, отличающийся тем, что верхнее и нижнее антиэкструзионные полиуретановые кольца армированы металлическими деталями.