Пакер скважинный гидромеханический Российский патент 2021 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для герметичного разобщения интервалов ствола обсадной колонны скважины в процессе проведения технологических операций, например, при проведении гидравлического разрыва пласта, при обработке призабойной зоны пласта, опрессовке обсадной колонны, а также при проведении ремонтно-изоляционных работ.  

Известен пакер гидромеханический, состоящий из ствола, на который навернута муфта, а ниже нее установлен байпас, в корпусе которого установлено резиновое кольцо. Ниже расположен корпус клапана, в который вставлена втулка, выполняющая роль балансировочного клапана. Снизу корпус клапана соединен с гидравлическим якорем, состоящим из корпуса, в котором установлены плашки, поджатые планками. Ниже гидравлического якоря расположен уплотнительный узел, в состав которого входят корпус, соединенный резьбой, находящейся в его верхней части, с гидравлическим якорем. На корпусе гидравлического якоря имеется калибровочная гайка и в нижней части корпуса имеется калибровочная гайка, между которыми располагаются манжеты с проставочными кольцами. В нижней части пакера располагается посадочный узел, в состав которого входят корпус механического якоря, в котором установлены подпружиненные фрикционные планки, зафиксированные кольцом, которое поджимается посредством резьбы байонета. В нижней части байонета выполнены J-образные пазы смещенные относительно друг друга на 180°С, в которых расположены выступы, расположенные на хвостовике. Посадочный узел связывается с уплотнительным узлом системой тяг, выполненных в виде корпуса, который сверху ввернут в калибровочную гайку, а снизу ограничен посадочным конусом и удерживает за выступающий бурт трубу. На низ трубы накручивается гайка, ограничивающая перемещение посадочного узла (патент РФ №2370628, МПК E21B 33/12, опубликован 20.10.2009 г.).

Недостатком данного технического решения является риск попадания механических примесей и/или проппанта через технологические отверстия корпуса, соединенного с посадочным конусом, с дальнейшим забиванием и засорением внутренней полости пакера, что может привести к функциональным проблемам пакера и необходимости его поднятия для устранения возникших проблем. К недостаткам также относится сложность реализации поворотного способа посадки пакера, к примеру, на больших глубинах.

Известно устройство для герметизации межтрубного пространства скважины, выбранное в качестве прототипа, включающее функционально раздельные узлы: байпасный узел, состоящий из установочного переводника, закрепленного на полом штоке, перепускного плунжера, размещенного внутри корпуса разобщающего клапана, кольцевого резинового уплотнителя, расположенного в кольцевой проточке корпуса байпаса, перепускной ступенчатой втулки, расположенной в корпусе разобщающего клапана; гидроякорный узел, состоящий из корпуса, внутри которого размещены цилиндрические пружины, гидроплашки и гидропоршни; узел герметизации, состоящий из герметизирующих элементов с проставочными кольцами; посадочный узел с механическим якорем, состоящий из корпуса посадочного узла, внутри которого размещена цанга, удерживающая полый шток (в транспортном положении), а в нижней части корпуса закреплен конус, ниже размещен механический якорь, снабженный плашками и фрикционными планками, равномерно распределенными по окружности, байонет посредством стопора соединен с переводником, детали и узлы устройства соединены резьбами, отличающееся тем, что байпасный узел устройства содержит фторопластовое кольцо и кольцевой резиновый уплотнитель, размещенные в кольцевой канавке полого штока, закрытых сверху цилиндрической поверхностью корпуса разобщающего клапана (патент РФ №92460, МПК E21B 33/12, опубликован. 20.03.2010 г.).

Недостатком данного технического решения является риск попадания механических примесей и/или проппанта через технологические отверстия в корпусе посадочного узла, с дальнейшим забиванием и засорением внутренней полости устройства, что может привести к функциональным проблемам пакера и необходимости его поднятия для устранения возникших проблем. К недостаткам также относится сложность реализации поворотного способа посадки устройства, к примеру, на больших глубинах.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности пакера скважинного гидромеханического за счет:

- обеспечения качественной фильтрации рабочей жидкости перед ее попаданием во внутреннюю часть пакера, что позволяет предотвратить попадание механических примесей и/или проппанта в канал пакера и полость гидроякоря, предотвратить их засорение и забивание, тем самым сводя к минимуму риск получения осложнения при переводе пакера в транспортное положение, при этом под осложнением понимается невозможность перевода пакера в транспортное положение натяжением колонны труб, либо необходимость приложения увеличенной осевой нагрузки для перевода пакера в транспортное положение;

- обеспечения простоты установки пакера осевыми манипуляциями колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) с одновременным исключением риска слома штока при переводе пакера в транспортное положение, а также с обеспечением возможности выдерживания пакером наружного давления за счет равнопрочности и усиления штока.

Указанный технический результат достигается в пакере скважинном гидромеханическом, включающем функционально раздельные узлы: байпасный узел, состоящий из закрепленного на полом штоке установочного переводника, уплотнителя, перепускного плунжера, размещенного внутри корпуса разобщающего клапана; гидроякорный узел; узел герметизации, состоящий из герметизирующих элементов с кольцами; посадочный узел с механическим якорем, состоящий из конуса и цанги, установленной с возможностью удержания полого штока в транспортном положении, при этом в конусе выполнены технологические отверстия, снабженные фильтрационной пружиной с установленной поверх нее защитной втулкой, а на нижней части полого штока установлена с возможностью свободного вращения независимая втулка с фигурным пазом, расположенная внутри колпака, прикрепленного к цилиндру, соединенному сверху с корпусом механического якоря, при этом концевая часть фиксатора постоянно размещена в фигурном пазу независимой втулки.

Кроме того, уплотнитель размещен в пространстве, образованном между нижним торцом установочного переводника, внешней поверхностью полого штока и внутренней поверхностью байпасной втулки, присоединенной к установочному переводнику.

На чертеже приведена схема пакера скважинного гидромеханического в транспортном положении.

Пакер скважинный гидромеханический содержит полый шток 1, на наружной поверхности которого выполнены продольные пазы (на чертеже не показаны), образующие канал для сообщения между собой подпакерного и надпакерного пространств. На штоке 1 установлены в направлении сверху вниз нижеприведенные функционально раздельные узлы: байпасный узел, гидроякорный узел, узел герметизации, посадочный узел с механическим якорем.

Байпасный узел состоит из закрепленного на полом штоке 1 установочного переводника 2, к которому присоединена байпасная втулка 3, а также уплотнителя 4, размещенного в пространстве, образованном между внутренней поверхностью байпасной втулки 3, нижним торцом установочного переводника 2 и внешней поверхностью штока 1. Выполнение верхней части байпасного узла в виде двух соединяемых деталей: установочного переводника 2 и байпасной втулки 3, позволяет упростить как установку уплотнителя 4, так и его замену при необходимости. В состав байпасного узла также входит корпус разобщающего клапана 5, внутри которого размещен перепускной плунжер 6 с уплотнительными кольцами 7 с образованием камеры, давление в которой равно давлению в подпакерном пространстве. Байпасный узел служит для открытия канала и прохождения жидкости через него, например, с целью предотвращения эффекта поршневания при спуске пакера в скважину в транспортном положении или для выравнивания давления в разобщаемых зонах перед срывом пакера и создания циркуляции для глушения или промывки скважины. Также байпасный узел служит для закрытия канала и прекращения прохождения жидкости через него. Перепускной плунжер 6 с уплотнительными кольцами 7, размещенный внутри корпуса разобщающего клапана 5, служит для предотвращения открытия канала под действием рабочего давления, когда пакер находится в рабочем положении.

Гидроякорный узел состоит из корпуса 8 гидроякоря, в радиальных отверстиях которого размещены гидроплашки 9, прижатые к корпусу 8 гидроякоря посредством цилиндрических пружин 10, удерживаемых планками 11 с винтами 12. Гидроякорный узел предназначен для удерживания пакера от перемещения вверх.

Узел герметизации включает в себя герметизирующие элементы 13 с кольцами 14. Узел герметизации необходим для обеспечения герметичности разобщения интервалов обсадной колонны скважины. Выше и ниже герметизирующих элементов 13 установлены, соответственно, верхний упор 15 и нижний упор 16.

Посадочный узел состоит из конуса 17, цанговой втулки 18 с нижней цангой 19, входящей в зацепление с буртиком 20 на штоке 1. Зацепление нижняя цанга 19 – буртик 20 позволяет удерживать шток 1 в транспортном положении, что препятствует перемещению штока 1 относительно гидроякорного узла и узла герметизации при спуске пакера в скважину, предотвращая преждевременное срабатывание пакера, а также обеспечивает пребывание канала в открытом состоянии и прохождение через него жидкости при спуске пакера. Цанговая втулка 18 при этом соединена с корпусом 8 гидроякоря и размещена под герметизирующими элементами 13. В конусе 17 выполнены технологические отверстия 21, снабженные фильтрационной пружиной 22 с установленной поверх нее защитной втулкой 23. Технологические отверстия 21 в конусе 17 служат для возможности сообщения канала с подпакерным пространством. Выше упоминаемый по тексту канал представляет собой пространство, образованное между поверхностью продольных пазов штока 1, с одной стороны, и внутренними поверхностями: корпуса разобщающего клапана 5 с перепускным плунжером 6, корпуса 8 гидроякоря, а также цанговой втулки 18, с другой стороны. Пара фильтрационная пружина 22 – защитная втулка 23 служит для предотвращения попадания механических примесей и/или проппанта через технологические отверстия 21 в конусе 17 с дальнейшим засорением, забиванием канала пакера и полости гидроякоря.

Ниже посадочного узла размещен механический якорь, предназначенный для установки пакера в скважине и его удерживания от перемещения вниз. Механический якорь состоит из кожуха 24, с размещёнными внутри него подпружиненными плашками 25. К кожуху 24 присоединен корпус 26 механического якоря, внутри которого размещены подпружиненные планки 27 и зафиксированные от выпадения покрышками 28 с винтами 29. К корпусу 26 механического якоря снизу присоединен цилиндр 30, к которому прикреплен колпак 31. На нижней части полого штока 1 установлена с возможностью свободного вращения независимая втулка 32, расположенная внутри колпака 31. На независимой втулке 32 выполнен фигурный паз (на чертеже не показан). Концевая часть фиксатора 33 постоянно размещена в фигурном пазу независимой втулки 32. Вышеописанная конструкция обеспечивает простоту установки пакера осевыми перемещениями колонны НКТ. Выполнение фигурного паза на независимой втулке 32, а не на штоке 1, обеспечивает увеличение проходного канала пакера, а также равнопрочность и усиление штока 1, что позволяет выдерживать наружное давление и исключить риск слома штока 1 при переводе пакера в транспортное положение. К штоку 1 снизу присоединена муфта 34.

Пакер скважинный гидромеханический работает следующим образом.

Пакер соединяют при помощи установочного переводника 2 с колонной труб (на чертеже не показана) и спускают в скважину на требуемую глубину. При спуске пакера подпружиненные планки 27 механического якоря, зафиксированные от выпадения покрышками 28 с винтами 29, постоянно прижаты к стенкам обсадной колонны (на чертеже не показана). Пакер устанавливают в скважине известным способом, путем осевых перемещений колонны труб, за счет которых фиксатор 33 перемещается по фигурному пазу (на чертеже не показан) независимой втулки 32, расположенной внутри колпака 31, прикрепленного к цилиндру 30.

Далее приводят в действие механический якорь. Конус 17, соприкасаясь с подпружиненными плашками 25, перемещает их в радиальном направлении до зацепления со стенками обсадной колонны. Далее шток 1 перемещается относительно цанговой втулки 18 с нижней цангой 19, при этом шток 1 выходит из зацепления с буртиком 20. В результате верхняя часть корпуса 5 разобщающего клапана, соединенного с корпусом 8 гидроякоря, «внедряется» в байпасную втулку 3 с уплотнением 4 и герметично перекрывает канал. Далее усилие передается на верхний упор 15 и нижний упор 16, происходит сжатие герметизирующих элементов 13. Затем путём подачи давления в колонну труб, осуществляют установку гидроякорного узла. Под действием давления, подпружиненные цилиндрическими пружинами 10 гидроплашки 9 выдвигаются наружу в радиальном направлении и внедряются в стенки обсадной колонны. При этом предотвращают разъединение байпасной втулки 3 и корпуса 5 разобщающего клапана и открытие канала, за счет действия давления в камере, образованной перепускным плунжером 6 с уплотнительными кольцами 7, размещенными внутри корпуса 5 разобщающего клапана.

Пакер скважинный гидромеханический переводят в транспортное положение следующим образом. Прекращают закачку жидкости в колонну труб, снимают давление в трубах, за счет чего подпружиненные гидроплашки 9 отходят от стенок обсадной колонны и возвращаются в исходное положение. Далее производят натяжение колонны труб вверх при определенной осевой растягивающей нагрузке, в результате чего корпус 5 разобщающего клапана выходит из-под байпасной втулки 3, происходит открытие канала и переток через него жидкости, поступающей сверху через байпасный узел и снизу через технологические отверстия 21, снабженные фильтрационной пружиной 22 с защитной втулкой 23, что приводит к выравниванию давления над пакером и под пакером. При дальнейшем натяжении колонны труб конус 17 перемещается вверх относительно корпуса 26 механического якоря. Подпружиненные плашки 25 освобождаются от зацепления со стенкой обсадной колонны и возвращаются в транспортное положение. Герметизирующие элементы 13 принимают первоначальную форму.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эксплуатационную надежность пакера за счет обеспечения качественной фильтрации рабочей жидкости перед ее попаданием во внутреннюю часть пакера, что предотвращает забивание канала пакера и полости гидроякоря механическими примесями и/или проппантом, тем самым сводя к минимуму риск получения осложнения при переводе пакера в транспортное положение. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает простоту установки пакера осевыми манипуляциями колонной НКТ с одновременным исключением риска слома штока при переводе пакера в транспортное положение, а также с обеспечением возможности выдерживания пакером наружного давления за счет равнопрочности и усиления штока.

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для герметичного разобщения интервалов ствола обсадной колонны скважины в процессе проведения технологических операций. Пакер скважинный гидромеханический включает установленные на полом штоке в направлении сверху вниз функционально раздельные узлы: байпасный узел, состоящий из закрепленного на полом штоке установочного переводника, к которому присоединена байпасная втулка, уплотнителя, перепускного плунжера, размещенного внутри корпуса разобщающего клапана; гидроякорный узел; узел герметизации, состоящий из герметизирующих элементов с кольцами; посадочный узел, состоящий из конуса и цанги, установленной с возможностью удержания полого штока в транспортном положении и установленного ниже механического якоря. При этом в конусе выполнены технологические отверстия, снабженные фильтрационной пружиной с установленной поверх нее защитной втулкой. К корпусу механического якоря снизу присоединен цилиндр, к нижней части которого прикреплен колпак, внутри которого установлен фиксатор. Концевая часть фиксатора постоянно размещена в фигурном пазу независимой втулки, установленной на нижней части полого штока с возможностью свободного вращения и перемещения внутрь колпака. Уплотнитель размещен в пространстве, образованном между нижним торцом установочного переводника, внешней поверхностью полого штока и внутренней поверхностью байпасной втулки, присоединенной к установочному переводнику. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности пакера скважинного гидромеханического. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пакер скважинный гидромеханический, включающий установленные на полом штоке в направлении сверху вниз функционально раздельные узлы: байпасный узел, состоящий из закрепленного на полом штоке установочного переводника, к которому присоединена байпасная втулка, уплотнителя, перепускного плунжера, размещенного внутри корпуса разобщающего клапана; гидроякорный узел; узел герметизации, состоящий из герметизирующих элементов с кольцами; посадочный узел, состоящий из конуса и цанги, установленной с возможностью удержания полого штока в транспортном положении, и установленного ниже механического якоря, отличающийся тем, что в конусе выполнены технологические отверстия, снабженные фильтрационной пружиной с установленной поверх нее защитной втулкой, к корпусу механического якоря снизу присоединен цилиндр, к нижней части которого прикреплен колпак, внутри которого установлен фиксатор, концевая часть которого постоянно размещена в фигурном пазу независимой втулки, установленной на нижней части полого штока с возможностью свободного вращения и перемещения внутрь колпака.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнитель размещен в пространстве, образованном между нижним торцом установочного переводника, внешней поверхностью полого штока и внутренней поверхностью байпасной втулки, присоединенной к установочному переводнику.