ПАКЕР ШЛИПСОВЫЙ СЕРОВОДОРОДОСТОЙКИЙ Российский патент 2024 года по МПК E21B33/129 E21B41/02 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметичного разобщения интервалов ствола обсадной колонны при выполнении технологических операций в процессе ремонта и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин.

Известен пакер разбуриваемый [1], состоящий из полого цилиндрического штока с установленными на нем уплотнительным элементом с экструзионными шайбами, верхней и нижней опор с коническими поверхностями, фиксатора, верхних и нижних шлипсов в виде кольцевых секторов, на внешней поверхности которых выполнены зубья, переходника для соединения с посадочным инструментом.

Для спуска и посадки разбуриваемого пакера в скважину используют гидравлический посадочный инструмент, присоединяемый к переходнику, и вводят в осевой канал труб обсадной колонны до расчетной глубины. Избыточным давлением рабочей жидкости создают осевое усилие в корпусе гидравлического посадочного инструмента и перемещают корпус фиксатора относительно полого штока. Осевое усилие сообщается через шлипсы, верхнюю опору, уплотнительный элемент, нижнюю опору с конической поверхностью нижних шлипсов. При этом происходит внедрение зубьев шлипсов в стенку обсадной колонны. Дальнейшим нагружением осуществляется деформация уплотнительного элемента до контакта со стенкой обсадной колонны и перекрытие кольцевого зазора между пакером и трубой. При достижении заданных контактных напряжений между уплотнительным элементом и стенкой трубы происходит внедрение верхних шлипсов в стенку обсадной колонны и фиксация этого положения с помощью фиксатора. Отсоединение колонны труб от разбуриваемого пакера осуществляется путем разрушения тарированной кольцевой перемычки.

Существенным недостатком пакера разбуриваемого является необходимость его доставки в интервал установки на колонне насосно-компрессорных труб и применения специальных насосных агрегатов для создание избыточного гидравлического давления в посадочном инструменте. Доставка с использованием насосно-компрессорных труб является низкопроизводительной, обладающей низкой скоростью перемещения пакера с устья в интервал установки. А применение насосных агрегатов делает установку неудобной и дорогостоящей. Другим недостатком является ограниченность применения разбуриваемого пакера в скважинах, осложненных выделением сероводорода, поскольку, применяемые для его изготовления легкоразбуриваемые материалы (алюминиевые сплавы, чугуны марки СЧ), не устойчивы к воздействию сероводородной среды. В результате воздействия растворенного в скважинной жидкости сероводорода происходит быстрая коррозия материалов пакера, потеря прочности его конструкционных элементов и выход изделия из работоспособного состояния, влекущие нарушения в выполнении технологических операций, применяемых при ремонте и эксплуатации скважин.

Известен пакер разбуриваемый с посадочным инструментом, спускаемый на кабеле [2], содержащий ствол с полым поршнем, обтекатель, разделенный полым поршнем на заполненный жидкостью нижний цилиндр с полостью высокого давления и верхний цилиндр с полостью низкого давления, уплотнительный элемент пакера с верхним и нижним упорами, верхний якорный узел, взаимодействующий с нижним цилиндром, при этом верхний якорный узел оснащен конической втулкой и шлипсами, которые установлены с возможностью радиального расширения между верхним упором и конической втулкой при их сближении, а ствол жестко соединен с полым поршнем и нижним упором и выполнен сборным, состоящим из соединенных резьбовым соединением корпуса пакера и тяги, соединенной с полым поршнем, причем полый поршень жестко соединен с верхним цилиндром, который снабжен дополнительным поршнем, а нижний цилиндр выполнен с возможностью перемещения вниз относительно полого поршня и опоры толкателем на верхний упор, ограниченного наружным упором, установленным на тяге, тяга изготовлена полой, имеет центратор и заглушена снизу пробкой, при этом полость тяги сообщена с полостью высокого давления - подпоршневой полостью нижнего цилиндра, коническая втулка выполнена с возможностью взаимодействия с уплотнительным элементом сверху, верхний упор имеет возможность фиксации после перемещения относительно наружных кольцевых насечек корпуса сухарями или пружинной шайбой, расположенными в кольцевой проточке верхнего упора, при этом пакер разбуриваемый оснащен также нижним якорным узлом, содержащим коническую втулку и шлипсы, которые установлены с возможностью радиального расширения между нижним упором и конической втулкой при их сближении, при этом коническая втулка нижнего якорного узла взаимодействует с уплотнительным элементом снизу, а дополнительный поршень оснащен штоком, герметично вставленным в полость полого поршня и размещен в верхнем цилиндре, шток дополнительного поршня выполнен полым и заглушен снизу, внутренняя полость штока через отверстия сообщена с полостью низкого давления верхнего цилиндра, тем самым увеличивая объем цилиндра и перепад давлений в скважине и полости низкого давления. При этом присоединение пакера к посадочному инструменту осуществлено резьбовым соединением, отрыв пакера после посадки происходит за счет выполнения шейки малого диаметра на верхней части корпуса пакера в месте присоединения корпуса к посадочному инструменту, а посадочный инструмент оснащен сверху сбивным клапаном для сообщения, после открытия сбивного клапана, полости низкого давления с пространством скважины, при этом верхний цилиндр обтекателя имеет возможность перемещения вниз после открытия сбивного клапана и соединен с кабелем через электропривод, срезное устройство которого выполнено с возможностью взаимодействия путем вращения со сбивным штырем сбивного клапана и разрушения при подаче электрического сигнала сбивного штыря сбивного клапана посадочного инструмента, открытия отверстия сбивного клапана для сообщения полости низкого давления с пространством скважины только после подачи электрического сигнала по кабелю, зубья на шлипсах.

В данном пакере решена проблема скорости доставки пакера в интервал установки благодаря применению высокопроизводительной кабельной технологии доставки. Однако применяемый для этого посадочный инструмент обладает сложной конструкцией и требует для нормальной работы наличия уровня жидкости над пакером более 500 м, что ограничивает его применение на скважинах с низких динамическим уровнем жидкости. Кроме того, при эксплуатации в зимнее время повторная сборка посадочного инструмента пакера существенно затруднена из-за замерзания в его полостях скважинной жидкости, попадающей внутрь после установки пакера. Также в конструкции пакера не предусмотрена защита от воздействия сероводородной среды.

Наиболее близким по технической сути прототипом является шлипсовый пакер типа ВПШ [3]. Пакер состоит из дюралюминиевого штока, верхнего и нижнего направляющего конуса, верхних и нижних шлипсов, стопорной гайки, уплотнительной манжеты, разрывной шпильки. Доставка пакера осуществляется на геофизическом кабеле, а установка с помощью посадочного инструмента взрывного типа, в котором подвижная гильза под воздействием пороховых газов оказывает давление на элементы шлипсового пакера. Работа пакера происходит следующим образом. На заданной глубине приводиться в действие посадочный инструмент, подвижные детали которого начинают перемещаться в осевом направлении, преодолевая сопротивление элементов пакера. В первый момент происходит заклинивание в обсадной колонне верхних шлипсов. Дальнейшее перемещение гильзы посадочного инструмента последовательно приводит к срезу штифтов верхнего направляющего конуса и нижнего направляющего конуса, сжатию резиновой манжеты, заклиниванию в обсадной колонне нижних шлипсов и, наконец, к разрыву шейки в резьбовой шпильке, что приводит к разъединению посадочного инструмента и установленного пакера. Посадочный инструмент извлекается на поверхность и используется многократно. Установленный в обсадной колонне шлипсовый пакер обеспечивает герметичное разобщение интервалов ствола скважины.

Недостатками шлипсового пакера - прототипа является использование для его изготовления материалов, неустойчивых к сероводородной среде, а также отсутствие конструкционных решений позволяющих осуществить защиту элементов пакера от воздействия сероводорода, растворенного в скважинной жидкости. В результате этого шлипсовый пакер - прототип не обеспечивает надежного герметичного разобщения интервалов ствола скважин, осложненных выделением из продуктивного пласта серводорода и его применения ограничивается скважинами, не осложненными серовдородным проявлением.

В предлагаемом изобретении решается задача расширения условий применения шлипсового пакера и обеспечение его надежной работы по герметичному разобщению интервалов ствола скважины в условиях, осложненных выделением сероводорода из пласта в скважинное пространство.

Задача решается с помощью устройства - пакера шлипсового сероводородостойкого, представленного на фигуре 1, состоящего из полого стержня 1, выполненного из сероводородостойкого легко разбуриваемого материала, на нижнем конце которого закреплена опора 2, выполненная также из сероводородостойкого легко разбуриваемого материала. На стержень 1 последовательно установлены нижние шлипсы 3, нижний конус 4, манжета 6, верхний конус 7, верхние шлипсы 8, упор 9. Шлипсы, конусы и упор выполнены из сероводородостойкого легко разбуриваемого материала, а манжета выполнена из резинового материала, устойчивого к действию сероводородной среды. Сверху последовательно установленные элементы поджимаются с помощью фиксатора 12 в виде разрезной гайки установленной на стержень 1 с помощью резьбового соединения. В верхнюю часть упора 9 по резьбе вкручивается втулка 10, также выполненная из сероводородостойкого легкоразбуриваемого материала. В нижней части полости стержня 1 размещен поршень 14 и пружина 15 в сжатом положении. В процессе сборки пакера пружина удерживается в сжатом положении ввинтным штифтом 5, упирающимся в кольцевую канавку поршня 14. Поверх поршня в полость стержня 1 заливается жидкий нейтрализатор сероводорода (например, жидкий поглотитель марки Atren-HS-L™) 13. Сверху полость закрывается разрывной шпилькой с уплотнительными кольцами 11, вкручиваемой на резьбе, размещенной в верхней части полости 1 и обеспечивающей герметичность полости. После закручивания разрывной шпильки в полость стрежня 1 ввинтной штифт выкручивается из кольцевой канавки поршня 14. Разрывная шпилька выполнена из алюминиевого сплава и имеет ослабленное место - шейку, а также глухое отверстие, проходящее по телу разрывной шпильки от нижнего торца в глубь, до уровня, пересекающего плоскость верхней границы шейки. Таким образом, при разрыве шпильки в области шейки произойдет разгерметизация полости стержня 1. При этом диаметр шейки и глухого отверстия подбирается таким образом, чтобы усилие при котором достигается разрыв шейки было выше, чем общее усилие необходимое для разрушения шлипсов и сжатия манжеты.

Установка устройства в скважине осуществляется следующим образом. Устройство с помощью разрывной шпильки 11 соединяется с посадочным инструментом (например, с посадочным инструментом взрывного типа [3]) и доставляется в сборе с ним на геофизическом кабеле в интервал установки. Подачей электрического импульса приводят в действие посадочный инструмент, наружная гильза которого оказывает давление на втулку устройства 10. Втулка 10 начинает перемещение в нижнем направлении относительно стрежня 1 и через упор 9 передает усилие на верхние шлипсы 8, которые набегая на конус 7 расклиниваются и внедряются в стенку обсадной колонны скважины и фиксируют положение устройства в скважине. При дальнейшей работе посадочного инструмента усилие передается через разрывную шпильку 11, стержень 1 на опору 2, которая оказывает давление на нижние шлипсы 3, и через нижний конус 4 на манжету 6. Далее происходит сжатие манжеты 6, которая также деформируется в радиальном направлении до контакта со стенкой обсадной колонны и, таким образом, перекрывает зазор между устройством и обсадной колонной. После этого нижние шлипсы 3 набегают на нижний конус 4, расклиниваются и внедряются в стенке обсадной колонны скважины. Обратному расклиниванию шлипсов после снятия усилия от посадочного инструмента препятствует фиксатор 12, который под действием втулки 10 перемещается по наружной резьбе, находящейся в верхней части стержня 1. Резьба выполнена упорной, с таким расчетом, чтобы фиксатор под действием осевой нагрузки мог по ней перемещаться только в нижнем направлении. После установки пакера дальнейшее движение элементов посадочного инструмента вызывает разрыв шпильки 11 и разгерметизацию внутренне полости стержня 1. Под действием сжатой пружины 15 поршень 14 начинает перемещаться в верхнем направлении и выталкивает жидкий нейтрализатор сероводорода в скважинное пространство над установленным пакером. Жесткость пружины подбирается таким образом, чтобы при разжатии пружины создавалось усилие достаточное для преодоления скважинного давления. Жидкость, нейтрализующую сероводород, подбирают таким образом, чтобы ее плотность была выше плотности скважинной жидкости. В результате жидкий нейтрализатор сероводорода оседает на верхней поверхности элементов шлипсового пакера и химически нейтрализует сероводород, содержащийся в скважинной жидкости, предотвращая или существенно замедляя сероводородную коррозию шлипсового пакера.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что основные элементы конструкции пакера шлипсового выполнены из легкоразбуриваемых материалов, устойчивых к действию сероводорода; конструкция пакера предполагает наличие полости, заполненной жидкостью, поглощающей сероводород и системой ее вытеснения в скважинное пространство в виде подпружиненного поршня и канала в разрывной шпильке, обеспечивающего гидродинамическую связь между полостью пакера и скважинным пространством, при разрыве шейки шпильки в процессе установки пакера.

Таким образом, предложенный в изобретении комплекс отличительных признаков устройства позволяет расширить условий применения шлипсового пакера, повысить эффективность и обеспечить его надежную работу по герметичному разобщению интервалов ствола скважины в условиях, осложненных выделением сероводорода из пласта в скважинное пространство.

Работоспособность устройства оценивали экспериментально в стендовой установке, имитирующей нефтяную скважину. Основные элементы пакера, имеющие контакт с сероводородной средой и несущие функциональную нагрузку, выполнялись из сероводородостойких материалов. Стержень, опора, верхние и нижние шлипсы, верхний и нижний конусы, упор и втулка пакера были изготовлены из чугуна марки ЧХ28 (ГОСТ 7769-82), фиксатор и ввинтной штифт из стали 95X18 (ГОСТ 5632-2014), манжета из резиновой смеси TP-1802 (ТУ 2512-03-48082651-2006). В полость пакера заливалась жидкость, поглощающая сероводород марки Atren-HS-L™. Полость герметизировалась разрывной шпилькой, выполненной из дюралюминия марки Д16Т (ГОСТ 4784-97) с диаметром шейки 22 мм и диаметром глухого отверстия 5 мм. Пакер диаметром 118 мм был установлен в отрезке обсадной колонны диаметром 132 мм и толщиной стенок 8,5 мм с помощью взрывного посадочного инструмента ВПШ 102. Пакер с отрезком обсадной колонны помещался в стендовую установку, заполненную жидкостью, содержащей сероводород. Жидкость приготавливали путем химической реакции взаимодействия гидросульфида натрия и соляной кислоты в условиях замкнутого объема. Объем раствора выбирали исходя из условий эксперимента 20 см³ на 1 см² поверхности деталей пакера. Шлипсовый пакер выдерживали в этих условиях в течении 10 суток. После выдержки отрезок трубы с пакером установили на траверсы гидравлического пресса и создали усилие нагрузки на пакер с контролем положения пакера внутри отрезка колонны. С помощью манометра контролировали давление, которое создается между надпакерным и подпакерным пространством отрезка обсадной колонны. Практика эксплуатации шлипсовых пакеров на современном этапе развития накладывает требования по допустимому перепаду давлений не менее 700 кгс/см². При выполнении эксперимента был создан перепад давлений, равный 750 кгс/см² при котором не наблюдалось смещение пакера внутри отрезка обсадной колонны и обеспечивались надежное разобщение и герметизация пространства над пакером и под пакером.

Полученный технический результат подтверждает возможность реализации сущности предлагаемого изобретения.

Использованные источники информации.

1. Патент РФ №2304694, 20.08.2007.

2. Патент РФ №164722, 10.09.2016.

3. В.В. Попов, Учебное пособие Прострелочно-взрывные работы в скважинах / В.В. Попов; М-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - Стр. 131.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для герметичного разобщения интервалов ствола обсадной колонны при выполнении технологических операций в процессе ремонта и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин. Пакер шлипсовый сероводородостойкий включает полый стержень, на нижнем конце которого выполнена опора, на полый стержень с опиранием на опору последовательно установлены нижние шлипсы, нижний конус, манжета, верхний конус, верхние шлипсы, упор, которые сверху поджаты фиксатором в виде разрезной гайки, установленной на полый стержень с помощью резьбового соединения, при этом в верхнюю часть упора вкручена втулка, выполненная с возможностью взаимодействия с посадочным инструментом для активации пакера и передачи усилий на фиксатор и на верхние шлипсы. Полый стержень, опора, верхние и нижние шлипсы, верхний и нижний конусы, упор, втулка выполнены из легко разбуриваемых сероводородостойких материалов, манжета выполнена из резинового материала, устойчивого к действию сероводородной среды. Полость полого стержня пакера заполнена жидкостью, поглощающей сероводород, и системой ее вытеснения в скважинное пространство в виде подпружиненного в нижней части полости полого стержня пакера поршня. Сверху полость полого стержня пакера герметично закрыта разрывной шпилькой, выполненной с возможностью взаимодействия с посадочным инструментом. Разрывная шпилька выполнена с шейкой и глухим отверстием, проходящим от ее нижнего торца и обеспечивающим гидродинамическую связь между полостью полого стержня пакера и скважинным пространством при разрыве шейки разрывной шпильки в процессе установки пакера. Технический результат – расширение условий применения шлипсового пакера, повышение эффективности и обеспечение надежности работы по герметичному разобщению интервалов ствола скважины в условиях, осложненных выделением сероводорода из пласта в скважинное пространство. 1 ил.

Пакер шлипсовый сероводородостойкий, включающий полый стержень, на нижнем конце которого выполнена опора, на полый стержень с опиранием на опору последовательно установлены нижние шлипсы, нижний конус, манжета, верхний конус, верхние шлипсы, упор, которые сверху поджаты фиксатором в виде разрезной гайки, установленной на полый стержень с помощью резьбового соединения, при этом в верхнюю часть упора вкручена втулка, выполненная с возможностью взаимодействия с посадочным инструментом для активации пакера и передачи усилий на фиксатор и на верхние шлипсы, отличающийся тем, что полый стержень, опора, верхние и нижние шлипсы, верхний и нижний конусы, упор, втулка выполнены из легко разбуриваемых сероводородостойких материалов, манжета выполнена из резинового материала, устойчивого к действию сероводородной среды, а полость полого стержня пакера заполнена жидкостью, поглощающей сероводород, и системой ее вытеснения в скважинное пространство в виде подпружиненного в нижней части полости полого стержня пакера поршня, при этом сверху полость полого стержня пакера герметично закрыта разрывной шпилькой, выполненной с возможностью взаимодействия с посадочным инструментом, при этом разрывная шпилька выполнена с шейкой и глухим отверстием, проходящим от ее нижнего торца и обеспечивающим гидродинамическую связь между полостью полого стержня пакера и скважинным пространством при разрыве шейки разрывной шпильки в процессе установки пакера.