Патент на изобретение №2304695

(54) ПАКЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ. Обеспечивает использование серийно выпускаемого ловильного инструмента для извлечения пакера из скважины с одновременным снижением нагрузок при его срыве. Пакер включает ствол 2 с заглушкой 1. В нижней части на стволе с возможностью продольного перемещения установлена втулка 5 с наружным кольцевым выступом 6. Ниже втулки 5 расположены радиальные отверстия 26. Выше втулки расположены сквозные пазы 4, выполненные в кольцевой выборке 3 ствола 4. Втулка 5 сверху соединена с конусом 7, выше которого расположен уплотнительный элемент 8, зафиксированный на втулке 5 верхним упором 9. Кольцевой выступ в нижней части втулки 5 выполнен в виде дополнительного конуса 10, ниже которого расположен уплотнительный элемент 11, зафиксированный на втулке нижним упором 12, снабженным снизу замковым механизмом 13. Уплотнительные элементы 8 и 11 выполнены в виде разнонаправленных самоуплотняющихся манжет. Между конусами 7 и 10 установлен жестко соединенный с пальцем стакан 14 с возможностью продольного и вращательного движения. На стакане 14 сверху и снизу установлены шлипсы 16 и 17, оснащенные центраторами 19 и выполненные с возможностью взаимодействия с конусами 7 и 10. На наружной поверхности втулки 5 для взаимодействия с пальцем 15 выполнен фигурный паз. Заглушка 1 выполнена съемной и зафиксирована снизу ствола 2 срезным винтом 29. Она может герметично взаимодействовать с нижним упором 12, где фиксируется замковым механизмом 13. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ при капитальном ремонте скважин, исследовании пластов, эксплуатации или закачке в них жидкости.

Известен пакер (патент РФ №2137901, МПК 7 Е21В 33/12, опубл. в 1999 г.), содержащий полый ствол с заглушкой и упором, установочный фиксатор, приводной корпус и шток установочного гидроцилиндра, размещенные на стволе конус со шлипсами, уплотнительный элемент и фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками.

Недостатком пакера является сложность конструкции, обусловленная наличием сложных деталей, таких как конус, фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками, конические вкладыши, которые требуют высокой точности при изготовлении и значительно усложняют сборку, что возможно выполнить только в специализированных мастерских. Невыполнение жестких требований при изготовлении и сборке снижает надежность работы пакера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пакер (патент РФ №2170808, МПК 7 Е21В 33/12, опубл. в 2001 г.), включающий ствол с заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, конус со шлипсами, корпус и шток посадочного инструмента, установочный фиксатор и съемный узел с зубчатой насечкой, при этом ствол в верхней части выполнен с кольцевой выборкой по наружной поверхности с кольцевым выступом наверху, вертикальными сквозными пазами и радиальными отверстиями, в которой установлена втулка с возможностью продольного перемещения с наружным кольцевым выступом в нижней части и снабжена сферической кольцевой выборкой, обращенной к оси устройства, в которой установлены фиксирующие шарики, взаимодействующие через посредство радиальных отверстий в стволе со съемным узлом, а также снабжена вертикальными сквозными пазами в верхней части, причем съемный узел через палец и пазы в столе взаимодействует с втулкой и соединен со стволом через срезаемый элемент, а фиксатор положения уплотнительного элемента выполнен в виде пружинной шайбы, взаимодействующей с кольцевой насечкой на втулке, выполненной под пружинную шайбу.

Недостатками пакера являются:

– во-первых, ограниченные функциональные возможности, так как пакер держит давления только в одну сторону, сверху вниз, а при давлении, направленном снизу вверх, плашки могут сдвинуться с места;

– во-вторых, для срыва пакера нужен специальный ловильный инструмент;

– в-третьих, большая площадь соприкосновения сопряженных деталей (ствола и съемного узла), что приводит к их «закипанию», а следовательно, возникают большие нагрузки при снятии пакера, что чревато «прихватом» и может создать аварийную ситуацию при извлечении пакера.

Задачей изобретения является создание пакера, обладающего более широкими функциональными возможностями и позволяющего использовать серийно выпускаемый ловильный инструмент для извлечения его из скважины, с одновременным снижением нагрузок при срыве пакера.

Технический результат достигает пакером, соединенным с колонной труб, включающим ствол с заглушкой и кольцевой выборкой наверху, сквозными пазами и радиальными отверстиями, верхний и нижний упоры, уплотнительный элемент, конус, шлипсы, установочный фиксатор, втулку с наружным кольцевым выступом в нижней части, установленную на стволе с возможностью продольного перемещения, палец, взаимодействующий с втулкой.

Новым является то, что втулка сверху соединена с конусом, выше которого расположен уплотнительный элемент, зафиксированный на втулке верхним упором, а кольцевой выступ в нижней части втулки выполнен в виде дополнительного конуса, ниже которого расположен дополнительный уплотнительный элемент, зафиксированный на втулке нижним упором, снабженным внутри снизу замковым механизмом, причем уплотнительный элемент и дополнительный уплотнительный элемент выполнены в виде разнонаправленных самоуплотняющихся манжет, при этом между конусами установлен жестко соединенный с пальцем стакан с возможностью продольного и вращательного движения, а на стакане сверху и снизу установлены шлипсы, оснащенные подпружиненными относительно стакана центраторами и выполненными с возможностью взаимодействия соответственно с упомянутыми конусами, причем на наружной поверхности втулки для взаимодействия с пальцем выполнены два коротких и между ними один длинный продольные пазы, последовательно соединенные между собой фигурными пазами, один из которых соединяет низ первого из коротких продольных пазов, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза, являющегося рабочим, а другой – низ длинного продольного паза с другим коротким продольным пазом, расположенным в районе середины длинного продольного паза, причем сквозные пазы выполнены в кольцевом выступе ствола и расположены выше втулки, радиальные отверстия – ниже втулки, при этом заглушка выполнена съемной с наружной кольцевой проточкой, нижним ограничителем и зафиксирована снизу ствола срезным винтом, а ствол выше кольцевой выборки соединен с колонной труб, причем заглушка выполнена с возможностью герметичного взаимодействия с нижним упором, где фиксируется при помощи наружной кольцевой проточки замковым механизмом.

Новым также является то, что замковый механизм выполнен в виде выборки, выполненной на внутренней поверхности нижнего упора, оснащенной пружинным кольцом.

На фиг.1 изображен предлагаемый пакер, продольный разрез.

На фиг.2 – развертка пазов.

Пакер состоит из заглушенного снизу заглушкой 1 ствола 2 (см. фиг.1), имеющего кольцевую выборку 3 наверху, в которой выполнены сквозные пазы 4, втулки 5 с наружным кольцевым выступом 6 в нижней части.

Втулка 5 установлена на наружной поверхности ствола 2 и сверху соединена с конусом 7, выше которого расположен уплотнительный элемент 8, жестко зафиксированный на втулке 5 верхним упором 9, а наружный кольцевой выступ 6 в нижней части втулки 5 выполнен в виде дополнительного конуса 10, ниже которого расположен дополнительный уплотнительный элемент 11, жестко зафиксированный на втулке нижним упором 12, снабженным внутри снизу замковым механизмом 13.

Уплотнительный элемент 8 и дополнительный уплотнительный элемент 11 выполнены в виде разнонаправленных самоуплотняющихся манжет.

Между конусом 7 и дополнительным конусом 10 установлен стакан 14, жестко соединенный с пальцем 15, с возможностью продольного и вращательного движения, при этом палец 15 имеет возможность взаимодействия со втулкой 5. На стакане 14 сверху и снизу установлены шлипсы 16 и 17 соответственно, оснащенные подпружиненными посредством пружин 18 от стакана 14 центраторами 19 и выполненными с возможностью взаимодействия соответственно с конусом 7 и дополнительным конусом 10.

На наружной поверхности втулки 5 выполнены продольные пазы (см. фиг.2) в виде двух коротких 20, 21 и между ними одного длинного 22, соединенных последовательно между собой фигурными пазами, один из которых 23 соединяет низ короткого продольного паза 20, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза 22, являющегося рабочим, а другой 24 – низ длинного продольного паза 22 с серединой короткого продольного паза 21, расположенного в районе середины длинного продольного паза 22, являющегося съемным узлом 25.

Сквозные пазы 4 (см. фиг.1) ствола 2 расположены выше втулки 5, а радиальные отверстия 26, выполненные в стволе 2, – ниже втулки 5.

Заглушка 1 выполнена съемной с наружной кольцевой выборкой 27, нижним ограничителем 28 и зафиксирована снизу ствола 2 срезным винтом 29. Ствол 2 выше кольцевой выборки 3 соединен с колонной труб 30.

Верхний упор 9 зафиксирован относительно ствола 2 посредством установочного фиксатора 31, выполненного в виде разрушаемого элемента.

Заглушка 1 выполнена с возможностью герметичного взаимодействия с нижним упором 12, где фиксируется при помощи наружной кольцевой проточки 27 замковым механизмом 13, выполненным в виде выборки на внутренней поверхности нижнего упора 12, оснащенного пружинным разрезным кольцом 32. На наружной поверхности нижнего упора 12 установлены центраторы 33.

Несанкционированные перетоки жидкости на сопрягаемых поверхностях нижнего ствола 2 и нижнего упора 12 предотвращаются уплотнительным кольцом 34.

Работает устройство следующим образом.

На устье скважины (на фиг.1 и 2 не показано) палец 15 стакана 14 размещают в коротком продольном пазу 20 (см. фиг.2) – транспортное положение, затем пакер (см. фиг.1) на колонне труб 30 спускают в скважину. В процессе спуска пакер центрируется относительно оси скважины посредством центраторов 33, а находящаяся в скважине, жидкость перепускается снизу вверх в кольцевое пространство (на фиг.1и 2 не показано), образованное колонной труб 30 и стенками скважины, поступая через радиальные отверстия 26 внутрь ствола 2, а оттуда сквозь сквозные пазы 4 ствола 2 в выше упомянутое кольцевое пространство.

По достижении требуемого интервала установки пакера приподнимают на устье скважины колонну труб 30 на длину, большую длины короткого продольного паза 20 (см. фиг.2), а затем поворачивают по часовой стрелке колонну труб 30 на величину, большую длины развертки фигурного паза 23, соединяющего низ короткого продольного паза 20 с серединой длинного продольного паза 22, при этом все детали пакера совершают осевое и вращательное перемещение за исключением деталей 14, 15, 16, 17, 18 и 19, остающихся на месте благодаря контакту подпружиненных посредством пружин 18 шлипсов 16 и 17 со стенками скважины (на фиг.1 и 2 не показано). В результате проделанных операций палец 15 стакана 14 (см. фиг.1), находившийся в транспортном положении в коротком продольном пазу 20, попадает в середину длинного продольного паза 22 (см. фиг.2), принимая рабочее положение, в котором стакан 14 получает возможность осевого перемещения относительно ствола 2 пакера по длинному продольному пазу 22, а шлипсы 16 и 17 (см. фиг.1), расположенные на стакане 14, – возможность взаимодействия с конусом 7 и дополнительным конусом 10 соответственно. Продолжают тянуть колонну труб 30 вверх, при этом все детали пакера поднимаются вверх кроме деталей 14, 15, 16, 17, 18 и 19, остающихся на месте благодаря контакту подпружиненных посредством пружин 18 шлипсов 16 и 17 со стенками скважины. В результате палец 15 оказывается в нижней части длинного продольного паза 22 (см. фиг.2). В определенный момент шлипсы 17 (см. фиг.1) своей внутренней конусной поверхностью наезжают на дополнительный конус 10, в результате чего шлипсы 17 раздвигаются.

В итоге шлипсы 17 приходят в соприкосновение со стенками скважины, при этом центрируются посредством центраторов 19 и фиксируют пакер в скважине. Продолжают поднимать колонну труб 30 вверх и при достижении расчетной нагрузки разрушения (примерно 30-40 кН, фиксируемого на устье скважины по индикатору веса) установочного фиксатора 31, выполненного в виде разрушаемого элемента, соединяющего верхний упор 9 со стволом 2, происходит разрушение вышеупомянутого установочного фиксатора 31, в результате ствол 2 перемещается вверх до тех пор, пока не сработает замковый механизм 13, выполненный в виде пружинного разрезного кольца 32, которое попадает в наружную кольцевую проточку 27 съемной заглушки 1, при этом нижний ограничитель 28 упирается в нижний торец нижнего упора 12. При дальнейшем натяжении колонны труб 30 вверх и при достижении расчетной нагрузки разрушения (примерно 50-60 кН, фиксируемого на устье скважины по индикатору веса) разрушается срезной винт 29, при этом ствол 2 освобождается от пакера и на колонне труб 30 извлекается из скважины, при этом шлипсы 17 посредством дополнительного конуса 10 дожимаются к стенкам скважины, а заглушка 1, выполненная съемной, герметично остается на нижнем торце нижнего упора 12 в зафиксированном посредством замкового механизма 13 положении.

При наличии давления снизу дополнительный уплотнительный элемент 11, выполненный в виде самоуплотняющейся манжеты, плотно прижимается к стенкам обсадной колонны, герметично отсекая ту часть скважины, которая находится ниже пакера. В случае, если давление сверху превышает давление снизу (например, при проведении выше пакера таких работ, как гидроразрыв пласта или кислотная обработка пласта под большим давлением), то по мере проведения таких работ и роста давления сверху, которое воспринимается уже уплотнительным элементом 8, также выполненным в виде самоуплотняющейся манжеты, последний плотно прижимается к стенкам скважины, при этом давление передается на нижний торец пакера, а именно на торцы заглушки 1 и нижнего упора 12. В результате этого все детали пакера, кроме деталей 14, 15, 16, 17, 18 и 19, остающихся на месте, перемещаются вниз относительно пальца 15 по длинному продольному пазу 22. В результате палец 15 оказывается в верхней части длинного продольного паза 22. В определенный момент шлипсы 16 своей внутренней конусной поверхностью наезжают на конус 7, при этом раздвигаются и приходят в соприкосновение со стенками скважины, центрируются посредством центраторов 19 и фиксируют пакер в скважине, причем уплотнительный элемент 8, воспринимающий давление сверху, плотно прижимается к стенкам скважины и держит давление сверху вниз. Далее продолжают запланированные работы в скважине. При необходимости извлечения пакера в скважину спускают серийно выпускаемый ловильный инструмент на колонне труб (например, внутреннюю труболовку, на фиг. не показана), с помощью которого захватывают пакер за внутреннюю поверхность 35 втулки 5.

После этого поднимают колонну труб с ловильным инструментом и пакером вверх на длину, большую длины длинного продольного паза 22 (см. фиг.2), и поворачивают колонну труб по часовой стрелке на величину, большую длины развертки фигурного паза 24. Затем опускают колонну труб с ловильным инструментом и пакером вниз на длину, большую длины короткого продольного паза 21.

В результате проделанных операций палец 15 из длинной продольной проточки 20 попадает в середину короткого продольного паза 21, расположенного в районе середины длинного продольного паза 22 и являющегося съемным узлом 25, при этом все детали пакера, кроме деталей 14, 15, 16, 17, 18 и 19, остающихся на месте, совершают осевое и вращательное перемещение, и пакер занимает транспортное положение, в котором исключается возможность контакта шлипсов 16 и 17 (см. фиг.1) с конусом 7 и дополнительным конусом 10. Далее пакер извлекают из скважины.

В предлагаемом пакере используется сборный шлипсовый узел, установленный между уплотнительными элементами, что обеспечивает высокую надежность запакеровки и распакеровки пакера-пробки и расширяет его функциональные возможности, так как поддерживает пакер в рабочем состоянии как при давлениях, направленных вниз, так и вверх. Кроме того, пакер позволяет использовать серийно выпускаемый ловильный инструмент при его извлечении, а также снизить нагрузки при срыве пакера за счет сокращения площади сопряженных деталей.

Формула изобретения

1. Пакер, соединенный с колонной труб, включающий ствол с заглушкой и кольцевой выборкой наверху, сквозными пазами и радиальными отверстиями, верхний и нижний упоры, уплотнительный элемент, конус, шлипсы, установочный фиксатор, втулку с наружным кольцевым выступом в нижней части, установленную на стволе с возможностью продольного перемещения, палец, взаимодействующий с втулкой, отличающийся тем, что втулка сверху соединена с конусом, выше которого расположен уплотнительный элемент, зафиксированный на втулке верхним упором, а кольцевой выступ в нижней части втулки выполнен в виде дополнительного конуса, ниже которого расположен дополнительный уплотнительный элемент, зафиксированный на втулке нижним упором, снабженным снизу замковым механизмом, причем уплотнительный элемент и дополнительный уплотнительный элемент выполнены в виде разнонаправленных самоуплотняющихся манжет, при этом между конусами установлен жестко соединенный с пальцем стакан с возможностью продольного и вращательного движения, а на стакане сверху и снизу установлены шлипсы, оснащенные подпружиненными относительно стакана центраторами и выполненные с возможностью взаимодействия соответственно с упомянутыми конусами, причем на наружной поверхности втулки для взаимодействия с пальцем выполнены два коротких и между ними один длинный продольные пазы, последовательно соединенные между собой фигурными пазами, один из которых соединяет низ первого из коротких продольных пазов, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза, являющегося рабочим, а другой – низ длинного продольного паза с другим коротким продольным пазом, расположенным в районе середины длинного продольного паза, причем сквозные пазы выполнены в кольцевой выборке ствола и расположены выше втулки, радиальные отверстия – ниже втулки, при этом заглушка выполнена съемной с наружной кольцевой проточкой, нижним ограничителем и зафиксирована снизу ствола срезным винтом, а ствол выше кольцевой выборки соединен с колонной труб, причем заглушка выполнена с возможностью герметичного взаимодействия с нижним упором, где фиксируется при помощи наружной кольцевой проточки замковым механизмом.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что замковый механизм выполнен в виде выборки, выполненной на внутренней поверхности нижнего упора, оснащенной пружинным кольцом.

РИСУНКИ