Патент на изобретение №2305748

(54) ПАКЕР ГАРИПОВА

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а конкретнее к технике пакерования при эксплуатации и освоении нефтяных скважин. Обеспечивает расширение технических возможностей и повышение эффективности работы пакера при насосной эксплуатации скважин. Пакер включает полый ствол 1 и уплотнительный элемент 2. Он выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным многофункциональным каналом. Канал расположен между полым стволом 1 и уплотнительным элементом 2 и выполнен пересекающим зону размещения уплотнительного элемента 2. Указанный канал заполнен наполнителем 4: газопроницаемым или при разделении канала на продольные секции a, b, c, d газопроницаемым и герметизирующим наполнителями. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а конкретнее к технике добычи при эксплуатации и освоении нефтяных скважин, при проведении различных технологических операций, при изоляции зон негерметичности в процессе проводки и насосной эксплуатации скважин.

В настоящее время актуальным является решение проблемы использования пакеров при эксплуатации скважин насосным способом, в которых требуется спустить насос с пакером ниже интервала негерметичности. В Западной Сибири в период с 1976 года и по настоящее время в связи со старением скважинного фонда все чаще выявляются скважины с нарушением герметичности обсадных колонн. К 1990 году количество скважин со сломанными обсадными колоннами составляло по Западной Сибири более 2000. На территории только Самотлорского месторождения обнаружено 711 скважин с нарушением герметичности обсадных колонн, из них 255 добывающих скважин. Ремонтно-изоляционные работы в большинстве случаев являются неуспешными. Эксплуатировать данные скважины насосным способом без отсечения интервалов негерметичности, из которых проникают в скважину воды напорных горизонтов, не представляется экономически эффективным.

При установке пакера выше насоса для отсечения вышележащего интервала (пласта или негерметичности) скважины отмечается появление свободного газа в подпакерной зоне во время работы насоса. Газ обычно попадает в скважину из пласта в потоке с фильтрующейся жидкостью или выделяется из нефти при снижении давления в скважине ниже давления насыщения нефти газом либо при фильтрации газа из газовой шапки и пр.

Свободный газ, накапливающийся в затрубном пространстве в подпакерной зоне, оказывает вредное влияние на работу насосов, в особенности электронасосов (срыв подачи, кавитация, перегрев двигателя, низкий КПД насоса и т.д.). Поэтому использование пакеров в насосных скважинах, в особенности, когда пакер отсекает насос от вышерасположенного затрубного пространства (зоны негерметичности), является сильно ограниченным по причине накопления газа в подпакерной зоне. Существующими способами (установка штуцера, регулятора или клапана) отвести газ из подпакерного пространства не представляется возможным. Это связано с тем, что при работе насоса давление на его выкиде будет всегда выше давления на его приеме и соответственно будет выше давления газа в подпакерной зоне.

В условиях проведения таких работ, когда вместо штангового насоса начинают использовать электронасосы, возникает проблема пропуска кабеля через пакер. Известные пакеры не предусматривают пропуск через себя электропроводного кабеля.

Известен пакер, включающий ствол, установленный на нем уплотнительный элемент с конусами, подпружиненные плашки и переводники (А.с. СССР №883331, кл. Е21В 33/12, 1981 г.).

Известный пакер не позволяет эффективно эксплуатировать скважину глубинным штанговым насосом.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является пакер, включающий полый ствол, связанный с колонной труб и установленный на стволе уплотнительный элемент (А.с. СССР №1765360, кл. Е21В 33/12, 1992 г.).

Недостатком известного технического решения является ненадежность его в работе ввиду того, что данный пакер нельзя использовать в скважинах, эксплуатируемых глубинным штанговым насосом с давлением на приеме насоса ниже давления насыщения и имеющих значительное газовыделение, так как пакер не предусматривает возможность стравливания газа из подпакерной зоны, что ведет к его накоплению, оттеснению жидкости из подпакерной зоны, попаданию газа на прием насоса и соответственно к снижению производительности насоса, к срыву подачи или заклиниванию последнего.

При распакеровке или срыве пакера из-за накопления газа в подпакерной зоне может произойти аварийный выброс газа из подпакерной зоны, что может привести к нештатной ситуации на скважине.

Кроме того, через известный пакер нельзя пропустить электропроводящий кабель к электронасосу, если его установить под пакером.

Задача изобретения состоит в расширении технических возможностей и повышении эффективности работы пакера при насосной эксплуатации скважин.

Технический результат достигается тем, что пакер, включающий полый ствол и уплотнительный элемент, выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным многофункциональным каналом, расположенным между полым стволом и уплотнительным элементом и пересекающим зону размещения уплотнительного элемента, при этом указанный канал заполнен газопроницаемым наполнителем или при разделении канала на продольные секции газопроницаемым и герметизирующим наполнителями.

В случае заполнения сквозного канала газопроницаемым наполнителем указанный канал выполнен в виде продольного паза, расположенного на внешней поверхности полого ствола.

В случае заполнения сквозного канала герметизирующим и газопроницаемым наполнителями указанный канал выполнен в виде кольцевой камеры, образованной внешней поверхностью полого ствола и внутренней поверхностью соосно установленного на нем цилиндра и соединенного с ним посредством жестких перемычек с образованием продольных секций.

Жесткие перемычки выполнены либо поперечными и расположены по торцам указанного канала, либо в виде продольных пластин, разделяющих кольцевую камеру на изолированные секции для размещения наполнителей в указанных секциях.

В качестве газопроницаемого наполнителя используют материал с проницаемостью не более 0,1 мД, например бетон, пенобетон, а в качестве герметизирующего наполнителя используют синтетический и/или полиминеральный материал, например клеи марки “ПОБЕДИТ-ПБ” ТМ-17, КРЕПС, ОЗСС Р-26Я, Atlas KB – 15 и др.

Кроме того, в сквозном многофункциональном канале, заполненном наполнителем, размещен, по меньшей мере, один кабель и/или один контрольно-измерительный прибор и/или один регулирующий прибор.

Суть изобретения состоит в том, что снабжение пакера сквозным многофункциональным каналом с размещенным в нем газопроницаемым наполнителем позволяет предотвратить накопление газа в подпакерной зоне за счет постоянного его отвода, а также позволяет пропустить через указанный канал кабель, например электропроводный и/или грузонесущий, или разместить в нем контрольно-измерительные приборы, например манометр, термометр, или регулирующие приборы, например регулятор или клапан. Расположение сквозного многофункционального канала, пересекающего зону размещения уплотнительного элемента, позволяет осуществить свободный доступ газа из подпакерной зоны к наполнителю и отвод газа через него в надпакерную зону.

Чем выше перепад давления между надпакерной и подпакерной зонами, тем больше объем пропускаемого газа, т.е. происходит авторегулирование отвода газа из подпакерной зоны в зависимости от перепада давления.

За счет отвода газа появляется возможность длительное время в стабильном режиме эксплуатировать насосные скважины.

Размещение газопроницаемого наполнителя в сквозном многофункциональном канале пакера независимо от способа установки последнего (с опорой или без опоры на забой) и воздействия на уплотнительный элемент (гидравлический или механическиий пакер) позволит эффективно применять пакер в тандеме с насосом. В особенности это касается скважин, имеющих интервалы негерметичности над продуктивными пластами.

Газопроницаемый наполнитель должен обладать фазовой проницаемостью по жидкости равной нулю, а по газу – отличной от нуля при рабочих депрессиях, при этом скорость прохождения газа через наполнитель пакера должна обеспечивать достаточный объем прохождения свободного газа через пакер.

На скорость прохождения газа через наполнитель, а следовательно, на объем пропускаемого газа влияют следующие параметры наполнителя: проницаемость, эффективная пористость, плотность упаковки, удельная поверхность, фобность-фильность, а также площадь поперечного сечения. Путем подбора данных параметров и определения закономерностей влияния их на газопроницаемость наполнителя определяют необходимый состав наполнителя, способный отводить больший объем газа из подпакерной зоны, чем он может накопиться за данный промежуток времени.

В качестве наполнителя можно использовать бетон, пенобетон и др. При изготовлении бетона также применяются специальные минеральные добавки, называемые пуццоланы. Пуццоланы добавляются в бетонную смесь и представляют собой разновидности вулканических туфов, цементирующим веществом в которых является пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла. Цемент, смешанный с водой, образует вяжущий раствор. Добавление сыпучего мелкого терригенного материала в вяжущий раствор превращает его в бетонную смесь. В качестве сыпучего наполнителя используется песок.

Кроме того, для придания определенных рабочих характеристик наполнителю, в бетон добавляются химически активные компоненты: влагоуменьшающие, замедляющие твердение, ускоряющие твердение; воздухововлекающие добавки: латексные и акриловые модификаторы.

Добавки используются для изменения таких его характеристик, как пористость, плотность, долговечность, прочность, сроки схватывания и др.

Объемное содержание воздуха в наполнителе, состоящем из бетонной смеси, обычно составляет от 3 до 8%, а в пенобетонной смеси от 8% до 30% и более. Образование воздушных полостей происходит при использовании воздухововлекающих химических добавок для повышения морозостойкости бетона, а также при замесе бетона и во время его укладки. Все упомянутые компоненты, смешанные вместе, затвердевают и образуют практически монолитную бетонную массу. Бетон – состав из портландцемента, мелкого и крупного наполнителя (терригенного материала), воды, различных добавок и воздуха. Бетон способен выдержать давление до 1000 кгс/кв.см. Свойства и качество бетона значительно зависят от типа и качества компонентов и отношения количества воды к содержанию цемента. Это отношение, называемое водоцементным, устанавливает прямую связь между количеством воды на весовую часть цемента и прочностными характеристиками бетона. Чем ниже водоцементное отношение, тем выше прочность бетона.

Проницаемость является переменной величиной, которая определяет, в какой степени химикаты проникают или пропитывают бетон.

При этом чрезмерное перемешивание и чрезмерное формование бетона могут стать дополнительной причиной увеличения количества вовлеченного воздуха и повышенной проницаемости бетона.

Тип и количество используемых химических добавок непосредственно влияет на эффективность процесса гидратации портландцемента. Повышение эффективности гидратации приводит к росту кристаллических образований, уплотняющих бетон. Правильно подобранные и использованные химические добавки могут уменьшить проницаемость бетона.

В качестве газопроницаемого наполнителя можно использовать также пенобетон – материал, получаемый смешиванием пены с цементно-песочной смесью. Этот материал имеет широкий диапазон плотностей, что позволяет задавать и регулировать его газопроницаемость. Пенобетон марки 400, включающий цемент марки М400 и пенообразователь, или пенобетон марки 1000, включающий цемент марки М400, песок и пенообразователь соответственно в соотношении 49:49:2. Плотность бетонной смеси легко регулируется количеством добавляемой пены, а высокая подвижность смеси позволяет заливать любые формы и скрытые полости. Использование турбулентно-кавитационного перемешивания компонентов пенобетонной смеси дает возможность получения мелкодисперсной пористости, у которой подавляющее большинство пор имеет диаметр менее 0,5-0,1 мм.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан пакер с многофункциональным каналом, выполненным в виде паза, продольный разрез; на фиг.2 – сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 – пакер с многофункциональным каналом, выполненным в виде кольцевой камеры, продольный разрез; на фиг.4 – сечение Б-Б на фиг.3.

Пакер включает полый ствол 1, уплотнительный элемент 2, сквозной многофункциональный канал, выполненный в виде продольного паза 3, расположенного на внешней поверхности ствола 1 и заполненного наполнителем 4. На фиг.3 показан сквозной многофункциональный канал, выполненный в виде кольцевой камеры 5, заполненной наполнителем 4. Кольцевая камера 5 образована внешней поверхностью полого ствола 1 и внутренней поверхностью соосно установленного на нем цилиндра 6 и соединенного с ним посредством жестких перемычек 7, выполненных поперечными и расположенных по торцам камеры. Жесткие перемычки 7 могут быть выполнены в виде продольных пластин, разделяющих кольцевую камеру 5 на изолированные секции, например “а”, “b”, “с”,”d”. На фиг.4 показана возможность размещения в многофункциональном канале, например, силового кабеля 8 и/или контрольно-измерительного прибора, например манометра 9, и/или регулирующего прибора, например регулятора 10.

Пакер работает следующим образом.

Перед спуском пакера в скважину в сквозном многофункциональном канале, выполненном, например, в виде паза 3, расположенного на внешней поверхности ствола 1, размещают газопроницаемый наполнитель 4. Через наполнитель 4 пропускают кабель 8 для подключения насоса. Пакер может быть механического, гидравлического или смешанного принципа воздействия на уплотнительный элемент. Затем пакер навинчивают на колонну насосно-компрессорных труб, спускают на необходимую глубину и производят его пакеровку путем сжатия уплотнительного элемента 2. Уплотнительный элемент 2, расширяясь, герметизирует межтрубное пространство скважины. Так как наполнитель 4 является газопроницаемым и фильтрующим только газ, то он надежно отсекает от насоса выше пакера затрубное пространство скважины по жидкости. При выполнении сквозного многофункционального канала в виде кольцевой камеры 5 в зависимости от поставленных задач, посредством выполнения перемычек 7 в виде продольных пластин можно образовать в камере необходимое количество секций, которые заполняют газопроницаемым и герметизирующим наполнителем 4, в различном чередовании наполнителей в указанных секциях. Например, если секций 4, то в этом случае две секции, допустим “b” и “d”, можно заполнить газопроницаемым наполнителем, секцию “с” – герметизирующим наполнителем с размещенными внутри него кабелем 8 и манометром 9 и секцию “а” – герметизирующим наполнителем с размещенным внутри него регулятором 10.

Пример реализации.

Пакер с газопроницаемым наполнителем был испытан на нефтяном месторождении. В качестве пакера был взят пакер механический, марки ПМ, с выполненным на внешней поверхности ствола пазом длиной, превышающей ширину уплотнительного элемента пакера. Перед спуском пакера и насоса с кабелем в скважину размещают кабель и регулирующий прибор, в качестве которого взят обратный клапан, в пазу пакера и заполняют газопроницаемым наполнителем, в качестве которого был взят пенобетон марки 1000. После затвердения пенобетона был произведен спуск насоса УЭЦН с кабелем и пакером в скважину. На глубине 1600 м ниже зоны негерметичности был установлен пакер с плашками и гидроякорем. Ниже пакера на 510 м установлен насос УЭЦН. Статический уровень жидкости (воды) над пакером стабилизировался на 500 м (влияние зоны негерметичности). После запуска УЭЦН на глубине 2110 м давление под пакером составило 120 атм. Давление насыщения – 126 атм, что свидетельствовало о разгазировании нефти и выделении газа. С учетом уровня жидкости давление над пакером составляло 110 атм, перепад давления составил 10 атм, что приводило к открытию обратного клапана и стравливанию газа из подпакерной зоны. При работе насоса давление под пакером понижалось до 110 атм за счет перетока газа-жидкости через обратный клапан, который, выравнив давление, закрывался. Однако, несмотря на закрытие клапана и выравнивание давления, происходило дальнейшее стравливание газа из подпакерной зоны через газопроницаемый наполнитель. Скважина вышла на постоянный режим работы без срыва подачи по газу.

Применение пакера, содержащего многофункциональный канал с газопроницаемым наполнителем, позволит вовлечь в эксплуатацию значительное количество скважин с негерметичными колоннами, а также отсечь и вывести из одновременной эксплуатации вышележащие высокообводненные пласты.

Формула изобретения

1. Пакер, включающий полый ствол и уплотнительный элемент, отличающийся тем, что он выполнен, по меньшей мере, с одним сквозным многофункциональным каналом, расположенным между полым стволом и уплотнительным элементом и пересекающим зону размещения уплотнительного элемента, при этом указанный канал заполнен газопроницаемым наполнителем или при разделении канала на продольные секции газопроницаемым и герметизирующим наполнителями.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что, в случае заполнения сквозного канала газопроницаемым наполнителем, указанный канал выполнен в виде паза, расположенного на внешней поверхности полого ствола.

3. Пакер по п.2, отличающийся тем, что паз выполнен продольным.

4. Пакер по п.1, отличающийся тем, что, в случае заполнения сквозного канала герметизирующим и газопроницаемым наполнителями, указанный канал выполнен в виде кольцевой камеры, образованной внешней поверхностью полого ствола и внутренней поверхностью соосно установленного на нем цилиндра и соединенного с ним посредством жестких перемычек с образованием продольных секций.

5. Пакер по п.4, отличающийся тем, что жесткие перемычки выполнены поперечными и расположены по торцам указанного канала.

6. Пакер по п.4, отличающийся тем, что жесткие перемычки выполнены в виде продольных пластин, разделяющих кольцевую камеру на изолированные секции для размещения наполнителей в указанных секциях.

7. Пакер по п.1, отличающийся тем, что в качестве газопроницаемого наполнителя используют материал с проницаемостью не более 0,1 мД, например, бетон, пенобетон.

8. Пакер по п.1, отличающийся тем, что в качестве герметизирующего наполнителя используют синтетический и/или полиминеральный материал.

9. Пакер по п.1, отличающийся тем, что в сквозном многофункциональном канале, заполненном наполнителем, размещен, по меньшей мере, один кабель, и/или один контрольно-измерительный прибор, и/или один регулирующий прибор.

РИСУНКИ