Патент на изобретение №2305750

(54) ПАКЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметичного разобщения пластов. Обеспечивает создание простой, надежной и технологичной конструкции. Пакер включает корпус с центральным каналом, патрубком, имеющим фигурный паз на наружной поверхности, и конусной выборкой, примыкающей к патрубку, подвижную втулку, установленную на патрубке, с пальцем, взаимодействующим с фигурным пазом, и подпружиненным центратором, на концах которого расположены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, верхнюю самоуплотняющуюся и нижнюю манжеты, обратный клапан, посадочный инструмент, соединенный жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) и корпусом срезными элементами, полый заглушенный шток с радиальными каналами, установленный телескопически в центральный канал корпуса. Посадочный инструмент выполнен в виде патрубка с упором на внутренней поверхности. Его внутренняя полость сообщена с наружным пространством. Конусная выборка корпуса выполнена в виде верхнего и нижнего конусов. Между конусами расположен патрубок. Сверху верхнего конуса и ниже нижнего конуса соответственно расположены противоположно направленные друг к другу верхняя самоуплотняющаяся манжета и нижняя самоуплотняющаяся манжета. Центратор выполнен в виде верхних и нижних центрирующих элементов, снабженных соответствующими разнонаправленными шлипсами. Центральный канал снизу снабжен сужением, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вставлен шток, заглушенный выше радиальных каналов. Выше этих каналов последовательно снизу вверх установлены в кольцевые выборки, пружинное кольцо и уплотнение. Радиальные каналы выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом выше сужения при перемещении штока вверх. Пружинное кольцо выполнено с возможностью регулируемой фиксации штока при перемещении его вниз. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для герметичного разобщения скважины при эксплуатации, очистке и обработке вскрытого продуктивного пласта.

Известен “Пакер” (патент РФ №2209295, МПК Е21В 33/12, опубл. 27.07.2003 г.), включающий корпус с уплотнительными элементами и радиальными отверстиями выше и ниже уплотнительных элементов, полый ствол, образующий с корпусом кольцевое пространство, соединенное с наружным пространством, подпружиненную втулку, имеющую возможность осевого перемещения, и шлипсы, при этом подпружиненная втулка выполнена в виде полого цилиндра, наружной поверхностью взаимодействующего с внутренней поверхностью корпуса и образующего кольцевой зазор между наружной поверхностью ствола и внутренней поверхностью подпружиненной втулки, на внутреннем торце подпружиненной втулки выполнен посадочный поясок, а на внутренней поверхности подпружиненной втулки выполнена проточка, при этом нижние радиальные отверстия размещены на уровне дна кольцевого пространства, а верхние радиальные отверстия выполнены с возможностью их перекрытия пружинной втулкой.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, сложность изготовления из-за наличия большого числа герметично передвигающихся деталей, требующих точного и качественного изготовления;

во-вторых, возможна несанкционированная установка пакера, так как срабатывание зависит от перепада давлений, который может возникнуть при спуске в скважину в результате гидроудара;

в-третьих, возможно возникновение сообщения надпакерного и подпакерного пространств в результате ослабления пружины и подпружиненной втулки в результате коррозии, так как они постоянно находятся под действием внутри скважинной среды.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является “Устройство для очистки и сохранения продуктивности пласта” (патент РФ №2252308, МПК Е21В 37/00, опубл. Бюл. №14 от 20.05.2005 г.), содержащее забойный отсекатель, включающий корпус, обратный клапан и пакер, состоящий из манжеты и расширяющегося конуса, соединенного с корпусом срезными элементами, и посадочный инструмент, включающий полый шток, заглушенный снизу, с радиальными каналами выше заглушки и нижним концом установленный телескопически в расширяющем конусе, при этом оно снабжено шлипсовым узлом, посадочный инструмент снабжен верхними и нижними корпусами, причем нижний корпус установлен телескопически на полом штоке и соединен с верхней частью расширяющего конуса срезными элементами, в наружном пазу, выполненном в нижнем корпусе, по периметру находится самоуплотняющаяся манжета, верхний корпус соединен полым штоком с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) ограниченного объема, на верхнем корпусе жестко установлен расширитель самоуплотняющейся манжеты с продольными пазами, колонна НКТ ограниченного объема через муфту соединена с цилиндром сбросового клапана, а ступенчатый шток последнего снабжен верхним и нижним упорами и связан с упомянутым цилиндром срезными элементами, при этом шлипсовый узел включает патрубок с фигурным пазом на наружной поверхности, соединенный с нижнем концом корпуса забойного отсекателя, подвижную втулку, установленную на патрубке, палец, закрепленный одним концом на подвижной втулке, а другим входящим в упомянутый фигурный паз, и пружинный центратор, жестко соединенный с подвижной втулкой, на верхних концах которого установлены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, выполненной на нижнем конце корпуса забойного отсекателя.

Недостатками данного устройства являются:

во-первых, невозможность закачивания технологических жидкостей в подпакерное пространство;

во-вторых, сложный посадочный инструмент;

в-третьих, возможно перемещение устройства вверх при избыточном давлении снизу (особенно актуально для высоконапорных и высокопроизводительных пластов скважин).

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание простой, надежной и технологичной конструкции пакера за счет надежной фиксации механическим способом в требуемом интервале скважины, проведения различных технологических операций, в том числе, с отключенным продуктивным пластом.

Техническая задача решается пакером, включающим корпус с центральным каналом, патрубком, имеющим фигурный паз на наружной поверхности, и конусной выборкой, примыкающей к патрубку, подвижную втулку, установленную на патрубке, с пальцем, взаимодействующим с фигурным пазом, и подпружиненным центратором, на концах которого расположены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, верхнюю самоуплотняющуюся и нижнюю манжеты, обратный клапан, посадочный инструмент, соединенный жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) жестко и корпусом срезными элементами, полый заглушенный шток с радиальными каналами, установленный телескопически в центральном канале корпуса.

Новым является то, что посадочный инструмент выполнен в виде патрубка с упором на внутренней поверхности, внутренняя полость которого сообщена с его наружным пространством, а конусная выборка корпуса выполнена в виде верхнего и нижнего конусов, между которыми расположен патрубок, причем сверху верхнего конуса и ниже нижнего конуса соответственно расположены верхняя самоуплотняющаяся манжета и нижняя манжета, выполненная в виде самоуплотняющейся манжеты противоположно направленной верхней, при этом центратор выполнен в виде верхних и нижних центрирующих элементов, снабженных соответствующими разнонаправленными шлипсами, центральный канал снизу снабжен сужением, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вставлен шток, заглушенный выше радиальных каналов, выше которых последовательно снизу вверх установлены в кольцевые выборки пружинное кольцо и уплотнение, причем радиальные каналы выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом выше сужения при перемещении штока вверх, а пружинное кольцо выполнено с возможностью регулируемой фиксации штока при перемещении его вниз.

Новым является также то, что корпус выше верхней самоуплотняющейся манжеты выполнен с возможностью регулировки по длине.

Новым является также то, что фигурный паз выполнен в виде двух коротких и одного длинного, установленного между короткими, продольными пазами, последовательно соединенными между собой фигурными пазами, один из которых соединяет низ первого из коротких пазов, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза, являющегося рабочим, а другой – низ длинного паза с серединой другого короткого продольного паза, являющегося съемным и расположенного по длине в районе середины длинного паза.

На Фиг.1 изображен пакер в осевом разрезе.

На Фиг.2 изображен фигурный паз в развернутом состоянии.

Пакер состоит из корпуса 1 (см Фиг.1) с центральным каналом 2, патрубком 3, имеющим фигурный паз 4 на наружной поверхности, и конусной выборки, состоящей из верхнего 5 и нижнего конусов 6, примыкающих к патрубку 3, подвижной втулки 7, установленной на патрубке 3, с пальцем 8, взаимодействующим с фигурным пазом 4, и подпружиненного при помощи пружин 9 центратора, состоящего из верхнего 10 и нижнего 11 центрирующих элементов, на концах которых расположены соответствующие разнонаправленные шлипсы 12 и 13, взаимодействующие с соответствующими конусами 5 и 6 конусной выборки, верхней 14 и нижней 15 самоуплотняющихся разнонаправленных манжет, посадочного инструмента 16, соединенного жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) (на Фиг.1, 2 не показана) и корпусом 1 срезными элементами 17, шток 18 с радиальными каналами 19, установленный телескопически в центральный канал 2 корпуса 1. Шток 18 выше радиальных каналов 19 заглушен заглушкой 20.

Посадочный инструмент 16 выполнен в виде патрубка с упором 21 на внутренней поверхности, внутренняя полость которого сообщена с его наружным пространством посредством отверстий 22. Сверху верхнего конуса 5 и ниже нижнего конуса 6 соответственно расположены верхняя 14 и нижняя 15 самоуплотняющиеся манжеты.

Центральный канал 2 корпуса 1 снизу снабжен сужением 23, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вставлен вышеупомянутый шток 18. Шток 18 выше радиальных каналов 19 снабжен кольцевыми выборками 24 и 25, в которые установлены соответственно пружинное кольцо 26 и уплотнение 27.

Радиальные каналы 19 штока 18 выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом 2 корпуса 1 выше сужения 23 при перемещении штока 18 вверх.

Пружинное кольцо 26 выполнено разрезным с возможностью регулируемой фиксации штока 18 в центральном канале 2 относительно корпуса 1 при перемещении штока 18 вниз. В процессе сборки пакера подбором пружинного кольца 26 (по внутреннему и наружному диаметрам, а также по физико-механическим свойствам и марке стали) регулируют зазор между пружинным кольцом 26 и кольцевой выборкой 24 штока 18.

Осевое перемещение штока 18 в центральном канале 2 относительно корпуса 1 ограничено верхним 28 и нижним 29 кольцевыми упорами.

Фигурный паз 4 (см. Фиг.2) может быть выполнен в виде двух продольных коротких 30, 31 и одного продольного длинного 32, установленного между короткими 30 и 31 продольными пазами, последовательно соединенными между собой фигурными проточками 33 и 34, одна из которых 33 соединяет низ первого из коротких пазов 30, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза 32, являющегося рабочим, а другая 34 – низ длинного паза 32 с серединой другого короткого продольного паза 31, являющегося съемным и расположенного по длине в районе середины длинного продольного паза 32. Корпус 1 выше верхней самоуплотняющейся манжеты 14 (см.Фиг.1) может быть выполнен с возможностью регулировки по длине при помощи дополнительных патрубков 35.

Устройство работает следующим образом.

Перед спуском пакера в скважину при необходимости длину корпуса 1 регулируют при помощи дополнительных патрубков 29 (см.Фиг.1). Шток 18 находится в центральном канале 2 относительно корпуса 1 в верхнем положении, в котором пружинное кольцо 26 размещено на верхней кромке сужения 23 в разжатом состоянии.

Пакер в сборе с посадочным инструментом 16 посредством срезных элементов 17 присоединяется к колонне НКТ и спускается в скважину (на Фиг.1 и 2 не показано), при этом палец 8 (см. Фиг.1) располагается в первом коротком продольном пазе 30 фигурного паза 4 (см. Фиг.2) – транспортное положение, не позволяя шлипсам 12 и 13 взаимодействовать с конусами 5 и 6 конусной выборки, а центрирующие элементы 10 и 11 пружинного центратора, поджатые наружу пружинами 9, взаимодействуют со стенками скважины. Во время спуска скважинная жидкость не раздувает нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, так как шток 18 относительно корпуса 1 находится в верхнем положении (см. Фиг.1), в связи с чем скважинная жидкость, воздействуя снизу на заглушку 20 штока 18, приподнимает последний и перетекает снизу вверх сквозь радиальные каналы 19 штока 18, сквозь сужение 23 в центральный канал 2 корпуса 1 и далее через отверстия 22 посадочного инструмента 16 в наружное пространство (на Фиг.1 и 2 не показано). Максимальное осевое перемещение штока 18 вверх в центральном канале 2 относительно корпуса 1 в верхнем положении штока 18 ограничено его нижним кольцевым упором 29.

По достижении в скважине интервала установки пакера, расположенного выше вскрытого пласта (на Фиг.1, 2 не показан), спуск прекращают. Затем колонну НКТ приподнимают с корпусом 1 (см. Фиг.1) на длину, большую длины первого короткого продольного паза 30 (см. Фиг.2), и поворачивают по часовой стрелке на длину, большую длины фигурной проточки 33. В результате палец 8 перемещается из первого короткого продольного паза 30 по фигурной проточке 33 в длинный продольный паз 32 – рабочее положение, так как центрирующие элементы 10 (см. Фиг.1) и 11, взаимодействуя со стенками скважины, удерживают подвижную втулку 7 с пальцем 8 на месте.

После чего колонну НКТ разгружают, корпус 1 (см. Фиг.1) перемещается вниз, а подвижная втулка 7 остается на месте. В результате верхние шлипсы 12, взаимодействуя с верхним конусом 5, прижимаются к стенкам скважины, фиксируя корпус 1 относительно скважины, а срезные элементы 17 разрушаются, освобождая корпус 1 от посадочного инструмента 16, который своим упором 21 опирается на верхнюю кромку корпуса 1 или на дополнительный патрубок 35 (в зависимости от конструкции дополнительного патрубка 35 – на Фиг.1 упор 21 будет опираться на дополнительный патрубок 35).

Далее колонну НКТ вместе с посадочным инструментом 16 извлекают из скважины, после чего спускают на колонне НКТ погружной насос (на Фиг.1, 2 не показан), или приподнимают, если колонна НКТ оборудована сразу погружным насосом. Затем запускают погружной насос, под действием которого очищается и эксплуатируется вскрытый пласт. При этом продукция пласта под действием погружного насоса и по колонне НКТ извлекается из скважины. Это происходит потому, что шток 18 в центральном канале 2 относительно корпуса 1 находится в верхнем положении (см. Фиг.1) и продукция пласта, воздействуя снизу на заглушку 20 штока 18, приподнимает последний и перетекает снизу вверх сквозь радиальные каналы 19 штока 18 сквозь сужение 23 в центральный канал 2 корпуса 1 и поднимается выше пакера, попадая на прием вышеупомянутого погружного насоса. Если производительность погружного насоса превышает продуктивность пласта, то уровень жидкости выше пакера снижается, уменьшая давление, действующее на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14, причем давление, действующее на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, остается постоянным, так как оно обусловлено пластовым давлением. Под действием перепада давлений, действующего на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, корпус 1 перемещается вверх до взаимодействия нижних шлипсов 13 с нижним конусом 6, так как подвижная втулка 7 зафиксирована верхними 10 и нижними 11 центрирующими элементами пружинного центратора относительно стенок скважины и может свободно перемещаться вверх вниз по патрубку 3. В результате корпус 1 жестко фиксируется относительно стенок скважины нижними шлипсами 6, а разнонаправленные самоуплотняющиеся манжеты 14 и 15 надежно разделяют внутреннее пространство скважины. При этом эксплуатация пласта погружным насосом не прекращается. При необходимости временной изоляции (отключения) пласта (например, для замены погружного насоса) скважину заполняют жидкостью и создают избыточное давление сверху пакера, под действием которого на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14 корпус 1 перемещается вниз до взаимодействия верхних шлипсов 12 с верхним конусом 5, фиксируя корпус 1 относительно стенок скважины. Избыточное давление сверху также действует на шток 18, положение которого в центральном канале 2 относительно корпуса 1 регулируется зазором между пружинным кольцом 26 и кольцевой выборкой 24 штока 18. По достижении определенного избыточного давления сверху на шток 18 пружинное кольцо 26, взаимодействующее с верхней кромкой сужения 23 в верхнем положении штока 18 в центральном канале 2 относительно корпуса 1 (см. Фиг.1), сжимается внутрь кольцевой выборки 24 штока 18. При этом шток 18 под действием вышеупомянутого избыточного давления перемещается вниз относительно корпуса 1, а пружинное кольцо 26 в сжатом состоянии скользит по внутренней поверхности сужения 23. Перемещение вниз штока 18 продолжается до тех пор, пока пружинное кольцо 26 не выйдет из сужения 23 и не разожмется в центральном канале 2 корпуса 1, при этом уплотнение 27 и заглушка 20 штока 18 также переместятся вниз, а верхний кольцевой упор 28 штока 18 упрется в верхнюю кромку сужения 23. В результате уплотнение 27 герметично перекрывает центральный канал 2 корпуса 1, а шток 18 в центральном канале 2 занимает нижнее положение относительно корпуса 1, при этом внутренняя полость скважины герметично разобщается. Для возобновления эксплуатации пласта разгерметизируют центральный канал 2 корпуса 1. Для этого уровень жидкости выше пакера снижают при помощи насоса, предварительно спущенного в скважину, уменьшая тем самым давление, действующее на верхнюю самоуплотняющуюся манжету 14. Причем давление, действующее на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, остается постоянным, так как оно обусловлено пластовым давлением. Под действием перепада давлений, действующих на нижнюю самоуплотняющуюся манжету 15, корпус 1 перемещается вверх до взаимодействия нижних шлипсов 13 с нижним конусом 6, которые фиксируют корпус 1 относительно стенок скважины.

По достижении определенного перепада давлений на заглушку 20 штока 18 снизу, которое регулируется зазором между пружинным кольцом 26 и кольцевой выборкой 24 штока 18, пружинное кольцо 26, взаимодействующее с нижней кромкой сужения 23 за счет вышеупомянутого перепада давления, сжимается и входит в сужение 23. При этом шток 18 и размещенное в его кольцевой выборке 24 пружинное кольцо 26 в сжатом состоянии двигаются вверх относительно корпуса 1 по внутренней поверхности сужения 23. Перемещение вверх штока 18 вверх продолжается до тех пор, пока пружинное кольцо 26 не выйдет из сужения 23 и не разожмется в центральном канале 2 корпуса 1, при этом заглушка 20 и уплотнение 27 штока 18 также переместятся вверх. В результате шток 18 вновь занимает верхнее положение относительно корпуса 1, как описано выше, разгерметизируя центральный канал 2 корпуса 1 и сообщая внутреннюю полость скважины. После чего эксплуатацию пласта скважины осуществляют в обычном режиме.

При необходимости извлечь пакер из скважины, в нее спускают колонну НКТ с труболовкой на нижнем конце, которой захватывают корпус 1 пакера. Затем колонну НКТ приподнимают с корпусом 1 на длину, большую длины длинного продольного паза 32 (см. Фиг.2) и поворачивают по часовой стрелке на длину, большую длины горизонтальной части фигурной проточки 34. После чего (см. Фиг.1) колонну НКТ с корпусом 1 опускают на длину, большую длины длинного продольного паза 32 (см. Фиг.2), а затем снова приподнимают. В результате палец 8 перемещается из длинного продольного паза 32 по фигурной проточке 34 в другой короткий продольный паз 31 – положение для съема пакера, так как шлипсы 12 (см. Фиг.1) и 13 не могут взаимодействовать с соответствующими конусами 5 и 6. Далее пакер в сборе извлекается из скважины.

Конструкция предлагаемого пакера проста, надежна и технологична за счет механической его надежной фиксации в требуемом интервале скважины и возможности проведения различных технологических операций, в том числе, с отключенным продуктивным пластом.

Формула изобретения

1. Пакер, включающий корпус с центральным каналом, патрубком, имеющим фигурный паз на наружной поверхности, и конусной выборкой, примыкающей к патрубку, подвижную втулку, установленную на патрубке, с пальцем, взаимодействующим с фигурным пазом, и подпружиненным центратором, на концах которого расположены шлипсы, взаимодействующие с конусной выборкой, верхнюю самоуплотняющуюся и нижнюю манжеты, обратный клапан, посадочный инструмент, соединенный жестко с колонной насосно-компрессорных труб (НКТ) и корпусом срезными элементами, полый заглушенный шток с радиальными каналами, установленный телескопически в центральный канал корпуса, отличающийся тем, что посадочный инструмент выполнен в виде патрубка с упором на внутренней поверхности, внутренняя полость которого сообщена с его наружным пространством, а конусная выборка корпуса выполнена в виде верхнего и нижнего конусов, между которыми расположен патрубок, причем сверху верхнего конуса и ниже нижнего конуса соответственно расположены верхняя самоуплотняющаяся манжета и нижняя манжета, выполненная в виде самоуплотняющейся манжеты, противоположно направленной верхней, при этом центратор выполнен в виде верхних и нижних центрирующих элементов, снабженных соответствующими разнонаправленными шлипсами, центральный канал снизу снабжен сужением, в которое с возможностью ограниченного осевого перемещения вставлен шток, заглушенный выше радиальных каналов, выше которых последовательно снизу вверх установлены в кольцевые выборки пружинное кольцо и уплотнение, причем радиальные каналы выполнены с возможностью сообщения с центральным каналом выше сужения при перемещении штока вверх, а пружинное кольцо выполнено с возможностью регулируемой фиксации штока при перемещении его вниз.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что корпус выше самоуплотняющейся манжеты выполнен с возможностью регулировки по длине.

3. Пакер по п.2, отличающийся тем, что фигурный паз выполнен в виде двух коротких и одного длинного, установленного между короткими, продольными пазами, последовательно соединенными между собой фигурными пазами, один из которых соединяет низ первого из коротких пазов, являющегося транспортным, с серединой длинного продольного паза, являющегося рабочим, а другой – низ длинного паза с серединой другого короткого продольного паза, являющегося съемным и расположенного по длине в районе середины длинного паза.

РИСУНКИ