ПАКЕР-РАЗОБЩИТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИЙ
MECHANICAL ISOLATION PACKER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности. Предназначено для разобщения ствола обсадной колонны скважины между погружным насосом и оборудованием для сепарирования добываемой жидкости от механических примесей.
Известен механический пакер (патент РФ №2139408, 25.05.1998) для герметичного перекрытия ствола скважины, содержащий шток, с выполненной на нем системой фигурных пазов, узел герметизации с уплотнительными элементами, упирающийся в упор на штоке, и якорный узел с подпружиненными шлипсами, приводимыми в действие подвижным конусом, механический пакер приводят из транспортного положения в рабочее положение путем его подъема на 0,3-0,6 метра в обсадной трубе и последующего спуска.
Недостатком известного устройства является необходимость подготовки ствола скважины с привлечением оборудования для капитального ремонта скважин.
Известен механический пакер для герметизации перекрытия ствола скважины (патент РФ №2092675, 10.10.1995), содержащий шток, узел герметизации с уплотнительным элементом, упором уплотнительного элемента и подвижным конусом, а также якорный узел с раздвижными шлипсами. При установке в рабочее положение якорный узел приводится в движение от гидропривода.
Прототипом предлагаемого изобретения можно считать пакер (патент СССР №1399449, 30.05.1988), конструкция которого позволяет при герметизации межтрубного пространства значительно снизить осевые усилия в уплотнителе (материалы уплотнителя: термостойкие фторопласт и свинец) за счет радиального расширения последнего. Пакер, в состав которого входит уплотнение, спускается в скважину на насосно-компрессорных трубах (НКТ) и на требуемой глубине опирается опорной втулкой на забой или якорь. Пакеровка производится опусканием НКТ, при этом уплотнение опирается на неподвижную опорную втулку, а шток переменного сечения с конусными участками прошивает его. На первом этапе распакеровки уплотнительные кольца последовательно прошиваются нижним конусом, увеличиваясь в диаметре и занимая положение на цилиндрической ступени. При этом наружные диаметры уплотнительных колец достигают внутреннего диаметра обсадной колонны. На следующем этапе уплотнительные кольца прошиваются верхним конусом и занимают свое крайнее положение на утолщенной цилиндрической части штока, под определенным натягом герметизируя межтрубное пространство.
Описанные типы пакеров имеют общий недостаток - необходимость применения якорных устройств, т.к. для достижения герметичности межтрубного пространства (увеличения внешнего диаметра уплотнителя) необходима неподвижная опора, воспринимающая осевые нагрузки. Однако, если в первых двух устройствах необходимо приложить значительные поджимающие осевые усилия, воспринимаемые якорными устройствами, то в прототипе эти усилия значительно снижаются.
В то же время использование пакеров в комплекте с якорными устройствами в оборудовании для борьбы с механическими примесями (сепараторы, фильтры) на нефтяных промыслах ограничено, т.к. требуют обязательной трудоемкой и дорогостоящей подготовки ствола скважины с привлечением оборудования для капитального ремонта.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в усовершенствовании конструкции пакера-разобщителя механизированного, техническим результатом которого является снижение стоимости пакера и себестоимости его установки за счет исключения якорного устройства, а также повышение удобства обслуживания пакера, и в первую очередь, благодаря отсутствию необходимости привлечения дополнительного наземного оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что в пакере-разобщителе механическом, включающем в себя составной шток с концами под резьбу, установленный на штоке узел герметизации, включает неподвижно зафиксированный цилиндрический упор с наружным конусным участком, направляющую гильзу, при этом внутренний конусный участок которой имеет размеры, сопрягаемые с размерами наружного конусного участка цилиндрического упора, и расположенный между ними уплотнитель, а также установленную с возможностью осевого вращения и зафиксированную от продольного перемещения относительно штока втулку, палец которой размещен в фигурном пазу штока, и тормозную часть.
Новизной изобретения является то, что уплотнитель располагается на штоке внутри кожуха, который зафиксирован в направляющей гильзе четырьмя штифтами. С помощью штифтов кожух имеет возможность продольного перемещения в пазах направляющей гильзы.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, количество пружин сжатия в тормозной части должно обеспечивать условие, при котором величина сил трения при прошивании уплотнителя на цилиндрический упор должна быть меньше сил трения покоя между тормозной частью и обсадной колонной.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, размер меньшего основания конусного участка цилиндрического упора равен размеру диаметра штока.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, уплотнитель состоит из трех резиновых уплотнительных колец, среднее из которых имеет более низкую твердость, чем первое и третье.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, наружный конусный участок цилиндрического упора и внутренний конусный участок направляющей гильзы выполняются сменными.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, направляющая гильза при осевом перемещении упирается в пружинный демпфер.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения, наружная поверхность цилиндрического упора обрабатывается с помощью технологий, снижающих силу трения, например, покрывается антифрикционной смазкой.
Возможность осуществления изобретения, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, подтверждается описанием пакера-разобщителя механического, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. Описание сопровождается графическими материалами, на которых изображено следующее:
На фиг.1 - пакер-разобщитель механический в транспортном положении.
На фиг.2 - пакер-разобщитель механический в рабочем положении.
Пакер-разобщитель механический (фиг.1) включает в себя сборный шток 1, тормозную часть 2, цилиндрический упор 3 со сменным наружным конусным участком, направляющую гильзу 4 со сменным внутренним конусным участком и уплотнитель 5, установленный внутри протектора 6. Диаметр цилиндрического упора 3 больше диаметра штока 1 и определяется расчетом. Протектор 6 зафиксирован на штоке 1 с помощью штифтов 7 через продольные пазы в направляющей гильзе 4. Цилиндрический упор 3 поджимается втулкой 8.
Тормозная часть 2 включает центратор 9 с подпружиненными планками 10, покрышками 11, закрепленными винтами 12, фиксатор 13, расположенный внутри вращающейся втулки 14, концевая часть которого находится внутри паза штока 1. В верхней части тормозной части 2 имеется кожух 15 с демпфером 16 (подпружиненной втулкой).
Количество пружин сжатия в подпружиненных планках 10 центратора 9 может меняться в зависимости от соотношения осевых сил трения в уплотнителе 5 и в тормозной части 2.
Наличие сменных наружного конусного участка цилиндрического упора 3 и внутреннего конусного участка направляющей гильзы 4 позволяет использовать один типоразмер уплотнителей 5 для герметизации обсадных колонн с разными внутренними диаметрами.
Перед спуском пакера-разобщителя механического в скважину уплотнитель 5 располагается внутри протектора 6, а фиксатор 3 устанавливается в нижнюю часть фигурного паза штока 1.
Устройство работает следующим образом.
Пакер-разобщитель механический спускают на насосно-компрессорных трубах в комплекте с ЭЦН и сепаратором механических примесей (или фильтром). В транспортном положении (фиг.1) пакет уплотнителей находится внутри протектора 6, в результате чего в процессе спуска пакера-разобщителя механического в обсадную колонну уплотнитель 5 защищен от различного рода механических воздействий и возможного разрушения.
Для установки пакера-разобщителя механического колонна труб с ЭЦН приподнимается в заданном интервале на расстояние не менее 10 см и не более 20 см, а затем плавно разгружается. При этом направляющая гильза 4 вместе со штоком 1, перемещается вниз, приходит в соприкосновение с демпфером 16 (подпружиненной втулкой) и при дальнейшем плавном перемещении штока 1, упираясь в кожух 15 неподвижного центратора 9, выжимает уплотнитель 5 из протектора 6 на цилиндрический упор 3, пройдя его конусный участок. В результате происходит деформация уплотнителя 5 с увеличением его радиальных размеров и герметизация ствола скважины.
Следует особо отметить, что наружный диаметр уплотнителя 5 должен быть меньше внутреннего диаметра обсадной колонны, чтобы исключить натяг между уплотнителем 5 и обсадной колонной.
Макет пакера-разобщителя механического был испытан на специальной стендовой установке. В процессе испытаний проводились измерения осевых сил трения Qтp.у, возникающих при "прошивании" уплотнителя 5 на цилиндрический упор 3 штока 1. Результаты измерений показали, что силы трения Qтp.уп в уплотнителе 5 с наружной поверхностью цилиндрического упора 3 штока 1, обработанной антифрикционной смазкой, не превышают 200 кгс.
Таким образом, работа пакера-разобщителя механического будет оптимальной при соблюдении следующих условий:
1. Qтp.yп>Qт.ч., где
Qтp.yп - сила трения при прошивании уплотнителя в цилиндрический упор на штоке;
Qт.ч.- сила трения покоя между тормозной частью пакера и внутренней поверхностью обсадной колонны.
2. Установка пакера-разобщителя механического должна производиться в обсадной колонне, внутренний диаметр Dк которой должен быть больше наружного диаметра уплотнителя Dуп после распакеровки.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2139408, класс Е21В 33/12,1998.
2. Патент РФ на изобретение №2092675, класс Е21В 33/128, 1995.
3. Патент СССР на изобретение №1399449, класс Е21В 33/12,1988.