Устройство для обработки пласта в скважине
WELL FORMATION TREATMENT DEVICE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения внутрискважинного пространства для закачки в пласт различных реагентов.
Устройство для обработки пласта в горизонтальной скважине (патент RU № 2542062, МПК Е21В 33/12, опубл. 20.02.2015 Бюл. № 5), содержащее основной пакер с манжетой и проходным корпусом, дополнительный пакер с дополнительной манжетой и цилиндрической втулкой, причем проходной корпус основного пакера и цилиндрическая втулка дополнительного пакера соединены между собой полым стволом с радиальными каналами, разнесенными по высоте, превышающей толщину пласта, при этом длина полого ствола позволяет перекрывать обрабатываемый пласт в горизонтальной скважине основным и дополнительным пакерами, полый корпус, причем манжета основного пакера и дополнительная манжета дополнительного пакера выполнены в виде нижнего и верхнего надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями, гидравлически соединенными между собой трубкой, при этом сверху в цилиндрическую втулку дополнительного пакера телескопически вставлена полая втулка, оснащенная радиальным отверстием, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью верхнего надувного резинового элемента дополнительного пакера посредством кольцевой выборки и гидравлического канала, выполненных в верхней части цилиндрической втулки дополнительного пакера, причем полая втулка подпружинена вверх относительно цилиндрической втулки дополнительного пакера, а снизу полая втулка оснащена седлом, зафиксированным разрушаемым элементом, на котором размещен шар, при этом сверху на полую втулку телескопически установлен полый корпус, зафиксированный в исходном положении относительно полой втулки срезным элементом, а в рабочем положении полая втулка имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса и цилиндрической втулки дополнительного пакера, сжатия пружины, фиксации относительно цилиндрической втулки, с герметичным отсечением радиального отверстия полой втулки внутренней поверхностью цилиндрической втулки дополнительного пакера и срезания разрушаемого элемента седла с перемещением седла сверху вниз до упора во внутренний уступ, выполненный на нижнем конце проходного корпуса основного пакера с перетоком жидкости сверху вниз через радиальные отверстия полого ствола в обрабатываемый пласт.
Устройство для поинтервальной обработки пласта в открытом горизонтальном стволе скважины (патент RU № 2613405, МПК Е21В 33/12, опубл. 16.03.2017 Бюл. № 8), содержащее основной пакер с манжетой и проходным корпусом, дополнительный пакер с дополнительной манжетой и цилиндрической втулкой, полый ствол с радиальными каналами, соединяющий проходной корпус основного пакера и цилиндрическую втулку дополнительного пакера, разнесенные по длине, превышающей интервал обработки пласта, а длина полого ствола перекрывает обрабатываемый интервал пласта в горизонтальной скважине основным и дополнительным пакерами, причем манжеты основного и дополнительного пакеров выполнены в виде основного и дополнительного надувных резиновых элементов с соответствующими внутренними полостями, гидравлически соединенными между собой трубкой, при этом в цилиндрическую втулку дополнительного пакера телескопически вставлена полая втулка, оснащенная радиальным отверстием, имеющим в исходном положении возможность гидравлического сообщения с внутренней полостью дополнительного надувного резинового элемента дополнительного пакера с помощью кольцевой выборки и гидравлического канала, выполненных в цилиндрической втулке дополнительного пакера, причем полая втулка снабжена снаружи кольцевой проточкой и подпружинена вверх относительно цилиндрической втулки дополнительного пакера, при этом в полую втулку напротив ее радиального отверстия установлена пробка, зафиксированная разрушаемым элементом в исходном положении, а за пробкой в цилиндрической втулке дополнительного пакера закреплено срезное кольцо, имеющее возможность взаимодействия с пробкой после открытия радиального отверстия полой втулки, причем на полую втулку телескопически установлен полый корпус, оснащенный внутренней кольцевой выборкой, в котором размещено разрезное стопорное кольцо, полый корпус зафиксирован в исходном положении относительно полой втулки срезным элементом, а в рабочем положении после разрушения срезного элемента полая втулка имеет возможность ограниченного осевого перемещения вниз относительно полого корпуса и цилиндрической втулки дополнительного пакера путем сжатия пружины, фиксации разрезного стопорного кольца, находящегося во внутренней кольцевой выборке полого корпуса в наружной кольцевой проточке полой втулки, и герметичного отсечения радиального отверстия полой втулки цилиндрической втулкой дополнительного пакера, разрушения пробкой срезного кольца, закрепленного в полой втулке, и перемещения полой втулки до упора во внутренний уступ проходного корпуса основного пакера с перетоком жидкости через радиальные отверстия полого ствола в обрабатываемый пласт.
Общими недостатками данных устройств являются сложность изготовления и низкая надежность из-за наличия продольных каналов малого диаметра, которые сложно изготовить, и они могут забиваться любыми частицами, находящимися в потоке жидкости, и большое количество срезных и открывающихся конструктивных элементов, срабатывающих от давления, что сложно реализовать на практике, может привести к несвоевременной сработке и, как следствие, выходу из строя всего устройства, при этом при закачке реагентов в пласт его потоку приходится менять свое направление, что приводит с повышенным потерям давления при закачке и затрудняет или к невозможности закачки густых жидкостей (тяжелого цементного раствора, гелей, обратных эмульсий и т.п.), также манжеты в надувных пакерах увеличивают свой диаметр только за счет своих упругих свойств, что делает невозможным использование армированных манжет и утоньшает стенки манжеты при расширении давлением, что может привести к нарушению их целостности при взаимодействии со стенками скважины, имеющей нарушения и острые наросты отложений, также при прихвате пакера (застревании в скважине) возможны аварийные ситуации связанные с обрывом колонны труб при подъеме пакера на поверхность.
Сборка для установки надувного пакера в скважине (патент RU № 2555988, МПК Е21В 23/06, опубл. 10.07.2015 Бюл. № 19), содержащая:
гибкую трубу,
надувной пакер, подлежащий установке в скважине.
клапан обратного давления, расположенный на участке по потоку перед надувным пакером и выполненный с возможностью предотвращения надувания надувного пакера при его перемещении от поверхности скважины к участку установки пакера, и
дренажный клапан, расположенный на участке по потоку после надувного пакера для обеспечения потока текучей среды через него и предотвращения непреднамеренного надувания надувного пакера.
Недостатками данной сборки являются низкая надежность и узкая область применения, так как после установки пакера не предусмотрено отделение его от внутреннего пространства, что при снижении подпакерного давления может привести к возвращению пакера в транспортное положение и разгерметизации внутрискважинного пространства, при этом манжеты в надувных пакерах увеличивают свой диаметр только за счет своих упругих свойств, что делает невозможным использование армированных манжет и утоньшает стенки манжеты при расширении давлением, что может привести к нарушению их целостности при взаимодействии со стенками скважины, имеющей нарушения и острые наросты отложений, также при закачке реагентов в пласт его потоку приходится менять свое направление в дренажном клапане, что приводит с повышенным потерям давления при закачке и затрубняет или невозможности закачки густых жидкостей (тяжелого цементного раствора, гелей, обратных эмульсий и т.п.), при прихвате пакера (застревании в скважине) возможны аварийные ситуации связанные с обрывом колонны труб при подъеме пакера на поверхность..
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства для обработки пласта в скважине, позволяющего повысить надежность установки за счет разделения клапаном после установки внутреннего пространства корпуса и полости манжеты пакера, при этом за счет подвижности одного из упоров пакера снизить величину упругой деформации, которой подвергается манжета при нагнетании жидкости, расширить функциональные возможности за счет обеспечения прямого потока реагентам, в том числе и густых, при закачке в пласт и исключить аварийные ситуации при прихвате пакера на подъеме, за счет автоматического отсоединения колонны труб.
Техническая задача решается устройством для обработки пласта в скважине, включающим спускаемые на лифтовых трубах надувной пакер, состоящий из манжеты, установленной между упорами, полость которой сообщена с лифтовыми трубами через обратный клапан, который установлен сверху пакера и выполнен с возможностью предотвращения перехода в рабочее положение надувного пакера при его перемещении от поверхности скважины к интервалу установки, и расположенный ниже пакера дренажный клапан, выполненный с возможностью обеспечения потока жидкости через него после перехода пакера под действием избыточного давления в рабочее положение.
Новым является то, что манжета и упоры пакера установлены снаружи трубчатого корпуса соединенного сверху с обратным клапаном и сообщенным с полостью манжеты как минимум одним радиальным каналом, манжета жестко соединена с упорами, один из которых выполнен подвижным с возможностью герметичного продольного перемещения вдоль корпуса к другому упору при повышении давления в полости, дренажный клапан выполнен в виде заглушки корпуса пакера, перекрывающей внутреннее продольное пространство корпуса с возможностью отсоединения при давлении, превышающем давление перехода в рабочее положение, при этом обратный клапан соединен с лифтовыми трубами переходником, вставленным в обратный клапан и зафиксирован в нём срезными элементами, разрушающимися при подъеме пакера для исключения нарушения целостности лифтовых труб.
Новым является также то, что радиальный канал корпуса снаружи перекрыт эластичным рукавом, пропускающим жидкость изнутри в полость манжеты.
Новым является также то, что подвижный упор выполнен с возможностью фиксации замковым механизмом относительно корпуса пакера от возвращения в первоначальное положение.
Новым является также то, что замковый механизм подвижного упора выполнен в виде пружинного кольца с наклонными зубцами, взаимодействующего с возможностью перемещения с насечками или резьбой, нанесенными на поверхность корпуса пакера.
На фиг. 1 изображено устройство в продольном разрезе с цельными упорами.
На фиг. 2 изображена увеличенная выноска А фиг. 1.
На фиг. 3 изображено устройство в продольном разрезе со сборными упорами.
Устройство для обработки пласта в скважине (не показана) включает спускаемые на лифтовых трубах 1 (фиг. 1) надувной пакер 2, состоящий из манжеты 3, установленной между упорами 4 и 5, полость которой сообщена с лифтовыми трубами 1 через обратный клапан 6, который установлен сверху пакера 2 и выполнен с возможностью предотвращения перехода в рабочее положение надувного пакера 2 при его перемещении от поверхности скважины к интервалу установки, и расположенный ниже пакера 2 дренажный клапан 7, выполненный с возможностью обеспечения потока жидкости через него после перехода пакера 2 под действием избыточного давления в рабочее положение. Манжета 3 и упоры 4 и 5 пакера 2 установлены снаружи трубчатого корпуса 8 соединенного сверху с обратным клапаном 6 и сообщенным с полостью 9 манжеты 3 как минимум одним радиальным каналом 10. Манжета 3 жестко соединена концами с соответствующими упорами 4 и 5. Один из упоров 4 или 5 выполнен подвижным с возможностью герметичного продольного перемещения вдоль корпуса 8 к другому упору 5 или 4 при повышении давления в полости 9 манжеты 3. Дренажный клапан 7 выполнен в виде заглушки корпуса 8 пакера 2, перекрывающей внутреннее продольное пространство корпуса 8 с возможностью отсоединения (например, при помощи срезных винтов 11, срезного кольца, шпилек, посадки с натягом или т.п. – последнее не показано) при давлении превышающем давление перехода в рабочее положение манжеты 3. Обратный клапан 6 соединен с лифтовыми трубами 1 переходником 12, вставленным в обратный клапан 6 и зафиксированным в нём срезными элементами 13, разрушающимися при подъеме пакера 2 для исключения нарушения целостности лифтовых труб 1.
Для фиксации в рабочем (надутом) положении манжеты 3 пакера 2 при закачке застывающих реагентов (цементный раствор, клеевые составы или т.п.) радиальный канал 10 корпуса 8 оставляют открытым, так как при застывании реагенты, попавшие в полость 9, будут удерживать манжету 3 в рабочем положении.
Для фиксации манжеты 3 пакера 2 в рабочем положении радиальный канал 10 корпуса 8 снаружи может быть перекрыт эластичным рукавом 14, пропускающим жидкость изнутри корпуса 8 в полость 9 манжеты 8. Для этого один из краев рукава 14 фиксируют на поверхности корпуса 8 (клеем, хомутом или т.п.  – не показано). Для постоянной установки устройства в скважине рукав 14 полностью перекрывает радиальные каналы 10, а для временной – частично перекрывает радиальные каналы 10 для поддержания в рабочем положении только при наличии избыточного давления (повышенного уровня жидкости относительно скважины) в лифтовых трубах 1 с открытым обратным клапаном 6. При этом обратный клапан 6 может быть выполнен в виде установленных в его корпусе 15 поджимаемого к седлу 16 пружиной 17 запорного органа 18 (грибок, шар, полусфера и т.п.). На форму конструктивных элементов обратного клапана 6 авторы не претендуют, так как они известны из открытых источников.
Для постоянной фиксации раздутой манжеты 3 в рабочем положении подвижный упор 4 (фиг. 2) или 5 выполнен с возможностью фиксации замковым механизмом 19 относительно корпуса 8 от возвращения в первоначальное положение (транспортное положение). Механизмов реализующих такую функцию много (авторы на все не претендуют). Для обеспечения компактности замковый механизм 19 выполнен в виде пружинного кольца с наклонными зубцами 20, взаимодействующего с кольцевыми насечками 21 или резьбой, нанесенными на поверхность корпуса 8, с возможностью перемещения в одном направлении при приведении манжеты 3 (фиг. 1) в рабочее положение.
Жесткая фиксация в упорах 4 (фиг. 1) и 5 может быть постоянной, когда манжета 3 при вулканизации «вваривается» в упоры 4 и 5, или временной (фиг. 3) за счет сборной конструкции упоров 4 и 5. Постоянная фиксация манжеты 3 (фиг. 1) в упорах 4 и 5 рекомендуется при установке на длительное время устройства в скважине, так как проще и дешевле в изготовлении (при массовом производстве), а после эксплуатации устройство разбуривается или выходит полностью из строя, что не требует сложности в изготовлении пакера 2. Разборные упоры 4 (фиг. 3) и 5 рекомендуется использовать при временной установке пакера 2 в скважине, после снятия чаще всего приходит в негодность манжета 3, а для ее быстрой замены без больших затрат проще использовать сборные упоры 4 и 5. Сборные упоры 4 и 5 состоят из основания 22 и накручивающейся на него специальной гайкой 23 с внутренней конусной поверхностью 24, прижимающий соответствующий конец манжеты 3 к опорной поверхности 25 основания 22 для надежной фиксации конца манжеты 3. Опорная поверхность 25 основания 22 может быть выполнена цилиндрической, конической или их сочетанием в зависимости от материала, из которого изготовлена манжета 3 (определяется для каждого случая эмпирическим путем для надежной фиксации концов манжеты 3 в упорах 4 и 5). Для большей надёжности фиксации манжеты 3 в упорах 4 и 5 на опорной поверхности 25 основания 22 могут быть выполнены выборки 26 и/или выступы (не показаны) на конусной поверхности 24 гайки 23. Форма и количество выборок 26 опорной поверхности 25 основания 22 и выступов конусной поверхности 24 гайки 23 подбирается также эмпирическим путем.
Конструктивные элементы, технологические соединения и уплотнения, не влияющие на работоспособность устройства, на фигурах 1, 2 и 3 не показаны или показаны условно.
Устройство работает следующим образом.
Перед установкой устройство собирают в цеху или специальной мастерской. Для этого сначала концы манжеты 3 (фиг. 1) пакера 2 фиксируют в соответствующих упорах 4 и 5. Для неразъёмного соединения концы манжеты 3 вставляют в упоры 4 и 5 (при необходимости используется дополнительно жидкий клей) и запекают в печи для вулканизации манжеты 3 внутри упоров 4 и 5 с сильной адгезией, исключающей разъединение. Для разъемного соединения на опорных поверхностях 25 (фиг. 3) оснований 22 упоров 4 и 5 располагают соответствующие концы манжеты 3, после чего накручивают гайки 23, которые своими конусными поверхностями 24 прижимают с фиксацией соответствующие концы манжеты 3 к опорным поверхностям 25 (фиг. 3) оснований 22. На корпус 8 (фиг. 1) пакера 3 при необходимости устанавливают рукав 14, перекрывающий полностью или частично радиальные каналы 10, и упоры 4 и 5 с манжетой 3. Один из упоров, например, 4 фиксируют относительно корпуса 8, а второй, например, 5 оставляют подвижным, снабжая уплотнениями 27 и при необходимости (например, при ликвидации скважины) замковым механизмом 19. После чего снизу корпус 8 оснащают дренажным клапаном 7 вставляемым в корпус 8 с фиксацией, например, срезными винтами 11, а сверху – обратным клапаном 6.
Устройство в сборе доставляется на скважину. Перед спуском устройства в скважину нижнюю лифтовую трубу 1 оснащают переходником 12, который вставляют в корпус 15 обратного клапана 6 с фиксацией срезными элементами 13.
В ходе спуска устройства в скважину до интервала установки (не показан) в лифтовые трубы 1 с устья (не показано) доливают жидкость (воду, минерализованную воду жидкость продувочную или т.п.) для уменьшения плавучести спускаемого оборудования. При этом происходят постоянные остановки лифтовых труб 1, вызванные с необходимостью наращивания длины лифтовых труб 1 или прихватом спускаемого оборудования из-за сильного трения о стенки скважины, что приводит гидравлическим ударам в лифтовой колонне 1, которые демпфируются запорным органом 18, поджатым пружиной 17 к седлу 16 обратного клапана 6, не позволяя избыточному давлению воздействовать через радиальный канал 10 на полость 9 манжеты 3, переводя ее в рабочее положение.
После достижения интервала установки пакера 2 устьевым насосом (не показан) в лифтовых трубах 1 создают избыточное давление, которое отжимает запорный орган 18 от седла 16 и через радиальные отверстия 10 (отжимая рукав 14 при наличии) поступает в полость 9 манжеты 3, раздувая ее. При этом подвижный упор 5 перемещается под действием упругих сил манжеты 3 в сторону неподвижного упора 4, снижая продольную нагрузку, действующую на манжету 3, исключая ее несанкционированное разрушение. При этом наружный диаметр манжеты 3 увеличивается до герметичного взаимодействия со стенками скважины, после чего срезные винты 11 разрушаются и дренажный клапан 7 под действием давления выходит из корпуса 8 пакера 2, открывая свободный проток жидкости из лифтовых труб 1 в подпакерное пространство скважины без мелких и разнонаправленных каналов, которые затрудняют прокачку реагента в подпакерное пространство и в пласт.
Если подвижный упор 5 оборудован замковым механизмом 19 (фиг. 2), то при перемещении упора 5 наклонные зубцы 20 замкового механизма 19, взаимодействуя с кольцевыми насечками 21 или резьбой корпуса 8, дискретно перемещаются вместе с упором 5, предотвращая его возвращение в исходное – транспортное положение после открытия дренажного клапана 7 даже при падении давления внутри корпуса 8 из-за высокой приемистости пласта, над которым установлен пакер 2.
После установки пакера 2 и открытия дренажного клапана 7 по лифтовым трубам в подпакерное пространство скважины и отсеченный пласт нагнетают выбранный реагент (цементный раствор, гелевый водоизоляционный состав, кислотную композицию и/или т.п.) в необходимом объеме, который определяется заранее для достижения необходимого результата обработки.
После необходимой технологической выдержке, достаточной для реагирования реагента или его схватывания, устройство оставляют в скважине (например, после ликвидации скважины закачкой цементного раствора) или извлекают на поверхность (например, после водоизоляционных работ). Например, после предварительного схватывания цементного раствора в подпакерном пространстве скважины, внутри полости 9 и корпуса 8 лифтовые трубы 1 приподнимают, при этом разрушаются срезные элементы 13 и переходник 12 извлекается из корпуса 15 обратного клапана 6. Лифтовые трубы 1 промывают от остатков цементного раствора и извлекают на поверхность вместе с переходником 12.
При необходимости извлечения пакера 2, перед спуском лифтовые трубы 1 снабжают сбивным клапаном (не показан) который сбросом груза (шара или ломика) в лифтовые трубы 1 разрушают для слива жидкости из лифтовых труб 1. При этом давление внутри корпуса 8 также падает, жидкость через открытый или частично закрытый радиальный канал 10 из полости 9 сливается, за счет собственных упругих сил манжета 3 уменьшается в диаметре и пытается вернуться в первоначальное – транспортное состояние. Для этого необходимо чтобы подвижный упор 5 для возвращения в исходное состояние не был оборудован замковым механизмом 19. После чего устройство целиком кроме дренажного клапана 7 на лифтовых трубах 1 извлекают на поверхность.
В случае несанкционированного прихвата внутри скважины пакера 2 (манжета 3 не вернулась в исходное состояние, реагент схватился быстрее выбранного времени или т.п.), что отмечается ростом нагрузки на лифтовых трубах 1, при достижении опасной нагрузки разрушаются срезные элементы 13 и переходник 12 извлекается из корпуса 15 обратного клапана 6. Лифтовые трубы 1 извлекают на поверхность вместе с переходником 12. В скважину спускают ловильный инструмент (не показан), рассчитанный на большие нагрузки, который захватывает корпус 15, срывает пакер 2 и извлекает его на поверхность. Так полностью исключаются аварийные ситуации, связанные с возможным обрывом лифтовых труб 1.
Предлагаемое устройство для обработки пласта в скважине позволяет повысить надежность установки за счет разделения клапаном после установки внутреннего пространства корпуса и полости манжеты пакера, при этом за счет подвижности одного из упоров пакера снизить величину упругой деформации, которой подвергается манжета при нагнетании жидкости, расширить функциональные возможности за счет обеспечения прямого потока реагентам, в том числе и густых, при закачке в пласт и исключить аварийные ситуации при прихвате пакера на подъеме, за счет автоматического отсоединения колонны труб.