ПАКЕРНОЕ УСТРОЙСТВО
PACKER DEVICE

Изобретение относится к нефтегазовой сфере, в частности к пакерным устройствам, и может быть использовано для восстановления герметичности поврежденных стенок скважинной колонны.
Известно пакерное устройство, содержащее полый трубчатый корпус, периодически установленный внутри него нагреватель и концентрично закрепленные снаружи корпуса друг под другом трубчатый легкоплавкий металлический слиток и состоящую из биметаллических пластин манжету [1]. Корпус расположен в скважинной трубе на уровне нарушившего ее герметичность отверстия. При нагреве манжета увеличивается в диаметре. Температура полного раскрытия пластин-лепестков ниже температуры плавления слитка.
В транспортном положении наружный диаметр устройства меньше внутреннего диаметра поврежденной скважинной колонны. Для приведения устройства в рабочее положение нагреватель располагают в скважине напротив корпуса и включают. В результате сначала происходит раскрытие биметаллических пластин-лепестков манжеты, а затем плавление слитка и заполнение расплавом расположенной снаружи корпуса над манжетой трубчатой полости. Далее нагреватель выключают, и под действием холодных скважинных флюидов происходит кристаллизация расплава. К эксплуатации скважины приступают после извлечения из нее нагревателя.
Недостатком известного пакерного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.
При установке пакерного устройства в скважине важную роль играет его ориентация в пространстве, т.к. манжета выполняет отведенную ей функцию подпирающей опалубки только в вертикальной или наклонной скважине, в горизонтальной же скважине пакеровка невозможна.
Легкоплавкий слиток, например, из сплава Вуда или сплава Розе обладает недостаточно высокой прочностью, что обуславливает потребность в непроизводительном наращивании толщины стенок корпуса.
Известно выбранное в качестве прототипа пакерное устройство, содержащее закрепленный на напорно-компрессорной трубе и соединенный одним концом с приводом телескопический корпус, концентрично установленную и закрепленную на нем с концов посредством двух упоров спиралевидную пружину веретенообразной формы, металлическую сетку и упругий рукав [2]. Пружина и сетка изготовлены из сплава, обладающего сверхупругостью, например из нитинола, а рукав, например, из силикона. Сетка и рукав концентрично установлены снаружи пружины и закреплены на ней концами. Пружина навита из проволоки круглого, овального, квадратного, прямоугольного или иного сечения.
Во время транспортировки устройства пружина зафиксирована на телескопическом корпусе в растянутом и скрученном до цилиндрического состояния положении. При этом пружина прижата к телескопическому корпусу, и наружный диаметр сетки и рукава минимален. Для пакеровки посредством привода укорачивают телескопический корпус, вращая одну из его частей относительно другой. В результате пружина сжимается, раскручивается и, принимая веретенообразную форму, через сетку плотно прижимает собой рукав к внутренним стенкам скважинной колонны.
Недостатком известного пакера являются его ограниченные функциональные возможности.
Диаметр веретенообразной пружины в ее торцевых частях меньше, чем посередине, что затрудняет использование устройства для герметизации поврежденных стенок скважинной колонны, так как после отсоединения пружины от корпуса в будущем торцевые части пружины будут препятствовать транспортировке через нее высокопроизводительного скважинного оборудования.
Кроме того, резиновый рукав с постоянной толщиной стенок наиболее эффективно выполняет функцию уплотнителя при однообразном по глубине рельефе всей поврежденной поверхности скважинной колонны. Между тем поврежденная поверхность стенок скважинных колонн обычно имеет сложный рельеф с глубокими рытвинами и отверстиями в наиболее разрушенных частях.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей пакерного устройства.
Указанная цель достигается тем, что пакерное устройство содержит закрепленный на напорно-компрессорной трубе трубчатый корпус с концентрично установленными снаружи пружиной и упругим уплотнительным элементом, пружина изготовлена из сплава, обладающего сверхупругостью, например, из нитинола и одним концом соединена с закрепленным на корпусе упором, а другим - с упорной втулкой, концентрично установленной на корпусе с возможностью перемещения. При этом пружина имеет форму катушки с цилиндрической центральной и более широкими в диаметре торцевыми частями, пружина может быть изготовлена из упругого материала, например из стали или карбона, и пружина установлена на корпусе, а тот расположен в скважине только до окончания пакеровки, уплотнительный элемент имеет вид полой трубчатой камеры, которая содержит внутри не препятствующую ее деформации арматуру, например обрезки стальной проволоки, волокна стекла, углерода или бора, и камера заполнена твердеющим со временем раствором, например бетоном или клеем. Дополнительно содержит насос, поршневую группу и установленный в корпусе толкатель с радиально закрепленным на нем рычагом, в стенке корпуса имеется продольное щелевидное сквозное отверстие и в нем расположен закрепленный на толкателе рычаг, цилиндр группы соединен с корпусом и посредством напорно-компрессорной трубы связан с насосом, в стенке упорной втулки имеется продольное отверстие, и посредством толкателя и закрепленного на нем рычага поршень группы соединен с упорной втулкой, другой упор имеет вид рычага, закрепленного на корпусе под углом к радиальному направлении, противоположные концы пружины изогнуты в продольном к ее оси направлении, и перед пакеровкой один из этих концов расположен с допуском в отверстии упорной втулки, а другой опирается на упорный рычаг с его наклонной стороны, снаружи трубчатая камера обмазана пластичной массой, например пластилином или графитовой смазкой.
На фиг.1 схематично изображено пакерное устройство перед пакеровкой. На фиг.2 схематично показано пакерное устройство после пакеровки. На фиг.3 условно изображен поперечный разрез А-А на фиг.2.
На фиг.1-3: поврежденная скважинная колонна - 1; напорно-компрессорная труба - 2; гидравлический цилиндр - 3; трубчатый корпус - 4; спиралевидная пружина в форме катушки - 5; тяга - 6; упругая полая трубчатая камера - 7; отверстие (повреждение) - 8; насос - 9; щелевидное сквозное отверстие - 10; поршень - 11; толкатель - 12; рычаг - 13; твердеющий со временем раствор - 14; арматура - 15; упорный рычаг - 16; упорная втулка - 17; отверстие - 18.
Пакерное устройство содержит установленный внутри поврежденной скважинной колонны 1 на напорно-компрессорной трубе 2 посредством гидравлического цилиндра 3 трубчатый корпус 4, на котором концентрично расположены спиралевидная пружина 5 в форме катушки и связанный с ней тягами 6 уплотнительный элемент в виде полой трубчатой камеры 7 (фиг.1). Пружина 5 имеет цилиндрическую центральную и более широкие в диаметре торцевые части и соединена с корпусом 4 посредством соответствующих тяг 6. В стенке колонны 1 имеется нарушившее ее герметичность отверстие 8. Сверху труба 2 соединена с гидравлическим или пневматическим насосом 9, например поршневым, плунжерным или центробежным, с ножным, ручным или электрическим приводом. Корпус 4 снабжен расположенным в продольном ему направлении щелевидным сквозным отверстием 10. В цилиндре 3 расположен поршень 11, соединенный с концом концентрично установленного в корпусе 4 толкателя 12. На другом конце последнего в радиальном ему направлении закреплен установленный в щелевидном отверстии 10 рычаг 13. Пружина 5 изготовлена из сверхупругого сплава, например из никелида титана, или из упругого материала, например из стали или карбона, и концы ее изогнуты в продольном ее оси направлении. Внутри камеры 7 находится твердеющий со временем раствор 14, например бетон или клей с порошковым наполнителем, а также установлена арматура 15, например, в виде стальной проволоки, волокон стекла, углерода или бора. Снаружи трубчатая камера 7 обмазана пластичной массой (на фиг.1-3 не показана), например пластилином или графитовой смазкой. Пружина 5 соединена одним концом с упорным рычагом 16, а другим - с упорной втулкой 17. В стенке последней в продольном ей направлении расположено отверстие 18 (фиг.1-3). При этом рычаг 16 закреплен на корпусе 4 под уклоном к радиальному направлению и соответствующий конец пружины 5 упирается в рычаг 16 с его наклоненной стороны (фиг.3). Втулка 17 концентрично установлена с возможностью перемещения на корпусе 2 над отверстием 10, соединена с рычагом 13, и соответствующий конец пружины 5 расположен с допуском в отверстии 18.
Пакерное устройство работает следующим образом. Перед установкой в скважине камеру 7 с находящейся внутри арматурой 15 заполняют подготовленным к использованию жидким или пульпообразным раствором 14, например бетоном или смешанной с отвердителем эпоксидной смолой. Рычаг 13 извлекают из устройства и, вращая втулку 17, взводят тем самым упирающуюся в рычаг 16 пружину 5, которая при этом уменьшается в диаметре. Далее устанавливают рычаг 13 в устройстве (фиг.1, 2). При этом из-за того, что рычаг 13 упирается в боковую стенку щелевидного отверстия 10, взведенная пружина 5, имеющая минимальный диаметр, не препятствует транспортировке устройства до места расположения отверстия 8. После установки пружины 5 напротив отверстия 8 включают насос 9, и вследствие повышения давления в цилиндре 3 поршень 11 вместе с толкателем 12, рычагом 13 и втулкой 17 перемещаются вниз. При этом втулка 17 передвигается относительно расположенного в ее отверстии 18 конца пружины 5, и в определенный момент конец последней полностью выходит из отверстия 18. В результате пружина 5 разряжается и увеличивается в диаметре, растягивая камеру 7 и плотно прижимая ее к поврежденному отверстием 8 участку колонны 1. При этом имеющие больший наружный диаметр торцевые участки пружины 5 при ее «разрядке» выполняют функцию центрующих элементов и ограничивают растяжение камеры 7 в продольном направлении. Во время отделения пружины 5 от корпуса 4 пружина 5 повисает на корпусе 4 на соответствующих тягах 6. Расположенный в камере 7 раствор 14 перетекает внутри камеры 7 к тем ее участкам, что расположены напротив отверстия 8 и наиболее глубоких рытвин в стенках колонны 1. После отделения пружины 5 от рычага 16 и втулки 17 насос 9 выключают и корпус 3 извлекают за трубу 2 на поверхность. При этом происходит обрыв тех тяг 6, что прежде соединяли корпус 4 с пружиной 5. К эксплуатации скважины приступают после затвердевания раствора 14 и набора им необходимой прочности.
Функция арматуры 15 аналогична роли армирующих элементов традиционных композиционных материалов и железобетона и главным образом заключается в улучшении прочности последних при работе на растяжение и изгиб. Применительно к предлагаемому устройству такое армирование позволяет уменьшить толщину стенок герметизирующей отверстие 8 металлической пломбы и тем самым ограничить ее негативное воздействие на пропускную способность ремонтируемой скважинной колонны 1. При этом арматура 15 (наполнитель) обязательно должна располагаться в бетонном растворе 14 (матрице) таким образом, чтобы она не препятствовала растягиванию и увеличению диаметра камеры 16 и по возможности после деформации была распределена в растворе 14 равномерно.
Разрядка пружины 5 в скважине происходит крайне быстро и сопровождается ударом камеры 7 о поврежденные стенки колонны 1. Покрывающий пружину 5 слой пластичной массы (на фиг.1-3 не показан), например пластилина или графитовой смазки, защищает камеру 7 от прямого контакта с пружиной 5 и способствует уменьшению трения между пружиной 5 и камерой 7. Тем самым предупреждается повреждение стенок камеры 7 пружиной 5 и снижается сопротивление увеличивающейся в диаметре пружине 5 со стороны камеры 7.
В вертикальной скважине, наряду с удерживающим воздействием соответствующих тяг 6, высокая скорость срабатывания пружины 5 препятствует падению ее с камерой 7 под собственным весом ниже пломбируемого участка колонны.
Для предупреждения порчи камеры 7 при транспортировке в скважине устройство можно оснастить традиционными для погружного оборудования и потому отсутствующими в описании центрующими его в колонне 1 элементами.
Как и в прототипе, пружина 5 может быть навита из проволоки или ленты круглого, овального, квадратного, прямоугольного или иного сечения с гладкой или шероховатой поверхностью. При этом рельефная наружная поверхность пружины 5 после затвердевания раствора 14 обеспечивает отсутствие проскальзывания ее относительно камеры 7, из-за чего в плане противодействия направленным снаружи в радиальном направлении силам обжатие пружины 5 не вызывает уменьшения диаметра ее навивки.
Материал для пружины 5 выбирают с учетом задаваемой величины «раскрытия» пружины 5 при пакеровке. При этом следует учитывать то, что по предельному значению упругой деформации изделия из лучших сортов пружинной стали многократно уступают гораздо более дорогостоящим нитиноловым.
При наличии определенного перепада уровней жидкости в скважине и поверхности земли можно отказаться от применения насоса, повышая давление над поршнем 11 путем заливки воды в напорно-компрессорную трубу.
Источники информации
1. Патент РФ №2236555, Е21В 33/12, Опубликовано: 20.09.2004.
2. Патент РФ №2396418, Е21В 33/12, Бюл.№22, Опубликовано: 10.08.2010.