УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПАКЕРА

Полезная модель относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и, в частности к устройствам для разобщения пластов, в т.ч. при цементировании с применением пакеров.
Известно устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включающее полый корпус с радиальными отверстиями и проточкой, кожух, установленный на полом корпусе и образующий с ним кольцевую полость, втулку, полый срезной винт (патент RU 2572635, Е21В 23/06, публ. 20.01.2016 г.).
Недостатком данного устройства является недостаточная надежность, связанная с тем, что после разрушения полого срезного винта верхней цементировочной пробкой, в случае нештатного превышения давления выше запланированного в скважине в процессе цементирования, произойдет преждевременное разрушение винтов, удерживающих втулку и срабатывание пакера, что приведет к аварии. Кроме того, данную конструкцию невозможно надежно реализовать в устройствах не больших типоразмеров, таких как 102 и 114 мм, из-за ограничений по габаритам. Недостатком также является сложность конструкции устройства.
Известно устройство для изоляции пластов в скважине, включающее полый корпус с радиальными отверстиями и пазом, кольцевую подпружиненную втулку, полый срезной штифт, кожух, переключатель положений устройства с профилированным пазом, кольцевую камеру и пакер (патент RU 2544211, Е21В 33/14, публ. 10.03.2015 г.).
Данное устройство недостаточно надежно в работе в связи с тем, что верхняя часть полого срезного штифта может быть разрушена переключателем положений устройства при повышенном давлении в скважине в момент, когда полый срезной штифт взаимодействует с короткими прорезями профилированного паза, т.к. для безаварийного разрушения цементировочной пробкой и последующего разбуривания, полый срезной штифт выполняют из материалов с низкими прочностными характеристиками (алюминий, полимеры), кроме того, подвижное соединение кольцевой втулки и переключателя положений устройства посредством шариков может подклинивать в работе от больших контактных давлений. В полом корпусе устройства для колонн не больших типоразмеров, например 102 мм, трудно герметично разместить полый срезной штифт с уплотнительными кольцами.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство приведения в действие пакерующего оборудования, включающее составной полый корпус с радиальным отверстием, упором и проточкой, кожух, установленный на составном полом корпусе и образующий с ним кольцевую полость, подпружиненный замок втулочного типа (поршень), переключатель положений устройства с фигурным пазом, палец (патент RU 155716, Е21В 33/12, публ. 20.10.2015 г.).
Данная конструкция оптимальна для использования с целью приведения в действие пакера устройства для манжетного цементирования скважин (состоит из пакера и цементировочной муфты), т.к. цементировочная муфта такого устройства содержит в своем составе внутреннюю втулку с седлом, надежно изолирующую радиальные отверстия, которых можно сделать несколько, составного полого корпуса. Однако в таком устройстве для изоляции пластов, как отдельно используемый пакер, в составном полом корпусе, фактически, из-за различных ограничений, можно выполнить только одно радиальное отверстие с герметизацией его полым срезным штифтом, имеющим ограниченный диаметр впускного отверстия (около 3 мм). Это затрудняет заполнение уплотнительного рукава пакера жидкостью, к тому же, существует большая вероятность засорения отверстия, что отрицательно сказывается на работоспособности и может служить причиной не срабатывания устройства.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы устройства и расширение области применения за счет введения дополнительных радиальных отверстий, через которые заполняется пакер, не ухудшая другие характеристики устройства.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включает составной корпус с уступом, радиальным отверстием и проточкой, по меньшей мере, одной, кожух, образующий с составным корпусом кольцевую полость, в которой расположен подпружиненный поршень с отверстием и уплотнительными элементами на внутренней и наружной поверхности, герметично перекрывающий полость уплотнительного элемента пакера от внутренней полости устройства с возможностью открытия доступа жидкости к пакеру при осевом перемещении, переключатель положений устройства с фигурным пазом по его образующей, по меньшей мере, одним, состоящим из прорезей, по меньшей мере, одной короткой и одной длинной, взаимодействующий с уступом полого корпуса, палец, по меньшей мере, один, установленный одной частью в фигурном пазу переключателя положений устройства, а другой частью в отверстии поршня с возможностью перемещения по прорезям фигурного паза, при этом поршень имеет возможность перемещения на расстояние, ограниченное длиной прорезей фигурного паза за вычетом диаметра пальца, согласно полезной модели, составной корпус имеет заполняющее радиальное отверстие, по меньшей мере, одно, поршень оснащен вторым уплотнительным кольцом на внутренней поверхности, причем, между двумя уплотнительными кольцами на внутренней поверхности поршня, выполнена кольцевая проточка, которая через заполняющее радиальное отверстие составного корпуса гидравлически связана с внутренней полостью устройства, а радиальное отверстие составного корпуса герметично перекрыто полым срезным штифтом.
Кроме того:
составной корпус может содержать на наружной поверхности дополнительные проточки;
между торцевой поверхностью одной из частей составного корпуса и переключателем положений устройства может быть установлена промежуточная деталь;
поршень может быть зафиксирован срезным элементом;
полый срезной штифт может быть выполнен составным со ступенчатым внутренним каналом;
заполняющие радиальные отверстия могут быть перекрыты снаружи обратным клапаном;
в поршне могут быть выполнены проточки и отверстия.
Преимуществом предлагаемой конструкции является то, что в составном корпусе введены дополнительные заполняющие радиальные отверстия с достаточной пропускной способностью для быстрого и надежного заполнения подрукавной полости пакера жидкостью, кроме того, на внутренней поверхности поршня установлено дополнительное уплотнительное кольцо, а на участке поршня между двумя внутренними уплотнительными кольцами выполнена кольцевая проточка, которая гидравлически связана с внутренней полостью устройства через заполняющие радиальные отверстия. Преимуществом является также защита радиального отверстия составного корпуса полым срезным штифтом, что расширяет область применения данной конструкции в таких устройствах для изоляции пластов, как пакера.
При проведении патентных исследований не обнаружены технические решения, идентичные заявленному.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства в транспортном положении.
На фиг. 2 изображен фигурный паз переключателя положений устройства в транспортном положении.
Устройство состоит (см. фигуры) из составного корпуса 1 с уступом 2, радиальным отверстием 3, заполняющими радиальными отверстиями 4 и проточкой 5, по меньшей мере, одной, для подвода жидкости к пакеру, кожуха 6, образующего с составным корпусом 1 кольцевую полость 7, в которой расположен подпружиненный пружиной 8, поршень 9, герметично разделяющий кольцевую полость 7 на две части и имеющий возможность совершать возвратно-поступательные перемещения вдоль оси устройства. В поршне 9 выполнена кольцевая проточка 10 и отверстие 11, в котором установлен палец 12, другой своей частью взаимодействующий с фигурным пазом 13, выполненным по образующей переключателя положений устройства 14. Переключатель положений устройства 14 расположен между уступом 2 и одной из частей составного корпуса 1 и имеет возможность вращения относительно поршня 9. Фигурный паз 13 переключателя положений устройства 14 состоит, по меньшей мере, из одной короткой 15 и одной длинной 16 прорезей, которые выполнены с длинами, обеспечивающими надежное приведение пакера в рабочее положение. Палец 12 имеет возможность перемещаться по прорезям фигурного паза 13, переходя из начального положения в конечное при многократном движении поршня 9, вследствие создания и сброса давления в скважине, причем при движении пальца 12 по короткой прорези 15, внутренняя полость устройства 17 и полость пакера (не показан) герметично изолированы друг от друга, а при перемещении пальца 12 по длинной прорези 16, обе полости гидравлически соединяются за счет того, что уплотнительное кольцо 18 поршня 9 выходит в зону проточки 5 и жидкость поступает в полость пакера через заполняющие радиальные отверстия 4.
Радиальное отверстие 3 перекрыто полым срезным штифтом 19, а герметизация контактных поверхностей деталей устройства обеспечивается уплотнительными кольцами (на фиг. 1 отмечено одно из них - поз. 18).
В случае больших нагрузок, конструкция может быть дополнена еще одним пальцем 12, а в переключателе положений устройства 14 может быть выполнено несколько фигурных пазов 13. Вместо уступа 2 может быть применена отдельная деталь, установленная на составном корпусе 1. Для улучшения прохода жидкости к пакеру, в составном корпусе 1 могут быть выполнены дополнительные проточки, а для лучшего перетекания жидкости вдоль поршня, в нем могут быть выполнены проточки и отверстия. Заполняющие радиальные отверстия 4 могут быть перекрыты снаружи обратным клапаном, чтобы уменьшить сброс жидкости из внутренней полости пакера при закрытии поршня.
В связи с особенностями работы на каждой конкретной скважине, а также в зависимости от технологии приведения в работу другого оборудования, спускаемого в составе обсадной колонны (устройства для цементирования, пакер-подвеска и др.) совместно с рассматриваемым устройством, технология работы с ним может меняться, соответственно, количество коротких 15 и длинных 16 прорезей фигурного паза 13 также может меняться.
Устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера работает следующим образом (одна из возможных технологий работы при использовании данного устройства в составе пакера для изоляции пластов и соответствующая пазам на фиг. 2).
При спуске в скважину обсадной колонны с пакером для изоляции пластов, в состав которого входит рассматриваемое нами устройство, проводят периодические промывки скважины. При этом жидкость не поступает в кольцевую полость 7 и поршень 9 находиться в первоначальном положении, т.к. радиальное отверстие 3 перекрыто полым срезным штифтом 19, а в зоне кольцевой проточки 10 поршень 9 находиться в уравновешенном состоянии. После спуска колонны труб с пакером в скважину, в зависимости от необходимости проведения различных технологических работ, комплектации оснастки обсадной колонны, выполняют определенные операции, затем в скважину пускают и продавливают цементировочную пробку (не показана), которая в момент прохождения через устройство разрушает полый срезной штифт 19 и продавливается далее на стоп-кольцо. Под действием давления жидкости, поступающей через радиальное отверстие 3, поршень 9 смещается в сторону пакера на величину хода пальца 12 по короткой прорези 15 фигурного паза 13. При этом хода поршня 9 не достаточно для выхода его уплотнительного кольца 18 в область проточки 5 и жидкость не поступает в полость уплотнительного элемента пакера. После сброса давления в скважине, поршень 9 под действием пружины 8 возвращается в первоначальное положение, а палец 12 перемещается в начало длинной прорези 16 фигурного паза 13. При следующем повышении давления в скважине, поршень 9 перемещается в сторону пакера, а палец 12 перемещается по длинной прорези 16. При этом уплотнительное кольцо 18 поршня 9 выходит в область проточки 5 и жидкость через заполняющие радиальные отверстия 4 поступает к пакеру, происходит приведение в действие его уплотнительного элемента. После полного заполнения внутренней полости пакера жидкостью, сбрасывают давление. Под действием пружины 8, поршень 9 возвращается в первоначальное положение, а палец 12 перемещается в замкнутое конечное положение в короткой прорези 15, при котором внутренняя полость пакера оказывается герметично изолирована от внутренней полости устройства 17.
В результате полость пакера становится защищенной от дальнейших повышений давления во внутренней полости устройства 17.
Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет получить более надежное устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера.
Дополнительные источники информации:
1. Авторское свидетельство SU 1440120, Е21В 33/12, публ. 23.09.1990 г.
2. Патент RU 2409736, Е21В 33/12, публ. 20.01.2011 г.
3. Патент RU 2449111, Е21В 33/13, публ. 27.04.2012 г.
4. Патент RU 158151, Е21В 33/12, публ. 20.12.2015 г.
5. Патент RU 2592592, Е21В 33/12, публ. 27.07.2016 г.