Гидравлический пакер
HYDRAULIC PACKER

Изобретение относится к строительной и нефтегазодобывающей отраслям. В строительной отрасли гидравлический пакер может использоваться для устройства буроинъекционных и инъекционных свай, в манжетной технологии закрепления грунтов, компенсационном нагнетании, устройстве геотехнических барьеров, защитных экранов и противофильтрационных завес. В нефтегазодобывающей отрасли гидравлический пакер может использоваться для выполнения технологических и ремонтно-восстановительных работ внутри скважин с обсадными колоннами небольшого диаметра.
Известна конструкция гидравлического пакера (патент RU 2718456 Cl МПК Е21В 33/12, опубл. 06.04.2020), принятая за прототип, состоящая из сращиваемых при помощи резьбовых соединений герметизирующих и инъекционных модулей для выхода раствора. Герметизирующий модуль состоит из двух торцевых и одной рабочей секции, помещенной внутри эластичной мембраны, которая зафиксирована фиксационными и прижимными фитингами на рабочей секции. Рабочие секции герметизирующих модулей имеют различные диаметры и расположены таким образом, что внутренний диаметр рабочей секции каждого ниже расположенного герметизирующего модуля выполнен меньшим, чем у рабочей секции расположенного выше герметизирующего модуля. Инъекционный модуль выполнен в виде полого цилиндра с внутренней резьбой в верхней и нижней частях.
Главные недостатки прототипа заключаются:
- в замедленном и не полном раскрытии эластичных мембран рабочих секций выше расположенных герметизирующих модулей по сравнению с ниже расположенными, по причине их различного диаметра, а именно: внутренний диаметр рабочей секции каждого ниже расположенного герметизирующего модуля выполнен меньшим, чем у рабочей секции расположенного выше герметизирующего модуля, в результате чего скорость прохождения раствора у ниже расположенных герметизирующих модулей выше и их эластичные мембраны раскрываются быстрее по сравнению с выше расположенными эластичными мембранами герметизирующих модулей, вследствие чего не обеспечивается герметичность перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны во время работы гидравлического пакера;
- в недостаточной степени герметичности перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны по причине неравномерной контактной поверхности между эластичной мембраной и внутренней поверхностью трубы-инъектора или обсадной колонны в месте выхода раствора внутри герметизирующего модуля и, как следствие, проскальзывание гидравлического пакера в процессе работы;
- при резком увеличении или перепадах давления инъекции раствора эластичная мембрана выскальзывает из прижимного зазора между округлым буртиком на рабочей секции и внутренней поверхностью фиксационного фитинга герметизирующего модуля.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении герметичности перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны за счет внесения в конструкцию гидравлического пакера следующих изменений:
- рабочие секции герметизирующих модулей имеют различные диаметры и расположены таким образом, что внутренний диаметр рабочей секции каждого ниже расположенного герметизирующего модуля выполнен большим, чем у рабочей секции расположенного выше герметизирующего модуля;
- поперечные наполняющие отверстия в рабочих секциях гидравлического пакера выполняются по цилиндрической винтовой линии с одинаковым углом поворота относительно центральной оси и одинаковым шагом расположения;
- на торцах рабочих секций герметизирующих модулей в месте закрепления эластичных мембран фиксационными фитингами выполняются полусферические держатели.
Причинно-следственная связь между заявленными существенными признаками и техническим результатом следующая.
Увеличение внутреннего диаметра рабочей секции каждого ниже расположенного герметизирующего модуля, по сравнению с выше расположенными модулями, приводит с одной стороны к уменьшению скорости прохождения раствора в ниже расположенных герметизирующих модулях и замедлению раскрытия их эластичных мембран, с другой стороны к увеличению скорости прохождения раствора в выше расположенных герметизирующих модулях и ускорению раскрытия их эластичных мембран в результате чего эластичные мембраны всех герметизирующих модулей гидравлического пакера раскрываются практически одновременно и обеспечивается герметичность перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны во время работы нескольких герметизирующих модулей гидравлического пакера.
Выполнение поперечных наполняющих отверстий в рабочих секциях гидравлического пакера по цилиндрической винтовой линии с одинаковым углом поворота относительно центральной оси и одинаковым шагом расположения позволит увеличить степень герметичности перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны за счет более равномерного наполнения внутреннего пространства эластичных мембран раствором и увеличения площади контактной поверхности между эластичной мембраной и внутренней поверхностью трубы-инъектора или обсадной колонны.
Выполнение на торцах рабочих секций герметизирующих модулей в месте закрепления эластичных мембран фиксационными фитингами полусферических держателей позволит увеличить степень прижатия эластичных мембран к рабочей секции фиксационными фитингами в процессе соединения прижимных фитингов с рабочей секцией, что позволит исключить выскальзывание эластичной мембраны при резком увеличении давления инъекции раствора или перепадах давления. Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция гидравлического пакера, состоящая из двух герметизирующих и одного инъекционного модуля в собранном виде;
На фиг. 2 изображена конструкция гидравлического пакера, состоящая из двух герметизирующих и одного инъекционного модуля в процессе работы - инъекции раствора;
На фиг. 3 изображена конструкция гидравлического пакера, состоящая из двух герметизирующих и одного инъекционного модуля, в котором герметизирующие модули имеют различные диаметры и расположены таким образом, что внутренний диаметр рабочей секции каждого ниже расположенного герметизирующего модуля выполнен большим, чем у рабочей секции расположенного выше герметизирующего модуля.
На фиг. 4 изображена рабочая секция конструкции гидравлического пакера с наполняющими отверстиями, выполненными по цилиндрической винтовой линии с одинаковым углом поворота относительно центральной оси и одинаковым шагом расположения;
На фиг. 5 изображено сечение рабочей секции конструкции гидравлического пакера;
На фиг. 6 изображен процесс сборки герметизирующего модуля конструкции гидравлического пакера;
На фиг. 7 изображены прижимные и фиксационные фитинги конструкции гидравлического пакера;
На фиг. 8 изображен инъекционный модуль конструкции гидравлического пакера;
На фиг. 9 изображено сечение инъекционного модуля конструкции гидравлического пакера.
Описание заявляемого технического решения.
Гидравлический пакер состоит из герметизирующих 1 и инъекционного 2 модулей, сращиваемых при помощи резьбовых соединений.
Герметизирующий модуль 1 пакера состоит из рабочей секции 3, двух торцевых полых секций 4 и эластичной мембраны 5. Рабочие секции 3 герметизирующих модулей 1 имеют различные диаметры и расположены таким образом, что внутренний диаметр рабочей секции 3 каждого ниже расположенного герметизирующего модуля 1 выполнен большим, чем у рабочей секции 3 расположенного выше герметизирующего модуля 1.
Рабочая секция 3 представляет собой полый металлический цилиндр, на поверхности которого имеются полусферические держатели 6, конусные сбеги 7 и поперечные наполняющие отверстия 8 для наполнения эластичных мембран 5 раствором. Величина внутреннего диаметра рабочей секции 3 зависит от места расположения герметизирующего модуля 1 в составе конструкции гидравлического пакера. Поперечные наполняющие отверстия 8 в рабочих секциях 3 выполняются по цилиндрической винтовой линии с одинаковым углом поворота относительно центральной оси и одинаковым шагом расположения. Торцевые секции 4 состоят из фиксационных 9 и прижимных 10 фитингов.
Фиксационные фитинги 9 имеют на внутренней поверхности скосы 11. Прижимные фитинги 10 имеют наружную резьбу для сращивания с инъекционным модулем 2 (рукавом высокого давления 13 или съемной заглушкой 14) и внутреннюю резьбу для соединения с рабочей секцией 3. Во время соединения прижимного фитинга 10 с рабочей секцией 3 фиксационные фитинги 9 прижимают эластичную мембрану 5 к полусферическим держателям 6 рабочей секции 3 за счет скосов 11.
Инъекционный модуль 2 представляет собой полый цилиндр, который имеет одно или несколько рядов инъекционных отверстий 12. Съемную заглушку 14, которая закрывает нижнюю часть собранной конструкции гидравлического пакера (прижимной фитинг 10 торцевой секции 4 нижнего герметизирующего модуля 1), используют во время инъекции раствора и отсоединяют при промывке гидравлического пакера от раствора.
Верхнюю часть собранной конструкции гидравлического пакера соединяют с рукавом высокого давления 13, через который осуществляется инъекция раствора.
Последовательность сборки (разборки) конструкции гидравлического пакера следующая. Сборку необходимо начинать с герметизирующих модулей 1. Вначале эластичные мембраны 5 устанавливаются на рабочие секции 3. Затем эластичная мембрана 5 на рабочей секции 3 по торцам защемляется торцевыми секциями 4 посредством фиксационных 9 и прижимных фитингов 10. Далее собранные герметизирующие модули 1 сращиваются между собой через инъекционный модуль 2 при помощи резьбовых соединений в таком порядке, что внутренний диаметр рабочей секции 3 каждого ниже расположенного герметизирующего модуля 1 выполнен большим, чем у рабочей секции 3 расположенного выше герметизирующего модуля 1.
Описание принципа работы гидравлического пакера.
При поступлении раствора в гидравлический пакер во время инъекции эластичные мембраны 5 рабочих секций 3 герметизирующих модулей 1 под давлением увеличиваются в размерах (раскрываются) и герметично (плотно) перекрывают внутритрубное пространство трубы-инъектора или обсадной колонны. После прекращения инъекции давление в гидравлическом пакере уменьшается, эластичная мембрана 5 возвращается в исходное положение и его можно свободно перемещать внутри трубы-инъектора или обсадной колонны, а также извлекать из них. Завершив работу необходимо открутить съемную заглушку 14, которая закрывает нижнюю часть собранной конструкции гидравлического пакера и промыть ее от раствора.
Увеличение внутреннего диаметра рабочей секции 3 ниже расположенного герметизирующего модуля 1, по сравнению с выше расположенным герметизирующим модулем 1, приводит с одной стороны к уменьшению скорости прохождения раствора в ниже расположенном герметизирующем модуле 1 и замедлению раскрытия его эластичной мембраны 5, с другой стороны к увеличению скорости прохождения раствора в выше расположенном герметизирующем модуле 1 и ускорению раскрытия его эластичной мембраны 5 в результате чего эластичные мембраны 5 всех герметизирующих модулей 1 раскрываются практически одновременно и обеспечивается герметичность перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны во время работы нескольких модулей гидравлического пакера.
Выполнение поперечных наполняющих отверстий 8 в рабочих секциях 3 гидравлического пакера по цилиндрической винтовой линии с одинаковым углом поворота относительно центральной оси и одинаковым шагом расположения позволит увеличить степень герметичности перекрываемого внутритрубного пространства трубы-инъектора или обсадной колонны за счет более равномерного наполнения внутреннего пространства эластичных мембран 5 раствором и увеличения площади контактной поверхности между эластичной мембраной 5 и трубой-инъектором или обсадной колонной.
Выполнение на торцах рабочих секций 3 герметизирующих модулей 1 в месте закрепления эластичных мембран 5 фиксационными фитингами 9 полусферических держателей 6 позволит увеличить степень прижатия эластичных мембран 5 к рабочей секции 3 фиксационным фитингом 9 в процессе соединения прижимного фитинга 10 с рабочей секцией 3, что позволит исключить выскальзывание эластичной мембраны 5 при резком увеличении давления инъекции раствора или перепадах давления.