УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПАКЕРА
SEALING ASSEMBLY OF PACKER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.
Известен уплотнительный узел пакера (патент на полезную модель №153332, МПК Е21В 33/12, опубл. Бюл. №19 от 10.07.2015.), выбранный в качестве аналога и содержащий
ствол в виде трубы,
верхнее и нижнее упорные кольца, установленные и зафиксированные на стволе винтами, фигурные торцы которых взаимодействуют с наружной поверхностью ствола,
герметизирующий элемент, установленный на стволе между упорными кольцами и выполненный в форме кольцевого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, при этом его концевые участки выполнены в виде полого усеченного конуса, меньшим основанием обращенного к упорному кольцу, а внутренняя поверхность армирована тканым или нетканым материалом,
противоэкструзионную защиту герметизирующего элемента, размещенную между концевыми участками герметизирующего элемента и упорными кольцами и включающую
неподвижную ступенчатую втулку, одна ступень которой установлена на стволе и взаимодействует с упорным кольцом, а вторая ступень, обращенная к герметизирующему элементу, выполнена с кольцевой расточкой, на части длины которой выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы, образующие лепестки прямоугольной формы,
ступенчатую кольцевую манжету из ненабухающего эластомера, установленную на стволе между упорными кольцами и концевыми участками герметизирующего элемента, при этом одна ступень, обращенная к упорному кольцу, размещена в кольцевой расточке ступенчатой втулки, а в другой ступени выполнена конусная расточка, взаимодействующая с концевым участком герметизирующего элемента,
• при этом ствол может быть выполнен в виде базовой трубы, входящей в состав спускаемой колонны труб и оснащенной муфтой, с которой взаимодействует одно из упорных колец. Известное устройство обладает недостаточной надежностью сохранения исходного состояния (транспортного положения) при спуске, особенно в скважинах с отклонениями от вертикали, что обусловлено возможностью смещения составных частей известного устройства, установленных на стволе.
Это связано с тем, что на участках ствола скважины с набором кривизны и/или на участках с сужением ствола скважины при спуске известного устройства неизбежен контакт наружной поверхности упорных колец, герметизирующего элемента, ступенчатой втулки и кольцевой манжеты со стенками скважины. Возникающая при этом сила трения может превысить усилие фиксации упорных колец на стволе, которое создается винтами за счет деформации смятия в контакте фигурных торцов винтов с наружной поверхностью ствола. Поэтому при высокой твердости материала ствола (в виде базовой трубы) винты при их ввинчивании могут не обеспечить достаточной глубины внедрения торцов в поверхность ствола и выдавливания из этой поверхности объема металла необходимой высоты и площади для противодействия деформации среза при перемещении составных частей известного устройства вследствие контакта и трения о стенки скважины.
Учитывая, что при спуске колонны труб с известным устройством может возникнуть необходимость ее подрыва вверх, например, при наращивании очередной трубы для ее освобождения из элеватора или клиньев ротора, или подъема, например, при посадках или затяжках спускаемой компоновки в суженных участках ствола скважины. Поэтому при перемещении колонны труб вверх возможно смещение деталей известного устройства в продольном направлении вниз по его стволу из-за трения о стенки скважины, поскольку нижнее упорное кольцо будет удерживаться только винтами без упора в муфту нижерасположенной трубы бурильной колонны. Последнее связано с тем, что у базовых обсадных или насосно-компрессорных труб, используемых в качестве ствола известного устройства, длина составляет от 8 до 12 метров, в то время как длина составных частей известного устройства в сборе не может превышать 2…5 метров. Поэтому взаимодействовать с упором в муфту базовой трубы может только верхнее упорное кольцо, а между нижним упорным кольцом известного устройства и муфтой трубы, расположенной в колонне спускаемых труб ниже базовой трубы, будет значительный, в размере нескольких метров, промежуток. В связи с этим нижнее упорное кольцо от контакта со стенкой скважины при недостаточном усилии фиксации винтами на стволе может сместиться вниз. Это обстоятельство приведет к образованию зазоров, например, между упорным кольцом и кольцевой манжетой или между кольцевой манжетой и герметизирующим элементом в нижней части известного устройства, что не обеспечит его надежную работу по разобщению ствола скважины.
Аналогичная ситуация со смещением деталей известного уплотнительного узла пакера в продольном направлении вниз по стволу может возникнуть в процессе активации при разбухании герметизирующего элемента после установки пакера в заданном интервале скважины, когда усилие от давления увеличивающего свой объем герметизирующего элемента может превысить усилие фиксации нижнего упорного кольца винтами на стволе и способствовать его смещению в процессе разбухания герметизирующего элемента, что не обеспечит надежного контакта последнего со стенкой скважины и, соответственно, надежного разобщения участков скважины, особенно при высоких перепадах давления, например, при проведении гидроразрыва.
Кроме того, причиной низкой надежности работы известного узла может быть конструктивное исполнение противоэкструзионной защиты герметизирующего элемента, а именно: второй ступени ступенчатой втулки, выполненной с кольцевой расточкой, на части длины которой выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы. Образовавшиеся между разрезами лепестки прямоугольной формы в процессе увеличения объема герметизирующего элемента будут деформироваться, отгибаясь к стенке скважины усилием от давления герметизирующего элемента на ступенчатую кольцевую манжету. При этом между лепестками в процессе их изгиба будут образовываться зазоры, например, в виде равнобедренной трапеции при значительной ширине прорези, или в виде равнобедренных треугольников при ширине прорези, исчисляемой долями миллиметра при лазерном разрезании, причем зазоры будут расширяться от наружной поверхности второй ступени ступенчатой втулки к стенке скважины. Учитывая, что эластичные материалы как ступенчатой кольцевой манжеты, так и герметизирующего элемента обладают текучестью, возможно выдавливание вышеуказанных материалов через образовавшиеся зазоры при разбухании герметизирующего элемента, что не обеспечит надежного разобщения ствола скважины, причем процесс одностороннего выдавливания на одном из концевых участков герметизирующего элемента может усилиться при возникновении значительного перепада давления, например, при проведении гидроразрыва.
К недостаткам известного устройства также следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные возможным сломом лепестков ступенчатой втулки при их деформации в процессе увеличения объема герметизирующего элемента при высоких перепадах давления, например, при проведении гидроразрыва, с последующей разгерметизацией устройства, что может произойти в случае превышения пределов прочностных характеристик материала ступенчатой втулки усилием от давления герметизирующего элемента.
Таким образом, совокупность перечисленных недостатков известного устройства снижает его надежность при эксплуатации и ограничивает эксплуатационные возможности.
Известен уплотнительный узел пакера (патент на полезную модель №173491, МПК Е21В 33/12, опубл. Бюл. №25 от 29.08.2017), выбранный в качестве прототипа и содержащий
ствол в виде трубы,
верхнее и нижнее упорные кольца, размещенные и зафиксированные на стволе винтами, фигурные торцы которых взаимодействуют с наружной поверхностью ствола,
герметизирующий элемент, установленный на стволе между упорными кольцами и выполненный в форме кольцевого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, при этом его концевые участки выполнены в виде полого усеченного конуса, меньшим основанием обращенного к упорному кольцу, а внутренняя поверхность армирована тканым или нетканым материалом,
уплотнительные кольца и противоэкструзионную защиту герметизирующего элемента, размещенную между концевыми участками герметизирующего элемента и упорными кольцами и включающую
ступенчатую кольцевую манжету из ненабухающего эластомера, первая ступень которой, обращенная к упорному кольцу установлена на стволе, а во второй ступени выполнена конусная расточка, взаимодействующая с концевым участком герметизирующего элемента,
и подвижную обойму в виде ступенчатой втулки, первая ступень которой, обращенная к упорному кольцу, установлена на стволе с возможностью перемещения, а вторая ступень, обращенная к герметизирующему элементу, выполнена с кольцевой расточкой, внахлест охватывающей первую ступень кольцевой манжеты,
причем на части длины кольцевой расточки второй ступени обоймы выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы, образующие лепестки прямоугольной формы,
а диаметр центральных отверстий упорных колец, герметизирующего элемента, обоймы и ступенчатой кольцевой манжеты больше диаметра наружной поверхности ствола,
при этом ствол может быть выполнен в виде базовой трубы, входящей в состав спускаемой колонны труб и оснащенной муфтой, с которой взаимодействует одно из упорных колец.
Известному устройству присущи недостатки аналога ввиду того, что их основные составные части конструктивно сходны между собой, а именно: упорные кольца, закрепленные на стволе винтами, и детали противоэкструзионной защиты герметизирующего элемента в виде манжет, ступенчатой втулки и обоймы, при этом на части длины кольцевых расточек последних выполнены аналогичные продольные разрезы, образующие лепестки прямоугольной формы. Отличие обоймы в виде ступенчатой втулки в прототипе от неподвижной ступенчатой втулки аналога состоит лишь в ее ограниченном перемещении для сжатия уплотнительного кольца, поскольку внутренний диаметр кольцевого цилиндра герметизирующего элемента в прототипе больше диаметра наружной поверхности ствола и поэтому при активации герметизирующего элемента известного устройства необходимо обеспечить герметизацию в зоне его концевых участков, для чего между обоймой и упорным кольцом предусмотрено уплотнительное кольцо, сжимаемое перемещением обоймы.
Кроме того, надежность работы известного устройства может быть снижена из-за наличия зазора между наружной поверхностью ствола и внутренней поверхностью кольцевого герметизирующего элемента, поскольку диаметр центрального отверстия герметизирующего элемента больше диаметра наружной поверхности ствола, ввиду чего отсутствует упругое обжатие ствола эластичным материалом герметизирующего элемента и сцепление последнего со стволом. Поэтому на участках скважины с набором кривизны при спуске известного устройства и/или на участках с сужением ствола скважины, где неизбежен контакт наружной поверхности кольцевого цилиндра герметизирующего элемента со стенками скважины, возможно продольное смещение кольцевого цилиндра по стволу, чему может способствовать также и его одностороннее радиальное смещение на величину зазора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью ствола. Это связано с тем, что возникающая при контакте сила трения ввиду отсутствия сцепления между наружной поверхностью ствола и внутренней поверхностью отверстия кольцевого цилиндра герметизирующего элемента может перемещать его эластичный материал в продольном направлении по стволу, деформируя герметизирующий элемент с изменением его геометрической формы и размеров, что приведет к образованию выпуклостей и складок на наружной поверхности кольцевого цилиндра. Последние будут увеличивать его радиальные размеры, что приведет к увеличению сил трения в контакте кольцевого цилиндра со стенкой скважины, пропорционально увеличивающимся необратимым деформациям с изменением геометрической формы кольцевого цилиндра в виде смятия с разрывами эластичного материала и последующему разрушению герметизирующего элемента, что приведет к неработоспособности известного устройства.
Совокупность перечисленных недостатков известного устройства существенно снижает надежность его работы, а также ограничивает его эксплуатационные возможности.
Задачей изобретения является создание технического решения уплотнительного узла пакера, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности работы уплотнительного узла пакера и расширение его эксплуатационных возможностей.
Для обеспечения этого результата известный уплотнительный узел пакера, содержащий
ствол в виде трубы,
упорные элементы в виде муфт, соединенных со стволом,
герметизирующий элемент, установленный на стволе между упорными элементами и выполненный в форме кольцевого цилиндра с фигурными концевыми участками из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера,
противоэкструзионную защиту герметизирующего элемента, размещенную между концевыми участками герметизирующего элемента и упорными элементами и включающую
подвижную обойму в виде ступенчатой втулки, первая ступень которой, обращенная к муфте, установлена на стволе с возможностью перемещения, а вторая ступень, обращенная к герметизирующему элементу, выполнена с кольцевой расточкой,
на части длины которой выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы, образующие лепестки прямоугольной формы,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
противоэкструзионная защита герметизирующего элемента дополнительно содержит неподвижную относительно ствола гильзу, расположенную между обоймой и муфтой и выполненную в виде ступенчатой втулки, первая ступень которой установлена на стволе с упором в муфту,
а вторая ступень, обращенная к герметизирующему элементу, выполнена с кольцевой расточкой, в которой размещена первая ступень обоймы, образующая в кольцевой расточке полость, сообщающуюся с полостью ствола скважины посредством отверстия,
при этом на части длины кольцевой расточки второй ступени гильзы выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы, образующие лепестки прямоугольной формы, количество которых равно количеству лепестков на второй ступени обоймы,
причем лепестки гильзы и обоймы взаимодействуют между собой в рабочем положении,
а гильза и обойма соединены срезным штифтом так, что продольные разрезы гильзы смещены по окружности относительно продольных разрезов обоймы на половину центрального угла а между двумя соседними продольными разрезами,
фигурные концевые участки герметизирующего элемента выполнены в виде кольцевой ступени, на которой внахлест расположены лепестки обоймы с внутренним кольцевым выступом, взаимодействующим с кольцевым пазом, выполненным на кольцевой ступени герметизирующего элемента,
наружная поверхность ствола под герметизирующим элементом гуммирована и герметизирующий элемент соединен со стволом клеем,
а коэффициент перекрытия связан с коэффициентами кавернозности и пакеровки соотношением
где
- Кпер - коэффициент перекрытия, характеризующий относительную величину перекрытия площади лепестков обоймы площадью лепестков гильзы в рабочем положении;
- Кк - коэффициент кавернозности скважины в интервале установки пакера;
- Кп - коэффициент пакеровки, равный
где
- Dc - номинальный диаметр скважины;
Э
- D - наружный диаметр герметизирующего элемента.
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен заявляемый уплотнительный узел пакера в исходном (транспортном) положении при спуске в скважину;
на фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображен заявляемый уплотнительный узел пакера в рабочем положении;
на фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 3 (левая часть разреза Б-Б показана при ширине прорези b≈0, правая часть разреза Б-Б показана при ширине прорези b>>0);
на фиг. 5 в аксонометрии показан фрагмент взаимодействующих между собой лепестков обоймы и гильзы в рабочем положении при ширине прорези b≈0.
Заявляемый уплотнительный узел пакера (фиг. 1) содержит ствол 1 в виде трубы, оснащенной на концевых участках муфтами 2, между которыми на стволе 1 установлен герметизирующий элемент 3, выполненный в форме кольцевого цилиндра 4 из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, с фигурными концевыми участками 5 в виде кольцевой ступени 6, на которой выполнен кольцевой паз 7. Между концевыми участками 5 герметизирующего элемента 3 и муфтами 2 на стволе 1 размещены составные части противоэкструзионной защиты герметизирующего элемента 3, включающей неподвижную гильзу 8, первая ступень 9 которой установлена на стволе 1 с упором в муфту 2, а вторая ступень 10, обращенная к герметизирующему элементу 3, выполнена с кольцевой расточкой 11, на части длины которой выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы 12, образующие лепестки 13 прямоугольной формы.
Между гильзой 8 и герметизирующим элементом 3 размещена подвижная обойма 14, первая ступень 15 которой, обращенная к муфте 2, установлена на стволе 1 в кольцевой расточке 11 гильзы 8 с возможностью перемещения и соединена с последней срезным штифтом 16. Вторая ступень 17 обоймы 14, обращенная к герметизирующему элементу 3, выполнена с кольцевой расточкой 18, на части длины которой выполнены равномерно расположенные по окружности продольные разрезы 19, образующие лепестки 20 прямоугольной формы, количество которых равно количеству лепестков 13 на второй ступени 10 неподвижной гильзы 8, при этом в соединенном положении обоймы 14 с гильзой 8 продольные разрезы 19 обоймы 14 смещены по окружности относительно продольных разрезов 12 гильзы 8 на половину центрального угла α между двумя соседними продольными разрезами 12 или 19 (на фиг. 2).
В кольцевой расточке 18 обоймы 14, лепестки 20 которой внахлест охватывают концевой участок 5 герметизирующего элемента 3, на концевом участке выполнен внутренний кольцевой выступ 21, взаимодействующий с кольцевым пазом 7, выполненным на концевом участке 5 герметизирующего элемента 3, что обеспечивает фиксацию концевых участков 5 герметизирующего элемента 3 в исходном положении на стволе 1. Фиксация кольцевого цилиндра 4 герметизирующего элемента 3 в исходном положении на стволе 1 обеспечивается тем, что участок 22 наружной цилиндрической поверхности ствола 1 под кольцевым цилиндром 4 гуммирован и кольцевой цилиндр 4 герметизирующего элемента 3 соединен с участком 22 ствола 1 клеем.
Для перетока жидкости из полости кольцевой расточки 11 в полость скважины 23 в первой ступени 9 гильзы 8 выполнено отверстие 24.
Соотношение [1], математически связывающее коэффициент перекрытия Кпер с коэффициентами кавернозности Кк и пакеровки Кп, обеспечивает возможность определения для заявляемого устройства величину коэффициента перекрытия Кпер по известным величинам коэффициентов кавернозности Кк и пакеровки Кп, что позволяет при проектировании (фиг. 3, 4 и 5):
определить суммарную величину сечений и площадей лепестков 20 обоймы 14 и лепестков 13 гильзы 8, нагружаемых как в процессе активации герметизирующего элемента 3, когда лепестки 20 и 13, отгибаясь к стенке скважины 23, вначале совместно работают как консольная балка с жестким защемлением, так и от перепада давления в рабочем положении заявляемого устройства, например, при проведении гидроразрыва, когда лепестки 20 и 13 после контакта со стенкой скважины 23 совместно работают как однопролетная балка с двумя опорами;
осуществить прочностные расчеты лепестков 20 и 13 и на этой основе определить их геометрические размеры, в том числе их количество и длину с целью ограничения угла прогиба и деформаций, а также толщину лепестков 20 и 13, которые при совместном противодействии усилиям от давления обеспечат рабочие нормальные и касательные напряжения в их сечениях, не превосходящие допускаемые напряжения для материала лепестков;
осуществить подбор материалов гильзы 8 и обоймы 14.
Заявляемый уплотнительный узел пакера работает следующим образом. Устройство в исходном (транспортном) положении (фиг. 1) на колонне труб (не показана) спускают в скважину 23 до места установки пакера. В процессе спуска на участках скважины с набором кривизны и/или на участках с сужением ствола возможен контакт наружных поверхностей кольцевого цилиндра 4 герметизирующего элемента 3, гильзы 8 и обоймы 14 со стенками скважины 23. Возникающие при этом силы трения не смогут сместить вверх или вниз по стволу 1 составные части заявляемого устройства, поскольку:
гильза 8 не сможет перемещаться по стволу 1, взаимодействуя первой ступенью 9 с неподвижной относительно ствола 1 муфтой 2;
обойма 14 не сможет перемещаться по стволу 1, будучи соединенной срезным штифтом 16 со второй ступенью 10 неподвижной относительно ствола 1 гильзы 8;
герметизирующий элемент 3 не сможет перемещаться по стволу 1, будучи зафиксированным на концевых участках 5 второй ступенью 17 обоймы 14, кольцевая расточка 18 и внутренний кольцевой выступ 21 которой внахлест охватывают кольцевую ступень 6 и кольцевой паз 7 концевого участка 5 герметизирующего элемента 3, а также благодаря фиксации кольцевого цилиндра 4 герметизирующего элемента 3 клеевым соединением на гуммированном участке 22 ствола 1.
Тем самым в процессе спуска повышается надежность фиксации составных частей заявляемого устройства в исходном (транспортном) положении по сравнению с аналогом и прототипом.
После спуска заявляемого устройства в заданный интервал установки пакера в зависимости от типа эластомера в скважину закачивается жидкость необходимого состава для активации процесса набухания герметизирующего элемента 3, кольцевой цилиндр 4 которого от взаимодействия с активирующей жидкостью будет увеличивать линейные размеры в радиальном направлении до контакта со стенкой скважины 23, после чего возникающее при дальнейшем набухании эластомера давление приведет к увеличению линейных размеров герметизирующего элемента 3 в продольном направлении и создаст усилие, воздействующее на лепестки 20 обоймы 14, отгибая их к стенке скважины 23 (фиг. 3 и 4). При этом между каждой парой соседних лепестков 20 будут образовываться зазоры 25 в виде равнобедренной трапеции 26 (фиг. 4, правая часть разреза Б-Б) при ширине b » 0 продольных разрезов 19 или в виде равнобедренных треугольников 27 (фиг. 4, левая часть разреза Б-Б) при ширине b>>0 продольных разрезов 19, исчисляемой долями миллиметра при их лазерном разрезании, причем зазоры 25 будут расширяться от наружной поверхности второй ступени 17 обоймы 14 к стенке скважины 23.
При некоторой величине давления от увеличивающего свои размеры герметизирующего элемента 3 и возрастающем в продольном направлении усилии его воздействия на обойму 14 произойдет срез штифта 16 и перемещение обоймы 14 по стволу 1 к муфте 2. При этом первая ступень 15 обоймы 14 будет перемещаться внутрь кольцевой расточки 11, вытесняя из ее полости через отверстие 24 жидкость в полость скважины 23. Одновременно с перемещением обоймы 14 ее отогнутые к стенке скважины 23 лепестки 20 будут воздействовать на лепестки 13 неподвижной гильзы 8, отгибая их к стенке скважины 23, при изгибе которых будут образовываться зазоры 28 между каждой парой соседних лепестков 13 в виде равнобедренной трапеции 29 (фиг. 4, правая часть разреза Б-Б) при ширине b>>0 продольных разрезов 19 или в виде равнобедренных треугольников 30 (фиг. 4, левая часть разреза Б-Б) при ширине b≈0 продольных разрезов 19, причем зазоры 28 будут расширяться от наружной поверхности второй ступени 10 неподвижной гильзы 8 к стенке скважины 23.
Учитывая, что количество лепестков 20 обоймы 14 равно количеству лепестков 13 гильзы 8, и при этом продольные разрезы 19 обоймы 14 смещены по окружности относительно продольных разрезов 12 гильзы 8 на половину центрального угла α между двумя соседними продольными разрезами 19 и/или 12, зазоры 25, образуемые между лепестками 20 обоймы 14, будут перекрываться лепестками 13 гильзы 8 (фиг. 5), а зазоры 28, образуемые между лепестками 13 гильзы 8, будут перекрываться лепестками 20 обоймы 14. Тем самым исключается возможность выдавливания обладающего текучестью эластичного материала герметизирующего элемента 3 через образовавшиеся зазоры 25 и 28, как при активации герметизирующего элемента 3 в процессе его набухания, так и в процессе работы при воздействии одностороннего перепада давления, например, при проведении гидроразрыва в скважине 23.
Кроме того, дополнительное снабжение заявляемого устройства гильзой 8 и взаимное перекрытие лепестками 20 и 13 друг друга обеспечивает их совместную работу и сопротивление воздействующим нагрузкам от давления как при активации, так и при работе заявляемого устройства, что повышает его эксплуатационные возможности по величине допускаемого давления по сравнению с аналогом и прототипом, где нагрузкам противодействуют только лепестки ступенчатой втулки или обоймы.
Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого устройства повышает надежность его работы и расширяет его эксплуатационные возможности по сравнению с аналогом и прототипом.