ПАКЕР ДЛЯ СКВАЖИНЫ
WELL PACKER

Изобретение относится к строительству и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и, в частности, к пакерующим устройствам для герметизации межтрубного или заколонного пространства скважин.
Известен пакер для скважины, включающий корпус с установленным на нем уплотнительным элементом и клин-толкатель, размещенный в корпусе с возможностью осевого перемещения и деформирования уплотнительного элемента при создании внутри полости корпуса избыточного давления (см., например, RU 2118442, 25.06.1997).
Недостатком известного устройства является его ограниченная возможность по перекрытию и герметизации больших зазоров межтрубного пространства обсадной колонны или открытого ствола скважины. Недостатком этого устройства является также недостаточная его герметизирующая способность в обсадных колоннах с изношенной внутренней поверхностью, что существенно ограничивает область его применения. Кроме того, трудность установления соотношения необходимой, заранее задаваемой, степени деформации эластичного материала уплотнительного элемента для увеличенных зазоров скважины и реальных, трудно поддающихся точному прогнозу рабочих нагрузок в этой скважине ведет, зачастую, к тому, что уплотнительный элемент либо недогружен в действительности и потому не обеспечивает необходимую герметичность, либо перегружен из-за избыточной степени увеличения предельных нагрузок (избыточного запаса на предварительной стадии проектирования) и непреднамеренно длительного действия предельных нагрузок, ведущих к усталости материала уплотнительного элемента. Негативные результаты установки пакера - отсутствие необходимой его герметичности - требует повторного осуществления операции с долговременными операциями по исключению негативных последствий предшествующей операции.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы пакера за счет возможности перевода его в рабочее положение реальными нагрузками, действующими в процессе освоения и/или эксплуатации скважины.
Необходимый технический результат достигается тем, что пакер для скважины включает корпус с помещенным на нем уплотнительным элементом, узел пакеровки уплотнительного элемента механического действия, помещенный выше уплотнительного элемента, и узел допакеровки уплотнительного элемента гидромеханического действия, помещенный ниже уплотнительного элемента, выполненный с возможностью его срабатывания при снижении гидростатического давления в скважине при освоении и/или эксплуатации скважины до заданной величины, при этом во время допакеровки уплотнительного элемента обеспечена возможность контроля герметичности уплотнительного элемента и регулирования степени снижения гидростатического давления в скважине.
Сущность изобретения заключается в том, что обеспечение герметичности пакера в открытом стволе или в колонне с изношенной поверхностью является одной из проблемных трудно разрешимых задач. Все известные решения предусматривают предварительный, на стадии проектирования, выбор усилия пакеровки, одного из основных параметров, задающего необходимую степень герметичности пакера. Результат зависит от степени соответствия проектного параметра реальным скважинным условиям. При несоответствии отмеченного параметра скважинным условиям и невозможности своевременно вмешаться в этот процесс происходят осложнения в скважинах, ликвидация которых, долговременная и трудозатратная, резко снижает эффективность работ в скважине. Изобретение обеспечивает возможность пакерования в две стадии. Первая - предварительная стадия - предусматривает первичное перекрытие кольцевого пространства, создание основы для второй стадии и оценку герметичности первой стадии в зависимости от нагрузок на уплотнительный элемент.Вторая стадия - допакеровка - предусматривает передачу нагрузки на пакер в строго заданное время - непосредственно во время освоения и/или эксплуатации скважины. Уплотнительный элемент пакера не испытывает длительных предельных нагрузок в простаивающей скважине, ведущих к усталостному износу. Принятую депрессию при освоении и/или эксплуатации скважины используют в качестве рабочего приводного усилия пакерования. При этом в процессе допакеровки уплотнительного элемента предусмотрена возможность контроля герметичности пакера и регулирования степени снижения гидростатического давления в скважине.
На фиг.1 в качестве примера представлен пакер в транспортном положении, на фиг.2 - приведенный в действие пакер при его испытании на герметичность созданием избыточного давления в колонне, на фиг.3 - при его испытании путем снижения гидростатического давления в скважине - уровня жидкости в колонне.
Пакер для скважины (фиг.1) включает транспортировочную колонну 1, составной корпус 2, на наружной поверхности которого выполнены верхние 3 и нижние 4 упорные канавки, кольцевые канавки 5 и 6 и радиальное отверстие 7. На корпусе 2 установлен уплотнительный элемент 8 с торцевой зашитой 9, верхняя 10 и нижняя 11 упорные втулки, взаимодействующие с фиксаторами конечного положения 12 и 13, на внутренней поверхности которых выполнены кольцевые выступы 14 и 15, взаимодействующие с упорными канавками 3 и 4. На корпусе 2 установлена нажимная воронка 16. Она зафиксирована посредством винта 17. Упомянутые выше позиции 3, 5, 9, 10, 12, 14, 16, 17 относятся к узлу пакеровки механического действия, который обеспечивает первую стадию пакерования. Он размещен выше уплотнительного элемента 8. На корпусе 2 под уплотнительным элементом 8 установлен узел допакеровки, характеризующий вторую стадию пакерования. Узел допакеровки состоит из закрепленной на корпусе посредством срезного винта 18 втулки 19, толкателя 20, неподвижно установленного посредством штифа 21 упорного кольца 22. При этом втулка 19, толкатель 20 и упорное кольцо 22 образуют с корпусом 2 кольцевую камеру 23. Необходимая герметичность устройства обеспечена уплотнительными кольцами 24. Позиция 25 отмечает внутреннюю поверхность предыдущей колонны. Уплотнительный элемент 8 может быть выполнен в виде верхней и нижней манжеты с проставочным кольцом 26 между ними.
В результате моделирования на стенде была установлена возможность увеличения степени герметизации кольцевого зазора при условии, если конусность (угол с вертикалью со стороны оси устройства) верхней и нижней частей проставочного кольца выполнена разной.
Спуск в скважину колонны с предлагаемым устройством осуществляют на транспортировочной колонне 1.
После спуска колонны производят ее «заякоривание», т.е. подвеску в предыдущей колонне и отсоединение от транспортировочной колонны. Отсоединение от транспортировочной колонны производят, например, гидравлически, путем создания расчетного избыточного давления, или механически - путем отворота. Узел якоря и узел разъединения на чертежах условно не показаны.
После закачки расчетного объема тампонажного раствора производят подъем транспортировочной колонны до ее выхода из нажимной воронки 16, срез, т.е. вымыв надпакерной порции тампонажного раствора.
На последней трубе транспортировочной колонны установлены заневолепные упорные кулачки (на чертежах условно не показаны), которые при подъеме упомянутой колонны автоматически устанавливаются в рабочее положение. После «срезки» надпакерной порции тампонажного раствора транспортировочную колонну разгружают, и упорные кулачки, взаимодействуя с торцевой частью нажимной воронки 16 воронки, деформируют уплотнительный элемент 8, прижимая его к внутренней поверхности предыдущей колонны 25. При этом верхняя упорная втулка 10 и фиксатор 12 удерживают уплотнительный элемент 8 в рабочем положении (фиг.2). На этом первая - предварительная стадия первичного перекрытия кольцевого пространства с помощью пакера завершена. Предварительная оценка герметичности уплотнительного элемента 8 пакера может быть определена путем создания кратковременного избыточного давления в колонне с устья скважины (по установленным правилам опрессовки), в надпакерной зоне. После снятия избыточного давления пакер находится в равновесном состоянии до завершения всех необходимых операций, в том числе всех исследований. Затем осуществляют вызов притока в скважину (пробную эксплуатацию) - подготовку к штатной эксплуатации путем снижения гидростатического давления в скважине - снижения уровня жидкости в колонне, которое ведет к созданию избыточного давления в подпакерной зоне (фиг.3). При снижении уровня жидкости в колонне до рабочего создается ситуация, когда давление в подпакерной зоне значительно превышает давление в надпакерной зоне (см. фиг.3). В таком случае под действием большего давления в подпакерной зоне (затрубного давления) разрушается срезной винт 18 и толкатель 20, перемещаясь, дополнительно деформирует уплотнительный элемент 8, т.е. осуществляет его допакеровку рабочим давлением (перепадом давлений), характеризующим предварительную (пробную) стадию эксплуатации - вызова притока или собственно эксплуатацию и, тем самым, автоматически повышает его герметизирующую способность. Предусмотрена возможность контроля герметизирующей способности пакера при его допакеровке непосредственно при рабочем давлении, например, установкой датчика давления в зоне пакера. Предусмотрена также возможность регулирования - изменения величины гидростатического давления, например, для надежности срабатывания узла допакеровки при отсутствии герметичности пакера и обеспечения при этом требуемого перепада давления. Эта возможность может быть обеспечена, например, наличием системы откачки (снижения уровня жидкости) из пространства за транспортировочной колонной. При определенном - достигнутом перепаде давления упорная втулка 11 и фиксатор 13 удерживают уплотнительный элемент 8 в рабочем допакерованном положении.
Предлагаемое устройство может быть широко использовано и в нецементируемых скважинах, где к герметичности пакера предъявлены повышенные требования.