ТЕРМОСТОЙКИЙ ПАКЕР
THERMAL PACKER

Изобретение относится к нефтяной промышленности и предназначено для герметизации межтрубного пространства преимущественно геотермальных и паронагнетательных скважин.
Известен механический пакер (1), состоящий из ствола, установленного в осевом канале корпуса, уплотнителя, разжимного конуса.
Корпус в верхней части снабжен байонетным пазом, в который введен палец пистолета, жестко связанным с лифтовой колонной труб. На нижнем конце корпуса закреплен патрубок-удлинитель, длина которого зависит от расстояния между интервалом перфорации и забоем. Пистолет байонетного замка связан с корпусом срезным штифтом.
Посадка пакера осуществляется правым вращением лифтовой колонны труб, связанной со стволом, с нагруженном осевым усилием от веса труб лифтовой колонны труб, сообщаемым на разжимной конус, который вводится внутрь уплотнителя, с его радиальной деформацией к стенке обсадной колонны. Фиксация устройства в этом положении осуществляется за счет ввода пружинного стопорного кольца на стволе пакера в ответную канавку в корпусе.
В случае необходимости, возможно отсоединение лифтовой колонны труб от пакера, через перевод пальца пистолета в байонетном пазе.
Извлечение пакера осуществляется путем натяжения лифтовой колонны труб, с выводом разжимного конуса из взаимодействия с уплотнителем.
Недостатки конструкции пакера:
- в случае замены материала уплотнителя на термостойкий, для восприятия высоких температур, необходимо приложение больших осевых нагрузок для их деформации, поскольку уплотнитель обладает высокой жесткостью. При малой глубине паронагнетательных скважин веса лифтовой колонны труб бывает недостаточно.
При опоре пакера на забой и достаточно большой длине патрубка-удлинителя, в случае термического изменения длины, существуют условия увеличения сжимающих и контактных напряжений в уплотнителе, а также к неконтролируемому увеличению крутящего момента, который необходимо приложить к стволу пакера, чтобы обеспечить его извлечение.
При длительной закачке теплоносителя, помимо осевых термических удлинений, на уплотнитель действуют дополнительные радиальные нагрузки, что также негативно влияет на устройство и осложняет извлечение пакера из скважины, поскольку резко возрастают осевые нагрузки на лифтовую колонну труб.
Известен пакер механический (2) (см. пат. США №4.548.264 Мкл. Е21В 33/128, НКИ 166/130, опубликованный 22.10.1985 г.), предназначенный для применения в паронагнетательных скважинах. Пакер состоит из ствола, на верхнем конце которого установлена переходная муфта, с продольным байонетным пазом на внешней стороне. Муфта охватывается телом центральной мандрели. В продольные пазы введены головки пальцев, связанных жестко с телом центральной мандрели, которая охватывает ствол и связана со шпинделем, снабженным соединительным патрубком.
Шпиндель на внешней торцовой поверхности снабжен кольцевым выступом, на который опирается резьбовая нижняя крышка, связанная с верхним разжимным конусом через соединительный патрубок, который связан, в свою очередь, с нижним концом шпинделя.
Соединительный патрубок, связанный с нижним концом шпинделя, проходит вдоль верхнего и нижнего разжимных конусов плашек якоря и содержит на нижнем конце кольцевой выступ.
Нижний разжимной конус снабжен толкателем с внутренней резьбовой поверхностью и опирается на кольцевой выступ соединительного патрубка через подшипник, играющий роль опорной поверхности.
На нижнем конце соединительного патрубка установлена тяга, с образованием кольцевого зазора со стволом.
Внутри кольцевого зазора расположена поддерживающая опора с кольцевой проточкой и кольцевым выступом на нижнем кольце, связанная с тягой тарированным срезным элементом. Внутри толкателя установлена резьбовая гайка с сухарями в ее продольных пазах, входящими в ответные продольные окна тяги. Между шпинделем и стволом установлен термостойкий уплотнительный элемент.
На шпинделе установлен уплотнитель пакера, между нижней крышкой и мандрелью.
Верхние и нижние разжимные конусы охвачены кожухом с продольными окнами, в которых установлены плашки якоря, подпружиненные пружинами фонаря. Другие концы разжимных конусов введены в захваты, опирающиеся на резьбовую гайку. Нижний разжимной конус снабжен пальцами, входящими в ответные продольные окна кожуха.
Работа пакера механического
При спуске пакера в скважину пружины пружинного фонаря находятся в постоянном контакте с внутренней поверхностью труб обсадной колонны.
Правым вращением лифтовой колонны труб, сообщаемым стволу пакера, при торцовом контакте мандрели и шпинделя, осуществляют передачу вращения на соединительный наконечник и далее, через тягу и сухари, на резьбовую гайку.
За счет наличия опорной поверхности, в виде подшипника между нижним разжимным конусом и выступом на нижнем конце соединительного патрубка, возможна передача крутящего момента на резьбовую гайку, которая, при наличии контакта пружин пружинного фонаря со стенкой трубы обсадной колонны, перемещает нижний разжимной конус, с его вводом под плашки якоря.
Осаживанием верхний разжимной конус вводится под плашки якоря, пальцы на центральной мандрели перемещаются в продольном пазу переходника. Продолжают передачу крутящего момента на резьбовую гайку и доводят плашки до контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны, деформируют уплотнитель до контакта со стенкой и образованием герметичного контакта.
Левым вращением выводят палец из короткого паза байонетного замка на центральной мандрели и натяжением лифтовой колонны труб перемещают ствол пакера вверх, с расположением последнего в нейтральном положении, для компенсации термического удлинения лифтовой колонны труб.
Съем пакера с места установки осуществляется путем передачи осевого усилия на лифтовую колонну труб и, через усилитель, на тарированный срезной штифт, которым соединяют с ним тягу. Это приводит к срезу тарированного штифта и перемещению удлинителя относительно тяги, с расположением кольцевой проточки на уровне расположения сухарей в пазах резьбовой гайки. При этом сухари вводятся в кольцевую проточку и выходят из взаимодействия с телом резьбовой гайки.
Тем самым выводится из взаимодействия с плашками якоря верхний разжимной конус, который при дальнейшем перемещении вверх входит в торцовый контакт с кожухом, который перемещается вверх относительно нижнего разжимного конуса на величину длины хода пальца в продольном пазу кожуха и выходом из взаимодействия зубьев плашек якоря со стенкой трубы обсадной колонны. С уплотнителя снимается осевая нагрузка, и он возвращается в исходное положение.
К недостаткам конструкции пакера следует отнести следующее:
- при извлечении термостойкого пакера из скважины соединительная муфта на нижнем конце ствола входит в торцовый контакт с гильзой и перемещает ее относительно удлинителя с вводом сухарей в расточку. Далее натяжением вверх осуществляют возврат плашек якоря в исходное положение. Но при длительном нахождении термостойкого пакера в паронагнетательной скважине на наружной поверхности деталей откладывается слой накипи, который может служить препятствием для взаимного перемещения деталей при съеме. Осевые усилия могут превосходить, по своему значению, допустимые значения для материала труб лифтовой колонны. В этом случае необходимо проведение аварийных работ на скважине с заменой труб лифтовой колонны на более прочные. Но при торцовом контакте с деталями пакера соединительной муфты на нижнем конце ствола пакера, последний не может выдержать увеличенные осевые нагрузки, что может привести к разрушению ствола.
Известна конструкция термостойкого пакера (см. пат. РФ №2.267.003, Мкл. Е21В 33/12, опубл. 27.12.2005. Бюлл. №36), принятая за прототип.
Устройство состоит из ствола, связанного с переходной муфтой, снабженной пальцем, входящим в байонетный паз мандрели, перекрытым бандажом. Мандрель, бандаж и переходная муфта связаны между собой тарированным срезным элементом. Мандрель связана с удлинителем через соединительную муфту. Пакер снабжен уплотнительным элементом для перекрытия межтрубного пространства и уплотнителем мандрели между верхней и нижней крышками, которая через шток связана с верхним разжимным конусом, охватываемым кожухом с подпружиненными плашками в продольных окнах, которые опираются на нижний разжимной конус, связанный, в свою очередь, через толкатель с резьбовой гайкой, снабженной сборным упором с фигурным выступом, обращенным в сторону толкателя, который также снабжен фигурным выступом. Сборный упор содержит продольные пазы, в которых установлены сухари, входящие в ответные продольные окна в удлинителе, поддерживаемые в этом положении гильзой, которая связана с удлинителем тарированным срезным элементом и содержит на внешней стороне кольцевую проточку. Нижний конец толкателя снабжен гайкой и захватом для пружин центратора. Фигурные выступы установлены с возможностью взаимодействия друг с другом при восприятии левого вращения ствола, а их высота принята меньше шага резьбы резьбовой гайки. При правом вращении ствола резьбовая гайка взаимодействует с толкателем и вводит нижний разжимной конус под подпружиненные плашки якоря, с их радиальным перемещением до контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны и последующей деформацией уплотнительного элемента.
Левым вращением ствол вместе с переходной муфтой выводят палец из байонетного паза в теле мандрели и перемещают ствол вверх в нейтральное положение, с расположением соединительной муфты под упором.
К недостаткам конструкции термостойкого пакера можно отнести следующее:
- при работе термостойкого пакера в режиме длительной закачки теплоносителя, на внешней поверхности сопрягаемых деталей отлагается слой накипи, который может привести к резкому увеличению осевой нагрузки на ствол пакера при проведении его извлечения из скважины, с возможностью его разрушения. Это, в свою очередь, потребует проведения сложных аварийных работ по извлечению термостойкого пакера.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность извлечения термостойкого пакера, в случае резкого увеличения осевой нагрузки на лифтовую колонну теплоизолированных труб и на ствол пакера, путем независимого их извлечения - отсоединения от термостойкого пакера и проведение работ, связанных с подсоединением к его мандрели колонны труб, обладающей более высокой прочностью, чем лифтовая колонна труб, предназначенная для подачи теплоносителя в продуктивный пласт.
Технический результат достигается тем, что термостойкий пакер содержит ствол с переходной и соединительными муфтами, якорящий узел с плашками, верхним и нижним разжимными конусами, уплотнительный элемент ствола, уплотнитель между верхней и нижней разжимными крышками, нижний разжимной конус с толкателем, на наружной поверхности которого выполнена левая резьба и установлена резьбовая гайка; удлинитель с сухарями в продольных пазах, установленными с возможностью взаимодействия с телом резьбовой втулки в кольцевых проточках и зафиксированных опорной втулкой, связанной с удлинителем срезным элементом. Резьбовая втулка дополнительно снабжена защитным переходником с выступом на торцовой части, обращенной в сторону соединительной муфты, и резьбой, на которой установлена гайка замыкающая, с внутренней расточкой и кольцевым выступом, на котором установлено кольцо пружинное с внутренним зубом и прорезью. Кольцо пружинное установлено с возможностью взаимодействия с выступом защитного переходника, входящим в прорезь, причем соединительная муфта связана со стволом левой резьбой, содержит на внешней стороне продольный паз и установлена с возможностью взаимодействия с кольцом пружинным и ее внутренним зубом при осевом перемещении ствола и правом вращении. Опорная втулка снабжена упором, выполненным с возможностью взаимодействия с соединительной муфтой и удлинителем.
Анализ технических решений, отобранных из патентной и научно-технической литературы, показал, что известен пакер механический (см. «Справочное пособие по газлифтному способу эксплуатации скважин». Ю.В.Зайцев, Р.А.Максутов, О.В.Чубанов и др. М.: «Недра», 1984 г., с.76). Пакер состоит из ствола, связанного с лифтовой колонной труб. На ствол свободно установлен разжимной конус и уплотнительные манжеты между последним и верхним упорами.
Для передачи крутящего момента на ствол пакера, при его посадке, применяется пружинный фонарь, есть фигурный байонетный паз, в котором перемещается палец при посадке пакера. Возможно отсоединение лифтовой колонны труб, при необходимости, от пакера путем левого вращения.
При необходимости повторного присоединения к пакеру лифтовой колонны труб, возможно его вращение внутри эксплуатационной колонны.
Известен пакер механический (см. пат. РФ №2.204.427, Мкл Е21В 33/12. Опубл. 10.02.2004 г.).
Пакер содержит ствол, соединительную муфту, якорящий узел с плашками и разжимными конусами, уплотнитель. Пакер снабжен переходником и удлинителем, связанными друг с другом и стволом срезными элементами, подпружиненными сухарями в проточке ствола.
Известна также связь, посредством резьбы, нижнего разжимного конуса со стволом.
На основании вышеизложенного и проведенных патентных исследований можно сделать вывод, что нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми отличительными признаками заявляемого технического решения.
Из этого следует, что техническое решение явным образом не следует из известного уровня техники, из чего можно сделать вывод, что устройство отвечает критерию «изобретательский уровень».
Конструкция термостойкого пакера поясняется нижеследующими чертежами:
на фиг.1 - конструкция термостойкого пакера в исходном транспортном положении;
на фиг.2 - конструкция термостойкого пакера в положении взаимодействия соединительной муфты с механизмом аварийного отсоединения;
на фиг.3 - взаимное положение деталей механизма аварийного отсоединения в сечении, при взаимодействии с соединительной муфтой;
на фиг.4 - конструкция пружинного кольца с зубом;
на фиг.5 - конструкция гильзы защитной с опорным выступом.
Заявляемое устройство состоит из ствола 1, с соединительной муфтой 2 на нижнем конце и переходной муфтой 3 на верхнем. Бандаж 4 перекрывает байонетный паз и связан тарированным элементом с мандрелью 5, которая, в свою очередь, связана с удлинителем 6 муфтой 7. Удлинитель 6 связан с верхней крышкой 8, которая охватывает сверху уплотнитель 9, поджимаемый нижней крышкой 10, связанной тягой 11 с верхним разжимным конусом 12. Нижний разжимной конус 13 входит в контакт с плашками 14 якорящего узла, установленными в продольных окнах 15 кожуха 16.
Нижний разжимной конус 13 связан жестко с толкателем 17, который содержит на нижнем конце резьбовую гайку 18, входящий во взаимодействие с резьбовой втулкой 19 по резьбе, выполненной на ее наружной поверхности. На нижнем конце резьбовой втулки 19 установлен сборный упор 20. Тяга 21 якорящего узла связана через муфту 22 с удлинителем 23, проходящим в осевом канале резьбовой втулки 19.
В теле удлинителя 23 выполнены продольные окна 24, в которых установлены сухари 25, входящие в кольцевые проточки 26 (см. фиг.2), выполненные на внутренней поверхности резьбовой втулки 19. Сборный упор 20 располагается на нижнем конце резьбовой втулки 19, снабженной защитным переходником 27. Между стволом 1 и внутренней поверхностью удлинителя 23 установлена опорная втулка 28, на наружной поверхности которой выполнена кольцевая расточка 29. Опорная втулка 28 снабжена упором 30 и связана срезным элементом 31 с удлинителем 23.
На нижнем конце защитного переходника 27 выполнен выступ 32 (см. фиг.5) и установлена гайка замыкающая 33, с внутренней расточкой 34 и кольцевым внутренним выступом 35, на котором установлено кольцо пружинное 36 с внутренним зубом 37 и прорезью 38 (см. фиг.4). В прорезь 38 введен выступ 32 переходника 27. Между внутренним диаметром кольца пружинного 36 и наружным диаметром ствола 1 образован зазор 39.
Соединительная муфта 2, на нижнем конце ствола 1, связана с ним через левую резьбу и снабжена продольным пазом 40, размеры которого приняты больше поперечного размера внутреннего выступа 37 кольца пружинного 36.
В кожухе 16 выполнен продольный паз 41, в который введен палец 42, связанный с толкателем 17.
На нижнем конце толкателя 17 установлена гайка 42 и держатель 43, который охватывает нижние концы пружин 44, верхние концы которых входят в упругое взаимодействие с плашками 14 якорящего узла.
Работа термостойкого пакера
Переходной муфтой 3 термостойкий пакер подсоединяется к нижнему концу лифтовой теплоизолированной колонны труб и спускается в скважину на расчетную глубину. При этом в процессе спуска пружины 44 находятся в постоянном контакте с внутренней поверхностью труб обсадной колонны.
На расчетной глубине, правым вращением, при передаче крутящего момента на ствол 1 термостойкого пакера, осуществляют его посадку с выходом плашек 14 якорящего узла из продольных окон 15, при вводе под них верхнего 12 и нижнего 13 разжимных конусов. Зубья плашек 14 якоря вводятся в контакт с телом трубы обсадной колонны. После этого осуществляют осевое нагружение термостойкого уплотнителя 9 и его радиальное перемещение к стенке труб обсадной колонны, с герметичным перекрытием кольцевого зазора.
Путем манипуляций лифтовой колонной труб (в нашем случае это теплоизолированные трубы) осуществляют отсоединение ствола 1 в байонетном соединении термостойкого пакера и перемещают его вверх с расположением соединительной муфты 2 под гайкой замыкающей 33. При подаче теплоносителя по теплоизолированной лифтовой колонне труб происходит их прогрев и термическое удлинение, что приводит к перемещению ствола 1 в осевом канале тяги 21 якорящего узла.
При необходимости съема термостойкого пакера с места установки осуществляют перемещение теплоизолированной лифтовой колонны труб вместе со стволом до входа соединительной муфты 2 в осевой канал гайки замыкающей 33, с воздействием на кольцо пружинное 36, и ее деформацией в радиальном направлении. При этом внутренний зуб 37 (см. фиг.3) входит в контакт с наружной поверхностью соединительной муфты 2. Сама соединительная муфта 2 входит в торцовый контакт с упором 30 опорной втулки 28.
При расчетном осевом усилии происходит разрушение срезного элемента 31 и перемещение опорной втулки 28 относительно удлинителя 23. При этом кольцевая расточка 29 располагается на уровне расположения сухарей 25 в продольных окнах удлинителя 23. Сухари 25 взаимодействуют с телом резьбовой втулки 19 в кольцевых проточках 26 и вводятся в кольцевую расточку 29, что приводит к прекращению механической связи между удлинителем 23 и резьбовой втулкой 19 и выводу из взаимодействия плашек 14 якорящего узла с верхним 12 и нижним 13 разжимными конусами. В некоторых случаях возможна ситуация, когда при натяжении лифтовой колонны труб, усилие съема термостойкого пакера может превосходить допустимые значения.
Для обеспечения извлечения термостойкого пакера лифтовую колонну труб, вместе со стволом 1, вращают вправо. При этом соединительная муфта 2 вращается, относительно кольца пружинного 36, до момента ввода внутреннего зуба выступа 37 в продольный паз 40 на наружной поверхности соединительной муфты 2. При нахождении выступа 32 переходника 27 в прорези 38 кольца пружинного 36, крутящий момент замыкается на тело гайки замыкающей 33.
При правом вращении ствола 1 и наличии левой резьбы в соединении соединительной муфты 2 и ствола 1 происходит отсоединение соединительной муфты 2.
Натяжением вверх ствол 1 извлекается из термостойкого пакера совместно с лифтовой колонной труб. Это способствует подготовке термостойкого пакера к извлечению, с использованием труб, обладающих более высокой прочностью, которые подсоединяются к резьбе на верхнем конце пакера.
Натяжением вверх термостойкий пакер извлекается на поверхность.