ПАКЕР
PACKER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для разобщения внутреннего пространства эксплуатационных колонн в процессе эксплуатации и ремонта скважины.
Известен «Пакер для нагнетательных скважин» (патент на ПМ №60604, Е21В 33/12, опубл. Бюл. №03 от 27.01.2007 г.), включающий ствол, основной конус, упор, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, шлипсы, съемный узел, отличающийся тем, что съемный узел выполнен в виде патрубка и навернутого на его верхний конец переводника, причем патрубок телескопически герметично вставлен в основной конус, который снизу жестко соединен с верхним концом ствола, выполненного проходным, при этом на наружной поверхности ствола выполнен замкнутый фигурный паз в виде продольных короткого и длинного участков, соединенных между собой фигурным участком, а шлипсы подпружинены внутрь и размещены в обойме с направляющим штифтом, причем обойма установлена на стволе напротив фигурного паза, при этом направляющий штифт размещен в фигурном пазе и обойма имеет возможность перемещения по траектории замкнутого фигурного паза, причем на патрубке выполнена конусная поверхность, сужающаяся сверху вниз, при этом уплотнительный элемент размещен на патрубке и взаимодействует сверху с упором, размещенным на патрубке, причем упор зафиксирован относительно патрубка срезным элементом в транспортном положении, при этом фиксатор положения уплотнительного элемента выполнен в виде расположенных на патрубке разрезного конуса, сужающегося снизу вверх, и плашек, причем разрезной конус размещен под конусной поверхностью патрубка и подпружинен радиально внутрь опорным конусом, установленным снизу во внутренней цилиндрической выборке, выполненной в верхней части упора, а плашки расположены напротив конусной поверхности патрубка и подпружинены вниз опорным кольцом, которое жестко закреплено в верхней части патрубка, при этом разрезной конус и плашки имеют возможность взаимодействия между собой при осевом перемещении патрубка вниз с радиальным перемещением плашек наружу в рабочем положении, причем патрубок и упор снабжены гидравлически сообщающимися между собой дроссельными отверстиями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Пакер для нагнетательных скважин» (патент на ПМ №60605, Е21В 33/12, опубл. Бюл. №03 от 27.01.2007 г.), включающий ствол, основной конус, упор, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, шлипсы, съемный узел, отличающийся тем, что съемный узел выполнен в виде патрубка и навернутого на его верхний конец переводника, причем патрубок телескопически герметично вставлен в основной конус, который снизу жестко соединен с верхним концом ствола, выполненного проходным, при этом на наружной поверхности ствола выполнен замкнутый фигурный паз в виде продольных короткого и длинного участков, соединенных между собой фигурным участком, причем шлипсы подпружинены внутрь и размещены в обойме с направляющим штифтом, причем обойма установлена на стволе напротив фигурного паза, при этом направляющий штифт размещен в фигурном пазе, а обойма имеет возможность перемещения по траектории замкнутого фигурного паза, причем на патрубке выполнена конусная поверхность, сужающаяся сверху вниз, при этом уплотнительный элемент размещен на патрубке и взаимодействует сверху с упором, размещенным на патрубке и соединенным с ним пружинным стопорным кольцом, установленным во внутренней кольцевой канавке упора и фиксирующим патрубок относительно упора в транспортном положении, при этом пружинное стопорное кольцо имеет возможность радиального расширения наружу во внутренней кольцевой канавке упора при осевом перемещении патрубка вниз, причем фиксатор положения уплотнительного элемента выполнен в виде расположенных на патрубке разрезного конуса, сужающегося снизу вверх, и плашек, при этом разрезной конус размещен под конусной поверхностью патрубка и подпружинен радиально внутрь опорным конусом, установленным снизу во внутренней цилиндрической выборке, выполненной в верхней части упора, а плашки расположены напротив конусной поверхности патрубка и подпружинены вниз опорным кольцом, которое жестко закреплено в верхней части патрубка, причем разрезной конус и плашки имеют возможность взаимодействия между собой при осевом перемещении патрубка вниз с радиальным перемещением плашек наружу в рабочем положении.
Как аналогу, так и прототипу присущи общие недостатки, а именно:
- во-первых, возможно заклинивание в процессе посадки верхних плашек при взаимодействии с разрезным конусом из-за перекоса разрезного конуса, поджатого снизу пружиной, вследствие несовершенной конструкции пакера;
- во-вторых, для посадки пакера в скважине необходимо произвести манипуляции пакером вверх-вниз, а в запарафиненных скважинах это осложняет посадку, так как происходит скольжение плашек по внутренней стенке колонны. В итоге посадка пакера происходит ниже намеченного интервала посадки пакера в скважине;
- в-третьих, в процессе длительной эксплуатации скважины верхние плашки засыпаются песком и шламом, что осложняет дальнейшее извлечение пакера из скважины.
Задачей изобретения является создание надежной конструкции пакера, исключающего заклинивание верхних плашек в процессе посадки, обеспечивающей гарантированную посадку пакера в заданном интервале скважины без проведения манипуляций с пакером вверх-вниз, а также исключение осложнений при извлечении пакера вследствие засыпания шламом и песком верхних плашек.
Поставленная задача решается пакером, включающим посадочный инструмент, основной конус, сужающийся вниз, разрезной конус, сужающийся вверх, а также вставленный в основной конус с возможностью продольного перемещения полый патрубок с переводником вверху, верхний упор с пружинным стопорным кольцом, расположенный между верхним упором и основным конусом уплотнительный элемент, обойму со шлипсами, выполненными с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью для расширения с основным конусом, опорное кольцо, плашки, выполненные с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью для расширения с разрезным конусом.
Новым является то, что основной конус оснащен сужением вверху и зафиксирован относительно патрубка срезным винтом, а опорное кольцо, в которое вставлен разрезной конус, оснащено внутри выборками и расположено ниже обоймы, зафиксированной на патрубке, на верхних и нижних торцах которой выполнены наклонные поверхности под соответственно шлипсы и плашки, выполненный с возможностью перемещения вдоль соответствующих наклонных поверхностей торцов, при этом посадочный инструмент выполнен гидравлическим, корпус которого выполнен с возможностью опоры на верхний упор, а шток поршня соединен срезным элементом с полым патрубком, оснащенным ниже опорного кольца наружным упором, а изнутри - кольцевым сужением, выше которого выполнены отверстия, соответствующие выборкам опорного кольца, под фиксирующие шарики, подпираемые изнутри втулкой, снабженной кольцевой проточкой, зафиксированной разрушаемым элементом внутри полого патрубка и выполненной с возможностью после разрушения элемента перемещения вниз до кольцевого сужения и совмещения кольцевой проточки с отверстиями полого патрубка, причем полый патрубок снаружи вверху оснащен кольцевыми последовательными проточками, выполненными с возможностью перемещения вверх с фиксацией относительно пружинного стопорного кольца верхнего упора, в средней части выше отверстий кольцевым утолщением под конусы и обойму, причем верхний торец кольцевого утолщения выполнен с возможностью взаимодействия с сужением основного конуса, при этом разрезной конус выполнен с возможностью перемещения ниже кольцевого утолщения для сужения до наружного упора полого патрубка после перемещения вниз втулки внутри полого патрубка.
На фиг.1 изображен предлагаемый пакер-пробка в продольном разрезе.
На фиг.2 - разрез по А-А фиг.1.
На фиг.3 - вид I крупным планом.
Пакер состоит (см. фиг.1 и 2) из полого патрубка 1 с переводником 2 вверху. На полом патрубке 1 установлены основной конус 3, сужающийся вниз, и разрезной конус 4, сужающийся вверх. Основной конус 3 имеет возможность продольного перемещения относительно полого патрубка 1. В верхней части на полом патрубке 1 размещены верхний упор 5 с пружинным стопорным кольцом 6.
На полом патрубке 1 между верхним упором 5 и основным конусом 3 расположен уплотнительный элемент 7. Основной конус 3 оснащен сужением вверху 8 и зафиксирован относительно полого патрубка 1 срезным винтом 9.
В опорное кольцо 10, установленное на полом патрубке 1, вставлен разрезной конус 4, при этом опорное кольцо 10 оснащено внутри выборками 11 и расположено ниже обоймы 12, зафиксированной на полом патрубке 1, причем обойма 12 может быть выполнена сборной, как показано на фиг.1.
На верхних и нижних торцах обоймы 12 выполнены наклонные поверхности 13 и 14 под соответственно шлипсы 15 и плашки 16 с возможностью перемещения вдоль соответствующих наклонных поверхностей 13 и 14 торцов обоймы 12.
Шлипсы 15 выполнены с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью для расширения с основным конусом 3. Плашки 16 выполнены с возможностью взаимодействия внутренней поверхностью для расширения с разрезным конусом 4.
Шлипсы 15 и плашки 16 связаны с основным конусом 3 и разрезным конусом 4 соответственно соединением, например, «ласточкин хвост».
Шлипсы 15 и плашки 16 связаны с наклонными поверхностями 13 и 14 торцов обоймы 12 соответственно, например, Т-образным соединением.
Разрезной конус 4 выполнен в виде нескольких плашек под плашки 16 (в данном случае разрезной конус состоит из трех частей 4'; 4''; 4''' (см. фиг.2), что соответствует количеству плашек 16, выполненных в количестве трех штук и расположенных под углом 120° по периметру относительно друг друга).
Посадочный инструмент 17 (см. фиг.1) выполнен гидравлическим, корпус 18 которого выполнен с возможностью опоры на верхний упор 5, а шток 19 поршня посадочного инструмента 17 соединен срезным элементом 20 с патрубком 2.
Патрубок 2 оснащен ниже опорного кольца 10 наружным упором 21, а изнутри - кольцевым сужением 22, выше которого выполнены отверстия 23, соответствующие выборкам опорного кольца 10, в которые ввернуты фиксаторы 24 под фиксирующие шарики 25, подпираемые изнутри втулкой 26, снабженной кольцевой проточкой 27, зафиксированной разрушаемым элементом 27' внутри полого патрубка 1 и выполненной с возможностью после разрушения элемента 27' перемещения вниз до кольцевого сужения 22 и совмещения кольцевой проточки 27 втулки 26 с отверстиями 23 полого патрубка 1.
Полый патрубок 1 снаружи вверху оснащен кольцевыми последовательными проточками 28 (см. фиг.3), выполненными с возможностью перемещения вверх с фиксацией относительно пружинного стопорного кольца 6 верхнего упора 5 (см. фиг.1).
В средней части полого патрубка 1 выше отверстий 23 под основной 3 и разрезной 4 конусы выполнено кольцевое утолщение 29.
Верхний торец 30 кольцевого утолщения 29 выполнен с возможностью взаимодействия с сужением 8 основного конуса 3.
Разрезной конус 4 выполнен с возможностью перемещения ниже кольцевого утолщения 29 для сужения до наружного упора 21 полого патрубка 1 после перемещения вниз втулки 26 внутри полого патрубка 1.
Пакер работает следующим образом.
Пакер в транспортном положении на колонне труб, например колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (на фиг.1, 2, 3 не показано), в сборе с посадочным инструментом 17, как показано на фиг.1, спускают в скважину (на фиг.1, 2, 3 не показано) в заданный интервал посадки, после чего приводят в действие посадочный инструмент 17. При этом корпус 18 посадочного инструмента 17 оказывает давление на верхний упор 5, а шток 19 поршня посадочного инструмента 17, соединенный разрывным элементом 20 с переводником 2, тянет вверх полый патрубок 1 и все связанные с ним детали, находящиеся ниже верхнего упора 4. В этот момент происходит сжатие уплотнительного элемента 7 и прижатие его к внутренней стенке колонны.
При расчетной нагрузке (например, 2 тонны = 20 кН) происходит разрушение срезного винта 9, после чего основной 3 и разрезной конусы 4, выполненные в виде трех частей 4'; 4''; 4''' (см. фиг.2) и соединенные снизу с выборками 11 опорного кольца 10, наезжают на основные шлипсы 15 и плашки 16 соответственно, раздвигают их, при этом последние расширяются наружу и приходят в соприкосновение с внутренней стенкой колонны и в результате происходит фиксация пакера.
Шлипсы 15 и плашки 16 перемещаются наружу относительно основного 3 и разрезного конусов 4 соответственно по соединениям «ласточкин хвост», а также по наклонным поверхностям 13 и 14 торцов обоймы 12, связанных Т-образным соединением.
При дальнейшем натяжении штока 19 поршня посадочного инструмента 17 осуществляется досжатие уплотнительного элемента 7. Пружинное стопорное кольцо 6 (см. фиг.1 и 3) фиксирует в кольцевых насечках 28 полого патрубка 1 положение уплотнительного элемента 7 в окончательно запакерованном состоянии.
По достижении расчетной нагрузки (например, 6 тонн = 60 кН) посадки пакера срезной элемент 20 разрушается, освобождая тем самым посадочный инструмент 17, который после этого извлекается из скважины.
Пакер остается в запланированном интервале скважины. Далее спускают в скважину колонну НКТ с ниппелем на конце, который герметично вставляют внутрь полого патрубка 1 и производят запланированный объем работ, например закачку тампонирующего материала в нижний пласт скважины. Также пакер может быть использован для защиты эксплуатационной колонны скважины от высокого давления, например, при закачке жидкости по колонне НКТ.
Для снятия пакера в скважину на колонне НКТ спускают ловильный инструмент, например внутреннюю труболовку с толкателем на нижнем конце (на фиг.1, 2, 3 не показано), при этом труболовка с толкателем входят внутрь полого патрубка 1. После взаимодействия толкателя с втулкой 26 производят разгрузку колонны НКТ с внутренней труболовкой на втулку 26, при этом срезается разрушаемый элемент 27' и втулка 26 перемещается вниз до кольцевого сужения 22 и совмещения кольцевой проточки 27 втулки 26 с отверстиями 23 полого патрубка 1. В итоге внутренняя труболовка фиксирует изнутри полый патрубок 1 от перемещения вниз, а фиксирующие шарики 19 выпадают в кольцевую проточку 27 втулки 26, при этом опорное кольцо 10 освобождается от фиксации с полым патрубком 1. Производят натяжение колонны НКТ с внутренней труболовкой и полым патрубком 1, при этом опорное кольцо 10 перемещается вниз, увлекая за собой разрезной конус 4, состоящий из трех частей 4'; 4''; 4''', который также опускается вниз относительно полого патрубка 1, освобождая плашки 16, которые отходят от внутренней стенки колонны и сдвигаются к центру. Разрезной конус 4 сужается и оказывается на полом патрубке 1 ниже кольцевого утолщения 29. Осевое перемещение вниз опорного кольца 10 и связанных сверху с ним деталей ограничивается наружным упором 21. Натяжение колонны НКТ с внутренней труболовкой и полым патрубком 1 продолжают, при этом полый патрубок 1 приподнимается на величину «L» (фиг.1), до упора торца 30 кольцевого утолщения 29 полого патрубка 1 в верхний конец сужения 8 основного конуса 3, тем самым снимая нагрузку с уплотнительного элемента 7, который приходит в исходное положение.
При дальнейшем подъеме колонны НКТ с внутренней труболовкой и полым патрубком 1 последний увлекает за собой основной конус 3, так как торец 30 кольцевого утолщения 29 полого патрубка 1 уперт в верхний конец сужения 8 основного конуса 3 и снимает нагрузку со шлипсов 15, которые сдвигаются к центру и отходят от внутренней стенки колонны.
Процесс распакеровки пакера окончен и его можно поднимать на поверхность. Предлагаемый пакер имеет надежную конструкцию, так как разрезной конус размещен ниже уплотнительного элемента и основного конуса, а шлипсы и плашки соединены между собой обоймой, что позволяет исключить заклинивание верхних плашек в процессе посадки и исключает засыпание шламом и песком верхних плашек, что позволяет избежать осложнений при извлечении пакера из скважины. Кроме того, гидравлическая посадка пакера с помощью посадочного инструмента позволяет произвести посадку пакера в строго заданном интервале скважины без проведения манипуляций с пакером вверх-вниз.