ПАКЕР-ПРОБКА
BRIDGE PLUG

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ, исследований и обработке пластов в процессе капитального ремонта скважин.
Известен пакер-пробка (патент РФ 2259466, МПК8 E21B 33/12, опубл. в бюл. 24 от 27.08.2005 г.), включающий ствол с заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного основным шлипсам направления, а также - упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением; ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом; ствол имеет на внутренней поверхности цилиндрическую выборку, а съемный узел выполнен в виде патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности; основной конус со стволом соединен через срезные элементы, а шток посадочного инструмента с заглушкой - через разрывной элемент.
Недостатком данной конструкции является сложный технологический процесс извлечения пакер-пробки, поскольку необходимо сначала приподнимать пакер-пробку, а затем опускать, ударяя съемным узлом о заглушку, при этом, если ловильный инструмент спущен в скважину на канате, то необходимо подбирать вес груза таким образом, чтобы силы удара съемного узла о заглушку было достаточно для того, чтобы дополнительный конус опустился вниз, кроме того, возможно затекание или повреждение резинового уплотнительного элемента данной конструкции. Все это усложняет процесс извлечения пакер-пробки из скважины.
Известен пакер-пробка (патент РФ 2346142, МПК8 E21B 33/12, опубл. в бюл. №4 от 10.02.2009 г.), включающий ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного основным шлипсам направления, а также - упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением, при этом ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом, а съемный узел выполнен в виде полого патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности, при этом основной конус со стволом, а также ствол со съемным узлом соединены срезными элементами, при этом уплотнительный элемент выполнен в виде бочкообразных уплотнений, разделенных между собой опорным кольцом, а съемный узел заглушен сверху и размещен внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом разрывным элементом, при этом заглушка выполнена в виде глухой поперечной перегородки, установленной внутри ствола, и полой втулки, жестко закрепленной к дополнительному конусу снаружи, при этом шток посадочного инструмента установлен внутри съемного узла и соединен с глухой поперечной перегородкой разрывным элементом, причем снизу в глухую поперечную перегородку уперт подпружиненный вниз полый стакан, размещенный внутри на нижнем конце ствола, при этом ствол ниже глухой поперечной перегородки снабжен сквозным вертикальным пазом, в котором с возможностью осевого перемещения установлен палец, соединенный с одной стороны с дополнительным конусом, а с другой - с подпружиненным полым стаканом.
Недостатками данной конструкции являются:
- во-первых, в процессе эксплуатации пакер-пробки возникают проблемы с его извлечением, а именно происходит заклинивание дополнительных шлипсов на дополнительном конусе, вследствие чего нижняя часть пакера (ниже дополнительных шлипсов) остается в скважине, что ведет к дополнительным спускоподъемным операциям (проведению ловильных работ) по извлечению из скважины остатков пакера;
- во-вторых, невозможно произвести залавливание отдельных узлов и деталей пакер-пробки в случае его поломки в скважине в процессе извлечения.
Наиболее близким по технической сущности является пакер-пробка (патент РФ 2391488, МПК8 E21B 33/12, опубл. в бюл. №16 от 10.06.2010 г.), включающий ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой, выполненной в виде глухой поперечной перегородки, и верхним упором, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента в виде фиксирующего кольца верхнего упора, взаимодействующего с насечками на стволе, основной, взаимодействующий снизу с уплотнительным элементом, и дополнительный конусы, с которыми связаны соответственно основные и дополнительные шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности и с ловильной головкой вверху, расположенной внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом разрывным элементом, причем корпус посадочного инструмента выполнен опирающимся на верхний упор, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие изнутри со съемным узлом, а снаружи - с полой втулкой, соединенной снизу с дополнительным конусом, упорное кольцо, верхний и нижний торцы которого связаны Т-образным соединением соответственно с основными и дополнительными шлипсами, при этом ствол снабжен упором, установленным с возможностью взаимодействия с основным конусом при перемещении ствола вверх, при этом дополнительный конус выполнен в виде нескольких плашек под дополнительные шлипсы, при этом плашки снизу связаны Т-образным соединением с обоймой, размещенной в полой втулке, причем плашки имеют возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы, при этом в основном конусе изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка, а упор выполнен под выборку основного конуса в виде утолщения ствола, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с плашками дополнительного конуса в транспортном положении и расположения выше плашек дополнительного конуса при извлечении пакер-пробки, после ограниченного перемещения съемного узла вверх относительно ствола для освобождения шариков, причем ствол снизу снабжен предохранительным кольцом со срезным винтом.
Недостатками данной конструкции являются:
во-первых, невозможно проконтролировать процесс отсоединения пакер-пробки с устья скважины в процессе его посадки. Это происходит потому что, при отсоединении пакер-пробки от посадочного инструмента избыточное гидравлическое давление не сбрасывается, то есть избыточное гидравлическое давление поднимают до расчетной величины, которая создает достаточную нагрузку для разрушения разрывного элемента, при котором должно произойти отсоединение пакер-пробки от посадочного инструмента и величина этого избыточного гидравлического давления не снижается, если не стравить его с устья скважины. Проконтролировать процесс посадки с устья скважины можно только частичной разгрузкой колонны труб с посадочным инструментом на посаженный пакер-пробку, что может привести к «сползанию» пакер-пробки;
во-вторых, опыт практического применения данных пакер-пробок в скважинах малого диаметра показал, что в процессе посадки уплотнительные элементы сжимаются снизу вверх, так как корпус посадочного инструмента остается неподвижным в процессе посадки пакер-пробки, а этого не достаточно, чтобы обеспечить герметичную посадку пакер-пробки.
Задачами изобретения являются возможность контроля отцепления пакер-пробки от посадочного инструмента с устья скважины за счет сброса избыточного гидравлического давления при отцеплении пакер-пробки от посадочного инструмента, а также обеспечение герметичной посадки пакер-пробки в скважине за счет возможности двухстороннего сжатия уплотнительных элементов.
Указанная задача решается предлагаемым пакер-пробкой, включающим посадочный инструмент, состоящий из цилиндра, соединенного с колонной труб, с корпусом и поршня со штоком, ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой, выполненной в виде глухой поперечной перегородки, и верхним упором, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента в виде фиксирующего кольца верхнего упора, взаимодействующего с насечками на стволе, основной, взаимодействующий снизу с уплотнительным элементом, и дополнительный конусы, с которыми связаны соответственно основные и дополнительные шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности и с ловильной головкой вверху, расположенной внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом срезными элементами, причем цилиндр посадочного инструмента выполнен опирающимся на верхний упор, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие изнутри со съемным узлом, а снаружи - с полой втулкой, соединенной снизу с дополнительным конусом, упорное кольцо, верхний и нижний торцы которого связаны Т-образным соединением соответственно с основными и дополнительными шлипсами, причем ствол снабжен упором, установленным с возможностью взаимодействия с основным конусом при перемещении ствола вверх, при этом дополнительный конус выполнен в виде нескольких плашек под дополнительные шлипсы, а плашки выполнены с возможностью радиального перемещения внутрь относительно размещенной в полой втулке обоймы, с которой снизу связаны Т-образным соединением, в основном конусе изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка, а упор выполнен под выборку основного конуса в виде утолщения ствола, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с плашками дополнительного конуса в транспортном положении и расположения выше плашек дополнительного конуса при извлечении пакер-пробки, после ограниченного перемещения съемного узла вверх относительно ствола для освобождения шариков, при этом ствол зафиксирован относительно съемного узла и основного конуса срезными элементами и снизу снабжен предохранительным кольцом со срезным винтом.
Новым является то, что цилиндр через патрубок соединен с колонной труб с возможностью ограниченного перемещения вниз, причем цилиндр зафиксирован относительно патрубка срезными винтами, которые выполнены с возможностью разрушения после установки пакер-пробки, но до разрушения срезных элементов ствола, при этом шток посадочного инструмента оснащен изнутри кольцевым сужением, а ловильная головка съемного узла снабжена сверху цилиндрическим удлинением, вставленным герметично в кольцевое сужение штока с возможностью выхода из этого кольцевого сужения после разрушения срезных элементов ствола.
На фиг.1 изображена верхняя часть предлагаемого пакер-пробки в продольном разрезе.
На фиг.2 изображена нижняя часть предлагаемого пакер-пробки в продольном разрезе.
На фиг.3 - разрез по А-А фигуры 2.
На фиг.4 - вид A крупным планом.
Пакер-пробка состоит из ствола 1 (фиг.1) с внутренней цилиндрической выборкой 2, с наружной стороны которого установлены уплотнительный элемент 3 с упором 4. Выше последнего находится упорная втулка 5, а между ней и упором 4 - фиксирующее кольцо 6 с насечками (фиг.4). На стволе 1 (фиг.1 и 4) напротив упора 4 выполнены кольцевые насечки 7 противоположного насечкам кольца 6 направления. Ниже уплотнительного элемента 3 (см. фиг.1) расположены основной конус 8 с основными шлипсами 9, упорное кольцо 10 и дополнительный конус 11 с дополнительными шлипсами 12 (например, в количестве трех штук, расположенных под углом 120° по периметру относительно друг друга). Основные шлипсы 9 и дополнительные шлипсы 12 с основным конусом 8 и дополнительным конусом 11 соответственно связаны соединением «ласточкин хвост», а с торцами упорного кольца 10 - Т-образным соединением. Упорное кольцо 10 может быть выполнено сборным, как показано на фиг.1.
Дополнительный конус 11 выполнен в виде нескольких плашек под дополнительные шлипсы 12 (в данном случае трех плашек 11'; 11''; 11''', что соответствует дополнительным шлипсам 12, выполненным в количестве трех штук и расположенным под углом 120° по периметру относительно друг друга). Плашки 11'; 11''; 11''' снизу связаны Т-образным соединением с обоймой 13, размещенной в полой втулке 14. Внутри ствола 1 телескопически установлен съемный узел 15 с наружной цилиндрической выборкой 16 в верхней части и с ловильной головкой 17 вверху. В нижней части ствола 1 расположены радиальные отверстия 18, в которых установлены фиксирующие шарики 19. Дополнительный конус 11, состоящий из трех плашек 11'; 11''; 11''' имеет возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы 13. В основном конусе 8 изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка 20.
Упор 21 выполнен под цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с плашками 1'; 11''; 11''' дополнительного конуса 11 в транспортном положении и с возможностью расположения выше плашек 11'; 11''; 11''' дополнительного конуса 11 при извлечении пакер-пробки.
Внутренняя цилиндрическая выборка 22 выполнена в нижней части ствола 1 ступенчатой с большим диаметром нижней ступени, а на съемном узле 15 выполнен выступ 23 для взаимодействия с торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1.
Шарики 19 взаимодействуют, с одной стороны, со съемным узлом 15, а с другой, - винтом 24 с полой втулкой 14.
На упор 4 сверху опирается корпус 25 посадочного инструмента. Шток 26 посадочного инструмента выполнен полым и соединен со стволом 1 срезным элементом 27.
Ствол 1 срезным элементом 28 соединен с основным конусом 8.
Съемный узел 15 зафиксирован относительно ствола 1 срезным элементом 29.
Ствол 1 оснащен заглушкой 30, выполненной в виде глухой поперечной перегородки. Цилиндр 31 посадочного инструмента соединен через патрубок 32 с колонной труб 33 с возможностью ограниченного перемещения вниз на длину L3.
Цилиндр 31 зафиксирован относительно патрубка 32 срезными винтами 34, которые выполнены с возможностью разрушения после посадки пакер-пробки, но до разрушения срезных элементов 27 ствола 1.
Шток 26 оснащен изнутри кольцевым сужением 35, а ловильная головка 17 съемного узла 15 снабжена сверху цилиндрическим удлинением 36, вставленным герметично в кольцевое сужение 35 штока 26 с возможностью выхода из этого кольцевого сужения 35 после разрушения срезных элементов 27 ствола 1.
Ствол 1 снизу снабжен предохранительным кольцом 37 со срезным винтом 38.
Работает устройство следующим образом.
Пакер-пробку в транспортном положении (фиг.1 и 2) спускают в требуемый интервал скважины. Производят обвязку насосного агрегата любой известной конструкции, например, ЦА-320 с колонной труб 33, после чего приводят в действие посадочный инструмент созданием избыточного гидравлического давления внутри колонны труб 33 и посадочном инструменте.
По мере повышения избыточного гидравлического давления в колонне труб 33 и посадочном инструменте корпус 25 посадочного инструмента оказывает давление на упор 4, а его шток 26, соединенный разрывным элементом 27 со стволом 1, тянет вверх сам ствол 1 и связанные с ним детали 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 17, 19, 22. В этот момент происходит сжатие уплотнительного элемента 3 и прижатие его к внутренней стенке эксплуатационной колонны. При расчетной нагрузке (например, 2 т = 20 кН) происходит разрушение срезных элементов 28, после чего основной конус 8 и дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''', соединенных снизу обоймой Т-образным соединением, наезжают на основные шлипсы 9 и дополнительные шлипсы 12 соответственно, раздвигают их, при этом последние приходят в соприкосновение с внутренней стенкой эксплуатационной колонны и в результате происходит фиксация пакер-пробки в скважине.
3
При дальнейшем натяжении штока 26 посадочного инструмента, так как пакер-пробка уже зафиксирована в скважине, т.е. основные 9 и дополнительные 12 шлипсы пакер-пробки находятся в соприкосновении с внутренней стенкой эксплуатационной колонны, происходит разрушение срезных винтов 34, фиксирующих цилиндр 31 относительно патрубка 32, и ограниченное перемещение вниз цилиндра 31 на длину, меньшую длины L, при этом цилиндр 31, перемещаясь вниз посредством корпуса 25 посадочного инструмента, создает усилие, направленное сверху вниз на упор 4, который в свою очередь оказывает воздействие на уплотнительный элемент 3 сверху. Таким образом, происходит двухстороннее досжатие уплотнительного элемента 3 пакер-пробки, т.е. сначала снизу вверх, а затем сверху вниз.
3
Перемещение цилиндра 31 с корпусом 25 и упором 4 относительно патрубка 32 на длину, меньшую длины L, и обеспечивает досжатие уплотнительного элемента 3 упором 4, что гарантирует герметичную посадку пакер-пробки в заданном интервале скважины.
Кольцо 6 фиксирует в кольцевых насечках 7 ствола 1 положение уплотнительного элемента 3 в окончательно запакерованном состоянии.
По достижении расчетной нагрузки (например, 10 т = 10 кН) посадки пакера срезной элемент 27 разрушается, освобождая тем самым посадочный инструмент, при этом ловильная головка 17 съемного узла 15, снабженная сверху цилиндрическим удлинением 36, вставленным герметично в кольцевое сужение 35 штока 26, выходит из этого кольцевого сужения 35. В результате происходит сообщение внутреннего пространства 39 посадочного инструмента с пространством эксплуатационной колонны выше пакер-пробки. Избыточное гидравлическое давление на манометре насосного агрегата резко падает до нуля, что свидетельствует о том, что посадочный инструмент отсоединился от пакер-пробки.
3
Приподнимают посадочный инструмент вверх посредством колонны труб 33 с устья скважины, при этом сначала патрубок 32 перемещается вверх относительно цилиндра 31, выбирая оставшуюся длину L, то есть до упора нижнего выступа 40 патрубка 32 в верхний торец 41 цилиндра 31.
Далее посадочный инструмент извлекается из скважины, а пакер-пробка остается в требуемом интервале скважины, после чего в скважине производят запланированный объем работ.
Для снятия пакер-пробки в скважину спускают ловильный инструмент (на фиг. не показан), который захватывает пакер-пробку ниже наружной цилиндрической выборки 16 под ловильную головку 17 съемного узла 15.
1
Делают натяжку инструмента (например, на 1 т = 10 кН), при этом срезные элементы 29 разрушаются, и съемный узел 15 приподнимается на величину L (фиг.1) относительно ствола 1, и выступ 23 съемного узла 15 взаимодействует с торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1, при этом шарики 19 выпадают во внутрь ствола 1 на заглушку 30, выполненную в виде глухой поперечной перегородки, тем самым обеспечивается дальнейшее перемещение ствола 1 относительно элементов 8-12, при этом дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''', опускается вниз относительно ствола 1, освобождая дополнительные шлипсы 12, которые отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны и сдвигаются к центру.
2
Натяжение съемного узла 15 продолжают, при этом съемный узел 15 совместно со стволом 1 приподнимается на величину L (фиг.1), тем самым снимается нагрузка с уплотнительного элемента 3, который приходит в исходное положение, а дополнительный конус 11, выполненный в виде трех плашек 11'; 11''; 11''', радиально перемещается внутрь относительно обоймы 13 до взаимодействия со стволом 1 ниже упора 21.
При дальнейшем подъеме съемного узла 15 вместе со стволом 1 упор 21, выполненный под цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1, изнутри воздействует на основной конус 8, в результате чего основной конус приподнимается совместно со стволом 1 и снимает нагрузку с основных шлипсов 9, которые сдвигаются к центру и отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны, в результате плашки имеют возможность радиального перемещения внутрь относительно обоймы.
Процесс распакеровки пакер-пробки окончен и его можно поднимать на поверхность. В процессе распакеровки или в процессе подъема пакер-пробки могут происходить затяжки или прихваты, что может привести к поломке пакер-пробки в скважине, например выламыванию полой втулки 14, которая устремится вниз. В этом случае предохранительное кольцо 31 задержит полую втулку 24 на стволе 1 пакер-пробки и не позволит ей упасть на забой скважины.
В случае заклинивания пакер-пробки в скважине разрушится срезной элемент 32, что приведет к тому, что предохранительное кольцо 31 отсоединится от ствола 1 и упадет на забой скважины, после чего можно будет продолжить процесс извлечения пакер-пробки из скважины.
Предлагаемая конструкция позволит контролировать отцепление пакер-пробки от посадочного инструмента с устья скважины за счет возможности сброса избыточного гидравлического давления во внутреннем пространстве посадочного инструмента при отцеплении пакер-пробки от посадочного инструмента, а также обеспечить герметичную посадку пакер-пробки в скважине за счет возможности двухстороннего сжатия уплотнительных элементов.