УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПАКЕРА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к пакерующим устройствам с набухающими эластичными элементами, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.
Известен уплотнительный узел пакера, который установлен на стволе и включает два эластичных элемента, разделенных проставочным кольцом и выполненных из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, имеющего форму полого цилиндра с кольцевыми нарезками на внешней поверхности, и противоэкструзионные защиты эластичных элементов, размещенные у их несмежных концевых участков и содержащие каждая упорное кольцо со ступенчатым концевым участком и стопорными элементами для фиксации на стволе [Патент на полезную модель №86650, Е21В 33/12, 2009].
Недостатком уплотнительного узла пакера является возможность его самоуплотнения при спуске в скважину из-за недостаточной жесткости эластичных элементов, а также слабая их герметизирующая способность, обусловленная ограниченными возможностями упорных колец по предотвращению выдавливания и разрушения разбухшего эластомера при действии перепада давления, что существенно снижает надежность его работы в скважине и ограничивает область применения.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является уплотнительный узел пакера, который установлен на стволе и включает два эластичных элемента, разделенных проставочным кольцом, которые выполнены из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, имеющего форму полого цилиндра, а их несмежные концевые участки имеют наружную коническую поверхность, и противоэкструзионные защиты эластичных элементов, размещенные у их несмежных концевых участков и содержащие каждая упорное кольцо со ступенчатым концевым участком, закрепленное на стволе стопорными элементами, кольцевую обойму со ступенчатыми концевыми участками, один из концевых участков которой сопряжен со ступенчатым концевым участком упорного кольца внахлест и образует с ним внутреннюю кольцевую полость, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении, при этом в кольцевой полости размещено уплотнительное кольцо, выполненное из не набухающего эластомера, и манжету чашеобразной формы из не набухающего эластомера, один из концевых участков которой размещен внутри концевого участка обоймы с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента, имеющим наружную коническую поверхность [Патент на полезную модель №108095, Е21В 33/12, 2011].
Уплотнительный узел пакера имеет следующие недостатки:
- установка уплотнительного узла на стандартную обсадную или насосно-компрессорную трубу, имеющую в пределах допуска разброс по наружному диаметру, непосредственно на буровой площадке невозможна, а в ряде случаев достаточно трудоемка и не обеспечивает герметизацию по внутренней поверхности, так как для обеспечения герметизации уплотнительного узла по внутренней  поверхности требуется его плотная установка на ствол (патрубок трубы), который необходимо предварительно подвергнуть чистовой механической обработке до фиксированного диаметра, что возможно только при сборке на заводе-изготовителе;
- возможность его самоуплотнения при спуске в скважину из-за недостаточной жесткости эластичных элементов;
- конструкция уплотнительного узла, требующая заводской сборки на ствол пакера (патрубок с муфтой), увеличивает жесткость спускаемого в скважину хвостовика из обсадных труб, что осложняет их прохождение в искривленных и горизонтальных участках скважины.
Данные недостатки, в целом, ограничивают область применения уплотнительного узла и надежность его спуска в скважину.
Техническим результатом полезной модели является расширение области применения уплотнительного узла и повышение надежности его спуска в скважину.
Необходимый технический результат достигается тем, что уплотнительный узел пакера включает два эластичных элемента, разделенных проставочным кольцом и выполненных из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, имеющего форму полого цилиндра, при этом на внутренней поверхности v эластичных элементов закреплен армирующий слой из тканого либо нетканого материала, а их несмежные концевые участки имеют наружную коническую поверхность, и противоэкструзионные защиты эластичных элементов, размещенные у их несмежных концевых участков и содержащие каждая упорное кольцо со ступенчатым концевым участком, взаимодействующую с ним кольцевую обойму со ступенчатыми концевыми участками и внутренней кольцевой канавкой в средней части, причем один из концевых участков обоймы сопряжен со ступенчатым концевым участком упорного кольца внахлест и образует с ним внутреннюю кольцевую полость, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении, при этом в кольцевой канавке и кольцевой полости размещены соответственно герметизирующий элемент, выполненный из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, и уплотнительное кольцо из не набухающего эластомера, а обойма имеет возможность осевого перемещения в сторону упорного кольца и сжатия уплотнительного кольца, и манжету чашеобразной формы из не набухающего эластомера, один из концевых участков которой размещен внутри концевого участка обоймы с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента, имеющим наружную коническую поверхность, при этом все элементы уплотнительного узла по внутреннему диаметру выполнены с возможностью их установки на стандартную обсадную или насосно-компрессорную трубу, а проставочное и упорные кольца снабжены стопорными элементами для фиксации их на этих трубах.
Для повышения надежности спуска уплотнительного узла в скважину на наружной поверхности эластичных элементов может быть нанесен защитный слой для кратковременного замедления процесса набухания, а концевой участок обоймы, сопряженный внахлест со ступенчатым концевым участком упорного кольца, снабжен по крайней мере одним стопорным винтом, препятствующим осевому перемещению обоймы в сторону эластичного элемента.
В частном исполнении в заводских условиях уплотнительный узел может быть смонтирован на патрубок стандартной обсадной или насосно-компрессорной трубы, свинченный с муфтой, и установлен на нем с упором или без упора в муфту, при этом проставочное и упорные кольца от осевого перемещения фиксируются на патрубке стопорными элементами.
На фиг. 1 изображен уплотнительный узел пакера в транспортном положении; на фиг. 2 - узел А на фиг. 1.
Уплотнительный узел пакера (фиг. 1) в частном исполнении состоит из двух симметрично расположенных эластичных элементов 1, между которыми размещено проставочное кольцо 2. Эластичные элементы 1 выполнены из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеют форму полого цилиндра. На внутренней поверхности эластичных элементов 1 закреплен армирующий слой 3 (фиг. 2) из тканого либо нетканого материала для повышения жесткости эластичных элементов 1, например, из полиамидной или хлопчатобумажной ткани, как это описано в патенте №140323, а несмежные концевые участки элементов 1 имеют наружную коническую поверхность. У несмежных концевых участков эластичных элементов 1 размещены противоэкструзионные защиты (узел А на фиг. 1), которые обеспечивают уплотнение по внутренней поверхности и перекрытие кольцевого зазора для предотвращения разрушения эластичных элементов 1 при действии перепада давления. Вариант исполнения узла А представлен на фиг. 2.
Противоэкструзионная защита (узел А фиг. 2) содержит упорное кольцо 4 со ступенчатым концевым участком 5, кольцевую обойму 6 со ступенчатыми концевыми участками 7 и 8 и манжету 9 чашеобразной формы из не набухающей резины.
В средней части кольцевой обоймы 6 выполнена внутренняя кольцевая канавка 10, в которой размещен герметизирующий элемент 11, выполненный из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, а ее ступенчатый концевой участок 7 сопряжен со ступенчатым концевым участком 5 упорного кольца 4 внахлест и образует с ним внутреннюю кольцевую полость 12, в которой размещено уплотнительное кольцо 13 из не набухающей резины. Другой концевой участок 8 обоймы 6 на части своей длины выполнен с продольными разрезами 14 (фиг. 1), образуя лепестки в окружном направлении, и способен деформироваться наружу в радиальном направлении. Между упорным кольцом 4 и концевым участком 7 обоймы 6 имеется зазор 15, который обеспечивает возможность осевого перемещения обоймы 6 в сторону упорного кольца 4 и сжатия уплотнительного кольца 13.
Манжета 9 из не набухающей резины установлена между обоймой 6 и эластичным элементом 1, при этом один из ее концевых участков размещен внутри концевого участка 8 обоймы 6, а другой контактирует с концевым участком эластичного элемента 1, имеющим наружную коническую поверхность. Для лучшего взаимодействия с эластичным элементом 1 концевой участок манжеты 9 имеет внутреннюю коническую поверхность.
Все элементы уплотнительного узла по внутреннему диаметру выполнены с возможностью их установки на стандартную обсадную или насосно-компрессорную трубу 16 с учетом плюсового допуска на их наружный диаметр согласно соответствующему ГОСТу, а проставочное 2 и упорные кольца 4 снабжены соответственно стопорными элементами 17 и 18 для фиксации их на этих трубах. При этом между фактической трубой 16, поставляемой заводом-изготовителем, и установленным на ней уплотнительным узлом может иметь место радиальный зазор S, который герметизируется в скважине уплотнительным кольцом 13 под действием перепада давления. Например, обсадная труба номинальным диаметром 114,3 мм по ГОСТ 632-80 с учетом плюсового допуска в 1% может иметь наружный диаметр 115,4 мм. С учетом такого возможного диаметра трубы внутренний диаметр уплотнительного узла должен быть не менее 115,5 мм. При наличии на буровой площадке труб с номинальным диаметром 114, 3 мм фактический радиальный зазор S составит 0,6 мм.
Для повышения надежности спуска уплотнительного узла в скважину на наружной поверхности эластичных элементов 1 может быть нанесен защитный слой для кратковременного замедления процесса набухания, а концевой участок 7 обоймы 6, сопряженный внахлест со ступенчатым концевым участком 5 упорного кольца 4, снабжен по крайней мере одним стопорным винтом 19, препятствующим осевому перемещению обоймы 6 в сторону эластичного элемента 1.
Уплотнительный узел пакера работает следующим образом.
Перед спуском в скважину все элементы уплотнительного узла последовательно (см. фиг. 1) устанавливаются, например, на стандартную обсадную трубу 16 непосредственно на буровой площадке. Установка всех элементов уплотнительного узла может также производиться на короткий патрубок обсадной трубы 16 на заводе-изготовителе или непосредственно на производственных базах нефтегазодобывающих компаний.
Спуск уплотнительного узла осуществляют в составе колонны обсадных труб и другого оборудования (на фиг. 1 не показано) к месту установки в открытый ствол или эксплуатационную колонну для изоляции, например, водоносных интервалов пласта. Во время спуска армирующий слой 3 препятствует деформации эластичных элементов 1 и преждевременному их разрушению.
После спуска, в интервале установки уплотнительного узла, в зависимости от типа набухающего эластомера, может создаваться специальная нефтяная или водяная ванна для активации и ускорения процесса набухания эластичных элементов 1 и герметизирующих элементов 11. При невозможности создания ванн эластичные элементы 1 и герметизирующие элементы 11 взаимодействуют со скважинной жидкостью и через определенный период времени набухают соответственно до плотного контакта с поверхностью открытого ствола (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано) и обсадной трубы 16. Под действием перепада давления, который создается в период эксплуатации скважины со стороны изолированного интервала, эластичные элементы 1 передают осевую нагрузку на манжету 9 и обойму 6 и сдвигают их в сторону упорного кольца 4. При перемещении обойма 6 сжимает уплотнительное кольцо 13 до контакта с наружной поверхностью трубы 16, обеспечивая тем самым надежную герметизацию по внутренней поверхности уплотнительного узла при наличии допустимого радиального зазора S между обсадной трубой 16 и элементами противоэкструзионной защиты эластичных элементов 1. Под действием осевой силы со стороны эластичного элемента 1 конусный концевой участок манжеты 9 и концевой участок 8 обоймы 6 деформируются в радиальном направлении до плотного контакта с открытым стволом скважины. Это обеспечивает герметичное перекрытие кольцевого зазора между обоймой 6 и открытым стволом скважины и предотвращает выдавливание и разрушение эластичных элементов 1 под действием перепада давления.
Такая конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает монтаж всех элементов узла непосредственно на буровой площадке, надежный спуск его и обсадных труб в скважину и способна обеспечивать надежную герметизацию при изоляции межпластовых перетоков в скважинах.