ПАКЕР С КЛАПАННЫМ УЗЛОМ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для разобщения межтрубного пространства в добывающей, газлифтной или нагнетательной скважинах с интервалами негерметичности с одним или несколькими эксплуатационными пластами, а также для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.
ИзвестноУстройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включающее корпус с выполненной в его стенке цилиндрической полостью для заполнения жидкостью и двумя отверстиями для сообщения одного из них с уплотнительным элементом, размещенную в цилиндрической полости пробку, поршень, пружину, втулку со смещенными друг относительно друга двух штифтов, кольцо с фигурными пазами для ограничения перемещения поршня, размещенного в цилиндрической полости между двумя отверстиями с возможностью их сообщения между собой при осевом его перемещении, и уплотнительные кольца, пружина и поршень установлены в пробке [патент РФ № 2464407, E21B 33/12, опубликовано 27.04.2017 г.].
Недостатком данного технического решения является то, что не позволяет исключать самопроизвольное срабатывание пакера и не предотвращает сдувание уплотнительного элемента пакера.
Наиболее близким техническим решением является пакер двухступенчатого и манжетного цементирования, содержащий ствол пакера, верхний и нижний переводники, уплотнительный элемент пакера и клапанный узел, включающий корпус клапана с каналами и отверстием, втулку, срезной элемент, уплотнительные элементы [патент РФ № 97164, E21B 33/12, опубликовано 27.08.2010 г.], ближайший аналог.
Недостатком данного технического решения является то, что не позволяет исключать самопроизвольное срабатывание пакера и не предотвращает сдувание уплотнительного элемента пакера.
Технический результат заключается в повышении надежности использования пакера за счет, в том числе и исключения самопроизвольного срабатывания пакера, предотвращения сдувания уплотнительного элемента пакера, а также в герметичном разделении жидкости в затрубном пространстве, уменьшая давление и исключая значительную водоотдачу тампонажного раствора ниже места установки пакера, таким образом, что в этой зоне исключается значительная усадка цементного камня, и, следовательно, нарушение его контакта со стенкой скважины, а пакер, над продуктивным пластом, по вышеуказанным факторам сохраняет коллекторские свойства пласта, в исключении проникновения агрессивной жидкости в твердеющую тампонажную смесь, центрации смежных участков колонны, вызывая над собой зоны уплотнения тампонажного раствора, защите цементного камня от ударной волны при перфорации, сохраняя его контакт с трубами при изменении осевых нагрузок на колонну.
Поставленный технический результат достигается тем, что пакер с клапанным узлом содержит ствол пакера, верхний и нижний переводники, уплотнительный элемент пакера, клапанный узел, включающий корпус клапана с каналами и отверстием, втулку, срезной элемент, уплотнительные элементы, при этом уплотнительный элемент пакера представляет собой уплотнительную раздуваемую манжету, на стволе пакера размещены и закреплены переводник верхний, уплотнительная раздуваемая манжета и клапанный узел, а переводник нижний закреплен на клапанном узле, втулка представляет собой втулку переключения, выполненную с кодовым фигурным пазом, содержащим длинный и короткие участки, и с возможностью расположения ее на пальце и внутри пробки, срезной элемент представляет собой штифт срезной полый, клапанный узел дополнительно снабжен пробкой, пружиной, поршнем, пальцем, двумя штифтами и винтом полым, корпус клапана выполнен с каналами, представляющими собой ступенчатый канал и продольный перепускной канал, гидравлически соединенные между собой, и с отверстием, представляющим собой сквозное радиальное отверстие, гидравлически соединенное со ступенчатым каналом, при этом ступенчатый канал выполнен с возможностью размещения и закрепления внутри него пробки, в которой размещены пружина, втулка переключения, палец с двумя штифтами и поршень, палец установлен с возможностью перемещения и взаимодействия с одной стороны с пружиной, и с противоположной стороны с поршнем, обеспечивая взаимодействие двух штифтов с кодовым фигурным пазом путем перемещения одного штифта в одном участке кодового фигурного паза и второго штифта в другом участке кодового фигурного паза, продольный перепускной канал выполнен и расположен с возможностью гидравлического сообщения с уплотнительным элементом пакера, сквозное радиальное отверстие выполнено с возможностью герметичного размещения в нем винта полого, выполненного с возможностью размещения в нем штифта срезного полого, обеспечивающего гидравлическое сообщение с осевым каналом ствола пакера, со ступенчатым каналом и с уплотнительным элементом пакера, пробка выполнена с возможностью герметичного размещения и закрепления ее внутри ступенчатого канала и с возможностью размещения в ней втулки переключения и пальца, снабженного двумя штифтами, поршень выполнен с возможностью его размещения и осевого перемещения в ступенчатом канале для обеспечения гидравлического сообщения между сквозным радиальным отверстием и продольным перепускным каналом, палец выполнен в виде цилиндра заданных размеров с двумя отверстиями, выполненными с возможностью размещения в каждом отверстии штифта, выступающего из него, при этом отверстия расположены на заданном расстоянии между собой и смещены относительно друг друга на заданный угол к оси пальца.
На фиг.1 изображен пакер с клапанным узлом, на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 изображено положение клапанного узла при транспортном положении пакера, на фиг.4 изображено положение клапанного узла при начале работы пакера, на фиг.5 изображено положение клапанного узла при сбросе давления внутри эксплуатационной колонны, на фиг.6 изображено положение клапанного узла при последующем поднятии давления, на фиг.7 изображено положение клапанного узла при последующем снижении давления, на фиг.8 изображено положение клапанного узла при поднятиях давления внутри эксплуатационной колонны, на фиг.9 изображен вид Б корпуса клапана на фиг.1, на фиг.10 изображен разрез В-В на фиг.9, на фиг.11 изображен клапанный узел в разобранном виде.
Пакер с клапанным узлом содержит следующие конструктивные элементы:
1 - ствол пакера
2 - переводник верхний
3 - переводник нижний
4 - корпус клапана
5 - пробка
6 - втулка переключения
7 - пружина
8 - поршень
9 - палец
10 - штифт
11 - штифт
12 - уплотнительное кольцо
13 - ступенчатый канал
14 - сквозное радиальное отверстие
15 - уплотнительный элемент пакера - уплотнительная раздуваемая манжета
16 - продольный перепускной канал
17 - винт полый
18 - штифт срезной полый
19 - участи кодового паза, взаимодействующие со штифтом 10
Предлагаемый пакер с клапанным узлом (далее по тексту - пакер) обеспечивает надежную изоляцию нефтеводоносных пластов на любых глубинах, исключает проникновение агрессивной жидкости в твердеющую тампонажную смесь, центрирует смежные участки колонны, вызывает над собой зоны уплотнения тампонажного раствора, защищает цементный камень от ударной волны при перфорации, сохраняет его контакт с трубами при изменении осевых нагрузок на колонну и т.д. Пакер, также, герметично разделяет жидкость в затрубном пространстве, уменьшает давление и исключает значительную водоотдачу тампонажного раствора ниже места его установки, таким образом, в этой зоне исключается значительная усадка цементного камня, и, следовательно, нарушение его контакта со стенкой скважины, а пакер, над продуктивным пластом, по вышеуказанным факторам сохраняет коллекторские свойства пласта.
Пакер с клапанным узлом включает в себя ствол 1 пакера, на котором размещены переводник верхний 2 и нижний 3, уплотнительный элемент пакера, представляющий собой уплотнительную раздуваемую манжету 15, и клапанный узел.
Клапанный узел закреплен на стволе 1 пакера с одной стороны, а переводник верхний 2 закреплен на стволе 1 пакера с противоположной стороны, при этом переводник нижний 3 закреплен на клапанном узле.
Уплотнительная раздуваемая манжета (уплотнительный элемент пакера) 15 размещена на стволе 1 пакера между клапанным узлом и переводником верхнем 2.
Клапанный узел содержит корпус клапана 4 с каналами и отверстием, пробку 5, пружину 7, втулку переключения 6, поршень 8, палец 9, два штифта 10 и 11, винт полый 17 и штифт срезной полый 18.
Корпус клапана 4 выполнен с каналами, представляющими собой ступенчатый канал 13 и продольный перепускной канал 16, гидравлически соединенные между собой, и с отверстием, представляющим собой сквозное радиальное отверстие 14, гидравлически соединенное со ступенчатым каналом 13.
Ступенчатый канал 13 выполнен с возможностью размещения и закрепления внутри него пробки 5, в которой размещены пружина 7, втулка переключения 6 и палец 9 двумя штифтами 10 и 11 и поршень 8. Палец 9 установлен в ступенчатом канале 13 с возможностью перемещения и взаимодействия с одной стороны с пружиной 7 и с противоположной стороны с поршнем 8, обеспечивая взаимодействие двух штифтов 10 и 11 с кодовым фигурным пазом путем перемещения одного штифта, например, штифта 10, в длинном участке 19 кодового фигурного паза и второго штифта, например, штифта 11, в коротком участке кодового фигурного паза втулки переключения 6.
Продольный перепускной канал 16 выполнен и расположен с возможностью гидравлического сообщения с уплотнительной раздуваемой манжетой 15, со сквозным радиальным отверстием 14 посредством ступенчатого канала 13.
Сквозное радиальное отверстие 14 выполнено с возможностью герметичного размещения в нем винта полого 17, выполненного с возможностью размещения в нем штифта срезного полого 18, обеспечивающего гидравлическое сообщение с осевым каналом ствола 1 пакера, со ступенчатым каналом 13 и с уплотнительной раздуваемой манжетой 15.
Штифт срезной полый 18 выполнен и установлен в винте полом 17 с возможностью отламывания (срезания), выступающей его части из винта полого 17, при прохождении цементировочной пробки через ствол 1 пакера. Штифт срезной полый 18 является элементом системы защиты клапанного узла.
Ступенчатый канал 13 выполнен с возможностью гидравлического сообщения со сквозным радиальным отверстием 14, обеспечивая гидравлическое сообщение ступенчатого канала 13 с осевым каналом ствола 1 пакера, гидравлического сообщения с продольным перепускным каналом 16, обеспечивая гидравлическое сообщение ступенчатого канала 13 с уплотнительной раздуваемой манжетой 15 для приведения ее в рабочее положение.
Пробка 5 выполнена с возможностью размещения в ней втулки переключения 6 и пальца 9, снабженного двумя штифтами 10 и 11, каждый из которых взаимодействует с соответствующим кодовым фигурным пазом втулки переключения 6, и с возможностью герметичного размещения и закрепления ее внутри ступенчатого канала 13, при этом пробка 5 внутри ступенчатого канала 13 закреплена посредством резьбового соединения и герметично размещена посредством уплотнительного кольца, установленного на пробке 5, например, пробка 5 снабжена резьбой, выполненной на ее внешней поверхности для закрепления внутри ступенчатого канала 13.
Пружина 7 выполнена с возможностью размещения ее в пробке 5 и с возможностью взаимодействия с пальцем 9 для обеспечения его перемещения внутри ступенчатого канала 13 при сжатии и разжатии пружины 7.
Втулка переключения 6 выполнена с кодовым фигурным пазом, содержащим длинные и короткие участки, с возможностью расположения ее на пальце 9 и внутри пробки 5 и с возможностью взаимодействия длинного и короткого участков кодового фигурного паза с соответствующим штифтом, при этом штифт 10 взаимодействует с коротким, длинным, затем другим коротким участком 19 кодового фигурного паза, перемещаясь по нему; штифт 11 взаимодействует с соответствующим коротким участком кодового фигурного паза, перемещаясь по нему.
Поршень 8 выполнен с возможностью его размещения в ступенчатом канале 13 между пальцем 9 и полым винтом 17 и с возможностью его осевого перемещения в ступенчатом канале 13, обеспечивая при осевом его перемещении гидравлическое сообщение между сквозным радиальным отверстием 14 и продольным перепускным каналом 16.
Палец 9 выполнен в виде цилиндра заданных размеров с двумя отверстиями, выполненными с возможностью размещения в каждом отверстии штифта 10 или 11, выступающего из него, при этом отверстия расположены на заданном расстоянии между собой и смещены относительно друг друга на заданный угол к оси пальца 9.
Штифты 10 и 11 выполнены заданных размеров, обеспечивающих часть штифтов 10 и 11, выступающими над поверхностью пальца 9 для взаимодействия с соответствующими фигурными пазами втулки переключения 6 путем перемещения одного штифта, например, штифта 10, в длинном участке 19 кодового фигурного паза и второго штифта, например, штифта 11, в соответствующем коротком участке кодового фигурного паза.
Винт полый 17 выполнен с возможностью размещения его в сквозном радиальном отверстии 14 и с возможностью размещения в нем штифта срезного полого 18.
Штифт срезной полый 18 представляет собой элемент системы защиты клапанного узла, выступающая часть которого отламывается (срезается) при прохождении цементировочной пробки через осевой канал ствола 1 пакера.
Поршень 8 представляет собой, например, цилиндр с проточкой на внешней поверхности для установки в нее уплотнительного кольца 12.
Подготовку пакера к срабатыванию осуществляют автоматически в процессе цементирования скважины. При прохождении цементировочной пробки осевого канала ствола 1 пакера происходит срез выступающей части штифта срезного полого 18 (элемента системы защиты пакера) и открытие входа для жидкости в полость клапанного узла.
После получения момента «стоп» давление в цементировочной головке снижают до нуля. В этот момент происходит открытие клапанного узла и подготовка пакера к срабатыванию. При последующем повышении давления в осадной колонне жидкость из обсадной колонны через осевойканал ствола 1 пакера попадает в клапанный узел:
через отверстие в полом винте 17 в ступенчатый канал 13, затем по перепускному продольному каналу 16 поступает в кольцевую полость под уплотнительным элементом пакера 15, увеличивая его в диаметре, тем самым осуществляя процесс пакеровки.
При снижении избыточного давления в обсадной колонне после завершения пакеровки, поршень 8, перемещаясь в сторону винта полого 17, закрывает отверстие перепускного канала 16, обеспечивая полное сохранение им объема жидкости и рабочего положения раздуваемой манжеты 15, при этом клапанный узел окончательно отсекает раздуваемую манжету 15 от внутриколонного пространства скважины.
Пакер с клапанным узлом работает следующим образом.
Пакер функционально имеет два положения: транспортное и установочное (посадочное).
Во время спуско-подъемных операций пакер встроен в состав эксплуатационной колонны (далее по тексту - «ЭК»), его внутреннее рабочее пространство герметично изолировано от внутреннего диаметра ЭК. До момента сообщения внутреннего пространства ЭК с уплотнительным элементом 15, палец 9, с установленными в него штифтами 10 и 11, находится во взаимодействии с втулкой переключения 6, а именно, штифт 10 расположен в коротком участке 19 кодового паза втулки переключения 6 (фиг.3). При цементировании скважины для разделения бурового и цементного раствора в скважину устанавливается продавочная пробка (на фиг. не показано). При прохождении через осевой канал ствола 1 пакера продавочная пробка механически разрушает выступающую часть штифта срезного полого 18 (фиг.4), и через открывшийся канал штифта срезного полого 18 и винта полого 17, осуществляется сообщение внутреннего пространства ЭК и осевого канала ствола 1 пакера с клапанным узлом. В момент сообщения внутреннего пространства ЭК с отверстием и каналами клапанного узла избыточное давление воздействует на поршень 8, который, перемещаясь, давит на палец 9 со штифтами 10 и 11, и совершает перемещение по оси клапанного узла внутри втулки переключения 6, при этом штифты 10 и 11, упираясь в кодовые фигурные пазы втулки переключения 6, поворачивают палец 9 относительно оси клапанного узла, например, штифт 10 попадая в короткий участок 19 кодового паза втулки переключения 6, не позволяет поршню 8 перемещаться и клапанный узел остается в закрытом положении, а пакер не пакеруется - режим работы клапана: «закрыто» (фиг.5).
При последующем поднятии давления, раствор через винт полый 17 давит на поршень 8, взаимодействующий с пальцем 9, перемещает штифт 10, который при перемещении попадает в длинный участок 19 кодового паза. Поршень 8, перемещаясь, открывает гидравлическое сообщение жидкости ступенчатого канала 13 с продольным перепускным каналом 16, открывая доступ жидкости к уплотнительному элементу пакера 15, при избыточном давлении до 2,5 МПа происходит раздувание уплотнительного элемента пакера 15 до рабочего положения: диаметра необсаженного ствола скважины - режим работы клапана: «открыто» (фиг.6).
При последующем снижении давления пружина 7 выводит штифт 10 из длинного участка 19 кодового фигурного паза втулки переключения 6, переводит в короткий участок, поршень 8 закрывает отверстие продольного перепускного канала 16, герметично изолируя жидкость, находящуюся под уплотнительным элементом пакера 15, не давая, тем самым, пакеру сдуваться. Втулка переключения 6 при этом соответствующим образом проворачивается от воздействия штифта 11 и поршня 8 - режим работы клапана: «закрыто» (фиг.7).
При очередном и всех последующих поднятиях давления внутри ЭК штифт 10 находится в коротком участке 19 кодового фигурного паза втулки переключения 6, поршень 8 закрывает отверстие продольного перепускного канала 16, благодаря чему сохраняется изоляция внутренней полости пакера с жидкостью уплотнительного элемента пакера 15 от жидкости внутри полости ЭК. Пакер герметично изолирует интервалы открытого ствола скважины (фиг.8).
В отличие от известных конструкций пакеров, которые имеют два режима работы клапана: «открыто» и «закрыто», предлагаемый пакер имеет три режима работы клапанного узла: «закрыто», «открыто», «закрыто». Указанные режимы исключают самопроизвольное срабатывание пакера и повышают надежность при его использовании, а третий режим работы (закрыто) клапанного узла предотвращает сдувание уплотнительного элемента 15 и обеспечивает герметичность.
Взаимодействие элементов клапанного узла обеспечивает:
невозможность срабатывания пакера до окончания спуска и цементирования обсадной колонны;
подготовка пакера к срабатыванию при снятии давления в цементировочной головке после окончания цементирования;
срабатывание пакера при последующем заданном повышении давления в цементировочной головке.
Пример.
Пакер спускают в скважину на заданную глубину, при этом во время спусковых операций Пакер встроен в состав ЭК, а внутреннее рабочее пространство Пакера герметично изолировано от внутреннего диаметра ЭК. До момента гидравлического сообщения внутреннего пространства ЭК с уплотнительным элементом пакера 15, штифт 10 расположен в коротком участке 19 кодового фигурного паза втулки переключения 6, обеспечивая режим работы клапана: «закрыто» (фиг.3).
Продавочной пробкой механически разрушают выступающую часть штифта срезного полого 18, открывая канал штифта срезного полого 18 и винта полого 17 (фиг.4).
Осуществляют гидравлическое сообщение внутреннего пространства ЭК и уплотнительного элемента пакера 15 посредством открытого клапанного узла.
Для чего избыточным давлением равным 2,5 МПа воздействует на поршень 8, перемещая его и осуществляя давление на палец 9 со штифтами 10 и 11. В результате давления палец 9 совершает перемещение по оси клапанного узла внутри втулки переключения 6, перемещая штифты 10 и 11, упираясь ими в кодовые фигурные пазы втулки переключения 6, поворачивают палец 9 относительно оси клапанного узла, при этом штифт 10 попадая в первый короткий участок 19 кодового фигурного паза, не позволяет поршню 8 перемещаться, при этом клапанный узел в закрытом положении и пакер не пакеруется - режим работы клапанного узла: «закрыто» (фиг.5).
Давление поднимают, и раствор через канал штифта срезного полого 18 и винта полого 17 давит на поршень 8, взаимодействующий с пальцем 9, перемещая штифт 11, поворачивает палец 9, при таком перемещении штифт 10 попадает в длинный участок 19 кодового фигурного паза и, проходя по длинному участку 19, перемещает поршень 8, открывая гидравлическое сообщение жидкости ступенчатого канала 13 с продольным перепускным каналом 16, открывая доступ жидкости из внутреннего пространства ЭК к уплотнительному элементу пакера 15, которая обеспечивает раздувание уплотнительного элемента пакера 15 до рабочего положения - до диаметра необсаженного ствола скважины, пакер запакерован - режим работы клапанного узла: «открыто» (фиг.6).
При снижении давления пружина 7, разжимаясь, выводит штифт 10 из длинного участка 19 кодового фигурного паза, переводит в короткий, поршень 8, перемещаясь закрывает отверстие продольного перепускного канала 16, герметично изолируя жидкость, находящуюся под уплотнительным элементом пакера 15, не давая, тем самым, пакеру сдуваться - режим работы клапана: «закрыто» (фиг.7).
Поршень 8, закрыв отверстие продольного перепускного канала 16, сохраняет изоляцию пакера с жидкостью для уплотнительного элемента пакера 15 от жидкости внутри полости ЭК. Пакер герметично изолирует интервалы открытого ствола скважины (фиг.8).
Заявленный пакер обеспечивает повышение надежности конструкции при использовании за счет, в том числе и исключения самопроизвольного срабатывания пакера, предотвращения сдувания уплотнительного элемента пакера, герметичного разделения жидкости в затрубном пространстве, уменьшая давление и исключая значительную водоотдачу тампонажного раствора ниже места установки пакера, таким образом, что в этой зоне исключается значительная усадка цементного камня, и, следовательно, нарушение его контакта со стенкой скважины, а пакер, над продуктивным пластом, по вышеуказанным факторам сохраняет коллекторские свойства пласта, исключая проникновение агрессивной жидкости в твердеющую тампонажную смесь, центрацию смежных участков колонны, вызывая над собой зоны уплотнения тампонажного раствора, защиту цементного камня от ударной волны при перфорации, сохраняя его контакт с трубами при изменении осевых нагрузок на колонну.