ПАКЕР

Заявляемое техническое решение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для гидравлического разрыва пласта, тампонажных работ, кислотной обработки, испытания пласта, обнаружения негерметичности обсадной колонны, для герметичного разобщения обсадной колонны.
Известен пакер ПГЕ-2, содержащий ствол и размещенный на нем сверху переводник с установленным в нем уплотнительным кольцом прямоугольного сечения. Под переводником расположен балансировочный клапан, представляющий собой надетый на ствол цилиндрический корпус, который прижимается верхней торцевой поверхностью к уплотнительному кольцу верхнего переводника при установке пакера в рабочее положение, разобщая затрубное пространство с полостью труб. Балансировочный клапан перекрывает циркуляционный канал (байпас), образованный наружной поверхностью ствола и внутренними поверхностями гидроякоря, пакерующего узла и посадочного блока, размещенных последовательно на стволе ниже клапана. Гидравлический якорь (гидроякорь) содержит корпус с установленными в нем подпружиненными поршнями, зафиксированными планками, пакерующий узел состоит из трех резиновых уплотняющих элементов с проставочными металлическими кольцами. Посадочный блок содержит фрикционные башмаки, установочный палец и механический якорь со шлипсами, при этом установочный палец имеет возможность перемещения по фигурному пазу, выполненному в нижней части ствола пакера (см. патент РФ на ПМ №47045, МПК Е21В 33/12).
Такая конструкция циркуляционного канала и балансировочного клапана предусматривает наличие в пакере деталей, формирующих кольцевое пространство между наружной поверхностью ствола и внутренними поверхностями деталей, расположенных на стволе пакера, вследствие чего велика металлоемкость изделия и ограничена возможность увеличения проходного сечения, что в свою очередь, уменьшает срок службы ствола пакера при проведении гидравлического разрыва пласта (ГРП) и затрудняет проведение различных технологических операций, связанных с необходимостью прохода инструмента через ствол.
Известен устанавливаемый гидравлическим способом пакер ПД-ЯГМ производства завода «ИЗМЕРОН» (см. httр://www.izmeron.inc.ru/product.php). Пакер содержит ствол и последовательно, сверху вниз, расположенные на стволе гидравлический якорь с установленными в нем подпружиненными поршнями, зафиксированными планками, гидроцилиндр, пакерующий узел с двумя уплотнительными элементами, механический якорь с шлипсами. При нагнетании давления внутри пакера поршни в гидроякоре перемещаются и входят в зацепление с стенками обсадной колонны. Гидроцилиндр передает давление на пакерующий узел, который смещается, вследствие чего уплотнительные элементы деформируются, отсекая интервал обсадной колонны. Смещенный пакерующий узел выдвигает шлипсы из механического якоря, надежно фиксируя пакер в обсадной колонне.
Данный пакер имеет достаточно большой внутренний диаметр ствола и простую конструкцию, однако в нем не предусмотрена возможность сообщения полости колонны труб, на которой закреплен пакер, с затрубным пространством. Известный пакер принят за прототип.
Задача предлагаемого технического решения состоит в упрощении конструкции и сокращении металлоемкости при увеличении надежности.
Технический результат заключается в увеличении диаметра проходного канала и, следовательно, пропускной способности за счет конструктивного решения узла, обеспечивающего циркуляцию рабочей жидкости через пакер и сообщение полости колонны труб, на которой закреплен пакер, с затрубным пространством. Циркуляция рабочей жидкости необходима для выравнивания давления в процессе снятия пакера.
Поставленная задача решается тем, что пакер включает ствол и последовательно размещенные на нем гидравлический якорь, содержащий корпус с установленными в нем поршнями, закрепленными планками через пружины, пакерующий узел, выполненный в виде нажимного кольца и конуса с расположенными между ними манжетами и проставочными кольцами, подвижно закрепленными на стволе пакера, и механический якорь, согласно решению корпус гидравлического якоря снабжен вкладышем с радиальными отверстиями и узлом разобщения полости колонны труб и затрубного пространства, содержащим кольцевую проточку, выполненную с внутренней стороны корпуса, и сквозные отверстия в корпусе. Вкладыш снабжен дополнительными радиальными отверстиями, выполненными напротив кольцевой проточки узла разобщения. На внешней поверхности вкладыша выполнены каналы, соединяющие полости между вкладышем и поршнями с кольцевой проточкой. Сквозные отверстия в корпусе выполнены от кольцевой проточки до торцевой поверхности, обращенной к пакерующему узлу. Сквозные отверстия в корпусе выполнены от кольцевой проточки до внешней поверхности, а нажимное кольцо пакерующего узла содержит борт, выполненный с возможностью перекрывания сквозных отверстий.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пакер с продольным разрезом, а на фиг.2, 3 и 4 - варианты выполнения узла разобщения пространства внутри колонны труб и затрубного пространства. Позициями на чертежах обозначены:
1 - ствол;
2 - конус;
3 - жесткая манжета;
4 - мягкая манжета;
5 - кольцо проставочное;
6 - кольцо нажимное;
7 - уплотнение;
8 - корпус башмаков;
9 - фиксатор;
10 - крышка;
11 - палец;
12 - башмак фрикционный;
13 - пружина башмаков;
14 - кольцо;
15 - шлипс;
16 - пружина шлипсов;
17 - замковый паз;
18 - винт механического якоря;
19 - обойма;
20 - сухарь;
21 - винт фиксатора;
22 - гидроякорь;
23 - кольцо стопорное;
24 - корпус гидроякоря;
25 - поршень;
26 - планка;
27 - пружина поршней;
28 - винт гидроякоря;
29 - вкладыш;
30 - отверстие гидроякоря;
31 - отверстие вкладыша;
32 - кольцевая проточка;
33 - канал гидроякоря.
Пакер содержит полый цилиндрический ствол 1, на котором закреплен конус 2, предназначенный для раздвигания шлипсов 15 в процессе посадки пакера в обсадной колонне. Над конусом последовательно установлены жесткая манжета 3, мягкая манжета 4, еще одна жесткая манжета 3, а также проставочные кольца 5. Указанные детали образуют пакерующий (уплотнительный) узел, предназначенный для герметичного разобщения пространства внутри обсадной колонны над пакером и под ним. Над верхней жесткой манжетой 3 установлено кольцо нажимное 6 с уплотнением 7. К верхней части ствола при помощи герметичного резьбового соединения, выполненного, например, по ГОСТ 633-80, прикреплен гидравлический якорь 22 (гидроякорь), содержащий корпус 24, в котором установлены поршни 25, поджатые через пружины 27 планками 26, закрепленными на корпусе винтами 28. В нижней части корпуса гидроякоря выполнен узел разобщения пространства внутри колонны труб и затрубного пространства.
Узел разобщения пространства, представленный на фиг.2, содержит кольцевую проточку 32, выполненную с внутренней стороны корпуса 24 гидроякоря и соединенную с нижней торцевой поверхностью гидроякоря при помощи отверстий 30, расположенных параллельно осевому отверстию в стволе 1 пакера. В проходное отверстие гидроякоря установлен вкладыш 29, представляющий собой тонкостенный цилиндр с радиальными отверстиями 31 в местах расположения поршней 25 гидроякоря и кольцевой проточки 32, предохраняющий корпус гидроякоря от воздействия потока жидкости при прокачивании ее через пакер, при этом внутренний диаметр вкладыша равен внутреннему диаметру ствола с целью образования гладкого проходного канала.
Вариант узла разобщения пространства внутри колонны труб и затрубного пространства, представленный на фиг.3, отличается от описанного выше тем, что отверстия 31 во вкладыше 29 выполнены только в местах расположения поршней 25, а полости между поршнями 25 и вкладышем 29 соединены с кольцевой проточкой 32 при помощи каналов 33, выполненных на наружной поверхности вкладыша 29.
Узел разобщения, представленный на фиг.4, содержит нажимное кольцо 6, выполненное с высоким бортом, а нижняя часть корпуса 24 с радиальными отверстиями 30 и внутренней кольцевой проточкой 32 выполнена с возможностью размещения под бортом. Над отверстиями 30 под бортом нажимного кольца в кольцевой проточке, выполненной на поверхности корпуса гидроякоря, размещено кольцевое уплотнение 7. В рабочем положении пакера канал, образуемый радиальными отверстиями 31 во вкладыше 29, кольцевой проточкой 32 с внутренней стороны корпуса 24 гидроякоря и радиальными отверстиями 30, закрыт бортом нажимного кольца 6, плотно прилегающим к уплотнению 7.
В нижней части пакера расположен механический якорь, содержащий корпус 8 с установленными в корпусе фрикционными башмаками 12, поджатыми фиксатором 9 и подпружиненными с помощью пружин 13. В торцевых пазах корпуса башмаков, обращенных к конусу 2, установлены шлипсы 15, удерживаемые кольцом 14, зафиксированным винтами 21, и поджатые коническими пружинами 16. Снизу в корпусе башмаков размещена обойма 19, в которой установлены сухари 20, располагаемые под фиксатором 9, удерживаемым от поворота винтом 21. В нижней части ствола 1 выполнен замковый паз 17, имеющий короткий и длинный продольные участки, соединенные между собой, а под замковым пазом установлено кольцо упорное 23. В обойму вставлен палец 11, выполненный с возможностью перемещения в замковом пазе на стволе и удерживаемый крышкой 10, зафиксированной винтами 18.
При проведения работ в условиях высокого давления пакер удерживается в месте посадки при помощи гидравлического и механического якорей. Поршни 25 гидроякоря выполнены с зубцами высокой твердости, что позволяет увеличить их якорящую способность и износостойкость. Поршни устанавливаются в рабочее положение под действием давления жидкости, находящейся в колонне труб, на которой закреплен пакер, и препятствуют перемещению гидроякоря вверх. Шлипсы 15 механического якоря устанавливаются в рабочее положение при насадке на конус 2, они также снабжены зубцами высокой твердости, препятствующими перемещению механического якоря вниз при работе в обсадной колонне.
Устройство работает следующим образом. Пакер прикрепляют к колонне труб при помощи верхней присоединительной резьбы гидроякоря. Механический якорь устанавливают таким образом, что палец 11 находится в коротком продольном участке замкового паза 17 (транспортное положение), не допускающем перемещение механического якоря вдоль ствола до контакта шлипсов 15 с конусом 2, в результате чего невозможно выдвижение шлипсов. При спуске пакера на установочную глубину осевые отверстия 30 гидравлического якоря остаются открытыми, что обуславливает свободный проток (циркуляцию) жидкости из внутреннего канала пакера в затрубное пространство и наоборот. После спуска инструмента на заданную глубину приподнимают колонну труб для перевода пальца в длинный продольный участок паза 17 (рабочее положение). Фиксацию механического якоря, необходимую для перевода пальца в рабочее положение, обеспечивает сила трения, создаваемая подпружиненными фрикционными башмаками 12, прижатыми к обсадной колонне. После этого возможно зацепление шлипсов с конусом, их выдвижение и надежная фиксация механического якоря в обсадной колонне. После установки пакера в рабочее положение гидроякорь под действием осевой нагрузки направленной вниз, торцевой поверхностью, на которой выполнены осевые отверстия 30, прижимается к выполненному из эластомерного материала уплотнению 7 кольца нажимного 6 (либо, при выполнении узла разобщения по фиг.4, высокий борт нажимного кольца перекрывает отверстия 30 и прижимается внутренней поверхностью к уплотнению 7), в результате чего циркуляция жидкости становится невозможной. Под действием осевой нагрузки вниз конус 2 прижимает шлипсы 15 упрочненными зубьями к стенке обсадной колонны, фиксируя пакер. При увеличении сжимающей нагрузки гидроякорь сильнее прижимается торцевой поверхностью к нажимному кольцу, которое, в свою очередь, давит на пакерующий узел. Сжатые манжеты увеличиваются в диаметре и отсекают интервал обсадной колонны. При подаче давления в колонну труб, на которых закреплен пакер, поршни гидроякоря, радиально перемещаясь, прижимаются к обсадной колонне и обеспечивают дополнительную фиксацию пакера. Снятие пакера производится путем натяжения колонны труб. При натяжении колонны труб гидроякорь поднимается вверх и циркуляционные отверстия 30 открываются, в результате чего становится возможным переток жидкости, происходит выравнивание давления в трубах и затрубном пространстве, поршни 25 возвращаются в исходное положение, что обеспечивает более легкое освобождение пакерующего узла и снятие пакера. Палец выходит из длинного продольного участка фигурного паза, ствол 1, перемещаясь вверх, отодвигает вверх конус 2, шлипсы возвращаются в исходное положение под действием пружин 16.
В пакере применена оригинальная конструкция циркуляционного канала, образованного сквозными отверстиями в корпусе гидроякоря, позволяющего создать циркуляцию жидкости из полости пакера в затрубное пространство при натяжении колонны труб без снятия пакера. Закрытие канала выполняется разгрузкой колонны труб на пакер в процессе его посадки, либо когда пакер уже установлен. Применение такой конструкции узла разобщения затрубного пространства с внутренней полостью пакера, позволяет сократить количество деталей, необходимых для образования кольцевого продольного циркуляционного канала с наружной стороны ствола пакера, что снижает металлоемкость и габариты, упрощает конструкцию и позволяет увеличить диаметр проходного отверстия ствола пакера. Пакер является полнопроходным инструментом, что позволяет прокачивать через него большие объемы жидкости и беспрепятственно спускать перфораторы, каротажный инструмент и т.п. с помощью канатной техники.
Пример конкретного выполнения. Изготовлен опытный образец пакера ПВМ-ЯГО согласно схеме, представленной на фиг.1 и фиг.3 для применения в обсадной колонне диаметром 146,1 мм с толщиной стенки от 7 до 10,7 мм. Наружный диаметр пакера 120,5 мм, проходной диаметр (внутренний диаметр ствола) 62 мм, длина 1300 мм, масса 47 кг. В мм, проходной диаметр (внутренний диаметр ствола) 62 мм, длина 1300 мм, масса 47 кг. В верхней части корпуса гидроякоря выполнена верхняя присоединительная резьба - муфта а в нижней части ствола пакера выполнена присоединительная резьба - ниппель НКТ 73 по ГОСТ 633-80. Гидроякорь оснащен восьмью поршнями, расположенными по четыре (через каждые 90° по окружности) в два ряда, каждый поршень подпружинен двумя цилиндрическими спиральными пружинами. На расстоянии 69 мм от нижнего торца гидроякоря с внутренней стороны выполнена кольцевая проточка с диаметром дна 99 мм и шириной 20 мм, соединенная с нижней торцевой поверхностью при помощи шести сквозных отверстий диаметром 6 мм, равномерно расположенных на окружности диаметром 93 мм параллельно стволу пакера. В цилиндрическом вкладыше, расположенном в полости гидроякоря, напротив верхних поршней гидроякоря выполнены четыре радиальных отверстия диаметром 8 мм, расположенные в одной плоскости под углом 90°. Полости под поршнями, расположенными один над другим, соединены между собой, а также с полостью кольцевой проточки пятью продольными каналами шириной 5 мм, длиной 50 мм, глубиной 2,5 мм, выполненными с наружной стороны вкладыша. Гидроякорь и ствол пакера соединены между собой при помощи резьбы НКТ В73 по ГОСТ 633-80 с возможностью осевого смещения, обеспечивающего плотное прижатие нижней торцевой поверхности гидроякоря к уплотнению нажимного кольца уплотнительного (пакерующего) узла, выполненному из эластомерного материала (резины) твердостью 90 единиц по Шору. Уплотнительный узел содержит последовательно расположенные под кольцом нажимным жесткую манжету, кольцо проставочное, мягкую манжету, второе кольцо проставочное, вторую жесткую манжету, конус с углом от оси пакера 20°. Механический якорь, расположенный под уплотнительным узлом, оснащен четырьмя шлипсами с верхними кромками, соответствующими конусу, шлипсы подпружинены коническими пружинами. Под шлипсами расположен корпус (посадочный узел механического якоря) с пятью башмаками, каждый из которых подпружинен пятью С-образными пластинчатыми пружинами.