УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПАКЕРА
PACKING UNIT FOR PACKER

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к уплотнительным элементам, используемым в устройствах для герметичного разобщения интервалов обсадной колонны скважины (пакерах).
Уплотнительные элементы пакеров обеспечивают перекрытие требуемого интервала скважины при повышенном давлении рабочей среды (вода, нефть, в том числе особо вязкая, с содержанием сероводорода, механических примесей, газ, газовый конденсат и т.п.). Для приведения в действие уплотнительных элементов необходимо приложить усилие определенной величины со стороны бурильной или насосно-компрессорной колонны, чтобы преодолеть упруго-деформационные свойства эластичного элемента. После происходит герметизация требуемого интервала скважины.
Для предотвращения затекания эластичного материала уплотнительного элемента в кольцевой зазор между корпусом пакера и стенками скважины были изобретены раздвижные опоры пакера (патенты №2144129, опубл. 10.01.2000 и №2105864, опубл. 27.02.1998, МПК Е21В 33/12, патентообладатель: Нагуманов М.М.).
К недостаткам применения раздвижных опор в составе пакера относится то, что после использования пакера в скважине, при возврате раздвижных опор в транспортное положение, происходит защемление уплотнительных элементов между раздвижными опорами и вырыв кусочков эластичного материала с поверхности уплотнительного элемента. Также к недостаткам относится то, что при распакеровке происходит выкрашивание уплотнительных элементов в месте их контакта с раздвижными опорами.
Известен уплотнительный элемент пакера, состоящий из упругой среды, внутри которой по высоте уплотнительного элемента размещены пружинящие элементы, выполненные в виде спиральной пружины, закрепленной на опорах уплотнительного элемента (патент США №3252707, кл. 277-181, опубл. 24.05.1966).
Известен уплотнительный элемент пакера, состоящий из упругой среды, внутри которой по всей высоте уплотнительного элемента размещены пружинящие элементы (ав. св. СССР №905431, Е21В 33/12, опубл. 15.02.82, Бюллетень №6). В известном уплотнительном элементе с целью уменьшения величины затекания его в кольцевое пространство скважины, пружинящие элементы выполнены из стержней, имеющих в средней части сферические участки, а по краям цилиндрические, соединенные между собой эластичными кольцами.
Недостатком вышеперечисленных известных уплотнительных элементов является возможность затекания в процессе эксплуатации пакера, эластичного материала уплотнительного элемента в кольцевой зазор между корпусом пакера и стенками скважины.
Известна манжета пакера, содержащая эластичный элемент, армированный металлическими элементами, и втулку, армирующие металлические элементы выполнены в виде двух металлических цанг лепестковой конструкции конической формы, жестко закрепленных на втулке и расположенных коаксиально с перекрытием зазоров между лепестками. При этом лепестки внутренней металлической цанги короче лепестков внешней металлической цанги. Кроме того, эластичный элемент выполнен в виде кольца с трапециедальной формой продольного осевого сечения, при этом наружная поверхность кольца представляет собой два сопряженных участка цилиндрической и усечено-конической формы (патент RU №81249, Е21В 33/12, опубл. 10.03.2009).
К недостаткам известной манжеты пакера относится возможность разрезания эластичного элемента в месте его контакта с металлическими цангами на две части - внешнюю и внутреннюю. Данное явление может привести к оставлению внешней части манжеты в обсадной колонне в виде «чулка» при извлечении пакера из скважины.
Известен пакер разбуриваемый, в котором используется уплотнительный элемент, включающий эластичную манжету и антизатекатель в виде металлических экструзионных шайб (а.с. № 751961, Е21В 33/12, опубл. 30.07.1980 г.).
При посадке пакера происходит радиальная деформация уплотнительного элемента, сопровождающаяся разжимом в радиальном направлении экструзионных шайб до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны. Тем самым обеспечивается защита манжеты от затекания в кольцевой зазор между стенкой скважины и корпусом пакера за счет сведения к минимуму размера данного зазора. Однако при необходимости съема пакера с места установки возможно возникновение проблем из-за того, что экструзионные шайбы, входящие в контакт со стенкой обсадной колонны, препятствуют подъему пакера или же резко увеличивают осевую нагрузку на колонну труб. Даже если срыв пакера был произведен, возможно взаимодействие экструзионных шайб с обсадной колонной при подъеме пакера на поверхность.
Известен уплотнительный узел термостойкого пакера, содержащий ствол с муфтой, тягу с разжимным конусом плашек якоря, мандрель в осевом канале ствола, уплотнение в расточке переходника, поджатое грундбуксой через хвостовик, уплотнитель термостойкого пакера между верхней и нижней опорами, снабженными экструзионными шайбами. Нижняя опора пакера снабжена продольными пазами, равномерно размещенными по периметру, и жестко связана с верхним концом тяги разжимного конуса обоймой, на наружной поверхности с внутренними выступами, входящими в продольные пазы с возможностью осевого перемещения. Тяга снабжена гайкой и бандажом, установленным с возможностью охвата нижней опоры и образованием зазора с торцом обоймы. Уплотнение мандрели снабжено скребком в виде кольца с внутренней расточкой и продольными пазами на торцовых поверхностях, установленным во внутренней проточке хвостовика с возможностью взаимодействия с грундбуксой и наружной поверхностью мандрели (патент №2440483, Е21В 33/12, опубл. 20.01.2012 г.).
К недостаткам известного уплотнительного узла относится риск заклинивания нижних экструзионных шайб из-за их деформации в месте контакта с обоймой. Вследствие чего возврат верхних и нижних экструзионных шайб в исходное положение может быть затруднен или невозможен.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение затекания резины в уплотняемый зазор, отсутствие разрушения резины при распакеровке и обеспечение гарантированного возврата раздвижного кольца в исходное положение при необходимости извлечения пакера.
Для достижения поставленного технического результата уплотнительный узел пакера, согласно изобретению, состоит из герметизирующего элемента и раздвижного кольца, образованного рядами внешних и внутренних сегментов, уложенных с взаимным перекрытием, при этом сегменты рядов выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга, каждый внешний сегмент соединен с двумя внутренними сегментами, причем внешний сегмент соединен с одним из внутренних сегментов подвижно посредством штифта, а с другим жестко, при помощи заклепки, на внешних сегментах выполнен паз под штифт и отверстие под заклепку, на внутренних сегментах выполнено отверстие под штифт и отверстие под заклепку, при этом раздвижное кольцо закреплено на одном из торцов герметизирующего элемента при помощи штифта, выполненного в виде стержня со шляпками, расположенными по обоим концам стержня, причем одна из шляпок имеет возможность движения по пазу внешнего сегмента, а другая, совместно с частью стержня внедрена в герметизирующий элемент.
На фиг.1 изображен уплотнительный узел пакера. На фиг.2 представлено раздвижное кольцо уплотнительного узла пакера - вид сверху. На фиг.3 представлено раздвижное кольцо уплотнительного узла пакера - вид сбоку. На фиг.4 показан внешний сегмент раздвижного кольца. На фиг.5 представлен внутренний сегмент раздвижного кольца.
Уплотнительный узел пакера (фиг.1) содержит герметизирующий элемент 1 и установленное на одном из его торцов раздвижное кольцо 2. Раздвижное кольцо 2 образовано рядами внешних 3 и внутренних 4 сегментов (фиг.2, 3). Ряды внешних 3 и внутренних 4 сегментов уложены с взаимным перекрытием. Сегменты рядов выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга. Каждый внешний сегмент 3 соединен с двумя внутренними сегментами 4. При этом внешний сегмент 3 соединен с одним из внутренних сегментов 4 подвижно посредством штифта 5, а с другим жестко при помощи заклепки 6. На внешних сегментах 3 (фиг.4) выполнен паз 7 под штифт 5 и отверстие 8 под заклепку 6. На внутренних сегментах 4 (фиг.5) выполнено отверстие 9 под штифт 5 и отверстие 10 под заклепку 6. Штифт 5 (фиг.3) выполнен в виде стержня 11 с верхней 12 и нижней 13 шляпками. Верхняя 12 и нижняя 13 шляпки расположены по обоим концам стержня 11. Верхняя шляпка 12 имеет возможность движения по пазу 7 внешнего сегмента 3. Нижняя шляпка 13, совместно с частью стержня 11 внедрена в герметизирующий элемент 1 (фиг.1).
Уплотнительный узел пакера (фиг.1) работает следующим образом. Уплотнительный узел устанавливают на штоке пакера (на фиг.1 не показан). Для приведения в действие уплотнительного узла пакера необходимо приложить осевую нагрузку на пакер со стороны колонны труб в скважине. Штифты 5 перемещаются по пазам 7 внешних сегментов 3 (фиг.2, 3). Ряд из внешних сегментов 3 перемещается относительно ряда из внутренних сегментов 4. При этом за счет высокой эластичности и высоких температур, герметизирующий элемент 1 стремится заполнить собой пространство между корпусом пакера и стенками скважины. Раздвижное кольцо 2, установленное на торцевой части герметизирующего элемента 1 (фиг.1), перекрывает пространство, тем самым препятствуя затеканию в процессе эксплуатации пакера, эластичного материала герметизирующего элемента 1 в кольцевой зазор между корпусом пакера и стенками скважины.
Таким образом, предлагаемый уплотнительный узел пакера обеспечивает повышение герметизирующих свойств пакеров, осуществление гарантированного возврата раздвижного кольца в исходное положение при извлечении пакера, надежность и долговечность работы пакеров за счет исключения затекания эластичного материала герметизирующего элемента в кольцевой зазор между корпусом пакера и стенками скважины, предотвращения разрушения резины при распакеровке.