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, включающий эластичный элемент в форме полого цилиндра с кольцевыми канавками на внешней поверхности, выполненный из набухающего в скважинных жидкостях эластомера, и упорные кольца у его концевых участков [Патент на полезную модель №86650, E21B 33/12, 2009].
Недостатком уплотнительного узла пакера является недостаточная жесткость эластичного элемента в радиальном направлении и невысокая герметизирующая способность, обусловленная тем, упорные кольца не способны в значительной степени противодействовать выдавливанию и разрушению эластичного элемента при действии перепада давления. Это существенно снижает надежность спуска узла в скважину и ограничивает область его применения.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является уплотнительный узел пакера, включающий эластичный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный в форме полого цилиндра, упорные кольца, размещенные у концевых участков эластичного элемента, и противоэкструзионную защиту эластичного элемента, размещенную у его концевых участков и выполненную в виде ступенчатой втулки, имеющей возможность деформирования в радиальном направлении, и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины, установленных между упорными кольцами и концевыми участками эластичного элемента, при этом верхняя ступень втулки выполнена с продольными разрезами в окружном направлении [Патент на полезную модель №108095, E21B 33/12, 2011].
Недостатком уплотнительного узла пакера является недостаточная жесткость эластичного элемента в радиальном направлении, а также недостаточная способность противоэкструзионной защиты обеспечивать надежную работу эластичного элемента по герметизации ствола скважины при высоких перепадах давления. Это ограничивает его применение для изоляции пластов, например, при проведении гидроразрыва и других технологических операциях в скважине, связанных с повышенными перепадами давления.
Техническим результатом полезной модели является повышение герметизирующей способности и надежности работы уплотнительного узла пакера при высоких перепадах давления.
Необходимый технический результат достигается тем, что уплотнительный узел пакера включает эластичный элемент, выполненный в форме полого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, и противоэкструзионные защиты эластичного элемента, размещенные у его концевых участков и содержащие каждая металлическое упорное кольцо, металлическую втулку с внутренними кольцевыми расточками в ее концевых участках, причем один из концевых участков втулки жестко связан с упорным кольцом и имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка которого выполнена более прочной, чем сама втулка, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении, кольцевую цилиндрическую манжету из ненабухающей резины, один из концевых участков которой размещен во внутренней кольцевой расточке концевого участка втулки с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента, и герметизирующий элемент, размещенный в кольцевой расточке концевого участка втулки, жестко связанного с упорным кольцом.
Для лучшего взаимодействия концевые участки эластичного элемента и контактирующие с ними концевые участки манжет могут быть выполнены конусообразными, а наружная поверхность концевых участков манжет, размещенных во внутренней кольцевой расточке втулок, покрыта слоем высокомодульного полимерного пленочного материала.
Кроме того, для надежного спуска уплотнительного узла в скважину эластичный элемент может быть снабжен армирующим слоем, закрепленным на его внутренней поверхности, а на его наружной поверхности может быть нанесен защитный слой для замедления процесса набухания.
В частном исполнении эластичный элемент может быть выполнен из двух частей, разделенных проставочным кольцом, а узел герметизации в виде набора, включающего металлическое кольцо прямоугольного сечения, фоторопластовые и резиновые кольца, при этом металлическое кольцо может быть выполнено заодно целое с упорным кольцом.
На фиг. 1 изображен уплотнительный узел пакера в транспортном положении; на фиг. 2 - узел A (исполнение 1) на фиг. 1; на фиг. 3 - узел A (исполнение 2) на фиг. 1; на фиг. 4 - узел A (исполнение 3) на фиг. 1.
Уплотнительный узел пакера (фиг. 1) в частном исполнении состоит из эластичного элемента, выполненного из двух симметричных частей 1, между которыми размещено проставочное кольцо 2 с одним, по крайней мере, радиальным отверстием 3. Части 1 эластичного элемента выполнены из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеют форму полого цилиндра. У несмежных концевых участков частей 1 эластичного элемента размещены противоэкструзионные защиты (узел A на фиг. 1), которые предотвращают разрушение эластичного элемента при действии перепада давления. Варианты исполнения узла A представлены на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
Узел A каждого исполнения содержит металлическое упорное кольцо 4, металлическую втулку 5, в концевых участках 6 и 7 которой выполнены внутренние кольцевые расточки 8 и 9, кольцевую цилиндрическую манжету 10 из ненабухающей резины и герметизирующий элемент, который размещен в кольцевой расточке 8 и содержит металлическое кольцо 11, фторопластовое 12 и резиновое 13 кольца, при этом металлическое кольцо 11 может быть выполнено за одно целое с упорным кольцом 4 (фиг. 4).
Концевой участок 6 втулки 5 имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка 14 которого выполнена из более прочного металла, чем сама втулка 5. Оболочка 14 может быть установлена на концевой участок 6 любым способом, известным из уровня техники. Более предпочтительным является установка оболочки 14 с жесткой фиксацией на концевом участке 6, например, с помощью запрессовки. Другой концевой участок 7 втулки 5 на части своей длины выполнен с продольными разрезами 15 (фиг. 1), образуя лепестки в окружном направлении, и способен деформироваться наружу в радиальном направлении. Концевой участок 6 втулки 5 жестко связан с упорным кольцом 4. Жесткая связь данных элементов может быть обеспечена различными способами. В первом исполнении узла A (фиг. 2) жесткая связь может быть обеспечена с помощью сварки (на фиг. 2 не показана). Во втором исполнении (фиг. 3) жесткая связь обеспечивается через наружную обечайку 14, которая жестко зафиксирована на концевом участке 6, и может быть закреплена на кольце 4 с помощью, по крайней мере, одного винта 18, являющегося одновременно и винтом для фиксации упорного кольца 4. В третьем исполнении (фиг. 4) жесткая связь обеспечивается, по крайней мере, одним стопорным или срезным винтом (на фиг. 4 не указан), который связывает концевой участок 6 с кольцом 11, выполненным за одно целое с упорным кольцом 4. Применение срезного винта в данном исполнении, при определенных условиях, может обеспечить дополнительное уплотнение частей 1 эластичного элемента. Возможны и другие способы обеспечения жесткой связи концевого участка 6 втулки 5 с упорным кольцом 4, известные из уровня техники.
Кольцевая манжета 10 из ненабухающей резины установлена между втулкой 5 и эластичным элементом, при этом один из ее концевых участков размещен во внутренней расточке 9 втулки 5, а другой контактирует с концевым участком части 1 эластичного элемента. Для лучшего взаимодействия контактирующие между собой концевой участок манжеты 10 и части 1 эластичного элемента выполнены конусообразными, а наружная поверхность концевого участка кольцевой манжеты 10, размещенного в кольцевой расточке 9 втулки 5, в интервале продольных разрезов 15 покрыта слоем высокомодульного полимерного пленочного материала (на фигурах не показано).
Для повышения жесткости и безаварийного спуска уплотнительного узла в скважину части 1 эластичного элемента из набухающего эластомера снабжены армирующим слоем (на фиг. 1 не показан) из тканого либо нетканого материала, например, из полиамидной или хлопчатобумажной ткани, как это описано в патенте №140323, а на их наружную поверхность может быть нанесен защитный слой для замедления процесса набухания.
Для применения на скважине уплотнительный узел устанавливается на базовую трубу 16, свинченную с муфтой 17, на концевых участках которых выполнены присоединительные резьбы обсадных или насосно-компрессорных труб (на фиг. 1 не указаны). Установка узла на трубу 16 может производиться как с упором, так и без упора в муфту 17. Упорное кольцо 4 каждой противоэкструзионной защиты фиксируется на трубе 16, по крайней мере, одним стопорным винтом 18 или другими способами, известными из уровня техники, а герметизацию внешней поверхности трубы 16 в зоне контакта с втулкой 5 обеспечивает набор, включающий металлическое кольцо 11, фторопластовое 12 и резиновое 13 кольца. Проставочное кольцо 2 также фиксируется от осевых перемещений на трубе 16 (на фиг. 1 не показано). Такая конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает надежную герметизацию пространства в скважине при действии высоких перепадов давления, действующих как с одной стороны, так и с другой.
Уплотнительный узел пакера работает следующим образом.
В зависимости от геолого-технических и технологических условий в скважине уплотнительный узел оснащается либо водонабухающим, либо нефтенабухающим, либо водонефтенабухающим эластичным элементом с заданными параметрами по набуханию. Для применения на скважине уплотнительный узел устанавливается на базовую трубу 16 с упором или без упора в муфту 17. Установка всех элементов уплотнительного узла на трубу 16 может производиться на заводе-изготовителе или непосредственно на производственных базах нефтегазодобывающих компаний. При необходимости, на наружную поверхность высокоактивного эластичного элемента наносится защитный слой для замедления процесса его набухания в период спуска.
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 интервалов пласта, например, при проведении многостадийного гидроразрыва пласта (далее по тексту МСГРП). Во время спуска армирующий слой (не показан) препятствует радиальной деформации частей 1 эластичного элемента под действием гидродинамики скважинной жидкости и преждевременному их разрушению.
После спуска, в интервале установки уплотнительного узла, в зависимости от типа набухающего эластомера создается специальная нефтяная или водяная ванна для активации и ускорения процесса набухания эластичного элемента. Части 1 эластичного элемента взаимодействуют со скважинной жидкостью и набухают до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны, обеспечивая надежную изоляцию заданных интервалов в скважине. При действии высокого перепада давления, который создается при МСГРП за счет большой скорости закачки жидкости в пласт, части 1 эластичного элемента передают осевую нагрузку и давление на манжету 10 и деформируют ее и концевой участок 7 втулки 5 наружу в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Концевой участок 6 втулки 5, укрепленный более прочной оболочкой 14, не разрушается при действии давления, обеспечивает целостность втулки 5 и надежную работу герметизирующего элемента, размещенного в ее кольцевой расточке 8. Это обеспечивает герметичное перекрытие кольцевого зазора между втулкой 5 и открытым стволом скважины и предотвращает выдавливание и разрушение частей 1 эластичного элемента под действием перепада давления.
Такая конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает надежный спуск и установку его в скважине и способна выдерживать высокие перепады давления при таких технологических операциях в скважине как гидравлический разрыв пласта или изоляция межпластовых перетоков в скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями.