Пакер для многостадийного гидроразрыва пласта

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть применена для проведения поинтервального многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) в скважинах преимущественно с горизонтальным окончанием или боковых стволах реанимируемых скважин.
Известно устройство для проведения многостадийного гидроразрыва пласта (патент RU №2668209).
Устройство для проведения многостадийного гидроразрыва пласта включает муфту для проведения МГРП, седло для открытия муфты и шар для перекрытия сечения седла, при этом муфта имеет герметичную втулку. Втулка муфты имеет профиль для зацепления седла с соответствующим седлом, имеющим ответный профиль при его продавливании по стволу скважины. Неудобством при использования данного устройства является необходимость заранее устанавливать муфты в колонну спускаемых в скважину труб.
Известен пакер для многостадийного гидроразрыва пласта (патент US №9835003). Устройство содержит установочный клин с конусной наружной поверхностью, со сквозным цилиндрическим отверстием и посадочным местом под пробку, предназначенную для герметичного перекрытия сквозного цилиндрического отверстия, уплотнительную манжету, надетую на установочный клин и шлипсовый узел с зубьями на наружной поверхности. В шлипсовом узле выполнено сквозное отверстие, с конусной поверхностью, сопрягающейся с наружной конусной поверхностью установочного клина. При установке пакера в трубе скважины с помощью скважинного оборудования шлипсовый узел напрессовывается на установочный клин. При скольжении конусных поверхностей щлипсового узла и установочного клина друг по другу происходит их заклинивание в трубе скважины.
Для обеспечения прочного заклинивания угол конусных поверхностей установочного клина и шлипсового узла выполнен достаточно малым, что может быть причиной слишком раннего преждевременного заклинивания и недостаточно плотного прижатия уплотнительной манжеты к уплотняемым поверхностям трубы скважины и установочного клина. В таком случае необходимая герметичность установленного пакера не будет обеспечена.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является укороченный пакер с большим проходным отверстием (патент US №9677375), применяемый для многостадийного гидроразрыва пласта.
Данное устройство содержит цилиндрический корпус со сквозным отверстием вдоль его длинной оси и гнездом под пробку, предназначенную для герметичного перекрытия данного отверстия в корпусе, шлипсы с зубьями, установочные кольца и уплотнительный элемент. липсы и установочные кольца выполнены с конусными поверхностями. Конусные поверхности шлипсов и установочных колец входят между собой в зацепление таким образом, что при установке пакера в скважинной трубе при перемещении установочных колец на шлипсы действует направленная радиально от длинной оси пакера выдавливающая сила.
Пакер данной конструкции имеет тонкие стенки корпуса и, при его установке в скважине и перекрытии сквозного отверстия в корпусе пробкой, под воздействием большого перепада давления в процессе гидроразрыва пласта возможна деформация стенок пакера и его разрушение. Кроме того, даже при небольшой деформации корпуса пакера велика вероятность нарушения герметичности уплотнительного элемента.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение прочности и надежности работы устройства, расширение диапазона его рабочих гидравлических давлений, при сохранении большого диаметра проходного отверстия, удешевление устройства.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в пакере для многостадийного гидроразрыва пласта, содержащем цилиндрический корпус со сквозным осевым отверстием круглого сечения и выполненным в верхней части корпуса посадочным местом под пробку, предназначенную для герметичного перекрытия сквозного осевого отверстия; надетые на корпус: два шлипсовых узла, верхний и нижний, с зубьями на своей наружной поверхности, установочные кольца, расположенные по обеим сторонам каждого шлипсового узла, - причем шлипсовые узлы и установочные кольца сопрягаются между собой по выполненным на них конусным поверхностям таким образом, что при сдвиге установочных колец навстречу друг другу на шлипсовый узел действует сила, направленная радиально от оси цилиндрического корпуса, и уплотнительный элемент, расположенный между шлипсовыми узлами, - зубья на поверхности шлипсовых узлов, верхнего и нижнего, направлены в сторону нижней части цилиндрического корпуса, а уплотнительный элемент состоит из набора периодически чередующихся колец, выполненных, первые - из упругого эластичного, а вторые - из твердого материала.
Кроме того заявляется полезная модель с вышеописанными признаками, в которой в установочном кольце, контактирующем с нижним шлипсовым узлом со стороны нижней части цилиндрического корпуса, выполнены посадочные места под разрушаемые элементы, предназначенные для соединения пакера с оборудованием, устанавливающем пакер в скважине.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности работы устройства, расширение рабочего диапазона по гидравлическим давлениям, применяемым при гидроразрыве пластов, возможности использовать при изготовлении более доступные дешевые материалы при сохранении достаточной прочности конструкции и проходного отверстия большого диаметра.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фиг. 1, на которой изображен общий вид устройства. На фиг. 1 позициями 1-10 обозначены:
1 - корпус;
2 - сквозное отверстие в корпусе;
3 - посадочное место под пробку;
4 - верхний шлипсовый узел;
5 - нижний шлипсовый узел;
6 - установочное кольцо;
7 - уплотнительный элемент;
8 - упругое кольцо уплотнительного элемента;
9 - твердое кольцо уплотнительного элемента;
10 - посадочные места разрушаемых элементов.
Основным силовоспринимающим элементом конструкции пакера является корпус 1. Корпус 1 имеет цилиндрическую форму, вдоль длинной оси которого выполнено сквозное отверстие большого диаметра 2.
В верхней части корпуса 1 выполнено посадочное место 3 под уплотнительную пробку.
Остальные элементы конструкции: шлипсовые узлы 4 и 5, установочные кольца 6, уплотнительный элемент 7, - надеты на внешнюю цилиндрическую поверхность корпуса с возможностью перемещения.
Верхний 4 и нижний 5 шлипсы расположены между установочными кольцами 6. Шлипсы и установочные кольца сопрягаются между собой выполненными на них конусными поверхностями. Зубья на внешней поверхности шлипсов 4 и 5 направлены в одну сторону: в сторону нижней части корпуса 1.
Уплотнительный элемент 7 расположен между верхним 4 и нижним 5 шлипсом и граничит с обеих сторон с установочными кольцами 6.
Уплотнительный элемент представляет собой многорядное уплотнение, состоящее из набора периодически чередующихся колец, выполненных, первые 8 - из упругого эластичного материала, вторые 9 - из твердого материала.
На нижнем установочном кольце выполнены посадочные места 10 под разрушаемые элементы, предназначенные для соединения пакера с оборудованием, устанавливающем пакер в скважине.
Корпус 1, установочные кольца 6 могут быть изготовлены из известных в технике металлических или полимерных материалов, достаточной прочности.
Шлипсы 4 и 5 должны быть изготовлены из материалов высокой твердости, например закаленных сплавов или чугуна. Шлипсы могут иметь монолитную конструкцию, либо представлять собой узел собранный из отдельных деталей. Зубья шлипсов могут быть сформированы на самих деталях, например нарезкой, либо вставлены в тело шлипсов, либо выполнены по другой технологии, известной из уровня техники.
Кольца 8 и 9 могут иметь, предпочтительно, прямоугольное сечение и быть изготовлены: первые 8 - из резины или полимерных материалов, способных упруго деформироваться, иметь достаточную прочность и устойчивость к истиранию; вторые 9 - из металлических сплавов, полимеров и других известных твердых материалов.
Пакер для многостадийного гидроразрыва пласта работает следующим образом.
Для спуска и установки пакера в скважине на заданной глубине применяется специализированное серийное скважинное оборудование: установочные гидравлические, электромеханические или взрывные камеры. Пакер соединяется с установочной камерой с помощью переходника - адаптера.
На фиг. 2 показан один из вариантов соединения пакера с установочной камерой через адаптер, где позициями: 4, 5, 7, 11-17, - бозначены:
4 - верхний шлипсовый узел;
5 - нижний шлипсовый узел; 7 - уплотнительный элемент;
11 - стержень адаптера;
12 - резьбовой конец адаптера;
13 - головка адаптера;
14 - установочная камера;
15 - резьбовая шпилька (разрушаемый элемент);
16 - верхняя часть корпуса пакера;
17 - нижнее установочное кольцо.
Адаптер содержит стержень 11, с резьбой 12 на верхнем конце для соединения с установочной камерой 14 (полностью не показана) и головкой 13 на нижнем конце для соединения с пакером.
Адаптер резьбовым концом 12 ввинчивают в тягу (не показана) установочной камеры 14. Пакер надевается на адаптер и соединяется с ним с помощью разрушаемых элементов 15, например резьбовых шпилек со срезными шейками, рассчитанными на заданное усилие среза. Верхним концом корпуса 16 пакер упирается в торец установочной камеры 14.
По сигналу с дневной поверхности установочная камера начинает работать, при этом ее тяга уходит вглубь корпуса камеры и втягивает за собой соединенный с ней адаптер. На нижнее установочное кольцо 17, соединенное разрушаемыми элементами 15 с головкой адаптера 13, начинает действовать сила, направленная вдоль длинной оси корпуса пакера в верхнем направлении. Нижнее установочное кольцо 17 в свою очередь перемещается вдоль корпуса пакера и передает силовое воздействие на выше расположенные элементы конструкции пакера: нижний шлипсовый узел 5, следующие установочные кольца, уплотнительный элемент 7, верхний шлипсовый узел 4.
При этом происходит сжатие и деформация упругих колец уплотнительного элемента и выдавливание шлипсовых узлов 4, 5 установочными кольцами в радиальном направлении к стенкам скважины.
После плотного прижатия зубьев шлипсовых узлов и упругих колец уплотнительного элемента к стенкам скважины сила воздействия со стороны установочной камеры начинает возрастать и при достижении заданной величины происходит разрушение элементов 15. Адаптер отцепляется от пакера и поднимается вместе с установочной камерой на дневную поверхность. Пакер остается в скважине, прочно закрепленным за ее стенки.
При проведении операции гидроразрыва пласта в скважину сбрасывают пробку для герметичного перекрытия отверстия в корпусе пакера. Пробка обычно представляет собой шар из металлических сплавов или полимерных материалов. После этого в скважине насосами поднимают гидравлическое давление.
Затем эти операции повторяют многократно на следующих вышележащих интервалах скважины.
Установленный в скважине пакер с пробкой должен герметично перекрыть скважину и выдержать создаваемый перепад гидравлического давления, который может достигать высоких значений, порядка 70 МПа.
При таких перепадах давления сила, действующая на пакер, может достигать величины нескольких десятков тонн, что в несколько раз больше усилия постановки пакера в скважине, развиваемой установочной камерой.
Чтобы предотвратить передачу силового воздействия такой большой величины на уплотнительный элемент верхний шлипсовый узел выполнен с зубцами, направленными в сторону нижней части пакера. При этом зубцы шлипсового узла врезаются в стенки скважины и принимают нагрузку на себя, защищая уплотнительный элемент от избыточного силового воздействия. При ориентации шлипсовых узлов, как в серийных выпускаемых промышленностью шлипсовых пакерах, с зубьями, наклоненными в противоположные стороны, это избыточное силовое воздействие приводит к возникновению больших напряжений в районе расположения уплотнительного элемента и, как правило, к продавливанию и разрушению тонкостенного корпуса пакера, а также к нарушению герметичности и сдвигу пакера с места постановки.
Применяемое в заявляемом устройстве техническое решение позволяет использовать для изготовления пакера менее прочные и более дешевые материалы, при сохранении необходимой прочности корпуса пакера.
Исполнение уплотнительного элемента в виде многорядного уплотнения дополнительно существенно повышает надежность пакера и гарантирует обеспечение герметичного уплотнения между стенками скважины и пакером при тяжелых условиях эксплуатации и высоких гидравлических перепадах давлениях.
Заявляемое устройство успешно прошло заводские испытания на одном из предприятий г. Саратова, подтвердило свою работоспособность и надежность.