ПАКЕР

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.
Известен пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент в форме полого цилиндра с упорными кольцами на концевых участках, выполненный из набухающего в скважинных жидкостях эластомера [Патент на полезную модель №86650, Е21В 33/12, 2009].
Недостатком пакера является недостаточная герметизирующая способность уплотнительного элемента, обусловленная ограниченными возможностями упорных колец по предотвращению выдавливания и разрушения разбухшего эластомера при действии перепада давления, что существенно снижает надежность его работы в скважине и ограничивает область применения.
Известен пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера в форме полого цилиндра с упорными кольцами на концевых участках и противоэкструзионную защиту в виде Г-образных разрезных колец, размещенных между упорными кольцами и концевыми участками уплотнительного элемента [Патент США №7874354, 2011].
Недостаток конструкции пакера заключается в сложности изготовления Г-образных колец с многочисленными продольными надрезами и их слабые противоэкструзионные свойства, особенно, при действии высоких перепадов давления, что снижает надежность работы пакера в скважине и ограничивает область его применения.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух частей, разделенных проставочным кольцом и имеющих форму полых цилиндров, концевые участки которых, по крайней мере, с одной стороны, имеют наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у несмежных концевых участков частей уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, противоэкструзионную защиту частей уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатых втулок и размещенных в них кольцевых цилиндрических манжет из ненабухающей резины, установленных на стволе у концевых участков частей уплотнительного элемента с наружной конической поверхностью, при этом манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента, а верхние ступени втулок выполнены тонкостенными с возможностью деформирования в радиальном направлении [Патент на полезную модель №108095, Е21В 33/12, 2011].
Недостатком пакера является то, что набухание уплотнительных элементов, особенно в скважинных жидкостях с низкой температурой или высокой минерализацией, является достаточно длительным по времени процессом и не всегда обеспечивает надежную герметизацию при разобщении пространства в скважине, что ограничивает его технологические возможности.
Техническим результатом полезной модели является сокращение времени для установки пакера, повышение его герметизирующей способности и расширение его технологических возможностей.
Необходимый технический результат достигается тем, что пакер включает полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух частей, разделенных проставочным кольцом и имеющих форму полых цилиндров, концевые участки которых, по крайней мере, с одной стороны, имеют наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у несмежных концевых участков частей уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, противоэкструзионную защиту частей уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатых втулок и размещенных в них кольцевых цилиндрических манжет из ненабухающей резины, установленных на стволе у концевых участков частей уплотнительного элемента с наружной конической поверхностью, при этом манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента, а верхние ступени втулок выполнены тонкостенными с возможностью деформирования в радиальном направлении. Согласно полезной модели пакер снабжен кольцевым поршнем с наружной резьбовой поверхностью и охватывающим его ступенчатым толкателем, установленными на стволе между частями уплотнительного элемента с возможностью осевого перемещения во взаимно противоположные стороны и поджатия частей уплотнительного элемента и образующими со стволом кольцевую полость, стопорным кольцом, размещенным в кольцевой полости и жестко связанным со стволом, разрезным кольцевым фиксатором с внутренней резьбовой поверхностью, установленным в концевом участке верхней ступени толкателя и имеющим возможность взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью поршня, при этом в стволе выполнено одно, по крайней мере, радиальное отверстие для гидравлической связи полости ствола с кольцевой полостью, а концевой участок верхней ступени толкателя связан с проставочным кольцом одним, по крайней мере, срезным элементом.
Для лучшего взаимодействия концевых участков частей уплотнительного элемента с противоэкструзионной защитой верхняя тонкостенная ступень втулки может быть выполнена с продольными разрезами в окружном направлении и иметь внутреннюю коническую поверхность, при этом взаимодействующий с ней второй концевой участок цилиндрической манжеты выполнен с наружной конической поверхностью (фиг.1 и фиг.2).
Кроме того, для улучшения герметизации внутри нижних ступеней втулок в кольцевой канавке может быть установлено, по крайней мере, одно уплотнительное кольцо.
Для доступа скважинной жидкости к внутренней поверхности уплотнительного элемента в проставочном кольце и нижней ступени толкателя могут быть выполнены, по крайней мере, по одному радиальному отверстию.
Кроме того, проставочное кольцо может быть жестко связано с взаимодействующим с ним концевым участком поршня. Это повышает надежность передачи осевой нагрузки от поршня при поджатии соответствующей части уплотнительного элемента.
В частном исполнении одна, по крайней мере, из частей уплотнительного элемента может быть выполнена из ненабухающего в скважинных жидкостях эластомера, например, из бутадиен-нитрильной или гидрированной бутадиен-нитрильной резины. Это способствует сокращению времени на установку пакера и повышению в целом его герметизирующей способности.
На фиг.1 изображен пакер в транспортном положении; на фиг.2 - узел А на фиг.1 (Исполнение 2); на фиг.3 - узел А на фиг.1 (Исполнение 3); на фиг.4 - пакер по варианту 2 в транспортном положении.
Пакер (фиг.1) в частном исполнении состоит из полого ствола 1, на котором установлен уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух симметрично расположенных частей 2 и 3, которые имеют форму полых цилиндров, сформированных из эластомера, разбухающего при взаимодействии, например, с пластовой водой в скважине. Несмежные концевые участки 4 и 5 частей уплотнительного элемента имеют наружную коническую поверхность. На стволе 1 у обоих концевых участков 4 и 5 частей уплотнительного элемента установлены соответственно упорные кольца 6 и 7, которые жестко закреплены на стволе любым, известным из уровня техники, способом, например, стопорными винтами соответственно 8 и 9. Между упорными кольцами 6 и 7 и соответствующими концевыми участками 4 и 5 частей уплотнительного элемента установлена противоэкструзионная защита, которая выполнена в виде ступенчатых втулок 10 и 11 и размещенных в них соответствующих кольцевых цилиндрических манжет 12 и 13, которые выполнены из ненабухающей резины. Концевые участки манжет 12 и 13 с одной стороны имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков 4 и 5 частей уплотнительного элемента. Верхние ступени 14 и 15 втулок имеют тонкостенную конструкцию и выполнены разрезными в продольном направлении на произвольное количество лепестков по периметру окружности. Это дает возможность верхним ступеням 14 и 15 свободно деформироваться в радиальном направлении. Для улучшения герметизации контакта со стволом 1 внутри нижних ступеней втулок 10 и 11 в кольцевых канавках установлены соответственно уплотнительные кольца 16 и 17.
На стволе 1 между частями 2 и 3 уплотнительного элемента установлены проставочное кольцо 18, кольцевой поршень 19 и охватывающий его ступенчатый толкатель 20. Поршень 19 и толкатель 20 образуют между собой и стволом 1 кольцевую полость 21, которая гидравлически связана через радиальное отверстие 22 в стволе 1 с его внутренней полостью. В кольцевой полости 21 размещено стопорное кольцо 23, которое жестко закреплено на стволе 1 винтами (на фиг.1 не указаны) или иным, известным из уровня техники, способом. Кольцо 23 удерживает поршень 19 и толкатель 20 от перемещения при спуске пакера к месту установки. Кольцевой поршень 19 имеет наружную резьбовую поверхность 24, а в верхней ступени 25 толкателя 20 размещен разрезной кольцевой фиксатор 26 с внутренней резьбовой поверхностью (на фиг.1 не указана) с возможностью взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью 24 поршня 19. Концевой участок верхней ступени 25 толкателя жестко связан с проставочным кольцом 18 одним, по крайней мере, срезным элементом 27. Проставочное кольцо 18 и толкатель 20 имеют радиальные отверстия, а герметизация кольцевой полости 21 обеспечивается уплотнительными кольцами (на фиг.1 не указаны).
Кроме того, узел А пакера (фиг.1) может быть выполнен в разных исполнениях.
Так на фиг.2 верхние тонкостенные ступени 14 и 15 втулок 10 и 11 выполнены с внутренней конической поверхностью, а взаимодействующие с ними участки цилиндрических манжет 12 и 13 имеют наружную коническую поверхность. На фиг.3 втулки 10 и 11 жестко связаны с упорными кольцами 6 и 7 с помощью, например, резьбового соединения или иным известным способом.
По другому варианту пакера (фиг.4) наружную коническую поверхность имеют смежные концевые участки 4 и 5 частей уплотнительного элемента, у которых размещена противоэкструзионная защита, втулки 10 и 11 которой взаимодействуют соответственно с толкателем 20 и проставочным кольцом 18.
Пакер работает следующим образом.
Пакер в составе колонны труб хвостовика спускают к месту установки в открытый ствол или эксплуатационную колонну для изоляции, например, водопритока или дополнительного барьера от притока воды в добываемую продукцию при последующей эксплуатации скважины. Во время спуска пакера части 2 и 3 уплотнительного элемента, взаимодействуя с внутрискважинной жидкостью, частично набухают, не препятствуя спуску пакера к месту установки в скважине. При определенных скважинных условиях (большая глубина спуска, высокая температура и т.д.) на наружную поверхность частей уплотнительного элемента может быть установлен защитный слой, замедляющий процесс его набухания в период спуска пакера в скважину.
В процессе освоения и эксплуатации скважины части 2 и 3 уплотнительного элемента, взаимодействуя со скважинной жидкостью, набухают до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны. При этом под действием сил объемного набухания части 2 и 3 уплотнительного элемента удлиняются, а их концевые конические участки 4 и 5 взаимодействуют соответственно с манжетами 12 и 13 и через них с верхними тонкостенными ступенями 14 и 15 втулок 10 и 11, деформируя их в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Это обеспечивает надежное перекрытие кольцевого зазора между упорными кольцами 6 и 7 и обсадной колонной (на фиг.1 не показана) и предотвращает выдавливание и разрушение частей 2 и 3 уплотнительного элемента после полного контакта их с внутренней поверхностью обсадной колонны и последующем действии перепада давления сверху или снизу в процессе эксплуатации скважины.
Для того, чтобы уменьшить время выдержки пакера в скважине до того момента, когда его уплотнительный элемент может герметично перекрывать пространство в скважине и выдерживать большие перепады давления, внутри ствола 1 создают расчетное давление для приведения в действие поршня 19 и толкателя 20. Через радиальное отверстие 22 давление передается на поршень 19 и толкатель 20, при этом срезается удерживающий их срезной винт 27 и они перемещаются во взаимно противоположные направления. При своем перемещении толкатель 20 поджимает часть 2 уплотнительного элемента, а поршень 19 через проставочное кольцо 18 поджимает его другую часть 3. Конечное взаимное положение поршня 19 и толкателя 20 фиксируется разрезным кольцевым фиксатором 26. Такое поджатие частей 2 и 3 уплотнительного элемента обеспечивает начальный контакт их с внутренней поверхностью обсадной колонны и способность выдерживать перепады давления, даже если они еще не набухли полностью в скважине.
В случае выполнения пакера по варианту, показанному на фиг.4, после создания в стволе 1 расчетного давления и среза винта 27 толкатель 20 при своем перемещении поджимает часть 2 уплотнительного элемента через втулку 10, а поршень 19 через проставочное кольцо 18 и втулку 11 поджимает другую его часть 3.
Если технологические требования в скважине не предполагают выдержку во времени при установке пакера, то, по крайней мере, одна из частей уплотнительного элемента выполняется из ненабухающего эластомера, например из бутадиен-нитрильной резины. В этом случае после спуска пакера к месту установки в стволе 1 сразу создают давление для приведения в действие толкателя 20 и поршня 19 и сжатия частей уплотнительного элемента до их контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны и надежного разобщения затрубного пространства скважины. При этом часть уплотнительного элемента, выполненная из набухающего эластомера, под воздействием скважинной жидкости будет разбухать и способствовать увеличению герметизирующей способности пакера.
Такая конструкция пакера во всех его вариантах обеспечивает сокращение времени для установки пакера, повышение его герметизирующей способности и расширение его технологических возможностей при разобщении и изоляции пластов в скважинах.