УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ТЕРМОСТОЙКОГО ПАКЕРА
SEALING ASSEMBLY OF THERMAL PACKER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения ствола, преимущественно паронагнетательных скважин.
Известна конструкция разбуриваемого пакера (см. а.с. СССР №1832148, кл. Е21В 33/12, опубл. 07.08.93 г., Бюл. №29).
Для защиты уплотнительного элемента от затекания предусмотрены экструзионные шайбы, выполненные из металла. При посадке пакера происходит радиальная деформация уплотнительного элемента, с разжимом в радиальном направлении экструзионных шайб до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны и сведением к минимуму размера технологического зазора. В этом случае материал уплотнительного элемента не затекает в зазор, что повышает его герметизирующие свойства. Однако при необходимости съема пакера с места установки могут возникнуть проблемы из-за того, что экструзионные шайбы, входящие в контакт со стенкой обсадной колонны, препятствуют подъему пакера или, по крайней мере, могут резко увеличить осевую нагрузку на лифтовую колонну труб.
Известна конструкция уплотнительного элемента пакера (см. пат. РФ №2173765, МКИ Е21В 33/12, опубл. 20.09.2001, Бюл. №26).
Для сохранения целостности уплотнительного элемента пакера при его спуске в скважину уплотнительный элемент выполнен в виде тороидальных колец, заключенных в металлические оболочки, которые установлены между фигурными перегородками. Весь пакет установлен на стволе пакера между подвижной и неподвижной опорами.
При посадке пакера происходит осевое сжатие пакета с деформацией уплотнительных тороидальных колец в радиальном направлении до контакта металлических оболочек со стенкой труб обсадной колонны. При этом верхние и нижние их части располагаются в скважине, с ориентацией концов верхних оболочек вниз, а нижних - вверх.
Такое выполнение пакета уплотнительного элемента обеспечивает герметичное перекрытие кольцевого зазора между стволом пакера и внутренней поверхностью обсадной колонны.
Однако в случае извлечения пакера из скважины нижние экструзионные шайбы - металлические оболочки, препятствуют перемещению вверх, что приводит к увеличению осевого усилия, которое может превосходить по своему значению допустимые нагрузки для труб лифтовой колонны.
Известен пакер механический для работы в высокотемпературных паронагнетательных скважинах (см. пат. США №4548264, кл. Е21В 33/128, опубл. 22.10.85), принятый авторами за прототип.
Термостойкий шток установлен в осевом канале ствола пакера и герметизирован уплотнительным элементом. Уплотнитель пакера установлен на наружной поверхности ствола между нижней крышкой и мандрелью.
Посадка пакера осуществляется правым вращением лифтовой колонны труб, с вводом разжимных конусов под плашки якоря с радиальным перемещением последних к стенке трубы обсадной колонны и фиксацией. Дальнейшим вращением нагружают уплотнитель осевой нагрузкой и деформируют его с перекрытием кольцевого зазора между стволом пакера и обсадной колонной.
После посадки пакера левым вращением выводят в рабочее положение полый шток с расположением его в верхнем положении.
Уплотнитель пакера, снабженный экструзионными кольцами, также негативно влияет на процесс извлечения пакера с места установки, при жестком взаимодействии экструзионных шайб с обсадной колонной.
В процессе эксплуатации пакера имеет место перемещение полого штока относительно уплотнительного элемента. При длительном нахождении пакера в скважине на наружной поверхности полого штока образуется слой накипи, который негативно влияет на целостность уплотнительного элемента и снижает долговечность его эксплуатации. Это требует проведения работ по извлечению пакера на поверхность, с разборкой и заменой вышедших из строя деталей.
Известна конструкция термостойкого пакера, предназначенного для герметизации межтрубного пространства геотермальных и паронагнетательных скважин (см. пат. РФ №2267003, кл. Е21В 33/12, опубл. 27.12.2005).
Пакер состоит из ствола с переходной муфтой на верхнем конце и соединительной муфтой на нижнем. Мандрель и удлинитель связаны друг с другом соединительной муфтой. Между стволом и удлинителем расположено уплотнение, поджимаемое грундбуксой. Нижним концом удлинитель связан со шпинделем, который соединен с тягой якорящего узла. На шпинделе установлен уплотнитель, поджимаемый с торцов верхней и нижней крышками. Для защиты уплотнителя под верхней и нижней крышками установлены экструзионные шайбы. Нижняя крышка связана штоком с верхним разжимным конусом, входящим во взаимодействие с плашками якоря.
При посадке термостойкого пакера, которая ведется путем передачи крутящего момента на ствол за счет пружин, установленных на внешней стороне плашкодержателя, последний не вращается, что обеспечивает ввод внутрь плашек якоря разжимного конуса и вывод их до контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны.
Продолжают дальше вращать лифтовую колонну, что приводит к осевому нагружению уплотнителя пакера и его деформации в радиальном направлении, до контакта с внутренней поверхностью трубы и герметизацией межтрубного пространства. Левым вращением лифтовой колонны труб осуществляют отсоединение мандрели от ствола и натяжением вверх располагают ее в крайнем верхнем положении.
При деформации уплотнителя экструзионные шайбы доводятся до контакта с внутренней поверхностью трубы, защищая последний от затекания в кольцевой зазор между пакером и эксплуатационной колонной.
В процессе эксплуатации термостойкого пакера, например в режиме закачки высокотемпературного теплоносителя (пара) в продуктивный пласт, происходит термическое удлинение лифтовой колонны труб, в нашем случае это специальная конструкция теплоизолированных труб, что приводит к перемещению мандрели относительно уплотнения.
В процессе эксплуатации паронагнетательной скважины на наружной поверхности мандрели происходит отложение солей и асфальтенов, что негативно отражается на целостности и долговечности работы уплотнителя.
При необходимости подъема пакера термостойкого из скважины путем натяжения лифтовой колонны труб (в нашем случае теплоизолированных) происходит взаимодействие нижних экструзионных шайб с обсадной колонной, с резким увеличением осевой нагрузки на устьевое грузоподъемное оборудование, которое по своему значению может превзойти допустимые значения осевой нагрузки для труб лифтовой колонны. Даже после срыва пакера с места установки сохраняется взаимодействие нижних экструзионных шайб с обсадной колонной в течение всего цикла подъема на поверхность.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность извлечения термостойкого пакера из скважины с предварительным выводом из взаимодействия с эксплуатационной колонной нижних экструзионных шайб и снижением осевой нагрузки, действующей на лифтовую колонну;
- возможность защиты уплотнения мандрели от преждевременного износа при наличии слоя отложений на ее наружной поверхности путем механического воздействия на отложения, с их разрушением и удалением из зоны контакта поверхности мандрели с уплотнением.
Анализ технических решений, отобранных из материалов патентной и научно-технической литературы показал что, известно а.с. СССР №1346760, кл. Е21В 33/12, в котором применены экструзионные шайбы для защиты уплотнительного элемента, причем нижняя экструзионная шайба находится в технологической расточке нижней опоры.
Известно также применение экструзионных шайб для защиты уплотнителя пакера (см. а.с. СССР №1832148, кл. Е21В 33/12).
По результатам анализа технических решений в данной области техники можно сделать вывод, что неизвестно техническое решение, направленное на принудительный возврат нижних экструзионных шайб в исходное положение в момент начала извлечения - перемещения пакера термостойкого вверх.
Не обнаружено также применение в конструкции уплотнителя мандрели, скребка для очистки отложений накипи и защиты последнего от преждевременного износа.
Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, то есть соответствует критерию «изобретательский уровень».
Технический результат достигается тем, что уплотнительный узел содержит ствол с муфтой, тягу с разжимным конусом, входящим в контакт с плашками якоря, мандрель в осевом канале ствола, уплотнение мандрели в расточке переходника, поджатое грундбуксой через хвостовик, уплотнитель между верхней и нижней опорами, с экструзионными шайбами. Нижняя опора в виде втулки снабжена продольными пазами, размещенными равномерно по периметру, и связана с верхним концом тяги разжимного конуса. С внешней стороны нижняя опора охвачена обоймой с внутренними выступами, входящими в продольные пазы, с возможностью осевого перемещения. Тяга снабжена бандажом, опирающимся на гайку и охватывающим нижнюю опору, с образованием зазора с обоймой. Уплотнение мандрели снабжено скребком в виде кольца с внутренней расточкой и поперечными пазами на торцовых поверхностях, установленным во внутренней проточке хвостовика с возможностью взаимодействия с грундбуксой и наружной поверхностью мандрели.
Конструкция уплотнительного узла термостойкого пакера поясняется нижеследующими чертежами, где
- на фиг.1 представлена конструкция уплотнительного узла в разрезе, в исходном транспортном положении;
- на фиг.2 - конструкция уплотнительного узла в положении перекрытия межтрубного пространства скважины;
- на фиг.3 - взаимное положение деталей уплотнительного узла в сечении обоймы, упора и бандажа;
- на фиг.4 - конструкция упора в разрезе;
- на фиг.5 - конструкция обоймы в разрезе;
- на фиг.6 - конструкция скребка;
Уплотнительный узел термостойкого пакера состоит из ствола 1, соединенного верхним концом с корпусом 2 уплотнения 3 мандрели 4.
Корпус 2 через муфту 5 связан с хвостовиком 6, в котором выполнена внутренняя проточка 7, снабженная скребком 8 в виде кольца с внутренней расточкой 9 и рядом поперечных пазов 10 на торцовых поверхностях (см. фиг.6).
Уплотнение 3 поджимается к уплотняемой поверхности мандрели 4 грундбуксой 11.
Уплотнитель 12 термостойкого пакера установлен на наружной поверхности ствола 1 и охвачен сверху экструзионными шайбами 13 и 14. Снизу уплотнитель 12 охвачен экструзионными шайбами 15 и 16, которые установлены в технологической проточке 17 нижней опоры 18, снабженной продольными пазами 19, равномерно распределенными по периметру (см. фиг.4), и внутренней резьбой, которой она связана с верхним концом тяги 20, связанной жестко с разжимным конусом 21 плашек 22 якоря.
Плашки 22 якоря установлены в продольных окнах 23 корпуса 24 с возможностью радиального перемещения и контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны 25 при посадке термостойкого пакера.
Ствол 1 термостойкого пакера выполнен разъемным, части связаны друг с другом соединительной муфтой 26, установленной свободно внутри осевого канала тяги 20.
Для защиты от расцепления соединения нижней опоры 18 с тягой 20 на внешней поверхности установлен бандаж 27, удерживаемый от перемещения вниз гайкой 28, навернутой на резьбу на наружной поверхности тяги 20.
Нижняя опора 18 снаружи охватывается обоймой 29 (см. фиг.1), выполненной в виде втулки с внутренними выступами 30 на нижней торцовой поверхности. Количество и поперечные размеры внутренних выступов 30 на обойме 29 сравнимы с поперечными размерами сквозных продольных пазов 19 нижней опоры 20, в которые они введены, с образованием подвижного соединения между ними и торцового контакта с соединительной муфтой 26 в исходном положении. При этом существует кольцевой зазор 31 между обоймой 29 и бандажом 27.
Работа уплотнительного узла термостойкого пакера.
На лифтовой колонне труб термостойкий пакер, оснащенный уплотнительным узлом, спускается в скважину на заданную глубину.
Правым вращением лифтовой колонны труб, сообщаемой на хвостовик 6, осуществляют посадку пакера путем ввода разжимного конуса 21 под плашки 22 якоря, с их радиальным перемещением в продольных окнах 23 корпуса 24, до контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны 25 (см. фиг.2).
Уплотнитель 12, охватываемый верхними 13, 14 и нижними 15, 16 экструзионными шайбами, до момента контакта плашек 22 якоря с трубой обсадной колонны 25 находятся в исходном положении.
После фиксации термостойкого пакера при дальнейшем перемещении вниз корпуса 2 вместе с уплотнением 3 происходит сжатие уплотнителя 12 с деформацией последнего в радиальном направлении до получения герметичного контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны 25. При этом верхние экструзионные шайбы 13 и 14 деформируются до контакта с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны 25.
Нижние экструзионные шайбы 15 и 16 при деформации в сторону той же трубы проворачиваются внутри технологической проточки 17 нижней опоры 18 и, при торцовом контакте с обоймой 29 отводят ее вниз до контакта с торцом бандажа 27.
При этом внутренние выступы 30 обоймы 29 проходят идентичное расстояние в сквозных продольных пазах 19 нижней опоры 18.
Соединительная муфта 26 перемещается в осевом канале тяги 20 и располагается ниже ее верхнего торца (см. фиг.2).
Поскольку уплотнитель 12 обладает повышенной жесткостью и малой упругостью, экструзионные шайбы 13, 14, 15 и 16 также, соответственно, обладают повышенной жесткостью.
После посадки термостойкого пакера известным приемом осуществляют снятие механической связи мандрели 4 с хвостовиком 6, например, путем применения байонетного соединения и перемещают ее вверх относительно уплотнения 3 с расположением в крайнем верхнем положении.
При эксплуатации термостойкого пакера в режиме подачи теплоносителя в скважину наружная поверхность мандрели 4 находится в прямом контакте с пластовой жидкостью, что приводит к отложению слоя накипи.
При подаче теплоносителя по лифтовой колонне труб происходит ее нагрев и, соответственно, термическое удлинение, которое в свою очередь приводит к перемещению мандрели 4 относительно скребка 8 и уплотнения 3. При этом скребок 8 своими острыми кромками в поперечных пазах 10 взаимодействует со слоем накипи на поверхности мандрели 4 с ее разрушением и накоплением во внутренней проточке 9.
Тем самым осуществляется защита от износа уплотнения 3 мандрели 4.
При необходимости съема термостойкого пакера с места установки осуществляют перемещение вверх лифтовой колонны с мандрелью 4, которая взаимодействует со стволом 1 и перемещает его вверх, до ввода соединительной муфты 26 в торцовый контакт с внутренними выступами 30 обоймы 29, что приводит к ее перемещению вверх вместе с тягой 20 и выводу разжимного конуса 21 из взаимодействия с плашками 22 якоря.
Обойма 29 перемещается своими внутренними выступами 30 в продольных пазах 19 нижней опоры 18 и своей торцовой поверхностью воздействует на нижние экстузионные шайбы 15 и 16, с их проворотом внутри технологической проточки 17 нижней опоры 18, что приводит к выводу их из взаимодействия с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны 25.
Верхние экструзионные шайбы 13 и 14 освобождаются от жесткого торцового контакта с корпусом 2 уплотнения 3 и при взаимодействии с трубой обсадной колонны 25 складываются к оси термостойкого пакера, тем самым не препятствуют его перемещению вверх.