ПАКЕР ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДЛЯ МАНЖЕТНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ
HYDRAULIC PACKER FOR CUP CEMENTATION

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения ствола скважины при манжетном цементировании обсадной колонны. Изобретение также может быть использовано при манжетном цементировании боковых стволов скважины.
Известен пакер для ступенчатого и манжетного цементирования обсадной колонны, содержащий на обсадной колонне полый корпус с радиальными отверстиями и расположенным на его внутренней поверхности ограничителем [1].
Пакер имеет очень сложную и материалоемкую конструкцию. Использование сложной конструкции и сложного способа цементирования обсадной колонны делает пакер ненадежным в работе.
Наиболее близким является пакер гидравлический для манжетного цементирования, содержащий гидравлический пакер и цементировочную муфту, соединенные в одном корпусе с возможностью согласованного взаимодействия этих устройств [2].
Недостатками этого пакера является, прежде всего, большая материалоемкость. Большую материалоемкость обеспечивает тарельчатый клапан, а также заглушка. После манжетного цементирования скважины эти устройства разбуриваются, и их металл теряется безвозвратно.
Также недостатком является низкая надежность работы этого устройства, поскольку большой диаметр тарелки тарельчатого клапана обеспечивает кроме вертикального воздействия силы, при давлении рабочей жидкости на поверхность тарелки клапана, еще и значительные крутящие моменты, приложенные к периферийным точкам поверхности тарелки, при образовании вихревых движений в рабочей жидкости. Это может вызвать перекосы оси клапана и ее заедание при движении клапана вниз.
Наличие пружины круглого сечения также снижает надежность работы клапана, поскольку металл по сечению витка пружины является неоднородным, и при серийном изготовлении пружины могут иметь большой разброс коэффициента упругости.
Кроме того, большую ненадежность в работе устройства обеспечивают срезные винты, изготовление которых требует очень тщательного соблюдения технологии, а также невозможность предварительного испытания каждого срезного винта на усилие среза.
И, кроме того, наличие срезных винтов при наличии фиксаторов перемещения втулок значительно и неоправданно усложняет конструкцию пакера.
Задачей изобретения является снизить материалоемкость пакера гидравлического для манжетного цементирования, упростить его конструкцию и увеличить его надежность работы, путем усовершенствования конструкции пакера гидравлического для манжетного цементирования.
Поставленная задача достигается тем, что в пакере гидравлическом для манжетного цементирования, содержащем гидравлический пакер и цементировочную муфту, соединенные в одном корпусе с возможностью согласованного взаимодействия этих устройств, новым является то, что корпус пакера гидравлического для манжетного цементирования состоит из двух частей, нижней части и верхней части, соединенных между собой разъемно с помощью переводника, где к нижней части корпуса разъемно прикреплен нижний переводник, а к верхней части корпуса разъемно прикреплен верхний переводник, причем к нижней части корпуса крепится рукав, изготовленный из упругого материала с помощью колец переменного сечения, к тому же пакер содержит три втулки, нижнюю втулку, среднюю втулку и верхнюю втулку, установленные внутри пакера, с возможностью перемещения внутри пакера при приложении к ним определенного давления рабочей жидкости, где втулки внутри пакера занимают строго фиксированное положение, которое обеспечивают срезные винты, и/или верхняя втулка соединена с верхней частью корпуса только с помощью фиксатора, а срезные винты отсутствуют, и/или средняя втулка соединена с верхней частью корпуса с помощью фиксатора, а срезные винты отсутствуют, и/или нижняя втулка соединена с переходником с помощью фиксатора, а срезные винты и стопорное кольцо отсутствуют, а фиксатор имеет форму кольца, наружная поверхность которого имеет две фаски, имеющие определенные углы среза, соответствующие углам среза проточки в верхней части корпуса или сопряженной с ним детали, или нижняя фаска фиксатора кольца, при установке его в пакере гидравлическом для манжетного цементирования, имеет меньший угол с линией сечения, меньшей поверхности фиксатора, параллельной продольной оси симметрии фиксатора, чем верхняя фаска, а боковые линии сечения фиксатора, параллельные продольной оси симметрии фиксатора, при установке фиксатора в пакере гидравлическом для манжетного цементирования, являются при этом параллельными, и, кроме того, нижняя втулка содержит посадочное гнездо для шара, в состав которого входит манжета из упругого эластичного материала, а также нижняя втулка содержит стопорное кольцо, при срабатывании пакера, взаимодействующее со средней втулкой, и сама нижняя втулка расположена в пакере с возможностью перемещения относительно средней втулки, на установленное расстояние, а средняя втулка, в свою очередь, установлена в пакере с возможностью взаимодействия с верхней втулкой, причем верхняя втулка содержит посадочное гнездо под запорную пробку, и, кроме того, между наружной поверхностью нижней части корпуса и внутренней поверхностью кожуха, разъемно соединенного с нижней частью корпуса и переводником, установлен поршень клапанного узла, имеющий цилиндрическую форму переменного сечения и способный своей торцевой частью взаимодействовать с рабочей жидкостью, где торцевая часть поршня имеет две фаски, наружную и внутреннюю, причем каждая фаска имеет свой угол наклона поверхности относительно торцевой поверхности поршня, к тому же торцевая часть поршня имеет каналы на той поверхности поршня, на которой фаска имеет меньший угол наклона поверхности относительно торцевой поверхности поршня, и к тому же поршень имеет уплотнительные кольца как с внешней, так и с внутренней стороны, при этом дальше от торцевой поверхности поршня находится уплотнительное кольцо, расположенное на той же стороне поршня, что и канал, и, кроме того, в состав клапанного узла входит пружина, имеющая прямоугольное поперечное сечение витка и взаимодействующая с поршнем и дополнительной втулкой, соединенной разъемно с нижней частью корпуса, прижимным кольцом и кожухом, а также клапанный узел содержит переключатель положения поршня, и, кроме того, переводник и/или нижняя часть корпуса, и/или кожух имеют каналы для прокачивания рабочей жидкости для заполнения рукава, кроме того, верхняя часть корпуса имеет отверстия или вырезы для закачивания цемента или промывочной жидкости, а верхняя втулка, переводник, средняя втулка и дополнительная втулка, а также посадочное гнездо для шара и посадочное гнездо под запорную пробку содержат вырезы, в которых установлены уплотнительные кольца.
На фиг.1 схематически изображена общая конструкция пакера гидравлического для манжетного цементирования.
На фиг.2 схематически изображена конструкция гидравлического пакера, находящегося в нижней части пакера гидравлического для манжетного цементирования. Греческими буквами α и β указаны углы фасок поршня. Пунктирными линиями и римской цифрой I указан шар.
На фиг.3 схематически изображена конструкция цементировочной муфты, находящейся в верхней части пакера гидравлического для манжетного цементирования. Пунктирными линиями и римской цифрой I указан шар. Пунктирными линиями и римской цифрой II указана запорная пробка.
На фиг.4 указан фиксатор.
На фиг.5 изображено сечение А-А, указанное на фиг.4. Греческой буквой γ указан угол нижней фаски фиксатора кольца, при установке его в пакере гидравлическом для манжетного цементирования. Греческой буквой δ указан угол верхней фаски фиксатора кольца, при установке его в пакере гидравлическом для манжетного цементирования.
На фиг.6 схематически указана часть конструкции пакера гидравлического для манжетного цементирования, в которой находится фиксатор, и сам фиксатор конструкции согласно п.5 формулы.
На фиг.7 схематически указана часть конструкции пакера гидравлического для манжетного цементирования, в которой верхняя втулка соединена с верхней частью корпуса с помощью фиксатора конструкции согласно п.5 формулы.
На фиг.8 схематически указана часть конструкции пакера гидравлического для манжетного цементирования, в которой средняя втулка соединена с верхней частью корпуса с помощью фиксатора конструкции согласно п.5 формулы.
На фиг.9 схематически указана часть конструкции пакера гидравлического для манжетного цементирования, в которой нижняя втулка соединена с переводником, с помощью фиксатора конструкции согласно п.5 формулы.
Пакер гидравлический для манжетного цементирования состоит из корпуса, который, в свою очередь, состоит из нижней части 1 и верхней части 2, соединенных между собой разъемно с помощью переводника 3. К нижней части корпуса 1 разъемно прикреплен нижний переводник 4, а к верхней части корпуса разъемно прикреплен верхний переводник 5 (фиг.1). К нижней части корпуса 1 крепится рукав 6, изготовленный из упругого материала с помощью колец переменного сечения 7. Пакер гидравлический для манжетного цементирования содержит три втулки, нижнюю втулку 8, среднюю втулку 9 и верхнюю втулку 10, установленные внутри пакера с возможностью перемещения внутри пакера при приложении к ним определенного давления рабочей жидкости (фиг.2, 3). Втулки внутри пакера занимают строго фиксированное положение, которое обеспечивают срезные винты 11, а также фиксатор верхней втулки 12, взаимодействующий с верхней частью корпуса 2 (фиг.3). На фиг.3 фиксатор 12 имеет только одну нижнюю фаску, что исключает его движение в обратном направлении. Нижняя втулка содержит посадочное гнездо для шара 13, в состав которого входит манжета из упругого эластичного материала 14. Нижняя втулка 8 содержит стопорное кольцо 15, при срабатывании пакера, взаимодействующее со средней втулкой 9 (фиг.2, 3). Шар на фиг.1, 2 обозначен римской цифрой I. Сама нижняя втулка 8 расположена в пакере с возможностью перемещения относительно средней втулки 9 на установленное расстояние. Средняя втулка 9, в свою очередь, установлена в пакере с возможностью взаимодействия с верхней втулкой 10. Верхняя втулка 10 содержит посадочное гнездо под запорную пробку 16. Между наружной поверхностью нижней части корпуса 1 и внутренней поверхностью кожуха 17, разъемно соединенного с нижней частью корпуса 1 и переводником 3, установлен поршень клапанного узла 18, имеющий цилиндрическую форму переменного сечения и способный своей торцевой частью взаимодействовать с рабочей жидкостью. Торцевая часть поршня 18 (кольцо) имеет две фаски, наружную и внутреннюю, причем каждая фаска имеет свой угол наклона поверхности относительно торцевой поверхности поршня 18. На фиг.2 эти углы обозначены греческими буквами α и β. Торцевая часть поршня 18 имеет канавку 19, на той поверхности поршня 18, на которой фаска имеет меньший угол наклона поверхности относительно торцевой поверхности поршня. На фиг.2 это угол α. Поршень 18 имеет уплотнительные кольца 20 как с внешней, так и с внутренней стороны, при этом дальше от торцевой поверхности поршня 18 находится уплотнительное кольцо 20, расположенное на той же стороне поршня, что и канавка 19. В состав клапанного узла входит пружина 21, имеющая прямоугольное поперечное сечение витка, и взаимодействующая с поршнем 18, а также с дополнительной втулкой 22, соединенной разъемно с нижней частью корпуса 1, прижимным кольцом 7 и кожухом 17. Клапанный узел также содержит переключатель положения поршня 23. Переводник 3, и/или нижняя часть корпуса 1, и/или кожух 17 имеют каналы для прокачивания рабочей жидкости для заполнения рукава (не показаны). Верхняя часть корпуса 2 имеет отверстия или вырезы для закачивания цемента 24 или промывочной жидкости. Также верхняя втулка 10, переходник 3, средняя втулка 9 и дополнительная втулка 22, а также посадочное гнездо для шара 13 и посадочное гнездо под запорную пробку 16 содержат вырезы, в которых установлены уплотнительные кольца 25. Кольца 25 изготовлены из упругого неметаллического материала и могут быть установлены как между движимыми, так и неподвижными деталями, для герметизации внутренних полостей пакера гидравлического для манжетного цементирования.
Фиксатор 12 имеет форму кольца с вырезом, изготовленного из упругой стали (фиг.4, 5, 6). При обеспечении кольцу фиксатора 12 необходимого коэффициента упругости возможно исключение из конструкции срезных винтов 11, соединяющих верхнюю часть корпуса 2 с верхней втулкой 10 (фиг.7). При этом фиксатор 12 также может иметь только одну нижнюю фаску или нижнюю и верхнюю фаски.
Аналогично, функцию срезных винтов, соединяющих среднюю втулку 9 с верхней частью корпуса 2, также может выполнять указанный выше фиксатор (фиг.8). При этом фиксатор 12 также может иметь только одну нижнюю фаску или нижнюю и верхнюю фаски.
Также нижняя втулка 8 может быть соединена с переходником 3 с помощью фиксатора, аналогичного фиксатору 12, а срезные винты 11 и стопорное кольцо 15 могут отсутствовать (фиг.9). При этом фиксатор 12 также может иметь только одну нижнюю фаску или нижнюю и верхнюю фаски.
Фиксатор 12 может иметь форму кольца, наружная поверхность которого имеет две фаски, имеющие определенные углы среза, соответствующие углам среза проточки в верхней части корпуса 2 или иной взаимодействующей с ним детали (фиг.4, 5, 6). Это даст возможность перемещать соединяемые детали, как в прямом, так и в обратном направлении, что, в свою очередь, обеспечит как заводские, так и предустановочные испытания каждого пакера гидравлического для манжетного цементирования.
Нижняя фаска фиксатора кольца, при установке его в пакере гидравлическом для манжетного цементирования, имеет меньший угол с линией сечения, меньшей поверхности фиксатора (угол γ между линиями 12.2 и 12.3 на фиг.5), параллельной продольной оси симметрии фиксатора, чем верхняя фаска (угол δ между линиями 12.2 и 12.4 на фиг.5), а боковые линии 12.1 и 12.2 сечения фиксатора, параллельные продольной оси симметрии фиксатора, при установке фиксатора в пакере гидравлическом для манжетного цементирования, являются при этом параллельными.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Пакер гидравлический для манжетного цементирования устанавливают на обсадной колонне, соединяя его с трубами обсадной колонны с помощью переводников 4 и 5, и опускают внутрь скважины. Шар I с помощью рабочей (промывочной) жидкости подают во внутреннюю полость пакера гидравлического для манжетного цементирования и устанавливают в посадочное гнездо для шара 13, обеспечивая его контакт в одной и поверхностей манжеты 14. Манжета 14 обеспечивает герметичную посадку шара I. После установки шара I повышают давление жидкости до установленного значения (4 МПа). Давление жидкости сбрасывают до нулевого значения после срезания винтов 11, соединяющих нижнюю втулку 8 с переводником 3. Нижняя втулка 8 перемещается вниз под действием давления жидкости до упора в среднюю втулку 9 и фиксируется стопорным кольцом 15, которое перемещается в соответствующий вырез в средней втулке 9. Таким образом, открывают доступ жидкости к поршню клапанного узла 18. Жидкость к поршню 18 подают через каналы для прокачивания рабочей жидкости, для заполнения рукава, которые могут содержать переводник 3, и/или нижняя часть корпуса 1, и/или кожух 17. При этом поршень 18 перемещается вниз на установленное расстояние.
Плавным повышением давления рабочей жидкости до установленного значения (7-8 МПа) на малой производительности закачивающего оборудования проводят запакеровку затрубного пространства скважины. При этом поршень 18 перемещается на большее расстояние под действием давления жидкости и открывает доступ жидкости в рукав 6. Под действием давления жидкость раздувает рукав 6, разобщая, таким образом, заколонное пространство скважины, и создавая зону для цементирования скважины.
После завершения пакеровки скважины давление рабочей жидкости сбрасывают до нулевого значения. Поршень 18 под действием пружины 21 возвращается в исходное положение, перекрывая движение жидкости из рукава 6 в обратном направлении. На этом работа гидравлического пакера завершена.
Указанную работу поршня 18 обеспечивает переключатель положения поршня 23. Переключатель 23 имеет конструкцию, аналогичную переключателю, описанную в источнике информации [3], а также имеет принцип работы, аналогичный работе переключателя в источнике информации [3]. Подачу рабочей жидкости в рукав 6 также осуществляют через каналы, описанные в источнике информации [3].
Далее повторно наращивают давление рабочей жидкости до установленного значения (16 МПа). В результате происходит срезание винтов 11, соединяющих среднюю втулку 9 с верхней частью корпуса 2. Средняя втулка 9 перемещается вниз до упора в переводник 3. При срезании винтов 11 открываются отверстия или вырезы для закачивания цемента 24. После этого становится возможной подача цементирующего раствора в заколонное пространство скважины через отверстия или вырезы для закачивания цемента 24.
После окончания цементирования скважины в посадочное гнездо под запорную пробку 16 подают запорную пробку II, перекрывая таким образом доступ цементного раствора в цементировочную муфту. Далее наращивают давление рабочей жидкости до установленного значения (5 МПа). В результате происходит срезание срезных винтов 11, соединяющих верхнюю втулку 10 с верхней частью корпуса 2. Втулка 10 перемещается вниз до упора в среднюю втулку 9 и перекрывает отверстия или вырезы для закачивания цемента 24. Фиксатор 12 фиксирует положение втулки 10. На этом работа цементировочной муфты завершена. Фиксация втулки 10 очень важна при ее разбуривании, чтобы не вызвать ее возвратного движения вверх.
После застывания цементного раствора посадочное гнездо под запорную пробку 16 вместе с запорной пробкой II, а также посадочное гнездо для шара 13 вместе с шаром I разбуривают.
При разбуривании пакера гидравлического для манжетного цементирования безвозвратно теряется минимальное количество металла, поскольку все основные узлы пакера гидравлического для манжетного цементирования находятся вне зоны разбуривания. К тому же основные узлы указанного пакера находятся близко к его корпусу, что при гидродинамических нагрузках нефтяного, газового или нефтегазового потока обеспечивает дополнительную прочность корпуса пакера гидравлического для манжетного цементирования. Все это снижает материалоемкость пакера гидравлического для манжетного цементирования.
Конструкция указанного пакера является предельно простой для устройств этого класса. Конструкция требует минимальное количество деталей. Увеличение их количества в основных узлах пакера гидравлического для манжетного цементирования может быть обусловлено только технологичностью изготовления деталей и технологией их сборки.
Заявляемое устройство также является очень надежным в работе. Поршень 18 является кольцевым и не испытывает значительных моментов сил, в отличие от прототипа. Благодаря указанной конструкции поршня 18 при любых возникающих моментах сил он может обеспечивать полную герметичность. Пружина 21 имеет прямоугольное поперечное сечение витка и поддается более точному расчету. Металл в прямоугольном сечении витка является более однородным, в отличие от витка круглого поперечного сечения.
Кроме того, все срезные винты в указанном устройстве можно заменить устройствами наподобие фиксатора 12. Коэффициент упругости кольца фиксатора 12, а также точность угла его фаски и угла соответствующей фаски сопрягаемой с ним детали, можно контролировать, не разрушая указанную деталь, в отличие от срезных винтов. Контролировать усилие среза срезного винта невозможно без его разрушения. При наличии только одной, нижней фаски фиксатора 12 возможно его движение только в одном направлении - вниз.
Наличие двух фасок на кольце фиксатора 12 обусловит перемещение связанной с ним детали не только в одном, но и в обратном направлении, то есть в возвратном. Это обеспечит как заводские, так и предустановочные испытания каждого пакера гидравлического для манжетного цементирования в отдельности. То есть работа всех трех втулок, нижней, средней и верхней, каждого пакера гидравлического для манжетного цементирования, может быть испытана, как по раздельной работе каждой из втулок, так и при их совместной работе (фиг.7, 8, 9).
Наличие фаски с большим углом в верхней части фиксатора обеспечит неподвижное положение втулок даже при разбуривании пакера. То есть для обратного движения втулок вверх необходимо будет приложить гораздо большее усилие, чем для движения втулок вниз.
Таким образом, заявляемый пакер гидравлический для манжетного цементирования является простым и надежным в работе. При этом, при его изготовлении требуется минимальная материалоемкость.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1709069, Е21В 33/12, опубликовано 30.01.92 г., бюл. №4.
2. Свидетельство на полезную модель РФ №57797, 6 Е21В 33/00, опубликовано 27.10.2006 г.
3. Патент на изобретение РФ №2182957, 6 Е21В 33/13, опубликован 27.05.2002 г.