МЕХАНИЧЕСКИЙ ДВОЙНОЙ ПАКЕР

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Известен «Часовой пакер» (патент ПМ RU №54392, МПК E21B 33/12, опубл. 27.06.2006 г.), содержащий полый вал, якорь, уплотнители, фиксирующий механизм, отличающийся тем, что полый вал имеет верхний и нижний участки с разнонаправленными резьбами - левой и правой, соответственно, и с гладкой поверхностью между ними, а фиксирующий механизм содержит транспортную гайку с правой резьбой, ответной резьбе нижнего участка полого вала, и стопорную гайку с левой резьбой, ответной резьбе его верхнего участка, установленные между кольцом, в отверстиях которого размещены пружины сжатия, имеющие каждая четное количество сегментов, по крайней мере, четыре с замыкающей пружиной, и снабженные удерживающими элементами, например, винтами, размещенными в отверстиях наружной втулки фиксирующего механизма с возможностью перемещения их в пределах отверстий, при этом в кольце каждой паре сегментов соответствует отверстие для пружины сжатия.
Недостатками данного пакера являются:
- сложность изготовления и высокая цена вала с разнонаправленными резьбами;
- узкая область применения, так как пакер невозможно установить в интервале нефтеносных участков из-за плохой фиксации любых пружинных тормозов от проворота на скользких поверхностях;
- высокая вероятность аварийных ситуаций при снятии пакера, так как резьбовые соединения труб работают на отворот.
2
1
Известно также «Устройство для отключения пластов друг от друга в скважине» (патент RU №2298639, МПК E21B 33/122, опубл. 10.05.2007 г.), спускаемое на подъемных трубах, содержащее верхний и нижний пакерующие элементы, каждый из которых включает корпус с кольцевым выступом на конце, эластичную манжету с утолщенной частью, расширяющий конус, соединенные между собой промежуточной трубой или трубами, опорные патрубки с внутренней цилиндрической выборкой, обратный клапан, уплотнительные кольца и срезные элементы, отличающееся тем, что оно снабжено посадочным инструментом, включающим гидроцилиндр, шток которого соединен с гидравлическим якорем, соединенным, в свою очередь, с подъемными трубами, а нижняя часть корпуса гидроцилиндра телескопически надета на технологический патрубок и связана с ним срезными элементами, при этом технологический патрубок снизу жестко соединен с расширяющим конусом верхнего пакерующего элемента; длина внутренней цилиндрической выборки опорных патрубков (L) больше или равна длине (L) утолщенной части эластичной манжеты, при этом снизу нижний опорный патрубок снабжен стволом с жестко закрепленным на нем конусом в верхней части, причем на наружной поверхности ствола выполнен фигурный паз с чередующимися продольным коротким и длинным участками, соединенными сложной замкнутой проточкой, кроме того на стволе с возможностью осевого перемещения установлена обойма с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазе, при этом в обойме по ее окружности размещены шлипсы, подпружиненные в радиальном направлении, причем в транспортном положении направляющий штифт находится в продольном коротком участке фигурного паза, а в рабочем - в продольном длинном участке фигурного паза, при этом обратный клапан установлен в верхней части технологического патрубка.
Недостатками данного устройства являются:
- высокая вероятность аварийных ситуаций при снятии устройства, связанные с обрывом труб, так как требуются большие усилия для смещения утолщенных частей корпуса из манжет;
- невозможность снятия устройства без разрушения манжет, в которых заклинивает утолщенная часть корпуса при установке, то есть манжета в данном устройстве расходный материал, следовательно обслуживание требует постоянных материальных и временных затрат для изготовления манжет, сборки и разборки устройства для установки манжет после каждого спуск-подъема.
Наиболее близким по технической сущности является «Устройство для отключения пластов друг от друга в скважине» (патент RU №2315854, МПК E21B 33/124, опубл. 27.01.2008 г.), содержащее пакерующие элементы, каждый из которых включает корпус с кольцевым выступом на конце, эластичную манжету, расширяющий элемент с телескопическим патрубком, вставленным в корпус, причем каждый расширяющий элемент, кроме верхнего, соединен промежуточной трубой или трубами снизу с корпусом следующего верхнего пакерующего элемента, а корпус нижнего пакерующего элемента соединен с опорными патрубками, скважинный фильтр, обратный клапан, уплотнительные кольца и срезные элементы, посадочный инструмент, соединенный с подъемными трубами, нижняя часть которого телескопически надета на технологический патрубок, якорь, отличающееся тем, что скважинный фильтр установлен в составе опорного патрубка и/или одной или нескольких промежуточных труб напротив каждого осваиваемого и/или обрабатываемого пласта, а обратный клапан расположен выше верхнего скважинного фильтра, при этом расширяющий элемент выполнен в виде упора, зафиксированного на телескопическом патрубке, а упор верхнего пакерующего элемента снабжен внутренней полостью, зафиксирован срезными элементами на верхнем телескопическом патрубке, относительно которого установлен с возможностью осевого перемещения, ограниченного верхним кольцевым расширением телескопического патрубка, расположенным во внутренней полости упора, которая сообщена с внутренней полостью верхнего телескопического патрубка и наружным пространством, причем выше упора верхнего пакерующего элемента на наружной поверхности технологического патрубка, жестко соединенного с верхним телескопическим патрубком, расположен якорь, включающий секторы конуса с внутренней выборкой, соединенные с упором с возможностью радиального перемещения, и полый корпус, выполненный поджатым вверх с возможностью ограниченного осевого перемещения вниз относительно технологического патрубка, с подпружиненными внутрь плашками, выполненными с возможностью радиального перемещения относительно полого корпуса якоря и взаимодействия изнутри с секторами конуса, поджатыми внутрь, при этом на наружной поверхности технологического патрубка выполнены верхний и нижний кольцевые выступы с коническими фасками, верхний из которых взаимодействует с плашками, а нижний расположен во внутренних выборках секторов конуса.
Недостатками данного устройства являются:
- большие временные и материальные затраты при большом удалении (более 100 м) от места установки устройства, так как требуется сборка и спуск нижнего сборного корпуса, опирающегося на забой, большой длины;
- обязательное наличие посадочного инструмента для посадки пакера, что также приводит к дополнительным материальным затратам;
- высокая вероятность аварийных ситуаций при снятии устройства, связанные с обрывом труб, так как требуются большие усилия для смещения плашек вверх с зубцами внедренными в стенку скважины относительно секторов конуса.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание механического двойного пакера, устанавливаемого в скважине без лишних затрат, независимо от расположения от забоя, с исключением больших усилий и аварийных ситуаций при снятии.
Техническая задача решается механическим двойным пакером, содержащий нижний опорный патрубок, верхний и нижний пакерующие элементы, каждый включающий корпус с кольцевым выступом, расположенную выше манжету и упор с телескопическим патрубком, вставленным сверху в корпус с возможностью ограниченного перемещения вниз с сжатием упором манжеты до герметичного ее прижатия к стенкам скважины, корпус верхнего пакерующего элемента соединен промежуточной трубой или скважинными фильтрами с упором нижнего пакерующего элемента, причем упор верхнего пакерующего элемента зафиксирован срезными элементами на верхнем телескопическом патрубке, относительно которого установлен с возможностью осевого перемещения вверх, выше упора верхнего пакерующего элемента на наружной поверхности телескопического патрубка размещен якорь, включающий конус и корпус с плашками, выполненными с возможностью радиального перемещения относительно корпуса якоря и взаимодействия изнутри с конусом.
Новым является то, что конус жестко соединен с упором верхнего пакерующего элемента и снабжен направляющими, корпус якоря выполнен в виде кольцевой втулки, жестко зафиксированной на телескопическом патрубке, с радиальными проточками на торце, а плашки выполнены с возможностью перемещения по направляющим конуса и проточкам корпуса якоря и зафиксированы соответствующими разрушаемыми элементами в транспортном положении относительно направляющих конуса, при этом телескопический патрубок верхнего пакерующего элемента снизу зафиксирован срезным винтом относительно корпуса и снабжен снаружи выше срезного винта кольцевыми проточками или резьбой под пружинный кольцевой стопор, выполненный с возможностью перемещения вверх с фиксацией относительно кольцевых проточек или резьбы телескопического патрубка, а выше стопора размещен кольцевой ограничитель зафиксированный в корпусе разрушаемым элементом, выше кольцевой втулки на телескопическом патрубке размещены самоуплотняющиеся манжеты, пропускающие снизу вверх, причем одна из плашек выполнена гладкой по наружной поверхности, а соответствующая этой плашке радиальная проточка корпуса якоря выполнена с возможностью более раннего перемещения вверх этой плашки относительно остальных плашек при распакеровке верхнего пакерующего элемента, при этом корпус нижнего пакерующего элемента снизу снабжен конической частью, а нижний опорный патрубок жестко соединен с телескопическим патрубком нижнего пакерующего элемента и снабжен снаружи якорным узлом, выполненным с возможностью осевого перемещения относительно опорного патрубка и состоящим из полого патрубка с пружинными центраторами, направляющим штифтом и подпружиненными внутрь плашками, выполненными с возможностью взаимодействия с конической частью корпуса в рабочем положении, причем на наружной поверхности опорного патрубка выполнены взаимодействующие с направляющим штифтом проточки, состоящие из осевых короткой и длинной частей, соединенных фигурным каналом, позволяющие при возвратно-поступательном перемещении полого патрубка относительно опорного патрубка располагаться направляющему штифту то в короткой части (транспортное положение), то в длинной части (рабочее положение) проточек.
На фиг. 1 изображена верхняя часть пакера.
На фиг. 2 изображена нижняя часть пакера.
На фиг. 3 изображен разрез А-А фиг. 1.
На фиг. 4 изображен вариант наружной проточки опорного патрубка с замкнутым фигурным каналом.
На фиг. 5 изображена развертка наружной проточки опорного патрубка с расположением по всему периметру.
Механический двойной пакер содержит: верхний 1 (фиг. 1) и нижний 2 (фиг. 2) пакерующие элементы, каждый включающий соответствующий корпус 3 (фиг. 1) и 4 (фиг. 2) с кольцевым выступом 5 (фиг. 1) и 6 (фиг. 2), расположенную выше манжету 7 (фиг. 1) и 8 (фиг. 2), и упор 9 (фиг. 1) и 10 (фиг. 2) с телескопическим патрубком 11 (фиг. 1) и 12 (фиг. 2), вставленным сверху в соответствующий корпус 3 (фиг. 1) и 4 (фиг. 2) с возможностью ограниченного перемещения вниз с сжатием упором 9 (фиг. 1) и 10 (фиг. 2) манжеты 7 (фиг. 1) и 8 (фиг. 2) до герметичного ее прижатия к стенкам скважины (на фиг. не показана). Корпус 3 (фиг. 1) верхнего пакерующего элемента 1 соединен промежуточной трубой 13 (фиг. 1 и 2) с упором 10 (фиг. 2) нижнего пакерующего элемента 2. Упор 9 (фиг. 1) верхнего пакерующего элемента 1 зафиксирован срезными элементами 14 на верхнем телескопическом патрубке 11, относительно которого установлен с возможностью осевого перемещения вверх. Выше упора 8 на наружной поверхности телескопического патрубка 11 размещен якорь, включающий конус 15 и корпус 16 с плашками 17, выполненными с возможностью радиального перемещения относительно корпуса 16 якоря и взаимодействия изнутри с конусом 15, который соединен с упором 8 и снабжен направляющими 18. Корпус 16 якоря выполнен в виде кольцевой втулки, жестко зафиксированной на телескопическом патрубке 11, с радиальными проточками 19 на торце. Плашки 17 выполнены с возможностью перемещения по направляющим 18 конуса 15 и проточкам 19 корпуса 16 и зафиксированы соответствующими разрушаемыми элементами 20 в транспортном положении относительно направляющих 18 конуса 15. Каждое соединение направляющих 18 конуса 15 и проточек 19 корпуса 16 может быть выполнено в виде соединения «ласточкин хвост», Т-образного соединения или Г-образного соединения. Телескопический патрубок 11 верхнего пакерующего элемента 1 снизу зафиксирован срезным винтом 21 относительно корпуса 3 и снабжен снаружи выше срезного винта 21 кольцевыми проточками 22 или резьбой 22 под пружинный кольцевой стопор 23, выполненный с возможностью перемещения вверх с фиксацией относительно кольцевых проточек 22 или резьбы 22 телескопического патрубка 11. Выше стопора 23 размещен кольцевой ограничитель 24 зафиксированный в корпусе 3 разрушаемым элементом 25. Выше кольцевой втулки 16 на телескопическом патрубке 11 размещены самоуплотняющиеся манжеты 26, пропускающие снизу вверх. Одна из плашек 17' (фиг. 3) выполнена гладкой по наружной поверхности, а соответствующая этой плашке радиальная проточка 19' корпуса 16 якоря выполнена с возможностью более раннего перемещения вверх этой плашки 17' относительно остальных плашек 17 при распакеровке верхнего пакерующего элемента 1.
Корпус 4 (фиг. 2) нижнего пакерующего элемента 2 снизу снабжен конической частью 27, а нижний опорный патрубок 28 жестко соединен с телескопическим патрубком 12 нижнего пакерующего элемента 2 и снабжен снаружи якорным узлом 29, выполненным с возможностью осевого перемещения относительно опорного патрубка 28 и состоящим из полого патрубка 30 с пружинными центраторами 31, направляющим штифтом 32 внутри и поджатыми пружинами 33 внутрь плашками 34, выполненными с возможностью взаимодействия с конической частью 27 корпуса 4 в рабочем положении. На наружной поверхности опорного патрубка 28 выполнены взаимодействующие с направляющим штифтом 32 проточки, состоящие из осевых короткой 35 (фиг. 4 и 5) и длинной 36 частей, соединенных фигурным каналом 37, позволяющие при возвратно-поступательном перемещении полого патрубка 30 относительно опорного патрубка 28 располагаться направляющему штифту 32 то в короткой части 35 (транспортное положение), то в длинной части 36 (рабочее положение) проточек. Проточки на опорном патрубке 28 (фиг. 2) могут быть выполнены замкнутыми по периметру (фиг. 4) с несколькими осевыми короткими 35 и длинными 36 частями, соединенными фигурными каналами 37, или с замкнутым фигурным каналом 37 (фиг. 5) с одной короткой 35 и одной длинной 36 частями. Технологические элементы и соединения не влияющие на работоспособность пакера не показаны или показаны условно. Манжеты 7 (фиг. 1) и 8 (фиг. 2) могут быть выполнены цельными и наборными из нескольких колец одинаковой или различной плотности для надежной герметизации в различных условиях (определяется эмпирически).
Механический двойной пакер работает следующим образом.
Предварительно нижний опорный патрубок 28 (фиг. 2) соединяют с телескопическим патрубком 12 нижнего пакерующего элемента 2 сваркой или на резьбе (на фиг. 2 не показано). Перед спуском сначала собирают нижний пакерующий элемент 2 и якорный узел 29, который устанавливают на опорном патрубке 28 так, чтобы направляющий штифт 32 был установлен в короткой части 35 (фиг. 4 и 5) проточки. Нижнюю часть опорного патрубка 28 (фиг. 2) снабжают наконечником 38 или заглушкой (на фиг. не показано) для защиты от механических повреждений и упрощения при необходимости пропуска скважинного оборудования (на фиг. не показано) через пакер. После спуска в скважину нижнего пакерующего элемента 2 сверху к упору 10 нижнего пакерующего элемента 2 присоединяют промежуточную трубу 13 (фиг. 1 и 2), к которой сверху присоединяют корпус 3 (фиг. 1) предварительно собранного верхнего пакерующего элемента 1. Телескопический патрубок 11 сверху снабжают переводником 39 для соединения с колонной труб (на фиг. 1 не показаны) и при необходимости отсоединения (например: отворотом левой резьбы или при помощи автоотцепа, соединенного с переводником 39 - не показаны) после установки. На колонне труб пакер спускают в интервал установки, после чего пакер приподымаю на высоту большую (обычно на ≈ 0,5 м) максимальной длины L (фиг. 4 и 5) проточки, при этом штифт 32 переходит из короткой части 35 в положение «a» фигурного канала 37, так как пружинные центраторы 31 (фиг. 2) взаимодействуют со стенками скважины и удерживают полый патрубок 30 от перемещения пока штифт 32 не упирается в края проточки 35 (фиг. 4 и 5), 36 и 37. Далее спускают пакер до снижения веса спускаемого оборудования (определяется по устьевому индикатору веса - на фиг. не показан), что свидетельствует о перемещении штифта в направлении положения «б» длинной части 36 проточки, а полый патрубок 30 (фиг. 2) перемещается вверх относительно опорного патрубка 28 до взаимодействия плашек 34 с конической частью 27 корпуса 4 с сжатием пружин 33 расширением плашек 34 до взаимодействия со стенками скважины и фиксации корпуса 4 относительно стенок скважины. После чего создают осевую нагрузку на телескопический патрубок 11 (фиг. 1) разгрузкой колонны труб, а при недостаточном их весе закачкой жидкости в межтрубное пространство скважины, создавая дополнительное осевое усилие при помощи самоуплотняющихся манжет 26. Осевая нагрузка через телескопический патрубок 11, промежуточную трубу 13 передается на упор 10 (фиг. 2), который с телескопическим патрубком 12 перемещается вниз, сжимая манжету 8 между кольцевым выступом 6 корпуса 4 и упором 10 до герметичного прижатия ее к стенкам скважины. После чего осевое усилие, передающееся от упора 10 через промежуточную трубу 13 корпусу 3 (фиг. 1), разрушает срезной винт 21, освобождая телескопически патрубок 11 от корпуса 3. Упор 9 с телескопическим патрубком 11 перемещается вниз, сжимая манжету 7 между кольцевым выступом 5 корпуса 3 и упором 9 до герметичного прижатия ее к стенкам скважины, причем пружинный стопор 23, размещенный между корпусом 3 и ограничителем 24, перемещается по кольцевым проточкам 22 или резьбе вверх относительно телескопического патрубка 11, фиксируя манжету 7 в сжатом состоянии. Затем после герметизации межтрубного пространства скважины последовательно разрушаются срезные элементы 14 и разрушаемые элементы 20, освобождая упор 9 от телескопического патрубка 11 и плашек 17 от направляющих 18 конуса 15, что позволяет при перемещении телескопического патрубка 11 вниз плашкам 17 по направляющим 18 и радиальным проточкам 16 под действием корпуса 16 якоря расходиться в радиальном направлении до взаимодействия со стенками скважины для надежной герметичной фиксации пакера в данном интервале установки. Колонну труб при необходимости отсоединяют о переводника 39 отворотом, автоотцепом или разрушением срезных винтов (на фиг. 1 не показаны).
Для извлечения пакера проводят следующие операции.
Если пакер был отсоединен от колонны труб, в скважину на колонне труб спускают наружную или внутреннюю труболовку (на фиг. 1 не показана), которая захватывает переводник 39 (фиг. 1) соответственно снаружи или изнутри. Если пакер не отсоединяли от колонны труб, эту операцию пропускают. Создают осевое усилие вверх, которое передается от переводника 39 к телескопическому патрубку 11 до среза разрушаемого элемента 25, фиксирующего ограничитель 24 на корпусе 3. После чего телескопический патрубок 11 с пружинным стопором 23, ограничителем 24 и корпусом 16 якоря перемещаются. Корпус 16 якоря увлекает за собой вверх плашки 17. Сначала корпус 16 извлекает из направляющей 18 конуса 15 упора 9 плашку 17' (фиг. 3) с гладкой наружной поверхностью, благодаря меньшему зазору в соединении этой плашки 17' в осевом направлении с радиальной проточки 19' корпуса 16 (фиг. 1) по отношению к соответствующим зазорам остальных плашек 17 с соответствующими им радиальными проточками 19. Это достигается за счет большей в осевом направлении величины проточки 19 по отношению к проточке 19' (фиг. 3) или более тонким Т-образным элементам плашек 17 (фиг. 1), входящим в соединение с проточками 19, по отношению к плашке 17' (фиг. 3) с проточкой 19'. Благодаря первоначальному извлечению плашки 17' усилие съема (без учета веса колонны труб) пакера уменьшается с 45-120 кН до 5-15 кН, так как при более раннем извлечении плашки 17', не удерживаемой зубками в радиальном направлении, уменьшает диаметр описанной окружности вокруг плашек 17, снижая их усилие прижатия к стенкам скважины и, как следствие, снижая усилие их радиального смещения по направляющим 18 до отсоединения плашек 17 от стенок скважины. Далее упор 9 перемещается след за корпусом 16 якоря, плашками 17 вверх, а манжета 7 под действием собственной упругости возвращается в исходное состояние. Ограничитель упирается в корпус 3, передавая осевое усилие через промежуточную трубу 13 упору 10 (фиг. 2), который вместе с телескопическим патрубком 12 подымаясь вверх, перестает воздействовать на манжету 8, и она возвращается в исходное состояние за счет собственной упругости. После чего внутренний выступ 40 телескопического патрубка 12 передает осевую нагрузку на корпус 4, извлекая его коническую часть 27 из плашек 34 якорного узла 29. При этом штифт 32 (фиг. 4 и 5) переходит из положения «б» длинного паза 36 в положение «в» фигурного паза 37. Поле чего пакер извлекают из скважины.
а
а
В случае застраивания при подъеме пакера, его расхаживают возвратно поступательным перемещением вверх вниз, при этом штифт 32 перемещается в положение «г» короткого паза 35, а потом в положение «» фигурного паза 37. При необходимости нескользких расхаживаний при снижении веса при перемещении вниз (положение «б» длинного паза 36 штифта 32), производят дополнительную операцию спуск подъема для вывода штифта в другие положения «», «в» или «г» в проточках 35 (фиг. 4 и 5), 36 и 37. Аналогично поступают и при спуске пакера в скважину.
Предлагаемый механический двойной пакер относительно дешев за счет отсутствия необходимости использования посадочного инструмента, устанавливается в скважине без лишних затрат независимо от расположения забоя, полностью исключает аварийные ситуации при съеме пакера из-за снижения усилий снятия как минимум в 3 раза.