ПАКЕР
PACKER

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к скважинным устройствам для многократной, в том числе поинтервальной опрессовки колонны труб в скважине.
Известен пакер (свидетельство на полезную модель №29090, МПК 7 Е21В 33/12, опубл. Бюл. №12 от 27.04.2003 г.), включающий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенный под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму и соединенное с ней кольцо, направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе и соединенный с кольцом, установленные в обойме по ее окружности шлипсы, подпружиненные в радиальном направлении, при этом пакер снабжен самоуплотняющейся манжетой, установленной на стволе выше опоры и жестко соединенным с ним наконечником, через который пропущен шток, выполненный с кольцевым уступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и радиальными отверстиями, расположенными выше наконечника, причем шток соединен с грузом, имеющим камеру в нижней части, сообщенную с колонным пространством скважины посредством радиальных отверстий и с внутренним пространством штока посредством осевого канала, перекрытого обратным клапаном, в качестве средства для подъема и спуска используют канат.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пакер (патент на полезную модель №37763, МПК 7 Е21В 33/12, опубл. Бюл. №13 от 10.05.2004 г.), включающий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с чередующимися короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазе, установленные в обойме по ее окружности шлипсы, подпружиненные в радиальном направлении, самоуплотняющуюся манжету, установленную на стволе выше опоры, жестко соединенный со стволом наконечник, через который пропущен шток с радиальными отверстиями, расположенными выше наконечника, при этом шток выполнен с кольцевым уступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и соединен с грузом, имеющим камеру в нижней части, сообщенную с внутренним пространством штока посредством осевого канала, перекрытого обратным клапаном, причем груз дополнительно снизу оборудован жестко соединенной с ним втулкой, имеющей радиальные каналы, соответствующие радиальным каналам штока, и внизу конусную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью самоуплотняющейся манжеты, при этом наружный диаметр втулки больше диаметра самоуплотняющейся манжеты в транспортном положении, причем фигурный паз выполнен замкнутым с одной стороны наружной поверхности ствола.
В результате практического применения этих пакеров установили, что как аналогу, так и прототипу присущи общие недостатки конструкции:
- во-первых, быстрый износ самоуплотняющейся манжеты в процессе проведения спуско-подъемных операций, так как в процессе подъема самоуплотняющаяся манжета воспринимает значительную нагрузку, потому что тянет на себе вес столба жидкости, при этом она постоянно прижата к внутренней стенке эксплуатационной колонны скважины, а это снижает ресурс наработки пакера и требует замены самоуплотняющейся манжеты;
- во-вторых, ограниченные функциональные возможности, поскольку невозможна работа пакера в колоннах малого диметра;
- в-третьих, груз жестко соединен со стволом пакера и не имеет возможности отклонения от оси ствола, что в процессе спуско-подъемных операций в скважине ведет к заклиниванию пакера в колонне труб, вследствие контакта нижнего конца пакера с внутренними стенками опрессовываемой колонны, особенно при большой длине груза.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение нагрузки на самоуплотняющуюся манжету в процессе спуско-подъемных операций и, как следствие, снижение ее износа, расширение функциональных возможностей пакера, а именно проведение опрессовки в колоннах малого диаметра, а также снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций ввиду возможности отклонения груза относительно ствола скважины в процессе спуско-подъемных операций пакера в скважине.
Техническая задача решается предлагаемым пакером, включающим ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с осевыми коротким и длинным участками, жесткий центратор, расположенные под ним самоуплотняющаяся манжета, не пропускающая сверху вниз, опору, уплотнительный элемент и конус, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазе, соединенные с обоймой по ее окружности шлипсы, подпружиненные внутрь в радиальном направлении и выполненные с возможностью взаимодействия в рабочем положении изнутри с конусом, и центраторы, подпружиненные наружу, шток с радиальными отверстиями, заглушенный сверху и соединенный снизу со стволом, груз, имеющий камеру внизу, причем осевые короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в коротком осевом участке - транспортное положение, то в длинном осевом участке фигурного паза - рабочее положение.
Новым является то, что уплотнительный элемент выполнен виде дополнительной самоуплотняющейся манжеты, не пропускающей сверху вниз, а конус жестко зафиксирован относительно ствола, причем шток снабжен расположенными выше радиальных отверстий пальцами, а груз - продольными сквозными проточками под пальцы штока, при этом нижняя часть камеры груза, перекрывающая герметично радиальные отверстия штока, выполнена с возможностью открытия радиальных отверстий штока при перемещении вверх, а в грузе выше продольных сквозных проточек и в стволе ниже фигурного паза выполнены соответственно радиальные верхние технологические каналы, постоянно сообщающие внутреннее пространство камеры груза с наружным пространством, и нижние технологические каналы, ниже которых ствол перекрыт дополнительным грузом.
На фиг.1 изображен предлагаемый пакер в продольном разрезе.
На фиг.2 - развертка фигурного паза, выполненного на наружной поверхности ствола.
Пакер состоит из ствола 1 (см. фиг.1) с фигурным пазом 2 на наружной поверхности с чередующимися осевыми коротким 3 (см. фиг.2) и длинным 4 участками. Сверху на стволе 1 установлена самоуплотняющаяся манжета 5, не пропускающая сверху вниз, под которой расположена опора 6 (см. фиг.1). Под опорой 6 на стволе 1 последовательно расположены нажимной уплотнительный элемент 7 в виде дополнительной самоуплотняющейся манжеты, не пропускающей сверху вниз, и конус 8, жестко зафиксированный относительно ствола 1. На стволе 1 ниже конуса 8 с возможностью осевого перемещения расположена обойма 9 с направляющим штифтом 10. Направляющий штифт 10 размещен в вышеупомянутом фигурном пазе 2 ствола 1. Обойма 9 по окружности снабжена пружинными центраторами 11 и шлипсами 12, подпружиненными внутрь в радиальном направлении посредством пружин 13 и выполненными с возможностью взаимодействия в рабочем положении изнутри с конусом 8. На верхнем конце ствола 1 установлен жесткий центратор 14.
В верхний конец ствола 1 ввернут шток 15, заглушенный сверху и оснащенный радиальными отверстиями 16. Снаружи штока 15 установлен груз 17, имеющий камеру 18 снизу. Шток 15 снабжен расположенными выше радиальных отверстий 16 пальцами 19, а груз 17 - продольными сквозными проточками 20 под пальцы 19 штока 15.
Нижняя часть камеры 18 груза 17, перекрывающая герметично радиальные отверстия 16 штока 15, посредством уплотнительных элементов 21 и 22 выполнена с возможностью открытия радиальных отверстий 16 штока 15 при перемещении вверх груза 17.
В грузе 17 выше продольных сквозных 20 проточек и в стволе 1 ниже фигурного паза 2 выполнены соответственно радиальные верхние 23 технологические каналы, постоянно сообщающие внутреннее пространство камеры 18 груза 17 с наружным пространством (на фиг.1 и 2 не показано), и нижние технологические каналы 24, ниже которых ствол перекрыт дополнительным грузом 25.
Осевые короткий 3 и длинный 4 участки фигурного паза 2 соединены между собой замкнутым фигурным участком 26 так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы 9 относительно ствола 1 направляющий штифт 10 будет расположен то в осевом коротком участке 3 (см. фиг.2) - транспортное положение, то в осевом длинном участке 4 фигурного паза 2 - рабочее положение.
Пакер работает следующим образом.
На устье скважины направляющий штифт 10 обоймы 9 (см. фиг.2) устанавливают в осевой короткий участок 3 фигурного паза 2 - транспортное положение.
Далее пакер на канате 27 (см фиг.1) посредством кабельной головки (на фиг.1 и 2 не показано) спускают в опрессовываемую колонну труб (например, колонну насосно-компрессорных туб диаметром 60 мм), при этом предварительно перед спуском пакера в скважину с целью исключения его торможения и задержек наращивают вес груза 17 и дополнительного груза 25 путем установки соединенных между собой шарнирно нескольких элементов из стального кругляка с условием их свободного прохождения в опрессовываемую колонну (на фиг.1 и 2 не показано).
Спуск пакера на канате 27 (см. фиг.1) в опрессовываемую колонну (на фиг.1, 2 не показано) продолжают до интервала, где необходимо провести опрессовку, при этом жидкость, находящаяся в скважине в процессе спуска пакера, свободно перетекает снизу вверх через внутреннее пространство 28 ствола 1 и радиальные отверстия 16 штока 15 в наружное пространство выше пакера, поскольку груз 17 не перекрывает радиальные отверстия 16 штока 15, при этом палец 19 уперт в нижние торцы сквозных осевых проточек 20 груза 17, а жесткий центратор 14 центрирует пакер относительно оси опрессовываемой колонны, снижая износ самоуплотняющихся манжет 5 и 7.
Достигнув необходимого интервала опрессовки опрессовываемой колонны, ее заполняют технологической жидкостью. Далее пакер приподнимают примерно на 1 метр вверх и опускают, в результате проделанной операции направляющий штифт 10 (см. фиг.2) при подъеме перемещается из верхней части осевого короткого участка 3 в его нижнюю часть и далее через нижнюю часть замкнутого фигурного участка 18 в нижнюю часть осевого длинного участка 4 фигурного паза 2, а затем (при спуске) направляющий штифт 10 перемещается из нижней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 в его верхнюю часть. При этом пакер, за исключением деталей 9, 10, 11, 12 и 13 (см. фиг.1), которые остаются неподвижными благодаря контакту пружинных центраторов 11 с внутренними стенками опрессовываемой колонны труб (на фиг.1 и 2 не показано), перемещается относительно деталей 9, 10, 11, 12 и 13 сначала вверх, а затем вниз.
Движение вверх направляющего штифта 10 из нижней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 в его верхнюю часть продолжается до тех пор, пока шлипсы 13 обоймы 9, подпружиненные в радиальном направлении своей внутренней поверхностью, не войдут в контакт с конусом 8, размещенным на стволе 1. После взаимодействия с конусом 8 шлипсы 13 обоймы 9 под действием веса пакера расходятся в радиальном направлении и прижимаются к внутренней стенке опрессовываемой эксплуатационной колонны (на фиг.1, 2 не показано), фиксируя неподвижно ствол 1.
При дальнейшей разгрузке пакера груз 17 опускается вниз относительно штока 15, жестко ввернутого в ствол 1, который остается неподвижным, при этом груз 17 посредством уплотнительных элементов 21 и 22 герметично перекрывает радиальные отверстия 16 штока 15, а пальцы 19 упираются в верхний торец сквозных осевых проточек 20 груза 17. Затем герметизируют устье скважины и с помощью насосного агрегата (на фиг.1, 2 не показано) внутри опрессовываемой колонны труб поднимают давление до необходимого, которое действует на самоуплотняющуюся манжету 5 сверху, причем чем выше давление опрессовки опрессовываемой колонны, тем большее давление действует на самоуплотняющуюся манжету 5 и тем сильнее самоуплотняющаяся манжета 5 прижимается к внутренней стенке опрессовываемой колонны, при этом самоуплотняющаяся манжета 7 выполняет роль страховочной манжеты и исключает пропуски жидкости в случае их возникновения через самоуплотняющуюся манжету 5. Установив степень герметичности эксплуатационной колонны труб, давление сбрасывают и пакер посредством каната 27 приподнимают на высоту примерно 1 м и опускают. При этом в начале подъема поднимается только груз 17, а все остальные детали пакера остаются на месте. В процессе подъема груза 17 открываются радиальные отверстия 16 штока 15, и находящаяся над пакером технологическая жидкость сквозь вышеупомянутые радиальные отверстия 16 штока 15 устремляется во внутреннее пространство 28 ствола 1, откуда выходит в пространство под пакером. Подъем груза 17 продолжается до тех пор, пока пальцы 19 не упрутся в верхние торцы сквозных осевых проточек 20 груза 17, при этом камера 18 груза 17 сообщится с радиальными отверстиями 16 штока 15, что исключает «поршневание» груза 17 при его осевом перемещении относительно штока 15.
При дальнейшем подъеме пакера вверх груз 17 посредством пальцев 19 тянет за собой шток 15, который, в свою очередь, жестко соединен со стволом 1 и вызывает перемещение последнего.
Пакер посредством каната 27 продолжают поднимать вверх, при этом уже направляющий штифт 10 перемещается относительно движущегося вверх ствола 1 из верхней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 (см. фиг.2) в верхнюю часть замкнутого фигурного участка 26, а затем при спуске перемещается из верхней части замкнутого фигурного участка 26 в верхнюю часть осевого короткого участка 3 фигурного паза 2, переводя пакер из рабочего положения в транспортное.
При этом пакер за исключением деталей 9, 10, 11, 12 и 13 (см. фиг.1), которые остаются неподвижными благодаря контакту пружинных центраторов 11 со стенкой опрессовываемой колонны труб, перемещается относительно деталей 9, 10, 11, 12 и 13 вниз, а затем вверх.
В процессе подъема пакера находящаяся над пакером жидкость свободно перетекает сверху вниз через открытые радиальные отверстия 16 штока 15 сквозь внутреннее пространство 28 ствола 1 и далее в подпакерное пространство (не показано).
Далее пакер может быть перемещен в другой интервал скважины для опрессовки колонны труб или извлечен на поверхность.
В процессе извлечения пакера из скважины жесткий центратор 14 и опора 6 центрирует пакер относительно оси опрессовываемой колонны, снижая износ самоуплотняющихся манжет 5 и 7, более того, благодаря тому, что жесткий центратор 14 выполнен в виде наружной кольцевой выборки ствола, которая перекрывает большую часть кольцевого сечения опрессовываемой колоны труб, значительно снижается нагрузка (вес столба технологической жидкости в эксплуатационной колонне), воспринимаемая самоуплотняющейся манжетой 5.
Предлагаемый пакер позволяет производить опрессовку в колоннах труб малого диаметра. Кроме того, благодаря шарнирному соединению грузов между собой и пакером они имеют возможность отклонения от оси пакера, что позволяет избежать заклинивание пакера в колонне труб во время спуско-подъемных операций.