ПАКЕР-ПРОБКА
PACKER-PLUG

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для временного перекрытия ствола скважины при проведении изоляционных работ при капитальном ремонте скважин, исследовании и обработке пластов.
Известен пакер, содержащий полый ствол с заглушкой и упором, установочный фиксатор, приводной корпус и шток установочного гидроцилиндра, размещенные на стволе конус со шлипсами, уплотнительный элемент и фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками (патент РФ №2137901, МПК 8 Е21В 33/12, опубл. в бюл. №26 от 20.09.1999 г.).
Недостатком пакера является сложность конструкции, обусловленная наличием сложных деталей, таких как конус, фиксатор положения уплотнительного элемента с удерживающими губками, конические вкладыши, которые требуют высокой точности при изготовлении и значительно усложняют сборку, что возможно выполнить только в специализированных мастерских. Невыполнение жестких требований при изготовлении и сборке снижает надежность работы пакера.
Также известен пакер-пробка (патент РФ №2259466, МПК 7 Е21В 33/12, опубл. в бюл. №24 от 27.08.2005 г.), включающий ствол с заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента, и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного направления основным шлипсам, а также упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением; ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом; ствол имеет на внутренней поверхности цилиндрическую выборку, а съемный узел выполнен в виде патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности; основной конус со стволом соединен через срезные элементы, а шток посадочного инструмента - с заглушкой через разрывной элемент.
Недостатком данной конструкции является сложный технологический процесс извлечения пакер-пробки, поскольку необходимо сначала приподнимать пакер-пробку, а затем опускать, ударяя съемным узлом о заглушку, при этом если ловильный инструмент спущен в скважину на канате, то необходимо подбирать вес груза таким образом, чтобы силы удара съемного узла о заглушку было достаточно для того, чтобы дополнительный конус опустился вниз, кроме того, возможно затекание или повреждение резинового уплотнительного элемента данной конструкции. Все это усложняет процесс извлечения пакер-пробки из скважины.
Наиболее близким по технической сущности является пакер-пробка (патент РФ №2346142, МПК 8 Е21В 33/12, опубл. в бюл. №4 от 10.02.2009 г.), включающий ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой и упорами, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента, основной конус, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие со съемным узлом, корпус и шток посадочного инструмента и срезные элементы, при этом пакер снабжен дополнительным конусом, установленным, как и основной, на стволе, с которым связаны шлипсы соединением «ласточкин хвост», причем последние имеют насечки противоположного основным шлипсам направления, а также упорным кольцом с продольными окнами со стороны ствола, расположенным между основными и дополнительными шлипсами, связанными с торцами упорного кольца Т-образным соединением, при этом ствол снабжен упорами, установленными по периметру и на одном уровне между дополнительными шлипсами с возможностью прохода через окна в упорном кольце и взаимодействующими в рабочем положении с основным конусом, а съемный узел выполнен в виде полого патрубка с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности, при этом основной конус со стволом, а также ствол со съемным узлом соединены срезными элементами, при этом уплотнительный элемент выполнен в виде бочкообразных уплотнений, разделенных между собой опорным кольцом, а съемный узел заглушен сверху и размещен внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и соединен со стволом разрывным элементом, при этом заглушка выполнена в виде глухой поперечной перегородки, установленной внутри ствола, и полой втулки, жестко закрепленной к дополнительному конусу снаружи, при этом шток посадочного инструмента установлен внутри съемного узла и соединен с глухой поперечной перегородкой разрывным элементом, причем снизу в глухую поперечную перегородку уперт подпружиненный вниз полый стакан, размещенный внутри на нижнем конце ствола, при этом ствол ниже глухой поперечной перегородки снабжен сквозным вертикальным пазом, в котором с возможностью осевого перемещения установлен палец, соединенный с одной стороны с дополнительным конусом, а с другой - с подпружиненным полым стаканом.
Недостатками данной конструкции являются:
- во-первых, одновременное перемещение основных и дополнительных шлипсов наружу снижает надежность фиксации на внутренних стенках эксплуатационной колонны;
- во-вторых, при распакеровке пакер-пробки в скважине столб жидкости, находящийся над пакер-пробкой, оказывает постоянное воздействие сверху вниз на уплотнительный элемент, что вызывает создание дополнительных усилий на ловильный инструмент при распакеровке пакера и приводит к «поршневанию» уплотнительного элемента пакера при дальнейшем извлечении пакер-пробки из скважины, при этом увеличивается время на извлечение пакер-пробки из скважин;
- во-третьих, в процессе эксплуатации пакер-пробки возникают проблемы с его извлечением, а именно из опыта практического применения пакер-пробки, описанной в прототипе, выявлено, что при спуске стандартного ловильного инструмента с целью извлечения пакер-пробки из скважины происходит захват плашками ловильного инструмента не под ловильную головку, а за ствол пакер-пробки, что приводит к аварийной ситуации в скважине и невозможности последующего целостного извлечения пакер-пробки и приходится производить аварийные работы по извлечению пакер-пробки (ломать и извлекать часть пакер-пробки, фрезеровать остатки пакер-пробки в скважине). Это происходит из-за того, что конструктивно наружные диаметры ловильной головки съемного узла и ствола в верхней части отличаются не значительно на 3-5 мм. Также при извлечении возможно заклинивание дополнительных шлипсов на дополнительном конусе, вследствие чего нижняя часть пакера (ниже дополнительных шлипсов) остается в скважине, что ведет к дополнительным спуско-подъемным операциям (проведению ловильных работ) по извлечению из скважины остатков пакера.
Кроме того, возможно заклинивание дополнительных шлипсов на дополнительном конусе, вследствие чего нижняя часть пакера (ниже дополнительных шлипсов) остается в скважине, что ведет к дополнительным спуско-подъемным операциям (проведению ловильных работ) по извлечению из скважины остатков пакера.
Задачей изобретения является повышение надежности фиксации пакер-пробки в скважине и исключение заклинивания пакер-пробки при его срыве в скважине, а также снижение усилия, оказываемого на съемный узел при распакеровке пакер-пробки, и сокращение времени на извлечение пакер-пробки из скважины.
Указанная задача решается предлагаемым пакером-пробкой, включающим ствол с внутренней цилиндрической выборкой, заглушкой и верхним упором, уплотнительный элемент, фиксатор положения уплотнительного элемента в виде фиксирующего кольца верхнего упора, взаимодействующего с насечками на стволе, основной, взаимодействующий снизу с уплотнительным элементом и зафиксированный срезным элементом относительно ствола, и дополнительный конусы, с которыми связаны соответственно основные и дополнительные шлипсы соединением «ласточкин хвост», съемный узел, расположенный внутри ствола с возможностью ограниченного перемещения вверх и фиксации срезным винтом, с цилиндрической выборкой в верхней части по наружной поверхности и ловильной головкой вверху, расположенной внутри штока посадочного инструмента, который выполнен полым и разрывным элементом, соединен со стволом, причем корпус посадочного инструмента выполнен опирающимся на верхний упор, фиксирующие шарики, установленные в отверстиях ствола и взаимодействующие изнутри со съемным узлом, а снаружи - с полой втулкой, соединенной снизу с дополнительным конусом, упорное кольцо, верхний и нижний торцы которого связаны Т-образным соединением соответственно основными и дополнительными шлипсами, при этом ствол снабжен упором, установленным с возможностью взаимодействия с основным конусом при перемещении ствола вверх.
Новым является то, что насечки на стволе выполнены в виде наружной резьбы, съемный узел оснащен наружным продольным каналом, сообщенным с пространством под уплотнительным элементом, а дополнительный конус выполнен продольно разрезным в виде секторов под дополнительные шлипсы и соединен с возможностью радиального перемещения внутрь с полой втулкой, причем снизу к стволу герметично и жестко присоединена заглушка, при этом в основном конусе изнутри снизу выполнена цилиндрическая выборка, а упор выполнен под выборку основного конуса в виде утолщения ствола, который выполнен с возможностью взаимодействия изнутри с секторами дополнительного конуса в транспортном положении и расположения выше дополнительного конуса при извлечении пакера после ограниченного перемещения вверх относительно ствола съемного узла с сообщением его продольного канала с пространством над уплотнительным элементом, при этом посадочный инструмент и съемный узел соединены со стволом соответственно разрывным элементом и срезным винтом через технологическую втулку, жестко соединенную с верхней частью ствола выше фиксатора положения уплотнительного элемента, а на упорном кольце и стволе выполнены соответственно внутренняя и наружная кольцевые выборки, расположенные напротив друг друга, в которых размещено пружинное кольцо, выполненное с возможностью выхода из внутренней или наружной кольцевой выборки после выдвижения основных шлипсов наружу в рабочее положение.
На фиг.1 изображена верхняя часть пакер-пробки в продольном разрезе.
На фиг.2 изображена нижняя часть пакер-пробки в продольном разрезе.
На фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.1.
На фиг.4 - вид А крупным планом.
Пакер-пробка состоит из ствола 1 (см. фиг.1 и 2) с внутренней цилиндрической выборкой 2, с наружной стороны которого установлены уплотнительный элемент 3 с упором 4. Выше последнего находится упорная втулка 5, а между ней и упором 4 - фиксатор положения уплотнительного элемента 3, выполненный в виде фиксирующего кольца 6 (фиг.4). На стволе 1 (фиг.1 и 4) напротив упора 4 выполнены кольцевые насечки 7 в виде наружной резьбы противоположного направления фиксирующему кольцу 6.
Ниже уплотнительного элемента 3 (см. фиг.1 и 2) расположены основной конус 8 с основными шлипсами 9, упорное кольцо 10 и дополнительный конус 11 с дополнительными шлипсами 12 (например, трех штук, расположенных под углом 120° по периметру относительно друг друга).
Основные шлипсы 9 и дополнительные шлипсы 12 с основным конусом 8 и дополнительным конусом 11 соответственно связаны соединением «ласточкин хвост», а с торцами упорного кольца 10 - Т-образным соединением. Упорное кольцо 10 может быть выполнено сборным, как показано на фиг.2.
Дополнительный конус 11 выполнен продольно-разрезным в виде секторов под дополнительные шлипсы 12 (в данном случае трех секторов 11'; 11”; 11'”, что соответствует дополнительным шлипсам 12, выполненных в количестве трех штук и расположенных под углом 120° по периметру относительно друг друга).
Внутри ствола 1 телескопически установлен съемный узел 13 с наружной цилиндрической выборкой 14 в верхней части и с ловильной головкой 14' вверху.
Съемный узел 13 оснащен наружным продольным каналом 15, сообщенным с пространством (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано) под уплотнительным элементом 3.
При извлечении пакер-пробки после ограниченного перемещения вверх относительно ствола 1 съемного узла 13 происходит сообщение его продольного канала 15 с пространством над уплотнительным элементом 3.
В нижней части ствола 1 расположены радиальные отверстия 16, в которых установлены фиксирующие шарики 17. Дополнительный конус 11 соединен с возможностью радиального перемещения внутрь с полой втулкой 18. Снизу в ствол 1 герметично и жестко ввернута заглушка 19. В основном конусе 8 изнутри снизу выполнена внутренняя цилиндрическая выборка 20.
Упор 21 выполнен под внутреннюю цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1 и имеет возможность взаимодействия с торцом ступени внутренней цилиндрической выборкой 20 в верхней части основного конуса 8.
Упор 21 имеет возможность взаимодействия изнутри с секторами дополнительного конуса 11 в транспортном положении и с возможностью расположения выше дополнительного конуса 12 при извлечении пакер-пробки.
Внутренняя цилиндрическая выборка 22 выполнена в нижней части ствола 1 ступенчатой с большим диаметром нижней ступени, а на съемном узле 13 выполнен выступ 23 для взаимодействия с торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1. Фиксирующие шарики 17 взаимодействуют с одной стороны со съемным узлом 13, а с другой стороны - с полой втулкой 18.
На упор 4 сверху опирается корпус 24 посадочного инструмента.
Шток 25 посадочного инструмента и съемный узел 13 соединены со стволом 1 соответственно разрывным элементом 26 и срезным винтом 27 через технологическую втулку 28, жестко соединенную (например, с помощью резьбы) с верхней частью ствола 1 выше фиксатора положения уплотнительного элемента 3, выполненного в виде фиксирующего кольца 6.
Срезным элементом 29 ствол 1 соединен с основным конусом 8. На упорном кольце 10 и стволе 1 выполнены соответственно внутренняя 30 и наружная 31 кольцевые выборки, расположенные напротив друг друга, в которых размещено пружинное кольцо 32, выполненное с возможностью выхода из внутренней 30 или наружной 31 кольцевой выборки после выдвижения основных шлипсов 9 наружу в рабочее положение.
Заглушка 19, ввернутая в нижнюю часть ствола 1, снабжена кольцом 33, зафиксированным срезным элементом 34. В случае поломки пакер-пробки в скважине кольцо 33 позволяет зафиксировать на себе детали, исключив их выпадение в скважину.
Пакер-пробка работает следующим образом.
Пакер-пробку в транспортном положении (см. фиг.1 и 2) на колонне труб (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано) в сборе с посадочным инструментом спускают в требуемый интервал скважины, после чего приводят в действие посадочный инструмент созданием в нем гидравлического давления жидкости. При этом корпус 24 посадочного инструмента оказывает давление на упор 4, а его шток 25, соединенный разрывным элементом 26 через технологическую втулку 28 со стволом 1, тянет вверх сам ствол 1 и связанные с ним детали 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23. В этот момент происходит сжатие уплотнительного элемента 3 и прижатие его к внутренней стенке эксплуатационной колонны.
При расчетной нагрузке (например, 2 т = 20 кН) происходит разрушение срезных элементов 29, после чего основной конус 8 наезжает на основные шлипсы 9, при этом пружинное кольцо 32 находится во внутренней 30 или наружной 31 кольцевой выборке упорного кольца 10 и ствола 1.
Корпус 24 посадочного инструмента продолжает оказывать давление на упор 4, а его шток 25, соединенный разрывным элементом 26 через технологическую втулку 28 со стволом 1, продолжает тянуть вверх ствол 1, при этом основные шлипсы 9 выдвигаются наружу, занимая рабочее положение до взаимодействия с внутренними стенками эксплуатационной колонны, после чего пружинное кольцо 32 выходит из внутренней 30 или наружной 31 кольцевой выборки упора 10 и ствола 1 соответственно.
Далее дополнительный конус 11, выполненный продольно разрезным в виде секторов, наезжает на дополнительные шлипсы 12 соответственно, раздвигает их, при этом последние приходят в соприкосновение с внутренней стенкой эксплуатационной колонны и в результате происходит фиксация пакер-пробки в скважине.
При дальнейшем натяжении штока 25 посадочного инструмента осуществляется досжатие уплотнительного элемента 3. В процессе запакеровки пакер-пробки фиксирующее кольцо 6 перемещается по кольцевым насечкам 7, выполненным в виде наружной резьбы, и фиксируется в кольцевых насечках 7 ствола 1 положение уплотнительного элемента 3 в окончательно запакерованном состоянии.
По достижении расчетной нагрузки (например, 8 т = 8 кН) посадки пакера разрывной элемент 26 разрушается, освобождая тем самым посадочный инструмент, который после этого извлекается из скважины, а пакер-пробка остается в требуемом интервале скважины, после чего в скважине производят запланированный объем работ.
Для снятия пакера-пробки в скважину спускают стандартный ловильный инструмент любой известной конструкции с наружным захватом (не показан), при этом сначала захватное устройство (например, плашки) ловильного инструмента упирается в верхний торец технологической втулки, наружный диаметр которой несколько больше, например, на 10-15 мм наружного диаметра ствола 1 и ловильной головки 14, что позволяет исключить захват ловильным инструментом ствола 1 и тем самым избежать дальнейших аварийных работ по извлечению пакер-пробки из скважины. После упора нижнего торца ловильного инструмента в верхний торец технологической втулки 28 пакер-пробки приподнимают ловильный инструмент, который плашками (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано) захватывает пакер-пробку под ловильную головку 14' по наружной цилиндрической выборке 14 съемного узла 13.
1
Делают натяжку инструмента (например, на 1 т = 10 кН), при этом срезные элементы 27 разрушаются и съемный узел 13 приподнимается на величину «L» (см. фиг.2) относительно ствола 1 и выступ 23 съемного узла 13 взаимодействует с верхним торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 22 ствола 1, при этом шарики 17 выпадают вовнутрь ствола 1 на заглушку 19 и дополнительный конус 11 опускается вниз относительно ствола 1, освобождая дополнительные шлипсы 12, которые отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны и сдвигаются к центру, при этом внутренняя 30 или наружная 31 кольцевые выборки упора 10 и ствола 1 совмещаются и пружинное кольцо 32 занимает исходное положение (см. фиг.1).
1
Также после ограниченного перемещения вверх съемного узла 13 относительно ствола 1 на величину «L» происходит сообщение продольного канала 15 съемного узла 13 через канал 35, радиальные отверстия 16 с одной стороны с пространством над уплотнительным элементом 3, а с другой стороны - с пространством под уплотнительным элементом 3, при этом столб жидкости, находящийся над пакер-пробкой, перетекает под уплотнительный элемент 3, что снижает дальнейшее усилие натяжения, оказываемое на съемный узел 13 при дальнейшей распакеровке пакера.
2
Натяжение съемного узла 13 продолжают, при этом съемный узел 13 совместно со стволом 1 приподнимается на величину «L» (см. фиг.2), тем самым снимается нагрузка с уплотнительного элемента 3, который приходит в исходное положение.
При дальнейшем подъеме съемного узла 13 вместе со стволом 1 упор 21, выполненный под внутреннюю цилиндрическую выборку 20 основного конуса 8 в виде утолщения ствола 1, взаимодействует с верхним торцом ступени внутренней цилиндрической выборки 20 в верхней части основного конуса 8.
В результате воздействия направленного вверх на торец ступени внутренней цилиндрической выборки 21 основного конуса 8 он приподнимается совместно со стволом 1 и снимает нагрузку с основных шлипсов 9, которые сдвигаются к центру и отходят от внутренней стенки эксплуатационной колонны.
Процесс распакеровки пакер-пробки окончен и его можно поднимать на поверхность. При извлечении пакер-пробки из скважины столб жидкости, находящийся над уплотнительным элементом 3, перетекает из надпакерного пространства через продольный канал 15 съемного узла 13 канал 35, радиальные отверстия 16 в подпакерное пространство под уплотнительным элементом 3. Это исключает «поршневание» уплотнительного элемента при подъеме пакер-пробки и сокращает время на его извлечение.
Предлагаемый пакер-пробка надежно фиксируется на внутренних стенках скважины благодаря последовательной фиксации сначала основных, а затем дополнительных шлипсов, а также исключает заклинивания пакер-пробки при его срыве в скважине, так как сверху ствол снабжен технологической втулкой, а дополнительный конус выполнен разрезным, состоящим из нескольких сегментов, позволяющих гарантированно извлечь пакер-пробку без заклинивания, исключив лишние спуско-подъемные операции по извлечению пакер-пробки и избежать аварийную ситуацию в скважине.
Также предлагаемая конструкция пакер-пробки благодаря наличию продольного канала, выполненного на наружной поверхности съемного узла, позволяет снизить усилие, оказываемое на съемный узел при распакеровке пакер-пробки, и сократить время на извлечение пакер-пробки из скважины.