ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПОСАДОЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ПАКЕРА, СПУСКАЕМЫЙ НА КАБЕЛЕ

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для посадки, спускаемых на кабеле, пакеров, герметично разобщающих отдельные интервалы скважины при проведении различных технологических операций.
Известно «Устройство для механической перфорации нефтяных и газовых скважин» (патент RU №2087685, E21B 43/112, опубл. 20.08.1997), включающее гидравлический инструмент корпус с камерой, содержащий кабель для спуска устройства, гидронасос с электродвигателем, помещенные в корпусе, инструмент гидравлического действия, при этом камера выполнена с отделом низкого давления, накопительной масляной емкостью и подпружиненной парой поршень шток, помещенной в отделе камеры низкого давления и образующей под штоком отдел камеры высокого давления, который имеет рабочий поршень, при этом инструмент гидравлического действия выполнен в виде колющего и размещен на рабочем поршне, а корпус выполнен с каналами для сообщения отдела камеры низкого давления с накопительной масляной емкостью и отделом камеры высокого давления через золотник.
Недостатками гидравлического инструмента являются:
- сложность конструкции из-за наличия переточных каналов, размещения в этом же корпусе гидронасоса с электродвигателем и золотником помимо рабочих элементов;
- низкая производительность гидронасоса с электродвигателем из-за размещения внутри корпуса и невозможности увеличить габариты;
- относительно слабое усилие на рабочем поршне из-за уменьшения поршня, так как габариты камеры уменьшают каналы, размер которых должен быть достаточен для свободного перетока жидкости;
- необходимость большого количества гидравлических инструментов, так как каждый рабочий инструмент, что приводит к большим материальным затратам на изготовление и обслуживание каждого гидравлического инструмента.
Наиболее близким по достигаемому технического результата является «Пакер» (патент RU №2057896, E21B 33/12, опубл. 10.04.1996), содержащий гидравлический посадочный инструмент, включающий ствол с поршнем, уплотнительный элемент с верхним и нижним упорами, коническую втулку со шлипсами, обтекатель, полость которого разделена диафрагменным узлом на заполненную жидкостью полость высокого давления, ограниченную поршнем, пространство под которым связано с пространством скважины, и полость низкого давления, выполненную с ловильной головкой плунжерную пробку для сообщения полости низкого давления с пространством скважины при извлечении пакера, причем коническая втулка жестко связана с обтекателем, а поршень жестко связан со стволом, при этом плунжерная пробка выполнена с каналом и установлена с возможностью ограниченного перемещения после соединения ее ловильной головкой с подъемным кабелем-канатом.
Недостатками гидравлического инструмента являются:
- узкая область применения, так как невозможно после посадки пакера поддерживать его в рабочем состоянии в скважинах глубиной менее 500 м, так как усилие сжатия пакера в рабочем состоянии определяется перепадом давлений внутри камеры низкого давления и жидкости в скважине;
- относительно слабое усилие посадки пакера в скважине на глубинах менее 1200 м, в которых низкое внутрискважинное давление, так как работа осуществляется только одним поршнем, и перепада давления внутри камеры низкого давления и жидкости в скважине для герметизации внутреннего пространства будет недостаточно;
- необходимость большого количества гидравлических инструментов, так как каждый пакер, так как они являются одним целым, и без инструмента пакер, установленный в скважине не работоспособен, что приводит к большим материальным затратам на изготовление и обслуживание каждого гидравлического инструмента.
Технической задачей предлагаемого посадочного инструмента пакера является расширение функциональных возможностей за счет использования в скважинах глубиной от 100 м за счет использования гидравлического усилителя и использование гидравлического посадочного инструмента для посадки нескольких пакеров за счет фиксации пакеров в рабочем положении и отсоединения после этого от них этого инструмента.
Техническая задача решается гидростатическим посадочным инструментом пакера, спускаемым на кабеле, содержащим ствол с поршнем, уплотнительный элемент с верхним и нижним упорами, обтекатель, разделенный на заполненный жидкостью нижний цилиндр с полостью высокого давления и верхний цилиндр полостью низкого давления, оснащенный сверху пробкой для сообщения при перемещении вверх полости низкого давления с пространством скважины, и верхний якорный узел, взаимодействующий с нижним цилиндром и содержащий коническую втулку со шлипсами, которые установлены с возможностью радиального расширения между верхним упором и конической втулкой при их сближении, причем ствол жестко соединен с поршнем и нижним упором.
Новым является то, что ствол выполнен сборным, состоящим из соединенных срезным элементом корпуса пакера и тяги, соединенной с поршнем, обтекатель разделен поршнем, изготовленным полым и жестко соединенным с верхним цилиндром, который снабжен дополнительным поршнем, а нижний цилиндр выполнен с возможностью ограниченного перемещения вниз относительно поршня и опоры толкателем на верхний упор, тяга изготовлена полой и заглушенной снизу, полость которой сообщена с камерой высокого давления - подпоршневой полостью нижнего цилиндра, коническая втулка изготовлена расширяющейся сверху вниз и выполнена с возможностью взаимодействия с уплотнительным элементом сверху, причем верхний упор выполнен с возможностью фиксации положения после перемещения вниз относительно корпуса, дополнительный поршень оснащен штоком, герметично вставленным в полость поршня, и размещен в верхнем цилиндре с возможностью перемещения вниз при перемещении вверх пробки, при этом обтекатель соединен с кабелем через электрический тяговый механизм, подвижная часть которого соединена с пробкой для перемещения ее вверх при подаче соответствующего сигнала по кабелю.
Новым является также то, что пакер дополнительно оснащен нижним якорным узлом, содержащим коническую втулку со шлипсами, которые установлены с возможностью радиального расширения между нижним упором и конической втулкой при их сближении, причем коническая втулка изготовлена расширяющейся снизу вверх и выполнена с возможностью взаимодействия с уплотнительным элементом снизу, причем шлипсы подпружинены внутрь или выполнены разрывными.
Новым является также то, что шток дополнительного поршня выполнен полым и заглушенным снизу, внутренняя полость которого сообщена с подпоршневой полостью верхнего цилиндра.
На фиг. 1 изображена верхняя часть гидравлического посадочного инструмента пакера.
На фиг. 2 изображена нижняя часть гидравлического посадочного инструмента пакера.
Гидростатический посадочный инструмент пакера, спускаемый на кабеле 1 (фиг. 1), включает ствол 2 (фиг. 2) с полым поршнем 3, уплотнительный элемент 4 с верхним 5 и нижним 6 упорами, обтекатель, разделенный поршнем 3 на заполненный жидкостью нижний цилиндр 7 с полостью высокого давления 8 и верхний цилиндр 9 (фиг. 1) полостью низкого давления 10, оснащенный сверху пробкой 11 для сообщения при перемещении вверх полости низкого давления 10 с пространством скважины (на фиг. 1 и 2 не показана), и верхний якорный узел 12 (фиг. 2), взаимодействующий с нижним цилиндром 8 и содержащий коническую втулку 13 со шлипсами 14, которые установлены с возможностью радиального расширения между верхним упором 5 и конической втулкой 13 при их сближении, причем ствол 2 жестко соединен с поршнем 3 и нижним упором 6. Ствол 2 выполнен сборным, состоящим из соединенных срезным элементом 15 корпуса 16 пакера 2 и тяги 17, соединенной с поршнем 3. Поршень 3 жестко соединен с верхним цилиндром 9, который снабжен дополнительным поршнем 18 (фиг. 1), а нижний цилиндр 7 (фиг. 2) выполнен с возможностью ограниченного наружным упором 19, установленном на тяге 17, перемещения вниз относительно поршня 3 и опоры толкателем 20 на верхний упор 5. Тяга 17 изготовлена полой и заглушенной снизу пробкой 21, полость которой сообщена с камерой высокого давления 8 - подпоршневой полостью нижнего цилиндра 7. Коническая втулка 13 изготовлена расширяющейся сверху вниз и выполнена с возможностью взаимодействия с уплотнительным элементом 4 сверху. Верхний упор 5 выполнен с возможностью фиксации положения после перемещения вниз относительно корпуса 16 (например: сухарями или пружинными шайбами 22, вставленными кольцевую проточку 23 верхнего упора 5, относительно наружных кольцевых насечек или резьбы 24 корпуса 16). Дополнительный поршень 18 (фиг. 1) оснащен штоком 25, герметично вставленным в полость поршня 3 (фиг. 2), и размещен в верхнем цилиндре 9 (фиг. 1) с возможностью перемещения вниз при перемещении вверх пробки 11. Верхний цилиндр 9 обтекателя соединен с кабелем 1 через электрический тяговый механизм 26 (показан условно), подвижная часть 27 (показана условно) которого соединена с пробкой 11 для перемещения ее вверх при подаче соответствующего сигнала по кабелю 1.
При больших перепадах давления в скважине пакер может быть дополнительно оснащен нижним якорным узлом 28 (фиг. 2), содержащим коническую втулку 29 со шлипсами 30, которые установлены с возможностью радиального расширения между нижним упором 6 и конической втулкой 29 при их сближении. Коническая втулка 29 нижнего якорного узла 28 изготовлена расширяющейся снизу вверх и выполнена с возможностью взаимодействия с уплотнительным элементом 4 снизу. Шлипсы 14 и 30 для обеспечения сначала герметизации внутреннего пространства скважины, а потом фиксации якорными узлами 12 и 28 относительно стенок скважины, подпружинены внутрь (не показаны) или выполнены разрывными (в виде полых втулок шлипс 14 и 30 с продольными надрезами, по которым втулка разрывается, или в виде шлипс 14 и 30 охваченных снаружи кольцом (не показано), разрушающимся при расширении).
Для эффективной работы при низком скважинном давлении или при неглубоких (от 100 до 500 м) интервалах установки шток 25 (фиг. 1) дополнительного поршня 18 может быть выполнен полым и заглушенным снизу, внутренняя полость 31 которого через отверстия 32 сообщена с подпоршневой полостью 10 верхнего цилиндра 9, увеличивая полезный объем цилиндра 9, обеспечивая при тех же габаритных размерах суммарно больший перепад давлений в скважине и в камере низкого давления 10.
Тяговым механизмом 26 может быть изготовлен в виде электромагнитной катушки с подвижной частью 27 - сердечником, втягивающимся при подаче электроэнергии (сигнала) по кабелю 1 на катушку, или в виде электродвигателя при подаче электроэнергии (сигнала) по кабеле 1 вращением втягивающим (соединением типа «винт-гайка») подвижную часть 27, или т.п..
Технологические элементы, не влияющие на работоспособность системы, показаны условно или не показаны, а уплотнительные элементы, исключающие несанкционированные перетоки жидкости, не пронумерованы.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском устройство приводят в транспортное положение. Для этого в надпоршневую полость верхнего цилиндра 9 (фиг. 1) обтекателя заливают жидкость (воду или машинное жидкое масло), а через технологический канал 33 (фиг 2) нагнетают воздух подпоршневую полость 10, приводя дополнительный поршень 18 (фиг. 1) в верхнее положение (это возможно и механическим воздействием на дополнительный поршень 18). После чего сверху вставляют в верхний цилиндр 9 герметично пробку 11 и соединяют верхний цилиндр 9 через технологический перфорированный патрубок 34 с тяговым механизмом 26 с кабелем 1, а подвижную часть 27 механизма 26 - с пробкой 11. Давление в камере низкого давления 10 сбрасывают до атмосферного давления, а технологический канал 33 (фиг. 2) герметично перекрывают заглушкой 35. После чего камеру высокого давления 10 нижнего цилиндра 7 и полости тяги 17 и поршня 3 заполняют (например: через золотник 36 с обратным клапаном, установленный в пробке 21 тяги 17) жидкостью (водой или машинным жидким маслом), воздух и излишки жидкости выпускают через канал 37, который герметично перекрывают заглушкой 38. Корпус 16 пакера присоединяют срезными элементами 15 с тягой 17, образуя ствол 2. На корпус 16 устанавливают остальные конструктивные элементы пакера, фиксирую их на корпусе соединением (например: резьбой, сваркой или т.п.) нижнего упора 6 с корпусом 16 ствола 2. Заглушку 38 извлекают и через канал 37 нагнетают жидкость до плотного прижатия без сдвига толкателя 20 к верхнему упору 5, затем канал 37 опять герметизируют заглушкой 38.
Затем устройство в сборе спускают в интервал установки скважины на кабеле 1 (фиг. 1).
При необходимости в скважину доливают жидкость, чтобы увеличить перепад давлений в скважине и в камере низкого давления 10 верхнего цилиндра 9. После чего по кабелю 1 подают электрический сигнал на тяговый механизм 26, который втягивает подвижную часть 27 вместе с пробкой 11, которая имеет небольшую площадь поперечного сечения и легко извлекается из верхнего цилиндра 9, открывая отверстие 39. В результате жидкость из скважины через перфорированный патрубок 34 и отверстие 39 поступает в цилиндр 9 и за счет перепада давлений в скважине и в камере низкого давления 10 дополнительный поршень 18 со штоком 25 перемещается. При этом шток 25 (фиг. 2), перемещаясь вниз, создает избыточное давление в полостях поршня 3 и тяги 17 и, как следствие, через отверстия 40 в камере высокого давления 8, приводя в движение вниз нижний цилиндр 7.
Рассмотрим два варианта установки пакера.
Первый - это посадочный инструмент и пакер только с верхним якорным узлом 12.
При перемещении вниз цилиндра 7 он воздействует толкателем 20 на верхний упор 5, а нижний упор 6, опирающийся снизу на уплотнительный элемент 4 (не показано) и соединенный стволом 2 с поршнем 3, остается на месте. В результате верхний упор 5, перемещаясь по корпусу 16 вниз, надвигает шлипсы 14 на коническую втулку 13, которые расширяясь опираются на стенки скважины, фиксируя верхний якорный узел 12 в интервале установки вместе с нижним цилиндром 7. После этого начинают подниматься вверх нижний упор 6 со стволом 2, нижним 7 и верхним 9 (фиг. 1) цилиндрами, так как кабель 1 не жестко их фиксирует. При этом нижний упор 6 (фиг. 2) сжимает уплотнительный элемент 4 до герметизации скважинного пространства в интервале установки, а корпус 16 проходит вверх относительно верхнего упора 5, который фиксирует такое конечное - рабочее положение сухарями или пружинными шайбами 22, вставленными кольцевую проточку 23 верхнего упора 5, относительно наружных кольцевых насечек или резьбы 24 корпуса 16. Такой пакер держит меньшие нагрузки от смещения сверху вниз, чем снизу вверх из-за наличия одной конусной втулки 13.
Второй - это посадочный инструмент и пакер с верхним 12 и нижним 28 якорными узлами.
При перемещении вниз цилиндра 7 он воздействует толкателем 20 на верхний упор 5, а нижний упор 6, опирающийся снизу на нижний якорный узел 28 и соединенный стволом 2 с поршнем 3, остается на месте. В результате верхний упор 5, перемещаясь по корпусу 16 вниз вместе со шлипсами 14 и конусной втулкой 13, сжимает уплотнительный элемент 4, опирающийся снизу на конусную втулку 29, до герметизации скважинного пространства в интервале установки. После чего верхний 5 и нижний 6 упоры, преодолевая усилия пружин (не показаны) или усилия разрушения по проточкам втулок или кольца, надвигают соответствующие шлипсы 14 и 30 на соответствующие конические втулки 13 и 29. Расширяясь шлипсы 14 и 30 опираются на стенки скважины, фиксируя верхний 12 и нижний 28 якорные узлы с двух сторон от уплотнительного элемента 4 в интервале установки скважины. При этом верхний упор 5 перемещается вниз относительно корпуса 16 и фиксирует такое конечное - рабочее положение сухарями или пружинными шайбами 22, вставленными кольцевую проточку 23 верхнего упора 5, относительно наружных кольцевых насечек или резьбы 24 корпуса 16. В таком варианте установки пакер хорошо держит высокие давления как сверху, так и снизу.
Для извлечения дополнительно к усилию от избыточного давления в камере высокого давления 8, пытающегося вытянуть тягу 17 вверх из корпуса 16, воздействуют тягой каната 1 (фиг. 1) наверх на срезные элементы 15 (фиг. 2) до их разрушения, что фиксируется падением нагрузки, снимаемой с устьевого индикатора вес (на фиг. не показан). После чего посадочный инструмент без пакера извлекают из скважины. При этом упор 19 тяги 17 исключает выпадение нижнего цилиндра 8 внутри скважины.
Для последующих установок посадочный инструмент приводят в транспортное положение и соединяют с пакером так, как описано выше. В результате возможна установка еще одного пакера в этой или в другой скважине с применением одно и того же посадочного инструмента. А наличие дополнительного поршня 18 со штоком 25, входящим в поршень 3, играющего роль гидравлического усилителя, позволяет сажать пакер с достаточным усилием в неглубокие скважины и скважины с низким пластовым давлением.
Предлагаемый гидростатический посадочный инструмент пакера, спускаемый на кабеле, может использоваться в неглубоких скважинах и скважинах с низким пластовым давлением за счет увеличения усилия посадки и для посадки нескольких пакеров за счет фиксации пакера в рабочем положении и отсоединения после этого от него посадочного инструмента.