ПАКЕР МЕХАНИЧЕСКИЙ ОСЕВОЙ С КАБЕЛЬНЫМ ВВОДОМ
AXIAL MECHANICAL PACKER WITH CABLE ENTRY

Изобретение относится к оборудованию для нефтегазовой промышленности, в частности к механическим пакерам, используемым при эксплуатации скважин с помощью установки электроцентробежного насоса или другого погружного электрооборудования, выше которого требуется герметичная изоляция отдельных участков эксплуатационной колонны.
Известен пакер механический для электроцентробежного насоса, выбранный в качестве аналога, содержащий ствол с резьбами на торцах и осевым каналом. На наружной поверхности ствола находятся фигурный паз, продольный паз, глухой внизу и открытый в верхней части ствола. В средней части ствола установлены упоры для конуса. В верхней части ствола по диаметру выполнены поперечные пазы, в которые входят установочные винты, жестко связывающие ствол и опору. Под опорой расположены уплотнительные элементы, конус и обойма с кольцом с возможностью осевого перемещения относительно ствола. В обойме расположены зубчатые шлипсы, направляющий штифт и сухари, жестко связывающие ее с кольцом в осевом направлении. В продольные пазы кольца установлены плашки, поджимаемые в радиальном направлении пружинами. В зоне муфты продольный паз перекрыт прокладками с уплотнителем (патент №2372469, опубл. 10.11.2009 г.).
Недостатком известного пакера является наличие продольного паза на основном стволе пакера, что значительно уменьшает внутренний канал, служащий для подъема на поверхность и закачки жидкости в скважину. Также конструкцией пакера не предусмотрена возможность контроля герметичности заделки кабеля уплотнительными элементами на устье скважины перед спуском пакера, что не дает гарантий герметичности кабеля в пакере.
Известен пакер механический для скважины с одним или несколькими пластами (варианты), выбранный в качестве аналога, включающий ствол с наружным буртом и фигурным пазом, установленные на стволе снизу вверх центратор в виде корпуса с наружными подпружиненными элементами сопротивления и внутренним стопором, плашкодержатель, плашки, конус, манжету, регулировочную гайку и муфту. Ствол выполнен с наружным, продольным, глухим, покрытым или непокрытым каналом для ввода или размещения и уплотнения в нем силового кабеля с наружной защитой и/или покрытием. Стопор выполнен в виде свободного осевого вращающегося шара с возможностью полного или ограниченного кольцевого перемещения в корпусе центратора и фигурном пазу ствола. Плашкодержатель, плашки и конус взаимосвязаны между собой и в сборе они установлены на стволе под манжетой. Конус выполнен с наружными пазами в виде ласточкина хвоста, и в них установлены соответствующие плашки с ограниченными осевым и радиальным перемещениями относительно ствола. Плашкодержатель, в свою очередь, выполнен или с пазами в виде ласточкина хвоста, и в них соответственно размещены нижние торцы плашек, или с окнами, в которых изнутри размещены плашки, причем для исключения преждевременного срабатывания пакера и перемещения плашек относительно конуса при спуске пакера в скважину плашкодержатель или плашки и конус оснащены фиксаторами (патент №2290489, опубл. 27.12.2006 г.).
Недостатком известного механического пакера является наличие продольного канала на основном стволе пакера, что ослабляет конструкцию, значительно уменьшает внутренний канал и может отрицательно сказываться на долговечности, а также износостойкости пакера.
Известен пакер без или с кабельным вводом (варианты), выбранный в качестве аналога, включающий в себя ствол из одной или двух (одна в другой) частей, уплотнительный элемент, размещенный на стволе между верхней и нижней опорами. На стволе пакера по варианту 1 расстояние между опорами выполнено больше, чем длина уплотнительного элемента, при этом на теле ствола пакера или в уплотнительном элементе между опорами выполнен, по крайней мере, один продольный уравнительный канал, обеспечивающий гидравлическое соединение через себя пространств над и под сжатым уплотнительным элементом в скважине при освобождении пакера с перемещением его ствола вверх. По телу пакера по варианту 2 вне его ствола, снаружи или изнутри верхней и нижней опор и уплотнительного элемента выполнен, по меньшей мере, один продольный канал с одной стороны с глухим дном, а с другой - открытой поверхностью без или с ласточкиным хвостом или разрезанной манжетой с возможностью размещения вдоль него кабеля или его жил и герметизации кабеля или его жил в одном или нескольких продольных каналах уплотнительного элемента при его деформации-сжатии в момент посадки пакера в скважине, и/или пакер с заякоривающим устройством, состоящим из конуса, плашек и плашкодержателя, либо оснащен сопротивляющим элементом потока жидкости в виде перевернутого «U»- или «V»-образного элемента, резины или манжеты, соединенным снизу плашкодержателем, либо выполнен со стволом с несколькими или одним боковым продольным каналом или сквозным пазом и в нем размещен в виде толкателя плашкодержателя дифференциальный и/или подпружиненный поршень, находящийся под воздействием давлений изнутри и снаружи пакера (патент №2467153, опубл. 20.11.2012 г.).
Недостатком известного пакера является предложенный метод вывода кабеля через пакер и его герметизация: герметизация кабельной линии по наружному пазу под уплотнительной манжетой не обеспечит надежность и герметичность заделки, так как процесс герметизации и уплотнения кабельной линии происходит в скважине при установке самого пакера. Также недостатком является то, что нагрузки, воздействующие на уплотнительные манжеты при посадке пакера, будут передаваться на кабель, что может вызвать деформацию и повреждение кабельной линии.
Известен механически пакер (варианты), выбранный в качестве аналога, представленный следующими вариантами механических пакеров: без раздвижных опор, с раздвижными опорами, расположенными ниже, либо выше уплотнительных элементов и с раздвижными опорами как сверху, так и снизу от уплотнительных элементов. Верхняя часть раздвижных опор первого и второго типа выполнена в виде козырька, а нижняя часть - в виде основания с пазом под пружины. На передних частях козырька и основания двух типов раздвижных опор выполнены параллельные друг другу конусные поверхности. На передних частях козырька и основания раздвижных опор первого типа выполнены дополнительные конусные поверхности. С двух боковых сторон опор первого типа имеются острые треугольные выступы, а у опор второго типа - фаски. На кодовой втулке либо на стволе пакера выполнены сквозные «Х»-образные, диаметрально противоположные друг другу фигурные пазы. Высота нижней части фигурного паза, образующей равнодлинный «хвост», значительно меньше высоты верхней части, представляющей собой длинный левый и короткий правый участки (патент №2490423, опубл. 20.08.2012 г., патентообладателем данного патента является настоящий заявитель).
Недостатком известного механического пакера (варианты) является отсутствие возможности прокладки кабеля вдоль пакера.
Известен двуствольный пакер с кабельным вводом, выбранный в качестве аналога, состоящий из двух пакерных стволов, пакерного узла с гидравлическим или механическим приводом, герметизатором кабельного ввода и линиями закачки химреагентов. Пакерный и внутренний стволы вставлены один в другой и крепятся между собой с ориентированием по кабельному вводу, входящему в кольцевое пространство стволов через боковое окно пакера. Герметизатор кабельного ввода с линиями закачки химреагентов, состоящий из уплотнительного элемента с опорными шайбами по торцам, размещен в кольцевом пространстве между стволами под прессовой втулкой. Герметизатор выполнен шарнирно разъемным, а уплотнительный элемент герметизатора разделен перегородкой с гидроканалами, сообщающимися с каналом контрольной опрессовки (патент №2380518, опубл. 27.01.2010 г., патентообладателем данного патента является настоящий заявитель).
Недостатком известного двуствольного пакера с кабельным вводом является то, что для повторной установки пакера в новом интервале скважины требуется подъем на поверхность и ревизия пакера.
Известен механический двуствольный пакер с кабельным вводом, выбранный в качестве прототипа, содержащий пакерный и внутренний стволы, вставленные один в другой и крепящиеся между собой с ориентированием по кабельному вводу, пакерный узел, механический привод, герметизатор кабельного ввода с линиями отвода газа или для закачки химреагентов. Привод пакера является механическим нажимного действия, внутренний ствол пакера выполнен составным из верхней, средней и нижней частей, нижний конец средней части внутреннего ствола пакера имеет выступ для взаимодействия с цилиндром привода. В сквозных отверстиях нижнего конца средней части и верхнего конца нижней части внутреннего ствола пакера установлены срезные элементы (патент №2468185, опубл. 27.11.2012 г., патентообладателем данного патента является настоящий заявитель).
Недостатком известного механического двуствольного пакера с кабельным вводом является отсутствие возможности установки данного пакера в скважине в любом интервале эксплуатационной колонны без ниже установленного пакера или упора на забой, т.е. данный пакер является опорным.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение надежности герметизации трубного и затрубного пространств за счет достижения и проверки полной герметизации в месте кабельного ввода, обеспечение защиты кабеля от повреждения, регулирование усилия срабатывания пакера при его посадке, ориентирование и предотвращение от свободного вращения на внешнем стволе пакера заякоривающего узла.
Указанный технический результат достигается тем, что:
- пакер содержит последовательно расположенные кабельный герметизатор, уплотнительный, заякоривающий, центрирующий и соединительный узлы, последний из которых имеет накидную гайку и корончатую втулку, закрепленную верхней частью на внешнем стволе, а нижней - входящей в пазы, расположенные на муфте внутреннего ствола;
- пакер имеет два расположенных на внешнем стволе паза, один из которых является прямым, размещенным между уплотнительным и центрирующим узлами, а другой - фигурным, расположенным между центрирующим и соединительным узлами;
- пакер имеет ограничительные срезные винты, расположенные в поджимающей втулке;
- пакер имеет штифт, установленный в конусе заякоривающего узла, и фиксатор, расположенный во втулке фигурного паза.
Повышение надежности герметизации трубного и затрубного пространств за счет достижения полной герметизации в месте кабельного ввода и обеспечение защиты кабеля от повреждения осуществляется исполнением кабельного герметизатора без разделки брони кабеля и закачкой компаунда (жидкого герметизирующего состава) под давлением в корпус через специальное отверстие и последующей герметизацией последнего резьбовой пробкой. В качестве герметизирующего и газопроницаемого наполнителя используется компаунд со следующими характеристиками: быстро схватывается, обладает однородной, пластичной структурой, выдерживает большие перепады температур.
Заделка кабельной линии и проверка полной герметизации зажатых опорными шайбами резиновых элементов осуществляется на устье скважины перед спуском пакера через отверстие в корпусе под резьбовой пробкой с помощью ручного насоса.
Ограничительные срезные винты пакера, расположенные в поджимающей втулке, обеспечивают регулирование усилия срабатывания пакера при его посадке.
Штифт расположен в конусе заякоривающего узла и обеспечивает его ориентирование и предотвращение от свободного вращения на внешнем стволе пакера.
Фиксатор размещен во втулке фигурного паза и обеспечивает перемещение и переключение заякоривающего узла из транспортного положения в рабочее.
Схема механического пакера с кабельным вводом (на чертеже не показан) приведена на чертеже. Механический пакер с кабельным вводом состоит из внешнего 1 и внутреннего 2 стволов, внутреннего 3 и продольного 4 каналов, уплотнительного узла 5, поджимающей втулки 6, заякоривающего узла 7, кожуха 8, пружины 9, центрирующего узла 10, соединительного узла 11, переводника 12, муфты 13, подвижной гайки 14, разрезной 15 и прессовой 16 втулок, кабельного герметизатора 17, ограничительных срезных винтов 18, прямого паза (на чертеже не показан), штифта 19, втулки 20 фигурного паза (на чертеже не показан), фиксатора 21, кольца 22, корончатой втулки 23, накидной гайки 24.
Внешний 1 и внутренний 2 стволы вставлены один в другой, крепятся вместе с ориентированием по кабельному вводу (на чертеже не показан), образуют между собой продольный канал 4 и ориентируются в нижней части при помощи корончатой втулки 23. Конструкция пакера имеет внутренний канал 3, который является равнопроходным, что обеспечивает беспрепятственный подъем на поверхность и закачку жидкости в скважину (на чертеже не показана).
Внешний ствол 1 воспринимает осевое механическое усилие от веса колонны труб (на чертеже не показана) при установке пакера в скважине и гидравлическое усилие от перепада давления на пакере при эксплуатации, а внутренний ствол 2 - усилия вращения и растяжения от веса подвешенного к пакеру оборудования (на чертеже не показано).
На верхнюю часть внутреннего ствола 2 при помощи резьбового соединения установлены муфта 13 и подвижная гайка 14. Разрезная втулка 15 размещена между подвижной гайкой 14 и прессовой втулкой 16.
Кабельный герметизатор 17 расположен в верхней части пакера и выполнен в виде составного цилиндра с шарнирно-разъемными частями (на чертеже не показаны), в корпусе 25 которого расположены специальное отверстие (на чертеже не показано), служащее для закачки компаунда под давлением в полость корпуса 25 с последующей опрессовкой давлением и герметизацией резьбовой пробкой 26, резиновые элементы 27, 28 и опорные шайбы 29, поджатые сверху прессовой втулкой 16.
Кабельный герметизатор 17 предназначен для размещения (протяжки) и уплотнения кабеля 30 без его отсечения в любом заданном интервале и газоотводных трубок (на чертеже не показаны). Кабельный герметизатор 17 может быть представлен в двух исполнениях: 1) с разделкой (снятием) брони кабеля 30 и уплотнением по жилам кабеля 30; 2) без разделки брони кабеля 30 и закачкой компаунда под давлением в корпус 25 кабельного герметизатора 17.
Уплотнительный узел 5, состоящий из уплотнительного элемента 31, одной или нескольких манжет (на чертеже не показаны) с кольцами 32 или без них, установлен между корпусом 25 кабельного герметизатора 17 и поджимающей втулкой 6, в которой размещены срезные винты 18.
Заякоривающий узел 7 установлен под поджимающей втулкой 6 и состоит из конуса 33, плашек 34 и плашкодержателя 35. В конусе 33 размещен штифт 19, который обеспечивает ориентирование и предотвращение от свободного вращения на внешнем стволе 1 заякоривающего узла 7. На наклонной поверхности конуса 33 выполнены пазы (на чертеже не показаны) в виде ласточкина хвоста, находящиеся в зацеплении с верхней частью плашек 34. Нижняя Т-образная часть плашек 34 установлена в соответствующие радиальные пазы (на чертеже не показаны) плашкодержателя 35, к низу которого при помощи резьбового соединения прикреплен кожух 8 с установленной внутри пружиной 9.
Центрирующий узел 10, расположенный под заякоривающим узлом 7, состоит из корпуса 36, поджатых пружинами 37 планок (на чертеже не показаны), втулки 20 фигурного паза (на чертеже не показан) и кольца 22.
Фиксатор 21, размещенный во втулке 20 фигурного паза, обеспечивает перемещение и переключение заякоривающего узла 7 из транспортного положения в рабочее.
Установленный в нижней части пакера соединительный узел 11, состоящий из корончатой втулки 23 и накидной гайки 24, связывает в единое целое внешний 1 и внутренний 2 стволы. Корончатая втулка 23 закреплена верхней частью на внешнем стволе 1, а нижней - входит в пазы (на чертеже не показаны), расположенные на муфте (на чертеже не показана) внутреннего ствола 2.
Корончатая втулка 23, имеющая боковое окно (на чертеже не показано), которое служит для поддержания неразрывности кабеля 30 и вывода его из продольного канала 4 в подпакерное пространство, предназначена для исключения осевых и крутящих перемещений внутреннего ствола 2 относительно внешнего ствола 1.
Накидная гайка 24 расположена под корончатой втулкой 23 и фиксирует нижней частью переводник 12 внутреннего ствола 2, а верхней - корончатую втулку 23.
К нижней части внутреннего ствола 2 пакера прикреплен переводник 12, верхняя часть внешней поверхности которого выполнена в виде пазов (на чертеже не показаны), обеспечивающих жесткое соединение внутреннего 2 и внешнего 1 стволов и передачу осевого и крутящего моментов.
На внешнем стволе 1 размещены два вида паза (на чертеже не показаны): прямой, размещенный между уплотнительным 5 и центрирующим 10 узлами, и фигурный, расположенный между центрирующим 10 и соединительным 11 узлами. Выполнение вышеуказанных пазов обеспечивает надежное переключение заякоривающего узла 7 из транспортного положения в рабочее. Прямой паз не оказывает влияния на сечение внутреннего канала 3, являющегося равнопроходным, что обеспечивает беспрепятственный подъем на поверхность и закачку жидкости в скважину.
Механический пакер с кабельным вводом работает следующим образом.
Кабель прикрепляют к муфте последней спущенной трубы протекторами (на чертеже не показаны) и осуществляют спуск пакера в скважину на требуемую глубину. После спуска внутрискважинного оборудования и подпакерной колонны труб в очередную муфту вворачивают переводник 12 и внутренний ствол 2. Затем внешний ствол 1 надевают на внутренний ствол 2 и соединяют их между собой корончатой втулкой 23. Перед подключением к забойному электрооборудованию кабель 30 предварительно перепускают через кабельный герметизатор 17 в продольный канал 4. Перед спуском пакера на устье скважины производят заделку кабельной линии и проверку полной герметизации зажатых опорными шайбами 29 резиновых элементов 27, 28 кабельного герметизатора 17 через специальное отверстие в корпусе 25 под резьбовой пробкой 26 с помощью ручного насоса. Далее кабельный герметизатор 17 с пропущенными жилами кабеля 30 и вместе с газоотводными трубками (на чертеже не показаны) вставляется в кольцевое пространство между пакером и стенками эксплуатационной колонны (на чертеже не показана) через верхний конец внешнего ствола 1. Резиновые элементы 27, 28 сжимаются путем ввинчивания прессовой втулки 16 в корпус 25.
После достижения требуемой глубины скважины устанавливают механический пакер с кабельным вводом известным способом путем осевого перемещения колонны труб. Корпус 36 центрирующего узла 10 соприкасается с кожухом 8 и через плашкодержатель 35, сжимая пружину 9, передает осевое движение плашкам 34, которые по наклонной поверхности конуса 33 выдвигаются в радиальном направлении до зацепления со стенками эксплуатационной колонны. При дальнейшей разгрузке инструмента нагрузка передается на срезные винты 18, которые срезаются при достижении необходимого усилия. После чего уплотнительный элемент 31 увеличивается в диаметре до диаметра скважины, герметизируя подпакерную зону. Для перевода пакера в транспортное положение производят натяжение колонны труб. Конус 33 перемещается вверх относительно внешнего ствола 1. Плашки 34 за счет зацепления ласточкин хвост и усилия пружины 9 складываются вовнутрь, и уплотнительный элемент 31 принимает исходное положение. При необходимости повторной установки пакера в новом интервале скважины операция повторяется в вышеописанной последовательности.
Применение заявляемого изобретения позволит повысить надежность герметизации трубного и затрубного пространств за счет достижения и проверки полной герметизации в месте кабельного ввода, обеспечить защиту кабеля от повреждения, регулировать усилие срабатывания пакера при его посадке, ориентировать и предотвращать от свободного вращения на внешнем стволе пакера заякоривающего узла.