ДВУСТВОЛЬНЫЙ ПАКЕР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ КАБЕЛЯ, ПРОХОДЯЩЕГО МЕЖДУ ВНЕШНИМ И ВНУТРЕННИМ СТВОЛАМИ ПАКЕРА
DOUBLE-BARREL PACKER AND DEVICE FOR CABLE SEALING CONDUCTING BETWEEN PACKER'S EXTERNAL AND INTERNAL BEDS

Изобретение относится к технике и технологии добычи углеводородов и может быть использовано для эксплуатации скважин электропогружным насосным оборудованием с интервалами негерметичности эксплуатационной колонны выше продуктивных пластов.
Известен двуствольный пакер с кабельным вводом, выбранный в качестве аналога, который состоит из двух пакерных стволов, пакерного узла с гидравлическим или механическим приводом, герметизатором кабельного ввода и линиями закачки химреагентов. Стволы, пакерный и внутренний, 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 РФ №2380518, МПК Е21В 33/12, опубликован 27.01.2010 г.).
Недостатком известного пакера является то, что пакеровка осуществляется механическим способом (осевым усилием веса колонны насосно-компрессорных труб - НКТ), что ограничивает область его применения.
Известен двуствольный пакер с проходом пакера, выбранный в качестве аналога, содержащий силовой кабель, внешний и внутренний стволы, вставленные один в другой и скрепленные между собой с образованием внутреннего кольцевого пространства, шарнирно-разъемный узел герметизации, включающий уплотнительные элементы с каналами для силового кабеля и трубки для закачки химреагентов, гидравлический привод, состоящий из поршня и цилиндра, толкатель, пакерный и якорный узлы. Поршень гидравлического привода установлен с возможностью осевого перемещения и снабжен наружной упорной резьбой. На внутренней поверхности нижней части цилиндра, установленного неподвижно, выполнен паз, в котором размещена разрезная гайка с ответной упорной резьбой, взаимодействующей с поршнем (патент РФ №2592925, МПК Е21В 33/12, опубликован 27.07.2016 г.).
Недостатком известного двуствольного пакера является сложность монтажа узла герметизации в пакере на устье скважины, а также недостаточная надежность, так как подача жидкости с целью активации гидравлического привода затруднена.
Известен пакер с кабельным вводом, выбранный в качестве аналога, содержащий ствол, установленные на нем герметизатор, уплотнительный узел, кожух, входное отверстие с проходящим через него кабелем, который закреплен герметично в канале между стволом и кожухом по броне посредством герметизирующего состава в виде компаунда, также он дополнительно снабжен по меньшей мере одной линией закачки химических реагентов или отвода газа. Пакер выполнен одноствольным. Уплотнительный узел и кожух жестко связаны между собой и эксцентрично установлены на стволе, образуя между собой и стволом канал, в котором размещен герметизатор с отверстием под кабель, включающий корпус с разъемом по оси отверстия под кабель, по меньшей мере два уплотнителя и прижимную шайбу. В корпусе герметизатора размещена линия закачки химических реагентов или отвода газа. Кожух снабжен отверстием для подачи герметизирующего состава в полость между уплотнителями (патент РФ №2601710, МПК Е21В 33/12, опубликован 10.11.2016 г.).
Недостатком известного пакера является сложность монтажа герметизатора в пакере на устье скважины, а также его демонтажа и извлечения кабеля.
Известен пакер механический осевой с кабельным вводом, принятый за прототип, содержащий внешний и внутренний стволы, вставленные один в другой, крепящиеся вместе с ориентированием по кабельному вводу и образующие между собой продольный канал, кабельный герметизатор, расположенный в верхней части пакера, уплотнительный узел. 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 частью входящей в пазы, расположенные на муфте внутреннего ствола (патент РФ №2588528, МПК Е21В 33/12, опубликован 27.06.2016 г.).
Недостатком известного пакера является механический способ установки пакера и заякоривания, что ограничивает область его применения.
Известна муфта кабельного ввода, содержащая открытый с двух противоположных сторон полый корпус, с одной стороны которого введен конец кабеля, разъединенный внутри корпуса на составляющие его отдельные провода, которые последовательно проходят через размещенные в корпусе уплотнительный элемент из упругого материала и диэлектрическую втулку и закреплены освобожденными от изоляции концами в глухом торцевом отверстии штепсельного наконечника, установленного с противоположной стороны корпуса, при этом уплотнительный элемент выполнен из нескольких частей, имеющих общую поверхность соприкосновения. Наружная поверхность одной из частей уплотнительного элемента, находящегося в упруго-сжатом состоянии, прочно соединена с внутренней поверхностью корпуса, а внутренняя поверхность отверстий в уплотнительном элементе скреплена с наружной поверхностью проходящих в нем проводов (патент РФ №60800, МПК H02G 15/08, H02G 15/013, опубликован 27.01.2007 г.).
Недостатком известной муфты является невозможность ее применения для герметизации кабеля в двуствольном пакере.
Известен ввод кабельный с двойным пакетом уплотнения, выбранный в качестве аналога, содержащий два пакета уплотнения, один из которых состоит из составной опорной шайбы, цельного конусного сальника, составной нажимной шайбы, а второй - из составной опорной шайбы, цельного цилиндрического сальника, составной нажимной шайбы. Корпус снабжен двумя каналами для опрессовки, расположенными между пакетами уплотнения, и двумя пробками, установленными в этих каналах (патент РФ №2357077, МПК Е21В 47/01, Е21В 33/03, H02G 15/013, опубликован 27.05.2009 г.).
Недостатком данного кабельного ввода является сложность конструкции, а также невозможность его применения для герметизации кабеля в двуствольном пакере.
В качестве прототипа выбран кабельный герметизатор, входящий в состав пакера механического осевого с кабельным вводом, состоящий из выполненных шарнирно-разъемными резиновых элементов и опорных шайб с каналами для кабеля и газоотводных трубок. Резиновые элементы с опорными шайбами установлены на внутреннем стволе пакера и поджаты сверху прессовой втулкой, ввинчиваемой в корпус кабельного герметизатора, который установлен над внешним стволом пакера посредством резьбового соединения (патент РФ №2588528, МПК Е21В 33/12, опубликован 27.06.2016 г.).
Недостатком данного кабельного герметизатора является то, что корпус герметизатора жестко закреплен на внешнем стволе пакера, что усложняет процесс монтажа кабельного герметизатора в пакере на устье скважины, так как необходимо проталкивать шарнирно-разъемные элементы с кабелем в продольный канал между внутренним стволом пакера и корпусом герметизатора. При навинчивании прессовой втулки возможно скручивание кабеля, что может привести к повреждению и выводу его из строя. При демонтаже возникают проблемы с извлечением кабеля из кабельного герметизатора, что приводит к необходимости обрубать кабель выше и ниже герметизатора.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности гидравлического способа установки пакера и заякоривания, фиксации пакера в рабочем (уплотненном и заякоренном) положении, повышении надежности закрепления пакера в эксплуатационной колонне за счет предотвращения его перемещения вверх при создании перепада давления в НКТ, упрощении процесса монтажа устройства для герметизации кабеля в пакере на устье скважины, а также его демонтажа и извлечения кабеля, повышении надежности устройства путем предотвращения скручивания кабеля при монтаже устройства.
Технический результат достигается в двуствольном пакере, содержащем внешний и внутренний стволы, вставленные один в другой и образующие между собой продольный канал, устройство для герметизации кабеля, расположенное в верхней части пакера, уплотнительный, нижний якорный, соединительный и центрирующий узлы, при этом центрирующий узел расположен в нижней части пакера, а между соединительным и центрирующим узлами установлены толкатель и гидравлический привод, состоящий из поршня с наружной упорной резьбой и цилиндра, снабженного разрезным храповым кольцом, имеющим на внутренней поверхности ответную упорную резьбу, взаимодействующую с поршнем, причем поршень имеет возможность осевого перемещения вверх относительно цилиндра, над толкателем установлен нижний корпус, связывающий его с нижним якорным узлом, а в нижней части гидравлического привода установлена пробка, свинченная с цилиндром и закрепленная на внутреннем стволе с помощью фиксаторов.
Над уплотнительным узлом может быть установлен верхний якорный узел.
Также технический результат достигается в устройстве для герметизации кабеля, проходящего между внешним и внутренним стволами пакера, содержащем резиновые элементы и ограничивающие их по торцам опорные шайбы, выполненные разъемными по линии каналов под кабель, кожух с отверстием для закачки компаунда, нажимную гайку, при этом резиновые элементы с опорными шайбами надеты на втулку, установленную на внутреннем стволе пакера и зафиксированную от проворота относительно последнего, кожух надет на верхний корпус, свинченный с внешним стволом пакера, причем в нижней части кожуха выполнены пазы, взаимодействующие с ответными выступами, выполненными на наружной поверхности верхнего корпуса, над верхней опорной шайбой установлена прижимная шайба с пазом для кабеля, закрепленная на кожухе и поджатая сверху нажимной гайкой, навинченной на втулку.
Кроме того, втулка зафиксирована от проворота относительно внутреннего ствола пакера при помощи кольцевой многогранной выемки, выполненной на внутренней поверхности втулки и контактирующей с кольцевым многогранным выступом, выполненным на наружной поверхности внутреннего ствола пакера.
Кроме того, втулка зафиксирована от проворота относительно внутреннего ствола пакера при помощи стопорных винтов, установленных в отверстиях втулки и продольных пазах, выполненных на наружной поверхности внутреннего ствола пакера.
Установка между соединительным и центрирующим узлами толкателя с гидравлическим приводом, состоящим из поршня с наружной упорной резьбой и цилиндра, снабженного разрезным храповым кольцом, имеющим на внутренней поверхности ответную упорную резьбу, взаимодействующую с поршнем, выполнение поршня с возможностью осевого перемещения вверх относительно цилиндра, установка над толкателем нижнего корпуса, связывающего его с нижним якорным узлом, обеспечивают возможность гидравлического способа установки пакера и заякоривания, а также фиксацию пакера в рабочем (уплотненном и заякоренном) положении.
Установка в нижней части гидравлического привода пробки, свинченной с цилиндром и закрепленной на внутреннем стволе с помощью фиксаторов, обеспечивает фиксацию гидравлического привода на внутреннем стволе пакера, а также возможность перевода пакера в транспортное положение натяжением колонны НКТ, при котором происходит срезание фиксаторов.
Установка над уплотнительным узлом верхнего якорного узла обеспечивает повышение надежности закрепления пакера в эксплуатационной колонне за счет предотвращения его перемещения вверх при создании перепада давления в НКТ.
То, что в устройстве для герметизации кабеля, проходящего между внешним и внутренним стволами пакера, резиновые элементы с опорными шайбами надеты на втулку, установленную на внутреннем стволе пакера, а кожух надет на верхний корпус, свинченный с внешним стволом пакера, над верхней опорной шайбой установлена прижимная шайба с пазом для кабеля, закрепленная на кожухе и поджатая сверху нажимной гайкой, навинченной на втулку, обеспечивают упрощение процесса монтажа устройства в пакере на устье скважины, а также его демонтажа и извлечения кабеля.
Фиксация втулки от проворота относительно внутреннего ствола пакера, выполнение в нижней части кожуха пазов, взаимодействующих с ответными выступами, выполненными на наружной поверхности верхнего корпуса, обеспечивают повышение надежности устройства для герметизации кабеля путем предотвращения скручивания кабеля при монтаже устройства.
На фиг. 1 приведена схема двуствольного пакера.
На фиг. 2 показано установленное в двуствольном пакере устройство для герметизации кабеля, проходящего между внешним и внутренним стволами пакера.
На фиг. 3 показан разрез А-А.
На фиг. 4 приведена схема двуствольного пакера с установкой верхнего якорного узла.
Двуствольный пакер (фиг. 1) содержит внутренний 1 и внешний 2 стволы, устройство для герметизации кабеля 3, верхний корпус 4, уплотнительный узел 5, упор 6, нижний якорный узел 7, соединительный узел 8, нижний корпус 9, толкатель 10, гидравлический привод 11, центрирующий узел 12.
Стволы 1 и 2 вставлены один в другой, скреплены между собой и образуют продольный канал 13 для размещения кабеля (не показан).
Устройство для герметизации кабеля 3 (фиг. 2) расположено в верхней части пакера и имеет каналы 14 для кабеля и дополнительные каналы 15 для газоотводных трубок или трубок для закачки химреагентов (фиг. 3). Устройство для герметизации кабеля 3 содержит резиновые элементы 16 и опорные шайбы 17 (фиг. 2), выполненные разъемными по линии каналов 14 и надетые на втулку 18. Втулка 18 установлена на внутреннем стволе 1 пакера с помощью уплотнительного кольца 19. Для фиксации втулки 18 от проворота относительно внутреннего ствола 1 и предотвращения скручивания кабеля на внутренней поверхности втулки 18 может быть выполнена кольцевая многогранная выемка (не показана), контактирующая с кольцевым многогранным выступом (не показан), выполненным на наружной поверхности внутреннего ствола 1. Втулка 18 может быть зафиксирована от проворота также при помощи стопорных винтов (не показаны), устанавливаемых в отверстиях втулки 18 и продольных пазах (не показаны), выполненных на наружной поверхности внутреннего ствола 1. В кожухе 20 устройства выполнено специальное отверстие (не показано), служащее для закачки компаунда с последующей опрессовкой давлением и герметизацией резьбовой пробкой 21. Кожух 20 установлен на верхний корпус 4, свинченный с внешним стволом 2 пакера, и зафиксирован от проворота относительно верхнего корпуса 4 благодаря выполнению в нижней части кожуха 20 пазов 22, взаимодействующих с ответными выступами 23, выполненными на наружной поверхности верхнего корпуса 4. Над верхней опорной шайбой 17 установлена прижимная шайба 24 с пазом для вывода кабеля, закрепленная на кожухе 20 с помощью винтов (не показаны) и поджатая сверху нажимной гайкой 25, которая навинчена на втулку 18. Между прижимной шайбой 24 и нажимной гайкой 25 целесообразно устанавливать подвижные шайбы 26, выполняющие роль упорных подшипников.
Уплотнительный узел 5 пакера, состоящий из уплотнительных элементов 27 с кольцами 28, установлен между верхним корпусом 4 и упором 6.
Нижний якорный узел 7 состоит из конуса 29, свинченного с упором 6, плашек 30 и плашкодержателя 31. На наклонной поверхности конуса 29 выполнены пазы (не показаны) в виде ласточкина хвоста, находящиеся в зацеплении с верхней частью плашек 30. Нижняя Т-образная часть плашек 30 установлена в соответствующие радиальные пазы плашкодержателя 31, к низу которого при помощи резьбового соединения прикреплена втулка 32 нижнего якорного узла 7 с установленной внутри пружиной 33.
Для предотвращения преждевременного срабатывания нижнего якорного узла 7 в плашкодержателе 31 и конусе 29 установлены срезные винты 34.
Соединительный узел 8 состоит из опорной втулки 35, которая закреплена верхней частью на внешнем стволе 2, а шлицевым упором в нижней части стыкуется с ответными шлицами на внутреннем стволе 1 (не показаны), и накидной гайки 36. Опорная втулка 35 имеет окно 37 для вывода кабеля из продольного канала 13.
На нижнюю часть втулки 32 нижнего якорного узла 7 навернут нижний корпус 9 с боковым окном 38 для вывода кабеля, совмещенным с окном 37 опорной втулки 35.
Гидравлический привод 11 состоит из поршня 39 и цилиндра 40, образующих камеру 41, сообщающуюся с полостью спущенных в скважину НКТ через отверстия 42 внутреннего ствола 1. Поршень 39 выполнен с наружной упорной резьбой и установлен с возможностью осевого перемещения вверх относительно цилиндра 40. Цилиндр 40 снабжен разрезным храповым кольцом 43, которое наружной поверхностью входит в зацепление с цилиндром 40, а на внутренней поверхности имеет ответную упорную резьбу, взаимодействующую с наружной упорной резьбой поршня 39. В нижней части гидравлического привода 11 установлена пробка 44, свинченная с цилиндром 40 и закрепленная на внутреннем стволе 1 при помощи фиксаторов 45.
Над гидравлическим приводом 11 установлен толкатель 10, соединенный с нижним корпусом 9. Для регулирования усилия срабатывания пакера при посадке цилиндр 40 и толкатель 10 связаны срезными элементами 46.
Центрирующий узел 12 включает гайку 47 и контргайку 48, навернутые на внутренний ствол 1.
Для укладки кабеля в толкателе 10 и контргайке 48 выполнены пазы, расположенные на одной оси.
Над уплотнительным узлом 5 может быть установлен верхний якорный узел 49 (фиг. 4), состоящий из верхнего конуса 50, верхних плашек 51 и верхнего плашкодержателя 52, связанного с верхним корпусом 4. Верхний конус 50 установлен над дополнительным упором 53, соединенным с упором 6 с помощью винтов 54. При этом уплотнительные элементы 27 с кольцами 28 надеты на дополнительный упор 53.
Двуствольный пакер (фиг. 1) монтируют на скважине следующим образом.
Кабель со штекером пропускают через внешний ствол 2 с верхним корпусом 4 и выпускают через окно 37 опорной втулки 35 и боковое окно 38 нижнего корпуса 9. После перепуска кабель присоединяют к спускаемому электрооборудованию и проводят спуск в скважину с протягиванием кабеля сквозь верхний корпус 4, внешний ствол 2, опорную втулку 35 и нижний корпус 9. После спуска электрооборудования и заданного количества труб в очередную муфту над устьем вворачивают переводник 55 и внутренний ствол 1. Затем внешний ствол 2 с верхним корпусом 4, опорной втулкой 35 и нижним корпусом 9 надевают на внутренний ствол 1 и соединяют между собой поворотом внешнего ствола 2 до стыковки шлицевого упора опорной втулки 35 с ответными шлицами на внутреннем стволе 1. Затем закручивают накидную гайку 36. Толкатель 10 поворачивают до совпадения его паза с боковым окном 38 нижнего корпуса 9. Срезными элементами 46 закрепляют толкатель 10 к цилиндру 40. Кабель укладывают в пазы толкателя 10 и контргайки 48.
Монтаж устройства для герметизации кабеля 3 осуществляют следующим образом.
Втулку 18 с надетыми на нее резиновыми элементами 16 с опорными шайбами 17 устанавливают на внутренний ствол 1 и фиксируют от проворота. Затем кабель укладывают в каналы 14 и надевают кожух 20, при этом пазы 22 в нижней части кожуха 20 устанавливают в ответные выступы 23 верхнего корпуса 4. Затем над верхней опорной шайбой 17 устанавливают прижимную шайбу 24, закрепляют на кожухе 20 с помощью винтов (не показаны) и поджимают нажимной гайкой 25, закручиваемой на втулку 18. На внутренний ствол 1 вворачивают муфту 56.
Через специальное отверстие в кожухе 20 производят закачку герметизирующего состава в виде компаунда и проверку полной герметизации зажатых опорными шайбами 17 резиновых элементов 16 с помощью ручного насоса. После завершения опрессовки вставляют резьбовую пробку 21 и производят спуск пакера на заданную глубину.
Установку пакера внутри скважины производят следующим образом.
В колонну НКТ подается жидкость, которая через отверстия 42 внутреннего ствола 1 попадает в камеру 41. Под действием давления жидкости поршень 39 начинает движение вверх и передает усилие на толкатель 10. При превышении заданной величины давления срезаются срезные элементы 46, и поршень 39 вместе с толкателем 10, нижним корпусом 9, втулкой 32 нижнего якорного узла 7, плашкодержателем 31, конусом 29 и упором 6 продвигаются вверх, сжимая пружину 33. При этом происходит зацепление наружной упорной резьбы поршня 39 с ответной упорной резьбой разрезного храпового кольца 43. Уплотнительные элементы 27 сжимаются, и производится пакеровка скважины. При дальнейшем повышении давления срезаются срезные винты 34, и плашки 30 выдвигаются до зацепления со стенкой эксплуатационной колонны. Наличие разрезного храпового кольца 43 препятствует обратному движению поршня 39 (в сторону его первоначального положения) и позволяет удерживать пакер в рабочем положении.
В случае установки в пакере верхнего якорного узла 49 (фиг. 4), под действием давления жидкости, после среза срезных элементов 46, поршень 39 вместе с толкателем 10, нижним корпусом 9, втулкой 32 нижнего якорного узла 7, плашкодержателем 31, конусом 29, упором 6, уплотнительными элементами 27, дополнительным упором 53 и верхним конусом 50 продвигаются вверх, в результате чего происходит установка верхних плашек 51. При превышении заданной величины давления винты 54 срезаются, и происходит сжатие уплотнительных элементов 27. При дальнейшем повышении давления срезаются срезные винты 34, и происходит выдвижение плашек 30 до зацепления со стенкой эксплуатационной колонны.
Срыв пакера (фиг. 1) производят натяжением колонны НКТ. При этом срезаются фиксаторы 45, и гидравлический привод 11 вместе с толкателем 10, нижним корпусом 9, втулкой 32 нижнего якорного узла 7, плашкодержателем 31, конусом 29, упором 6 опускаются вниз до упора в гайку 47. В результате уплотнительные элементы 27 принимают исходную форму, а плашки 30 усилием пружины 33 возвращаются в исходное положение. Аналогичным образом происходит срыв пакера с верхним и нижним якорными узлами (фиг. 4).
Демонтаж устройства для герметизации кабеля осуществляют следующим образом.
Откручивают муфту 56 с нажимной гайкой 25 и снимают втулку 18 с установленными на ней деталями, прижимной шайбой 24 и кожухом 20 с верхнего корпуса 4. Затем извлекают кабель из устройства.
Таким образом, гидравлический способ установки пакера и заякоривания обеспечивает возможность использования пакера как в скважинах с малой глубиной, так и в наклонных и горизонтальных скважинах. Также обеспечивается фиксация пакера в рабочем (уплотненном и заякоренном) положении, повышается надежность закрепления пакера в эксплуатационной колонне за счет предотвращения его перемещения вверх при создании перепада давления в НКТ. Предлагаемое изобретение обеспечивает упрощение процесса монтажа устройства для герметизации кабеля в пакере на устье скважины, а также его демонтажа и извлечения кабеля, повышение надежности устройства за счет предотвращения скручивания кабеля при монтаже устройства.