УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПАКЕРА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам с набухающими уплотнительными элементами, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.
Известен уплотнительный узел пакера, включающий эластичный элемент в форме полого цилиндра с кольцевыми канавками на внешней поверхности, выполненный из набухающего в скважинных жидкостях эластомера, и защитные кольца на его концевых участках [Патент на полезную модель №86650, E21B 33/12, 2009].
Недостатком уплотнительного узла пакера является недостаточная жесткость эластичного элемента в радиальном направлении и невысокая герметизирующая способность при действии перепада давления, что существенно снижает надежность его спуска в скважину и ограничивает область применения.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является уплотнительный узел пакера, включающий два эластичных элемента, взаимодействующих друг с другом, один из которых выполнен из не набухающей резины в виде манжеты чашеобразной формы с внутренней конической поверхностью, а другой выполнен из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеет форму полого цилиндра, один из концевых участков которого имеет наружную коническую поверхность и контактирует с внутренней конической поверхностью чашеобразной манжеты. Уплотнительный узел также содержит защитные кольца, размещенные у несмежных концевых участков эластичных элементов [Патент на полезную модель №108095, E21B 33/12, 2011].
Недостатком уплотнительного узла пакера является то, что полый цилиндр из набухающего эластомера не обладает достаточной жесткостью в радиальном направлении, что может привести к его повреждению при спуске в скважину, а со стороны внутренней поверхности цилиндр подвержен охлаждению при закачивании технологических жидкостей в скважину (например, при проведении гидроразрыва пластов), что отрицательно сказывается на качестве набухания эластомера и, в конечном итоге, на изолирующие свойства уплотнительного узла. Это в целом снижает надежность работы пакера и ограничивает его технологические возможности.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы уплотнительного узла пакера и расширение его технологических возможностей.
Необходимый технический результат достигается тем, что уплотнительный узел пакера, включащий, по крайней мере, два взаимодействующих друг с другом эластичных элемента, один из которых выполнен из не набухающей резины в виде манжеты чашеобразной формы с внутренней конической поверхностью, а другой выполнен из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеет форму полого цилиндра, один из концевых участков которого имеет наружную коническую поверхность и контактирует с внутренней конической поверхностью чашеобразной манжеты, и защитные кольца, размещенные у несмежных концевых участков эластичных элементов, снабжен армирующим слоем, закрепленным на внутренней поверхности полого цилиндра, при этом армирующий слой выполнен из тканого либо нетканого материала и имеет двухстороннее покрытие из не набухающего эластомера, обладает большей жесткостью в радиальном направлении и меньшей теплопроводностью нежели полый цилиндр и податлив в осевом направлении.
Кроме того, для дополнительной жесткости наружная коническая поверхность концевого участка полого цилиндра и контактирующая с ней внутренняя коническая поверхность чашеобразной манжеты связаны между собой клеевым составом.
На фиг. 1 изображен уплотнительный узел пакера в транспортном положении; на фиг. 2 - вариант размещения двух уплотнительных узлов на пакере в транспортном положении.
Уплотнительный узел пакера (фиг. 1) в частном исполнении состоит из двух взаимодействующих друг с другом эластичных элементов, один из которых выполнен из не набухающей резины в виде манжеты 1 чашеобразной формы с внутренней конической поверхностью 1a, а другой выполнен из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеет форму полого цилиндра 2. Концевой участок полого цилиндра 2, обращенный к манжете 1, имеет наружную коническую поверхность 2а, контактирующую с внутренней конической поверхностью 1а чашеобразной манжеты 1. У несмежных концевых участков эластичных элементов 1 и 2 размещены защитные кольца 3 и 4, препятствующие возможному повреждению эластичных элементов при спуске в скважину и их разрушению при действии заданного перепада давления. Защитные кольца 3 и 4 могут быть выполнены в виде простых колец, как это описано в патенте №86650, или быть более сложной конструкции с дополнительными элементами противоэкструзионной защиты, как это описано в патенте №108095.
Полый цилиндр 2 из набухающего эластомера снабжен армирующим слоем 5 из тканого либо нетканого материала (например, из полиамидной или хлопчатобумажной ткани), закрепленным на его внутренней поверхности, при этом армирующий слой имеет двухстороннее покрытие 5а и 5б из не набухающего эластомера. Армирующий слой 5 в совокупности с двухсторонним покрытием обладает большей жесткостью в радиальном направлении и меньшей теплопроводностью, нежели полый цилиндр, и имеет определенную податливость в осевом направлении.
Для большей жесткости конструкции уплотнительного узла наружная коническая поверхность 2а концевого участка полого цилиндра 2 и контактирующая с ней внутренняя коническая поверхность 1 а чашеобразной манжеты 1 связаны между собой клеевым составом (на фиг. 1 не показан).
Для применения на скважине уплотнительный узел устанавливается на трубу 6 пакера с присоединительными резьбами на концевых участках (на фиг. 1 не показаны), при этом защитные кольца 3 и 4 фиксируются на трубе стопорными винтами 7 или другими способами, известными из уровня техники, а герметизация кольца 3 по внутренней поверхности обеспечивается уплотнительным кольцом (на фиг. 1 не указан). Данная конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает лучшую герметизацию пространства в скважине при действии перепада давления, направленного снизу вверх.
Для обеспечения надежной герметизации при действии перепада давления в равной степени, как снизу, так и сверху, на трубу 6 пакера устанавливаются симметрично два уплотнительных узла (см. фиг. 2).
Уплотнительный узел пакера работает следующим образом.
В зависимости от заданных условий применения в скважине уплотнительный узел устанавливается на трубу 6 в компоновке, показанной на рис. 1 или рис. 2. Установка всех элементов уплотнительного узла на трубу 6 может производиться на заводе-изготовителе или непосредственно на производственных базах нефтегазодобывающих компаний.
Уплотнительный узел пакера, оснащенный нефтенабухающим или водонабухающим эластомером в зависимости от геолого-технических условий в скважине, спускают в составе колонны обсадных труб (на рисунках не показана) к месту установки в открытый ствол или эксплуатационную колонну для изоляции межпластовых перетоков или интервалов пласта. Во время спуска армирующий слой 5 препятствует радиальной деформации полого цилиндра 2 под действием гидродинамики скважинной жидкости и преждевременному разрушению уплотнительного узла. Клеевое соединение манжеты 1 с концевым участком полого цилиндра 2 также способствует надежному спуску компоновки в скважину.
После спуска, в процессе освоения и эксплуатации скважины или создания специальных нефтяных или водных ванн, полый цилиндр 2 взаимодействует с скважинной жидкостью и набухает до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны, обеспечивая надежную изоляцию заданных интервалов в скважине. При действии перепада давления, возникающего при эксплуатации скважины, полый цилиндр 2 передает осевую нагрузку на чашеобразную манжету 1 и деформирует ее в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Это обеспечивает надежное перекрытие кольцевого зазора между защитным кольцом 3 и обсадной колонной (на фигурах не показано) и предотвращает выдавливание и разрушение полого цилиндра 2 под действием перепада давления.
При проведении ряда работ в скважинах, связанных с закачкой в пласты холодных жидкостей, например при гидроразрыве пластов, эластомер полого цилиндра 2 через контактную поверхность с обсадной трубой 6 подвергается кратковременному охлаждению, что может отрицательно сказаться на его изолирующих свойствах, так как температура является одним из основных факторов, влияющих на характеристики набухающих эластомеров. Армирующий слой 5 с более низкой теплопроводностью, закрепленный на внутренней поверхности полого цилиндра 2, уменьшает влияние охлаждающих жидкостей на изолирующие свойства уплотнительного узла и способствует повышению надежности его работы в скважине
Такая конструкция уплотнительного узла пакера в двух описанных вариантах обеспечивает надежный спуск и установку его в скважине, повышает надежность работы и способствует расширению его технологических возможностей при разобщении и изоляции пластов в скважинах.