гидравлический пакер

Формула изобретения

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПАКЕР, включающий корпус с впускными отверстиями, установленный на корпусе уплотнительный элемент, размещенную в корпусе нижнюю втулку с седлом и шаром, выполненную с торцевым буртиком и образующую с корпусом камеру, заполненную жидкостью и связанную через впускные отверстия корпуса с полостью уплотнительного элемента, отличающийся тем, что он снабжен установленной в корпусе и связанной с ним срезным элементом верхней втулкой и размещенными по высоте втулки трубками, каждая из которых выполнена из абразивостойкого и хрупкого материала с осевым каналом и тангенциальными каналами в средней части трубки, при этом корпус над впускными каналами выполнен с цементировочными каналами, совмещенными с осевыми каналами трубок, верхняя втулка установлена с возможностью взаимодействия с нижней и фиксацией ее крайнего нижнего положения относительно корпуса, а размер шара меньше расстояния между трубками по вертикали и размеров сегментов в горизонтальной плоскости между трубками и верхней втулкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для крепления скважин, а точнее к устройствам для цементирования обсадной колонны.

Известен гидравлический пакер [1] включающий полый корпус с цементировочными каналами и впускными отверстиями, установленный на корпусе уплотнительный элемент, втулку с радиальными отверстиями, совмещенными в исходном положении с цементировочными каналами корпуса, верхний и нижний переводники и полая цементировочная пробка на цельнорезиновой основе.

Недостатком известного гидравлического пакера является то, что он предусматривает только надежное перекрытие пространства от обсадной колонны до стенок скважины. При наличии же околоскважинной зоны с высокой пористостью и проницаемостью (одного из возможных путей перетока пластовых флюидов) не будет достигнуто надежное разобщение цементируемого и нецементируемого участков. В гидравлическом пакере не предусмотрены узлы, производящие активацию тампонажного раствора в скважине, поэтому проницаемость цементного камня будет не столь низкой, а прочность невысокой.

Известен также гидравлический пакер [2] включающий корпус с впускными отверстиями, установленный на корпусе уплотнительный элемент, размещенную в корпусе нижнюю втулку с седлом и шаром, выполненную с торцовым буртиком и образующую с корпусом камеру, заполненную жидкостью и связанную через впускные отверстия корпуса с полостью уплотнительного элемента.

Недостатком этого гидравлического пакера является то, что он также не содержит узлов, производящих кольматацию околоскважинной зоны напротив пакера в процессе продавки тампонажного раствора и его активацию, поэтому качество цементирования останется низким.

Сущность изобретения заключается в том, что гидравлический пакер снабжен установленной в корпусе и связанной с ним срезным элементом верхней втулкой и размещенными по выпоте втулки трубками, каждая из которых выполнена из абразивостойкого и хрупкого материала с осевым каналом и тангенциальными каналами в средней части трубки, при этом корпус над впускными каналами выполнен с цементировочными каналами, совмещенными с осевыми каналами трубок, верхняя втулка установлена с возможностью взаимодействия с нижней и фиксацией ее крайнего нижнего положения относительно корпуса, а размер шара меньше расстояния между трубками по вертикали и размеров сегментов в горизонтальной плоскости между трубками и верхней втулкой.

Цель изобретения повышение качества цементирования за счет скважинной обработки тампонажного раствора кавитационным и акустическим полями, а также воздействия высокочастотными импульсами на стенки скважины для кольматации порового пространства напротив пакера.

На фиг. 1 показан гидравлический пакер в исходном положении, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 изображен гидравлический пакер в процессе манжетного цементирования; на фиг. 5 то же, по окончании цементирования.

Гидравлический пакер состоит из полого корпуса 1 с цементировочными каналами 2 вверху и с впускными отверстиями 3 в камеру уплотнительного элемента 4, закрепленного на корпусе 1 держателями 5 (фиг. 1). К корпусу 1 присоединены верхний 6 и нижний 7 переводники. Внутри корпуса 1 размещены с возможностью взаимодействия верхняя 8 и нижняя 9 втулки. Нижняя втулка 9 выполнена вверху с торцовым буртиком 10, а внизу взаимодействует с переводником 7, в результате нижняя втулка 9 образует с корпусом 1 камеру 11, которая заполнена жидкостью 12 и связана чеpез впускные отверстия 3 с полостью уплотнительного элемента 4. Кроме того, в нижней втулке 9 на срезных элементах 13 установлено посадочное седло 14 под шар 15. Посадочное седло 14 выполнено, например, из сплава алюминия и снабжено манжетой 16. В верхней втулке 8 выполнены в несколько уровней сквозные (двойные) по диагоналям радиальные отверстия 17, которые ориентированы в разные стороны. В радиальные отверстия 17 установлены горизонтально, например, на резиновых уплотняющих и упругих элементах вихревые генераторы акустических колебаний давления в виде трубок 18 с осевым каналом 19 и тангенциальными каналами 20 в средней части трубок 18 (фиг. 2). Трубки 18 изготовлены из абразивостойкого и хрупкого материала, например силицированного графита. Диаметр трубок 18 несколько больше диаметра цементировочных каналов 2, с которыми они совмещены в исходном положении. Однако наружный диаметр трубок 18 не настолько велик, чтобы не допустить проход шара 15 в сегменте 21 между трубкой 18 и верхней втулкой 8 в горизонтальной плоскости (фиг. 3). Кроме того, трубки 18 расположены друг от друга по вертикали на таком расстоянии, чтобы также обеспечивался свободный проход шаpа 15 между ними. Веpхняя втулка 8 зафиксирована в начальном положении срезными элементами 22 и снабжена упругим кольцом 23 фиксатора конечного положения, а в корпусе 1 под него выполнена проточка 24, которые совмещаются при взаимодействии цементировочной пробки 25 с втулкой 8. Цементировочная пробка 25 выполнена полой на цельнорезиновой основе. Верхняя втулка 8, торцовый буртик 10, нижний переводник 7, седло 14 и держатели 5 снабжены уплотнительными кольцами 26.

Гидравлический пакер работает следующим образом.

Гидравлический пакер устанавливают между фильтром и цементируемой обсадной колонной. При спуске обсадной колонны в скважину положение элементов гидравлического пакера таково, как показано на фиг. 1. Происходит самозаполнение колонны, частично сглаживаются пульсации гидродинамического давления, поскольку внутренняя полость обсадной колонны посредством каналов 19, 10 в трубке 18, совмещенной с цементировочными каналами 2, гидравлически сообщается с заколонным пространством. Упругие элементы предупреждают разрушение хрупких трубок 18 при вибрации во время спуска из-за биений колонны в стволе скважины.

При профилактической промывке скважины перед цементированием, заканчивая в трубное пространство буровой раствор, часть его проходит через центральный канал гидравлического пакера до башмака обсадной колонны и перетекает в кольцевое пространство, а другая часть бурового раствора из-за определенного перепада давления перед посадочным седлом 14 через тангенциальные каналы 20 попадает внутрь трубок 18, где приобретает вращательно-поступательное движение в оба конца осевого канала 19 наружу в кольцевое пространство. Вращательное движение вытекающего из трубки 18 бурового раствора имеет направление с одного ее конца по часовой стрелке, а с другого против часовой стрелки. Этими вращающими потоками, ударяющими о стенку скважины, при расхаживании колонны производится всестороннее удаление глинистой корки и шлама из микрокаверн, выравнивание стенки скважины, то есть подготовка места, где в последующем будет производиться пакеровка заколонного пространства.

Перед закачкой в трубное пространство тампонажного раствора в трубное пространство бросают шар 15, а над тампонажным раствором помещают цементировочную пробку 25. Шар 15, дойдя до пакера, без осложнений проходит поочередно один за другим сегменты 21 и между трубками 18, даже если они будут направлены в разные стороны. После этого шар 15 прорывается через манжету 16 и перекрывает центральный канал посадочного седла 14. Начинают продавку тампонажного раствора, давление внутри колонны повышается, в результате этого нижняя втулка 9 опускается вниз. Камера 11 уменьшается в объеме и выдавливает жидкость 12 через впускные отверстия 3 в камеру уплотнительного элемента 4 происходит герметизация заколонного пространства (фиг. 4).

Весь тампонажный раствор через тангенциальные каналы 20 поступает в осевые каналы 19 трубок 18, где приобретает вращательно-поступательное движение. В осевой области каналов 19 возникает зона разрежения, заполненная парогазовой фазой. Вращательное движение неоднородной среды становится неустойчивым. На выходе из трубок 18 (в области повышенного давления) кавитационные полости схлопываются, при этом генерируются высокочастотные пульсации давления. При периодических срывах потока жидкость устремляется в зону разрежения, вызывая положительный скачок давления, затем вновь образуется вихрь с отрицательным скачком давления. В кавитационном поле осевых каналов 19 трубок происходит мощная диспергация частиц тампонажного раствора, выходящего в кольцевое пространство над пакером, где еще на некотором удалении (несколько метров) подвергается обработке акустическим полем, генерируемым трубками 18, что повышает и степень вытеснения бурового раствора тампонажным. Кроме того, вихревыми струями тампонажного раствора производится виброкольматация порового пространства околоскважинной зоны напротив пакера. Во время непредвиденных остановок во время продавки тампонажного раствора, чтобы не произошли неуправляемые перетоки, посадочное седло 14, шар 15 и манжета 16 будут работать как двухсторонний клапан, не пропускающий растворы не только вниз, но и снизу вверх.

По окончании продавки тампонажного раствора цементировочная пробка 25 садится на верхнюю втулку 8, срезаются элементы 22 и втулка 8 с пробкой 25 опускается вниз. Поскольку цементный раствор малосжимаем в небольшом замкнутом пространстве между посадочным седлом 14 с шаром 15 и цементировочной пробкой 25, под срезной втулкой 8 повышается давление. В результате этого срезаются элементы 13 и посадочное седло 14 выходит из нижней втулки 9. Затем верхняя втулка 8 доходит до нижней втулки 9 и дожимает ее, производя допакеровку. В конечном положении верхняя втулка 8 фиксируется кольцом 23 в проточке 24. После этого давление сбрасывают, скважину оставляют на ОЗЦ.

После ОЗЦ для освоения скважины спускают НКТ с наконечником, выдавливают полую на цельнорезиновой основе цементировочную пробку 25 внутрь верхней втулки 8 и сбивают хрупкие трубки 18, затем продолжая спуск НКТ, пробку 25 доводят до забоя, очищая при этом фильтр от обломков и кусков трубок 18.

Технико-экономическая эффективность заключается в повышении качества цементирования за счет активации тампонажного раствора непосредственно перед выходом его в кольцевое простpанство скважины. Вследствие удаления пленки новообразований на еще не прогидратировавших частицах цемента и активирования процесса растворения на поздних стадиях гидратации произойдет немедленное и ускоренное твердение, что снизит количество образующихся при структурообразовании флюидопроводящих каналов, а из-за дополнительного увеличения центров кристаллизации произойдет уплотнение и упрочнение структуры цементного камня. Кроме того, удаление глинистой корки со стенок скважины в месте установки пакера и виброкольматация порового пространства напротив пакера существенно повысят надежность разобщения цементируемого и нецементируемого участков скважины. Предлагаемый пакер позволяет исключить отрицательные последствия ошибочной его установки напротив проницаемого пласта, когда мощность непроницаемого пропластка мала, что имеет место при наличии сложнопостроенных многопластовых месторождений, например в Западной Сибири. Его можно успешно использовать, когда возникает необходимость разделения пакером двух пропластков, между которыми нет полностью непроницаемого пропластка.