надувной гидравлический пакер

Формула изобретения

1. Надувной гидравлический пакер, содержащий полый ствол, концентрично установленный на нем и образующий с ним основную гидравлическую полость уплотнительный элемент, состоящий из наружного и внутреннего эластичных слоев с расположенным между ними силовым кордом и концевых опор, подвижный внутренний поршень и гидравлическую полость, отличающийся тем, что дополнительно содержит концентрично размещенный на стволе корпус, опору, установленную между стволом и нижним концом корпуса, внутреннюю гильзу, закрепленную на опоре между стволом и корпусом, причем подвижный внутренний поршень и дополнительный подвижный наружный поршень установлены между полым стволом и корпусом и образуют с последними и внутренней гильзой гидравлические полости, верхнюю, среднюю и нижнюю, в опоре выполнены продольные каналы, а на стволе в верхней и нижней гидравлических полостях выполнены радиальные каналы, причем основная и средняя гидравлические полости заполнены чистой гидравлической жидкостью.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что силовой корд уплотнительного элемента выполнен, например, из пружинной проволоки в виде вкладышей, плотно прилегающих друг к другу и установленных вдоль образующей уплотнительного элемента, концы вкладышей расположены в проточках, выполненных в концевых опорах, при этом уплотнительный элемент дополнительно содержит разрезные упругие кольца, установленные снаружи на вкладышах в районе концевых опор, и разрезы соседних колец смещены относительно друг друга на 90 - 180^o.

3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что длина вкладышей равна суммарной ширине разрезных упругих колец в районе каждой опоры, а эластичные слои выполнены за одно целое.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разобщения ствола скважины.

Известен надувной гидравлический пакер (а.с. СССР N 440481, кл. E 21 B 33/12, 1974 г.), включающий корпус, уплотнительный элемент в виде рукава с наружным и внутренним резинокордными слоями, слоями металлокорда в виде сплошной навивки во взаимно пересекающихся направлениях под одинаковым к оси рукава углом наклона от 0 до 45, концевые арматуры для присоединения к ним силовых слоев каркаса.

Известный пакер не обеспечивает надежной работы уплотнительного элемента, так как его раздутие, сопровождающееся изменением угла подъема слоев металлокорда, достигается только за счет деформации растяжения этих слоев, закрепленных в неподвижных концевых арматурах.

Кроме того, известный пакер не обеспечивает надежного возврата уплотнительного элемента в транспортное положение после нахождения его в рабочем положении длительный период.

Известен надувной гидравлический пакер (а.с. СССР N 1716087, кл. E 21 B 33/12, 1992 г. ), включающий корпус с основным каналом, концентрично установленный на корпусе, образующий с ним камеру, гидравлически связанную с основным каналом корпуса, уплотнительный элемент в виде наружного и внутреннего эластичных слоев и имеющего один подвижный относительно корпуса конец размещенного между ними силового корда с переходными участками по обе стороны от его центральной части, угол намотки которых относительно продольной оси корпуса увеличивается от центральной части силового корда к концам, установленный на корпусе и подвижном конце уплотнительного элемента цилиндр с поршнем, образующим с корпусом и цилиндром надпоршневую полость, гидравлически связанную с основным каналом корпуса и образующим подпоршневую полость с цилиндром, корпусом и концом уплотнительного элемента с подвижным концом силового корда, причем в корпусе выполнен дополнительный канал, гидравлически сообщающийся с подпоршневой полостью цилиндра, последний жестко связан с корпусом, а поршень установлен в нем подвижно и жестко связан с подвижным концом силового корда, при этом концы наружного и внутреннего эластичных слоев связаны с корпусом жестко.

Недостатком известного устройства является нарушение герметизации при нахождении пакера в рабочем положении длительный период (от одного года до пяти лет) из-за отслоения слоя резины от силового корда и ее выдавливание между слоями корда. После длительного периода (от одного года до пяти лет) нахождения пакера в рабочем положении происходит деформация эластичных слоев, которая мешает возврату уплотнительного элемента в транспортное положение для подъема пакера или при изменении глубины его установки. Кроме того, в процессе эксплуатации имеющиеся в корпусе длинные каналы с малым сечением засоряются твердыми частицами выбуренной породы и бурового раствора, что также делает ненадежным функционирование пакера (перевод в рабочее или транспортное положение). При подъеме пакера, из-за большой остаточной деформации эластичных слоев и за счет трения в местах муфтовых соединений на стыках труб, идет их разрушение.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности герметизации при разобщении ствола скважины на длительный период за счет предотвращения разрушения эластичных слоев, обеспечение возврата уплотнительного элемента в транспортное положение после длительного периода (от одного года до пяти лет) нахождения пакера в рабочем положении и обратно в процессе одного спуска.

Надувной гидравлический пакер, содержащий полый ствол, концентрично установленный на нем и образующий с ним основную гидравлическую полость, уплотнительный элемент, состоящий из наружного и внутреннего эластичных слоев с расположенным между ними силовым кордом и концевых опор, подвижный внутренний поршень и кольцевую полость, согласно изобретению, дополнительно содержит концентрично размещенный на стволе корпус, опору, установленную между стволом и нижним концом корпуса, внутреннюю гильзу, жестко закрепленную на опоре между стволом и корпусом, причем подвижный внутренний поршень и дополнительный подвижный наружный поршень установлены между полым стволом и корпусом и образуют с последними и внутренней гильзой гидравлические полости: верхнюю, среднюю и нижнюю, в опоре выполнены продольные каналы, а на стволе, в верхней и нижней гидравлических полостях, выполнены радиальные каналы, причем основная и средняя кольцевые полости заполнены чистой гидравлической жидкостью.

Кроме того, силовой корд уплотнительного элемента выполнен, например, из пружинной проволоки в виде вкладышей, плотно прилегающих друг к другу и установленных вдоль образующей уплотнительного элемента, концы вкладышей расположены в проточках, выполненных в концевых опорах, при этом уплотнительный элемент дополнительно содержит разрезные упругие кольца, установленные снаружи на вкладышах в районе концевых опор, и разрезы соседних колец смещены относительно друг друга на 90-180^o.

По второму варианту исполнения длина вкладышей равна суммарной ширине разрезных упругих колец в районе каждой опоры, а эластичные слои выполнены за одно целое.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены следующие виды:

фиг.1 - продольный разрез надувного гидравлического пакера;

фиг. 2 - продольный разрез уплотнительного элемента в транспортном положении;

фиг. 3 - поперечный разрез уплотнительного элемента;

фиг.4 - продольный разрез уплотнительного элемента в рабочем положении.

Надувной гидравлический пакер содержит полый ствол 1, концентрично установленный на нем и образующий с ним основную гидравлическую полость 2, уплотнительный элемент 3, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 эластичных слоев с расположенным между ними силовым кордом 6, и концевых опор 7 и 8, подвижный внутренний поршень 9 и гидравлическую полость 10. На полом стволе 1 концентрично ему размещен корпус 11. Корпус 11 и уплотнительный элемент 3 закреплены на стволе 1 посредством опоры 12 и гайки 13. В опоре 12 выполнены продольные каналы 14. Подвижные внутренний поршень 9 и наружный поршень 15 установлены между полым стволом 1 и корпусом 11 и образуют с ними и внутренней гильзой 16, жестко закрепленной на опоре 12 между стволом 1 и корпусом 11, гидравлические полости: верхнюю 17, среднюю 10 и нижнюю 18. Гидравлическая полость 10 через продольные каналы 14 сообщается с основной гидравлической полостью 2. На стволе 1, в верхней 17 и нижней 18 гидравлических полостях выполнены радиальные каналы 19 и 20. Основную 2 и среднюю 10 гидравлические полости в процессе сборки пакера заполняют чистой гидравлической жидкостью. Силовой корд 6 выполнен, например, из пружинной проволоки в виде вкладышей 21, плотно прилегающих друг к другу и установленных вдоль образующей уплотнительного элемента 3. Концы вкладышей 21 расположены в проточках 22 концевых опор 7 и 8. Снаружи на вкладышах 21 в районе концевых опор 7 и 8 установлены разрезные упругие кольца 23. Разрезы соседних колец (23) смещены относительно друг друга на 90-180^o. Внутренние цилиндрические поверхности концевых опор 7 и 8 являются посадочными при монтаже уплотнительного элемента 3.

По второму варианту выполнения длина вкладышей 21 равна суммарной ширине разрезных упругих колец 23 в районе каждой концевой опоры 7 и 8, а эластичные слои 4 и 5 выполнены за одно целое (4a).

Надувной гидравлический пакер работает следующим образом.

Пакер спускают в скважину на колонне труб на заданную глубину. Под действием избыточного давления (от 2,5 до 3,0 МПа) внутри колонны рабочая жидкость поступает через отверстия 19 и 20 в верхнюю 17 и нижнюю 18 гидравлические полости. За счет дифференциальности площадей внутреннего поршня 9 происходит его перемещение в сторону опоры 12. В результате этого чистая гидравлическая жидкость из полости 10 по продольным каналам 14 вытесняется в основную гидравлическую полость 2. Происходит раздутие уплотнительного элемента 3 до соприкосновения наружного эластичного слоя 4 с внутренней поверхностью обсадной трубы 24. При этом первые разрезные упругие кольца 23, считая от середины, также увеличиваются по диаметру (за счет упругости и разрезов) до соприкосновения с обсадной трубой 24. Все последующие кольца 23 увеличиваются по диаметру с убывающей пропорцией, крайние (23) изменяются по диаметру незначительно. Такая зависимость раскрытия колец 23 возникает из-за того, что вкладыши 21, опираясь на концевые опоры 7 и 8, и через первые разрезные упругие кольца 23, считая от середины: на обсадную трубу 24, воспринимают внутренне избыточное нагружение. Посредством разрезных упругих колец 23 и вкладышей 21 создается замкнутое пространство, в котором находится эластичный слой 5 под высоким давлением изнутри.

После кратковременной выдержки в течение 5-10 с снимается избыточное давление в полом стволе 1, но пакер остается в рабочем (раздутом) положении под гидростатическим давлением. Это происходит из-за дифференциации площадей, на которые действует гидростатическое давление изнутри и снаружи уплотнительного элемента 3. Площадь уплотнительного элемента 3 со стороны основной гидравлической полости 2 во много раз больше конусообразной площади уплотнительного элемента 3 со стороны межтрубного пространства.

В процессе эксплуатации скважины при повышении давления внутри полого ствола 1 или в межтрубном пространстве оно воздействует на внутренний поршень 9 или на наружный поршень 15 и через них и рабочую жидкость в нижней 18 и основной 2 гидравлических полостях, избыточное давление передается на уплотнительный элемент 3 изнутри. Вследствие этого уплотнительный элемент 3 более плотно прижимается к обсадной трубе 24, повышается герметизация, а также пропорционально повышается усилие сопротивления сдвигу пакера под действием избыточного давления. При длительном нахождении пакера в рабочем положении разрушение эластичных слоев, за счет выполнения силового корда в виде вкладышей из пружинной проволоки, плотно прилегающих друг к другу и установленных вдоль образующей уплотнительного элемента, а также за счет разрезных упругих колец, не происходит.

При переводе пакера из рабочего положения в транспортное, после длительного периода нахождения его в рабочем положении, с помощью спускаемой пробки подается избыточное давление (15-20 МПа) через радиальные каналы 20 в нижнюю гидравлическую полость 18. Через радиальные каналы 19 рабочая жидкость отводится из верхней гидравлической полости 17. Под действием давления в нижней гидравлической полости 18 внутренний поршень 9 перемещается в сторону от опоры 12. При этом увеличивается суммарный объем основной 2 и нижней 18 гидравлических полостей. Вследствие этого давление на уплотнительный элемент 3 со стороны основной гидравлической полости 2 уменьшается до 0. При этом происходит сжатие эластичных слоев 4 и 5. Разрезные упругие кольца 23 восстанавливают свой исходный диаметр. Вкладыши 21 совместно с разрезными упругими кольцами 23 помогают эластичным слоям 4 и 5 легко возвращаться в исходное транспортное положение и исключают их остаточную деформацию. Поэтому, при подъеме пакера, при прохождении муфтовых соединений на стыках обсадных труб разрушения наружного эластичного слоя 4 происходить не будет.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволит повысить надежность герметизации при разобщении ствола скважины, обеспечить возврат уплотнительного элемента в транспортное положение после длительного периода (от одного года до пяти лет) нахождения пакера в рабочем положении и обратно в процессе одного спуска в скважину. При изменении глубины пакеровки - предотвратить разрушение эластичного слоя уплотнительного элемента. При этом сократятся затраты на освоение нефтяных и газовых скважин за счет снижения спуско-подъемных операций и использования одного пакера в течение длительного периода его эксплуатации.