система для опрессовки эксплуатационной колонны

Формула изобретения

1. Система для опрессовки эксплуатационной колонны нефтяной, или водяной, или газовой скважины, состоящая из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом возвратно-поступательного движения и пакера, соединенного с последним через стыковочный узел, который со стороны привода снабжен выходным штоком и фланцем, а пакер содержит полый корпус с несколькими поясами сквозных отверстий для перетока жидкости, неподвижно скрепленный с фланцем привода, перепускной клапан с уплотнительными элементами для сообщения надпакерного и подпакерного пространств через отверстия корпуса, толкатель, неподвижно соединенный с выходным штоком привода, опорный узел, установленный на свободном конце толкателя, эластичную манжету с внутренней полостью, а также верхнюю и нижнюю опорные шайбы манжеты, направляющую втулку и шлипсы с выступами, размещенные последовательно между корпусом и опорным узлом, где направляющая втулка имеет радиальные наклонные в сторону опорного узла пазы типа "ласточкин хвост", а шлипсы выступами расположены в пазах последней, отличающаяся тем, что пакер дополнительно содержит ступенчатый ствол с уплотнительными элементами перепускного клапана на верхнем конце, установленный соосно на толкателе и размещенный верхним концом в корпусе, причем эластичная манжета, верхняя и нижняя опорные шайбы и направляющая втулка установлены соосно на стволе и направляющая втулка скреплена резьбовыми стопорными элементами с последним, опорный узел включает в себя замковую шайбу с радиальными пазами, центрирующую шайбу с радиальными выемками и упорную шайбу, неподвижно скрепленные с толкателем посредством разъемного соединения, каждый шлипс состоит из клина и накладки, скрепленных между собой резьбовыми стяжными элементами, причем каждый клин со стороны, обращенной к опорному узлу, снабжен зацепом с перемычкой, где зацепы размещены в пазах замковой шайбы, а перемычки - в выемках центрирующей шайбы.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность толкателя снабжена продольной канавкой.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что ствол в верхней наружной части, а корпус в нижней внутренней части имеют упорные кольцевые бурты, где нижний пояс отверстий корпуса расположен около его бурта, причем отверстия остальных поясов снабжены гнездами со стороны наружной поверхности корпуса, в них кроме отверстий одного пояса установлены съемные заглушки.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что ствол имеет наружную кольцевую проточку, а нижняя опорная шайба снабжена радиальным стопором, который размещен в проточке с боковым зазором.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что резьбовые элементы крепления накладок к клиньям и направляющей втулке к стволу, а также упорная шайба выполнены из одного материала, причем площадь среза упорной шайбы превышает суммарную площадь среза резьбовых стопорных элементов крепления направляющей втулки к стволу, а суммарная площадь среза последних превышает суммарную площадь среза резьбовых стяжных элементов крепления накладок к клиньям.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что в направляющей втулке угол наклона пазов к продольной оси находится в пределах 10...12°.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что пакер дополнительно содержит распорную втулку, размещенную во внутренней полости эластичной манжеты.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что торцовые поверхности опорных шайб манжеты со стороны, обращенной к ней, выполнены наклонными.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что пакер дополнительно снабжен разрезными полукольцами, установленными на опорных шайбах манжеты и скрепленными между собой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при эксплуатации нефтяной или газовой или водяной скважины, проведении ремонта эксплуатационной колонны, разобщении пластов скважин.

Известна система для опрессовки скважин, содержащая спускоподъемное устройство и пакер, включающий ствол, манжету, телескопический гидропривод с клапанами и заякоривающие узлы [1].

Недостатками данной системы являются повышенная трудоемкость срыва и извлечения пакера в эксплуатационной колонне и сложность устройства фиксации пакера в рабочем положении.

Известен пакер электромеханический, закрепленный на кабель-канате и состоящий из полого корпуса с радиальными каналами, установленной на корпусе эластичной манжеты с верхними и нижними опорными шайбами и толкателем, конуса с размещенными на нем шлипсами, установленного в полости корпуса ствола, образующего с последним циркуляционный канал, сообщающий через радиальные каналы корпуса пространства за ним, над и под уплотнительным элементом [2].

Данная система не позволяет значительно поднимать давление опрессовки со стороны устья скважины из-за уменьшения осевого усилия конуса на шлипсы и снижения усилия фиксации последних на эксплуатационной колонне вследствие воздействия давления опрессовки на эластичную манжету.

Наиболее близким аналогом того же назначения, как и заявляемое техническое решение является система для опрессовки нефтяных и газовых скважин, состоящая из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом возвратно-поступательного движения и пакера, соединенного с последним через стыковочный узел [3].

Недостатками описанной системы являются:

- возможность использования только для эксплуатационной колонны с одним внутренним диаметром;

- большое время на проведение технического обслуживания пакера в условиях ремонтных мастерских, при замене быстро изнашиваемых деталей из-за наличия в его конструкции неразборных соединений;

- большие разрушения в конструкции установленного в эксплуатационной колонне пакера при извлечении его на поверхность в случае аварии спускоподъемного или энергопитающего устройств.

В основу изобретения положено решение задач:

- возможность многократной установки, переустановки и снятия системы в эксплуатационной колонне с одним и тем же пакером;

- возможность применения системы с одним и тем же пакером для использования в эксплуатационных колоннах с разным внутренним диаметром;

- сокращение времени на техническое обслуживание системы в полевых условиях без специального инструмента при замене быстро изнашиваемых деталей пакера или его перенастройке на манжеты с другими наружными диаметрами;

- уменьшение разрушения деталей пакера в случае его извлечения на поверхность при возникновении аварийной ситуации в системе.

Поставленные задачи решаются тем, что система для опрессовки эксплуатационной колонны нефтяной, или водяной, или газовой скважины состоит из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом возвратно-поступательного движения и пакера, соединенного с последним через стыковочный узел, который со стороны привода снабжен выходным штоком и фланцем. Пакер содержит полый корпус с несколькими поясами сквозных отверстий для перетока жидкости снаружи во внутреннюю полость последнего, неподвижно скрепленный с фланцем привода, перепускной клапан с уплотнительными элементами для сообщения или разобщения надпакерного и подпакерного пространства через отверстия корпуса, толкатель, неподвижно соединенный с выходным штоком привода, опорный узел, установленный на свободном конце толкателя, эластичную манжету с внутренней полостью, а также верхнюю и нижнюю опорные шайбы манжеты, направляющую втулку и шлипсы с выступами, размещенные последовательно между корпусом и опорным узлом.

Направляющая втулка имеет радиальные, наклонные в сторону опорного узла, пазы типа "ласточкин хвост", а шлипсы выступами расположены в пазах последней.

Согласно изобретения пакер дополнительно содержит ступенчатый ствол с уплотнительными элементами перепускного клапана на верхнем конце, установленный соосно на толкателе и размещенный верхним концом в корпусе. Эластичная манжета, верхняя и нижняя опорные шайбы и направляющая втулка установлены соосно на стволе. Направляющая втулка скреплена резьбовыми стопорными элементами с последним.

Опорный узел включает в себя замковую шайбу с радиальными пазами, центрирующую шайбу с радиальными выемками и упорную шайбу, неподвижно скрепленные с толкателем посредством разъемного соединения. Каждый шлипс состоит из клина и накладки, скрепленных между собой резьбовыми стяжными элементами, причем каждый клин со стороны, обращенной к направляющей втулке, снабжен выступом, а со стороны, обращенной к опорному узлу зацепом с перемычкой, где выступы размещены в пазах опорной втулки, зацепы в пазах замковой шайбы, а перемычки в выемках центрирующей шайбы.

Выполнение системы с пакером, в котором использованы корпус, ствол и толкатель, собранные на посадках с зазором, размещение толкателя в ступенчатом стволе, а последнего в корпусе, расположение манжеты, ее опорных шайб, направляющей втулки на стволе и крепление шлипс подвижно в замковой шайбе позволяет:

- сократить время обслуживания пакера в полевых условиях без специального инструмента;

- увеличить располагаемый ход толкателя до 200 мм, что при наличии нескольких эластичных сменных манжет разного наружного диаметра позволяет перекрывать кольцевой зазор между пакером и внутренней поверхностью эксплуатационных колонн с наружным диаметром 139,7...168 мм и толщиной стенки 7...11 мм, что сокращает типоряд используемых пакеров;

- получить минимальные разрушения деталей пакера в случае его извлечения на поверхность при возникновении аварийной ситуации в системе, что увеличивает срок его пригодности.

Кроме того:

- выполнение ствола в верхней наружной части, а корпуса в нижней внутренней части с упорными кольцевыми буртами позволяет фиксировать ствол от осевого перемещения в крайнем нижнем положении;

- снабжение наружной поверхности толкателя наружной продольной канавкой позволяет сообщать внутреннюю полость корпуса с подпакерным пространством;

- расположение нижнего пояса сквозных отверстий корпуса около его нижнего внутреннего бурта позволяет исключить запирание жидкости в полости между буртами корпуса и ствола при движении последнего вниз;

- выполнение в корпусе отверстий остальных поясов с гнездами со стороны наружной его поверхности и установка в них, кроме отверстий одного пояса, съемных заглушек при наличии продольной канавки на толкателе позволяет сообщить надпакерное и подпакерное пространства между собой и исключить насосный эффект при опускании и поднятии системы в скважине;

- выполнение на стволе наружной кольцевой проточки, а в нижней опорной шайбе манжеты радиального стопора, который размещен в проточке ствола с боковым зазором, в случае аварийного срыва пакера предотвращает потерю манжеты;

- выполнение в направляющей втулке угла наклона пазов к продольной оси в пределах 10...12° позволяет уменьшить усилие на установку и снятие пакера в эксплуатационной колонне;

- введение в конструкцию пакера распорной втулки, размещенной во внутренней полости эластичной манжеты, и выполнение торцовых поверхностей опорных шайб со стороны, обращенной к манжете наклонными, предопределяет получение заданного закона деформации эластичной манжеты для обеспечения герметичности соединения;

- установка разрезных полуколец на опорных шайбах и скрепление их между собой при использовании эластичных манжет с большим диаметром, чем штатная манжета позволяет также получить заданный закон деформации этих манжет.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:

- возможна многократная установка, переустановка и удаление системы в эксплуатационной колонне с одним и тем же пакером;

- возможно применение системы с одним и тем же пакером для использования в эксплуатационных колоннах с разным внутренним диаметром;

- сокращено время на техническое обслуживание пакера в полевых условиях без использования специального инструмента при замене изношенных деталей или его перенастройке;

- разрушение деталей пакера минимально в случае его извлечения на поверхность при возникновении аварийной ситуации в системе.

Настоящее изобретение будет более понятно после последующего рассмотрения подробного описания выполнения системы для опрессовки эксплуатационной колонны нефтяной, или водяной, или газовой скважины, которое иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6:

На фиг.1 показан общий вид системы в транспортном положении в эксплуатационной колонне; на фиг.2 - то же, в рабочем положении, когда пакер установлен в колонну; на фиг.3, 4, 5 - варианты выполнения наклонных торцовых поверхностей опорных шайб со сторон, обращенных к манжете; на фиг.6 - вариант установки разрезных полуколец на опорных шайбах манжеты.

Система для опрессовки эксплуатационной колонны, представленная на фиг.1 и 2, состоит из спускоподъемного и энергопитающего устройств с приводом возвратно-поступательного движения, спряженных между собой (не показаны) и пакера, соединенного с приводом через стыковочный узел.

Пакер содержит полый корпус 1 с несколькими поясами 2, 3, 4 сквозных отверстий для перетока жидкости из надпакерного пространства в его внутреннюю полость, который неподвижно скреплен с фланцем 5 самотормозящего привода, перепускной клапан, образованный перепускными отверстиями поясов 3, 4 корпуса 1 и уплотнительными элементами 6.

Кроме того, пакер содержит толкатель 7, неподвижно соединенный на резьбе с фиксацией пружинной шайбой с выходным штоком 8 привода, опорный узел, установленный на свободном нижнем конце толкателя 7, эластичную манжету 9 с внутренней полостью, а также верхнюю 10 и нижнюю 11 опорные шайбы манжеты 9, направляющую втулку 12 и шлипсы с выступами, размещенные последовательно между корпусом 1 и опорным узлом, где направляющая втулка 12 имеет радиальные наклонные в сторону опорного узла пазы 13 типа "ласточкин хвост", а шлипсы выступами расположены в пазах 13 последней. Пакер дополнительно содержит ступенчатый ствол 14 с уплотнительными элементами 6 перепускного клапана на верхнем конце, установленный соосно на толкателе 7 и размещенный верхним концом в корпусе 1. Эластичная манжета 9, верхняя 10 и нижняя 11 опорные шайбы и направляющая втулка 12 установлены соосно на стволе 14. Направляющая втулка 12 скреплена резьбовыми стопорными элементами 15 со стволом 14. Опорный узел включает в себя замковую шайбу 16 с радиальными пазами, центрирующую шайбу 17 с радиальными выемками и упорную шайбу 18, неподвижно скрепленные с толкателем 7 посредством гайки 19 и пружинной шайбы 20. Каждый шлипс состоит из клина 21 и накладки 22, скрепленных между собой резьбовыми стяжными элементами 23. Каждый клин 21 со стороны, обращенной к опорному узлу, снабжен зацепом 24 с перемычкой 25, где зацепы 24 размещены в радиальных пазах замковой шайбы 16, а перемычки - в выемках центрирующей шайбы 17. Наружная поверхность толкателя 7 снабжена продольной канавкой 26 для сообщения внутренней полости корпуса 1 с запакерным пространством. Ствол 14 в верхней наружной части и корпус 1 в нижней внутренней имеют упорные кольцевые бурты. Нижний пояс отверстий 2 корпуса 1 расположен около его внутреннего бурта, причем сквозные отверстия остальных поясов 3, 4 снабжены гнездами 27 со стороны наружной поверхности корпуса 1 и в них, кроме отверстий одного пояса установлены съемные заглушки 28.

Ствол 14 имеет наружную кольцевую проточку 29, а нижняя опорная шайба 11 снабжена радиальным стопором 30, который размещен в проточке 29 с боковым зазором. Резьбовые элементы 23, 15 крепления накладок 22 к клиньям 21 и направляющей втулки 12 к стволу 14, а также упорная шайба 18 выполнены из одного материала. Площадь среза упорной шайбы 18 превышает суммарную площадь среза резьбовых стопорных элементов 15 крепления направляющей втулки 12 к стволу 14, а суммарная площадь среза последних превышает суммарную площадь среза резьбовых стяжных элементов 23 крепления накладок 22 к клиньям 21. Накладки 22 с наружной поверхности имеют рифления для лучшего зацепа с эксплуатационной колонной. В направляющей втулке 12 угол наклона пазов к продольной оси находится в пределах 10...12°, что позволяет уменьшить усилия на постановку и снятие пакера в эксплуатационной колонне. Пакер дополнительно может содержать распорную втулку 31. Торцовые поверхности опорных шайб 10, 11 со стороны, обращенной к манжете 9, выполнены согласно фиг.3, 4, 5 - наклонными. Угол наклона этих шайб и наличие втулки 31 определяется конструкцией и конфигурацией манжеты 9. Пакер согласно фиг.6 для манжеты 9 с увеличенным диаметром может быть снабжен разрезными полукольцами 32, установленными на опорных шайбах 10, 11 и скрепленными между собой. Это позволяет использовать набор манжет 9 с большим диаметром, чем штатная манжета для уплотнения эксплуатационных колонн разных внутренних диаметров. Система допускает быструю полную разборку пакера для замены манжеты 9, опорных шайб 10, 11 и других деталей в полевых условиях набором стандартных инструментов.

Система согласно фиг.1 и 2 работает следующим образом.

Система, состоящая из спускоподъемного устройства, энергопитающего устройства с приводом и пакера, скрепленного с последним, опускается с устья скважины с боковым зазором в эксплуатационную колонну на заданную глубину. При этом шток 8 максимально выдвинут из привода, эластичная манжета 9, опорные шайбы 10, 11, направляющая втулка 12 и клинья 21 расположены между корпусом 1 и опорным узлом толкателя 7 с осевым зазором. Манжета 9 не сжата осевым усилием. Наружный диаметр манжеты 9 при этом не выступает за габариты других деталей пакера. Центрирование привода и пакера относительно эксплуатационной колонны осуществляется по их выступающим наружным поверхностям. В процессе спуска через отверстия 3 или 4 поясов, не имеющих съемных заглушек 28, продольную канавку 26 толкателя 7 и наружному кольцевому зазору между приводом, пакером и внутренним диаметром эксплуатационной колонны происходит переток жидкости из подпакерного в надпакерное пространство. После достижения заданной глубины погружения на привод подается управляющий сигнал, вызывающий срабатывание привода и втягивание в него штока 8, а вместе с ним и толкателя 7. В процессе втягивания толкателя 7 в сторону привода клинья 21 шлипсов вдвигаются в направляющую втулку 12 до контакта накладок 22 с внутренней поверхностью эксплуатационной колонны и закрепляются на ней. Далее, так как привод закреплен на свободном подвесе, то он подтягивается к месту закрепления шлипсов. При этом неподвижно закрепленный на приводе корпус 1, контактируя с опорной шайбой 10, сжимает эластичную манжету 9, которая опирается через опорную шайбу 11 на направляющую втулку 12, клинья 21 и накладки 22 на эксплуатационную колонну. В конце процесса сжатия манжеты 9 до контакта с внутренней поверхностью эксплуатационной колонны сквозные отверстия 3 или 4 поясов не уплотненные заглушками 28 закрываются уплотнительными элементами 6 ствола 14. Таким образом, герметично перекрываются каналы сообщения между подпакерным и надпакерным пространствами. По нарастанию токовой нагрузки на приводе сверх заданного предела привод отключается.

После установки пакера в колонне с устья скважины создается испытательное давление 80-100 атм в течение 15-20 минут. Если в данный период давление в скважине не снижается, то эксплуатационная колонна целая, разрушений нет. После этого испытательное давление снимается.

Система извлекается из скважины на поверхность. При удалении установленной в скважине системы включается привод и корпус 1, двигаясь относительно штока 8, неподвижно закрепленного на колонне через толкатель 7, опорный узел и шлипсы, поднимается вверх. При этом ствол 14 начинает опускаться относительно корпуса 1 вниз. Осевой натяг на манжету 9 уменьшается. Далее толкатель 7 посредством штока 8 выходит из привода и через опорный узел вытягивает вниз клинья 21 из пазов 13 направляющей втулки 12 и выводит из зацепления с эксплуатационной колонной накладки 22 шлипсов. При этом исчезает осевой натяг на манжете 9 и между ней, опорными шайбами 10, 11 и направляющей втулкой 12 возникают осевые зазоры. Между манжетой 9 и эксплуатационной колонной появляется кольцевой зазор. При вытягивании клиньев 21 из пазов 13 их радиальное перемещение внутрь к оси пакера ограничивается упором о наружную поверхность толкателя 7, а далее не выходя из зацепления с направляющей втулкой 12 в пазах 13 они через стопорные резьбовые элементы 15 окончательно выдвигают вниз ствол 14 из корпуса 1 до упора его наружного бурта во внутренний бурт корпуса 1.

При этом открываются не закрытые заглушками 28 сквозные отверстия 3 или 4 поясов корпуса 1. Через эти отверстия и канавку 26 пространства над пакером и под пакером сообщаются между собой с выравниванием давления. Система готова для перестановки.

Если колонна над пакером имеет разрушения и уровень испытательного давления не устанавливается, то пакер снимается с колонны, система поднимается выше на заданный уровень и цикл повторяется. Перемещением вверх системы определяется место разрушения колонны.

Таким образом, данная система позволяет поинтервально испытывать эксплуатационную колонну, не извлекая ее на поверхность из скважины.

В случае аварийной поломки привода с помощью спускоподъемного устройства создается осевое усилие на привод вверх к устью скважины. Это осевое усилие через фланец 5 и шток 8 самотормозящего привода передается на корпус 1 и толкатель 7. От толкателя 7 осевое усилие через замковую шайбу 16 и зацепы 24 передается на клинья 21, срезает резьбовые стяжные элементы 23, освобождая пакер от накладок 22. Это позволяет ослабить осевой и радиальный натяги манжеты 9 с колонной и другими сопрягаемыми деталями и извлечь систему с пакером наверх к устью скважины.

Использование предлагаемой системы позволяет обеспечивать непрерывный многократный процесс поинтервальной опрессовки эксплуатационной колонны испытательным давлением без поднятия ее на поверхность, что повышает производительность работ и снижает их трудоемкость.

Экономический эффект от использования предложенной системы достигается за счет уменьшения количества и времени исполнения технологических операций.

Использованные источники

1. SU, авторское свидетельство,775291, кл. Е 21 В 33/12.

2. US, патент, 3542126, кл. Е 21 В 43/00.

3. RU, патент, 2144606, кл. Е 21 В 33/12.