разбуриваемый пакер

Формула изобретения

Разбуриваемый пакер, содержащий полый цилиндрический шток с установленными на нем уплотнительным элементом с экструзионными шайбами, верхней и нижней опорами с коническими поверхностями, фиксатор, верхние и нижние шлипсы в виде кольцевых секторов, на внешней поверхности которых выполнены зубья, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде корпуса с расточкой, в которой расположен пакет разрезных пружинных шайб, поджимаемых гайкой, установленной с возможностью взаимодействия с верхней опорой, а разрезных пружинных шайб - с кольцевыми проточками на наружной поверхности полого цилиндрического штока, причем кольцевые сектора верхних и нижних шлипсов связаны друг с другом соединительными кольцами и содержат на внешней стороне кольцевые проточки, снабженные разрезными пружинными кольцами, высота которых принята выше зубьев шлипсов на 0,2-0,4 мм, а для обеспечения гарантированного и последовательного разрушения соединительных колец, за счет снижения площади контакта шлипсов с коническими поверхностями верхней и нижней опор, на внутренней поверхности шлипсов выполнены продольные пазы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для перекрытия межтрубного пространства и разобщения одной части ствола скважины от другой.

Известен пакер разбуриваемый (см. пат. РФ №2128278, М. кл. Е21В 38/12, опубл. 27.03.99 г. Бюл.9), состоящий из корпуса, якорного узла в виде клиньев с фиксирующими зубьями, аналогичными зубьям насечки на стволе, уплотнительных элементов, толкателя, охватывающего клин, опирающегося на уплотнительный элемент, который, в свою очередь, через клиновой толкатель взаимодействует с двусторонними клиновыми плашками, расположенными между уплотнительными элементами. Причем клиновые плашки выполнены разрывными, с внутренней кольцевой перемычкой их соединяющей.

Работа разбуриваемого пакера

Посадку пакера осуществляют с использованием специального посадочного инструмента. Создают избыточное давление в лифтовой колонне труб. В результате происходит деформация уплотнительных элементов, и одновременно через толкатели осуществляют воздействие на разрывные плашки с разрушением перемычки их соединяющей и перемещением к стенке обсадной колонны с фиксацией положения пакера в скважине.

Однако при использовании разрывных плашек из легкоразбуриваемых материалов, таких как чугун, алюминий или дюралюминий, сцепление плашек со стенкой обсадной колонны не позволит надежно зафиксировать его в осевом канале, т.е. перепад давления, который может быть воспринят пакером, может быть небольшим, т.е. устройство имеет ограниченную область применения. Пакер предназначен для ведения изоляционных работ и консервации скважин, где перепад давления рабочей жидкости может достигать значительных значений, превосходящих давления, при которых пакер может быть сорван с места установки.

Известен разбуриваемый пакер (см. пат. РФ №2011792, М. кл. 5 Е21В 33/12, опубл. 30.04.94 г. Бюл №8), состоящий из ствола, на котором установлены уплотнительный элемент с фиксатором его положения относительно ствола с заглушкой, входной патрубок с радиальными отверстиями, гидроцилиндр с поршнем, втулка, полость под которой через радиальные отверстия сообщается с источником высокого давления, и упор.

Фиксатор выполнен в виде подпружиненных кулачков, размещенных в радиальных отверстиях ствола под входным патрубком, и гильзы с внутренней конусной поверхностью, установленной с возможностью взаимодействия с кулачками.

Пакер с узлами применяемого технического оборудования опускают в скважину.

Осуществляют гидравлическую посадку пакера с деформацией уплотнительного элемента в осевом направлении с доведением до контакта шлипсами со стенкой обсадной колонны.

После прохождения гильзы под кулачки они занимают исходное положение и фиксируют положение уплотнительного элемента относительно ствола. По окончании посадки пакера входной патрубок разъединяют со стволом и вместе с гидроцилиндром, втулкой и упором извлекают.

Пакер остается в скважине для изоляции нижерасположенных непродуктивных или водоносных пластов.

Недостаток

- по технологии изготовления пакера разбуриваемого он должен быть выполнен из легкоразрушаемых материалов. В то же время шлипсы должны воспринимать высокое осевое усилие, существующее от действия рабочей среды, но удержать пакер только за счет сил трения шлипсов о стенку обсадной колонны при высоком давлении невозможно.

Шлипсы вгумированы в уплотнительный элемент, при раздвигании которых между торцами каждого кулачка шлипса образуется зазор, отсутствует поддержка со стороны разжимного конуса и нет экструзионных шайб, наличие большого зазора между шлипсами приводит к затеканию резины, что снижает надежность перекрытия кольцевого зазора уплотнителем.

При неконтролируемом внутреннем диаметре обсадной колонны, в месте посадки пакера и фиксированном размере хода штока - ствола и связанного с ними фиксатора кулачков, выходящих за пределы торца гильзы после деформации уплотнителя, существует вероятность невыхода кулачков над торцом гильзы из-за меньшего от расчетного внутреннего диаметра обсадной колонны.

При разбуривании пакера есть вероятность, что последний может вращаться вместе с инструментом - фрезой, что приводит к увеличению времени на разбуривание.

Известен разбуриваемый пакер (см. а.с. №1832148, М. кл. Е21В 33/12, опубл. 07.08.93 г. Бюл. 29), принятый авторами за прототип.

Разбуриваемый пакер состоит из полого цилиндрического корпуса с резьбовой нарезкой на наружной поверхности, уплотнительного элемента с верхним и нижним антизатекателями и опорами, верхних и нижних шлипсов в виде кольцевых секторов, связанных срезными элементами с опорами, верхнего и нижнего толкателей с фиксатором, связанного с нижним толкателем патрубка с хвостовиком, между которыми размещено срезное кольцо. Пакер снабжен шлипсами, верхние концы которых жестко связаны с верхним толкателем, а нижние выполнены с зацепами. Верхние шлипсы выполнены с радиальными пазами, в которых размещены нижние концы планок и имеются зацепы для взаимодействия с зацепами планок, а на торцах опор, оснащенных антизатекателями, выполнены радиальные пазы.

Пакер работает следующим образом.

С помощью срезного кольца его подсоединяют к посадочному инструменту и на колонне НКТ опускают в скважину. При подаче давления посадочный инструмент воздействует на толкатель и через срезное кольцо и патрубок на нижний толкатель. В результате чего деформируются манжеты с антизатекателями, происходит срез винтов, соединяющих верхние и нижние шлипсы с верхней и нижней опорами.

Верхние шлипсы под действием собственного веса стремятся опуститься вниз, но препятствуют этому планки, зацепы которых взаимодействуют с зацепами шлипсов. При последующем действии посадочного инструмента как верхние, так и нижние шлипсы перемещаются равномерно и устанавливают пакер концентрично относительно обсадной колонны. По окончании деформации манжеты и сцепления шлипсов со стенкой обсадной колонны срезается срезное кольцо, которым пакер соединяется с посадочным устройством, и последнее извлекается из скважины.

Пакер удаляется из ствола скважины разбуриванием.

К недостаткам конструкции следует отнести то, что он выполнен из материалов, легкоподающихся разбуриванию. Но в этом случае несущая способность шлипсов будет невысокая, т.е. при перепаде давления, воспринимаемом пакером снизу, есть вероятность, что последний может быть снят с места установки при давлении ведения технологического процесса.

Последовательность соединения шлипсов со стенкой обсадной колонны является обязательным условием работы пакера.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении данного изобретения, сводится к следующему:

- конструкция пакера разбуриваемого позволяет повысить надежность перекрытия осевого канала ствола скважины;

- обеспечить расширение технологических возможностей пакера за счет восприятия большего давления как сверху, так и снизу;

- возможность разбуривания пакера за малый промежуток при способности восприятия крутящего момента пружинными стопорными кольцами шлипсов якоря;

- выход стопорных колец на шлипсах якоря за пределы зубьев на их наружной поверхности на расчетную высоту позволяет внедрить стопорные кольца на расчетную глубину в стенку обсадной колонны с сохранением ее целостности;

- возможность обеспечения последовательной посадки нижних шлипсов пакера герметизацией кольцевого зазора уплотнителем и фиксацией его напряженного состояния верхними шлипсами.

Технический результат достигается с помощью предлагаемого устройства - разбуриваемого пакера, содержащего полый цилиндрический шток с установленным на нем фиксатором, уплотнительным элементом с экструзионными шайбами, нижней и верхней опорами с конической поверхностью, верхние и нижние шлипсы, выполненные в виде кольцевых секторов, на внешней стороне которых выполнены зубья, фиксатор снабжен гайкой, установленной над верхними шлипсами, и выполнен в виде пакета разрезных пружинных шайб, установленных в расточке корпуса фиксатора для взаимодействия с кольцевыми проточками, выполненными на наружной поверхности полого цилиндрического штока; кольцевые сектора верхних и нижних шлипсов связаны друг с другом соединительными кольцами и содержат на внешней стороне кольцевые проточки, в которых установлены разрезные пружинные кольца, высота которых принята выше зубьев шлипсов на 0,2÷0,4 мм.

Для гарантированного и последовательного разрушения соединительных колец за счет снижения площади контакта шлипсов с коническими поверхностями верхней и нижней опор на внутренней поверхности шлипсов выполнены продольные пазы.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известна конструкция сальника (пакера), изготовленного из легкоразбуриваемого материала (см. А.Д.Амиров, С.Овнатанов, Н.Б.Саркисов. «Капитальный ремонт нефтяных и газовых скважин». Азнефтеиздат, 1953 г., с.238-241).

Пакер состоит из ствола, на наружной поверхности которого установлены конические чугунные втулки, резиновая манжета, верхние и нижние шлипсы, связанные срезными штифтами со стволом. На внутренней стороне ствола выполнена кольцевая насечка для взаимодействия и фиксации деформированного уплотнителя внутри осевого канала скважины.

В конструкции применены шлипсы верхние и нижние, соединенные друг с другом кольцом, разрушаемым при посадке пакера.

Известно устройство для механической установки пакера, которое направлено на обеспечение надежной фиксации стопорных элементов пакера относительно обсадной колонны.

Пакер компонуется устройством для его установки.

Пакер содержит ствол, верхний и нижний шлипсы, упоры (клинья), между которыми расположен уплотнитель, разламывающиеся шлипсы, охватывающие нижний клин.

Когда усилие натяжения установочного ствола посадочного устройства возрастает до усилия разламывания шлипсов, происходит их внедрение в обсадную колонну. Одновременно происходит деформация уплотнителя с перекрытием межтрубного пространства.

Недостаток - неконтролируемая деформация уплотнителя, поскольку при натяжении ствола и взаимодействии нижнего клина с разрывными кулачками возникает необходимость определения усилия деформации уплотнителя. Исходя из этого, определяют усилие разрыва - разрушение кольца, соединяющего кулачки. Тем не менее, в случае перекрытия кольцевого зазора уплотнителем и ввода кулачков в контакт с обсадной колонной для фиксации пакера имеет место низкая надежность работы пакера, при такой конструктивной схеме и взаимодействии с обсадной колонной зубьями кулачков, выполненных из легкоразрушаемого материала, нет надежной фиксации и верхних кулачков с лифтовой колонной труб по той же причине.

Известно устройство для механической установки пакера (см. пат. РФ №219150, М. кл. Е21В 33/12, опубл. 20.10.2002 г. Бюл. №29), состоящее из двух основных узлов устройства для механической установки пакера, и непосредственно сам пакер, который состоит из ствола, упора, верхнего клина на стволе, разламывающихся кулачков в нижней части, отхватывающих нижний клин, уплотнителя, установленного между верхним и нижним клином.

Посадка пакера - вращением колонны труб с осевым перемещением ствола устройства для механической установки с осаживанием. При этом стопорные кулачки при взаимодействии с наружным конусом верхнего клина разводятся в диаметральном направлении с вводом во взаимодействие со стенкой обсадной колонны.

Одновременно происходит деформация уплотнителя до контакта со стенкой трубы обсадной колонны. Нижний клин путем спуска колонны труб и установочного ствола передачей веса окончательно внедрит разламывающиеся кулачки в стенку обсадной колонны.

Недостаток конструкции пакера

Посадка пакера и разрыв кулачков происходит при натяжении и перемещении разрывных плашек по конусу с передачей осевого усилия на уплотнительный элемент.

Дополнительным нагружением осевым усилием ствола пакера осуществляют внедрение зубьев разрывных плашек в обсадную колонну.

Следует отметить сложность конструкции и монтаж с посадочным устройством следующего пакера.

Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства, которые позволяют производить спуск и установку его в скважине, отсоединять от него колонну труб после установки, а также обеспечивать, при необходимости, его разбуривание с исключением его вращения в осевом канале ствола скважины.

Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. соответствует критерию «изобретательский уровень».

В патентной и научно-технической литературе не обнаружено конструкции разбуриваемого пакера, в котором для увеличения надежности сцепления с обсадной колонной, при сохранении ее целостности и устойчивости положения пакера в осевом канале, на наружной поверхности верхних и нижних шлипсов выполнены, по крайней мере, две кольцевые расточки с установленными в них разрезными пружинными кольцами, имеющими треугольный профиль.

Не обнаружено конструктивное выполнение шлипсов якоря, в которых применены разрезные пружинные кольца, выступающие за пределы зубьев на поверхности шлипсов на величину, достаточную для обеспечения внедрения последних в стенку труб обсадной колонны на расчетную глубину и удержания разбуриваемого пакера в рабочем положении при восприятии перепада давления как сверху, так и снизу.

Кроме того, неизвестно применение переходника, соединяющего разбуриваемый пакер с колонной труб, в котором выполнена наружная кольцевая проточка с образованием кольцевой перемычки, разрушаемой при отсоединении от него колонны труб после его посадки.

Конструкция разбуриваемого пакера для разобщения ствола скважины поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена конструкция устройства в разрезе в исходном транспортном положении;

на фиг.2 - конструкция устройства при его посадке в осевом канале ствола скважины.

Заявляемое устройство состоит из полого штока 1, на нижнем конце которого установлена опора 2, герметизирующая осевой канал 3 полого штока 1.

На полый шток 1 последовательно установлены нижние шлипсы 4, связанные друг с другом кольцевой перемычкой 5, на внешней стороне которых выполнены зубья 6 и кольцевые проточки 7. В кольцевых проточках 7 установлены разрезные пружинные кольца 8. Внутрь нижних шлипсов 4 введена опора 9 с конической поверхностью 10, на которой установлена экструзионная шайба 11, уплотнительный элемент 12 с верхней экструзионной шайбой 13. На верхнюю экструзионную шайбу 13 опирается верхняя опора 14 с конической поверхностью 15, входящей во взаимодействие с верхними шлипсами 16, которые связаны друг с другом соединительным кольцом 17. На внешней стороне верхних шлипсов 16 выполнены зубья 18, обращенные вверх, и кольцевые проточки 19, в которых установлены срезные пружинные кольца 20. На внешней стороне полого штока 1 выполнены кольцевые проточки 21.

Верхние шлипсы 16 поджимаются к конической поверхности 15 верхней опоры 14 гайкой 22, связанной с корпусом 23 фиксатора, который выполнен в виде пакета разрезных пружинных шайб 24, установленных в расточке 25 корпуса 23. Разрезные пружинные шайбы 24 острыми кромками 26 обращены в сторону кольцевых проточек 21 на полом штоке 1.

Внутри осевого канала 3 полого штока 1 в верхней части выполнена присоединительная резьба 27, в которой закреплен переходник 28, снабженный кольцевой проточкой 29 расчетной глубины с образованием тарированной кольцевой перемычки 30.

Для обеспечения гарантированного и последовательного разрушения кольцевых перемычек 5 на нижних 4 и верхних 16 шлипсах на внутренней поверхности выполнены продольные пазы прямоугольного профиля и чередующиеся с ними продольные пазы цилиндрического профиля, что снижает площадь контакта шлипсов 4 и 16 с коническими поверхностями 10 и 15 нижней 9 и верхней 14 опор.

Для спуска и посадки разбуриваемого пакера в скважину используют гидравлический посадочный инструмент, присоединяемый к переходнику 28, и вводят в осевой канал труб обсадной колонны до расчетной глубины. Избыточным давлением рабочей жидкости создают осевое усилие в корпусе гидравлического посадочного инструмента и перемещают корпус 23 фиксатора относительно полого штока 1.

При этом разрезные пружинные шайбы 24 в пакете взаимодействуют с ответными кольцевыми проточками 21 на наружной поверхности полого штока 1.

Осевое усилие сообщается через шлипсы 16, верхнюю опору 22, уплотнительный элемент 12, нижнюю опору 9 с конической поверхностью нижних шлипсов 4. При этом происходит разрушение кольца 5, соединяющего нижние шлипсы 4, и ввод во взаимодействие со стенкой обсадной колонны острых кромок разрезных пружинных колец 8 с обеспечением контакта при их внедрении, зубьев 6 нижних шлипсов 4.

Дальнейшим нагружением осуществляют деформацию уплотнительного элемента 12 до контакта со стенкой трубы обсадной колонны и перекрытие кольцевого зазора между пакером и трубой. При достижении заданных контактных напряжений между уплотнительным элементом 12 и стенкой трубы происходит разрушение соединительного кольца 17 верхних шлипсов 16 и ввод во взаимодействие со стенкой обсадной колонны разрезных пружинных колец 20 с внедрением на расчетную глубину их острых кромок. Это положение верхнего шлипса 16 и уплотнительного элемента 12 фиксируется вводом разрезных пружинных шайб 24 фиксатора в кольцевые проточки 21 на полом штоке 1.

Отсоединение колонны труб от разбуриваемого пакера осуществляется путем разрушения тарированной кольцевой перемычки 30 переходника 28, после чего часть переходника 28 вместе с колонной труб извлекается на поверхность.

При необходимости удаления устройства из осевого канала ствола скважины оно может быть удалено путем разбуривания и выноса стружки потоком бурового раствора из скважины.