Пакер

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам с самоустанавливающимися уплотнительными элементами, выполненными из разбухающих в скважинных жидкостях эластомеров, которые применяются для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение надежности, герметизирующей способности и расширяет области применения пакера. Сущность полезной модели: пакер включает полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, который выполнен в форме полого цилиндра, а один, по крайней мере, концевой участок которого имеет наружную коническую поверхность. На стволе у концевых участков уплотнительного элемента размещены упорные кольца и жестко связаны с ним. Имеется противоэкструзионная защита уплотнительного элемента, выполненная в виде ступенчатой втулки и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины, установленных на стволе между упорным кольцом и концевым участком уплотнительного элемента, имеющим наружную коническую поверхность. Один из концевых участков манжеты имеет внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевого участка уплотнительного элемента, а другой размещен во внутренней полости, образованной верхней ступенью втулки и стволом, при этом верхняя ступень выполнена тонкостенной с возможностью деформирования в радиальном направлении. 11 з. п. ф-лы, 5 илл.

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам с уплотнительными элементами, выполненными из разбухающих в скважинных жидкостях эластомеров, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.

Известен пакер, включающий полый ствол и установленные на стволе уплотнительный элемент из набухающего полимера и упорные кольца на его концевых участках. [Патент на полезную модель 70543, Е21В 33/12, 2007].

Недостатком такой конструкции пакера является сложность изготовления набухающего полимера с заданными параметрами разбухания и недостаточная герметизирующая способность уплотнительного элемента, обусловленная свойствами и структурой полимера, а также ограниченными возможностями упорных колец по предотвращению разрушения полимера при действии перепада давления на пакер.

Известен пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент в форме полого цилиндра с упорными кольцами на концевых участках, выполненный из набухающего в скважинных жидкостях эластомера [Патент на полезную модель 86650, Е21В 33/12, 2009].

Недостатком пакера является недостаточная герметизирующая способность уплотнительного элемента, обусловленная ограниченными возможностями упорных колец по предотвращению выдавливания и разрушения разбухшего эластомера при действии перепада давления, что существенно снижает надежность его работы в скважине и ограничивает область применения.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера в форме полого цилиндра с упорными кольцами на концевых участках и противоэкструзионную защиту в виде Г-образных разрезных колец, размещенных между упорными кольцами и концевыми участками уплотнительного элемента [Патент США 7874354, 2011].

Недостаток конструкции пакера заключается в сложности изготовления Г-образных колец с многочисленными продольными надрезами и их слабые противоэкструзионные свойства, особенно, при действии высоких перепадов давления, что снижает надежность работы пакера в скважине и ограничивает область его применения.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы пакера и расширение области его применения в скважине.

Необходимый технический результат достигается тем, что пакер включает полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный в форме полого цилиндра, один, по крайней мере, концевой участок которого имеет наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у концевых участков уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, и противоэкструзионную защиту уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатой втулки и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины, установленных на стволе между упорным кольцом и концевым участком уплотнительного элемента, имеющим наружную коническую поверхность, при этом один из концевых участков манжеты имеет внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевого участка уплотнительного элемента, а другой размещен во внутренней полости, образованной верхней ступенью втулки и стволом, при этом верхняя ступень выполнена тонкостенной с возможностью деформирования в радиальном направлении.

В частном исполнении уплотнительный элемент, имеющий противоэкструзионную защиту на обоих концевых участках, может иметь радиальные отверстия в своей средней части или быть выполнен из двух частей, разделенных проставочным кольцом с радиальными отверстиями, который может быть жестко закреплен на стволе любым известным способом. Этот вариант исполнения способствует повышению надежности работы пакера при действии двухстороннего перепада давления (фиг.2).

Кроме того, уплотнительный элемент пакера может быть выполнен из эластомера, разбухающего в воде или нефти, а также гибридным, разбухающим и в воде и в нефти, при этом на наружной поверхности уплотнительного элемента может быть нанесен защитный слой для замедления процесса набухания.

Для лучшего взаимодействия концевого участка уплотнительного элемента с противоэкструзионной защитой верхняя тонкостенная ступень втулки может быть выполнена с продольными разрезами в окружном направлении и иметь внутреннюю коническую поверхность, при этом взаимодействующий с ней второй концевой участок цилиндрической манжеты выполнен с наружной конической поверхностью (фиг.1 и фиг.3).

Кроме того, для улучшения герметизации внутри нижней ступени втулки в кольцевой канавке может быть установлено, по крайней мере, одно уплотнительное кольцо. При этом для облегчения установки втулки и кольца на ствол пакера канавка под уплотнительное кольцо образована ступенчатой формой и размещением внахлест смежных участков нижней ступени втулки и упорного кольца, а при выполнении нижней ступени втулки из двух частей, жестко связанных друг с другом соединительным элементом канавка под уплотнительное кольцо образована ступенчатой формой и размещением внахлест смежных частей нижней ступени втулки (фиг.4 и фиг.5).

На фиг.1 изображен пакер по варианту 1 в транспортном положении; на фиг.2 - пакер по варианту 2 в транспортном положении; на фиг.2 - узел А на фиг.1 и фиг.2 (Исполнение 2); на фиг.3 - узел А на фиг.1 и фиг.2 (Исполнение 3); на фиг.4 - узел А на фиг.1 и фиг.2 (Исполнение 4).

Пакер (фиг.1) в частном исполнении состоит из полого ствола 1, на котором установлен уплотнительный элемент 2 в форме полого цилиндра, выполненный из эластомера, разбухающего при взаимодействии, например, с пластовой водой в скважине. На стволе 1 у обоих концевых участков уплотнительного элемента 2 установлены упорные кольца 3 и 4, которые жестко закреплены на стволе любым, известным из уровня техники, способом, например, стопорными винтами соответственно 5 и 6. Один из концевых участков 7 уплотнительного элемента 2, например верхний, имеет наружную коническую поверхность. Между упорным кольцом 3 и концевым участком 7 с конической поверхностью размещена противоэкструзионная защита уплотнительного элемента 2, которая выполнена в виде ступенчатой втулки 8 и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты 9 из ненабухающей резины, причем один из концевых участков манжеты 9 имеет внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевого участка 7 уплотнительного элемента, а другой размещен во внутренней полости, образованной верхней ступенью 10 втулки 8 и стволом 1. Верхняя ступень 10 имеет тонкостенную конструкцию и выполнена разрезной в продольном направлении на произвольное количество лепестков 11 по периметру окружности. Это дает возможность верхней ступени 10 свободно деформироваться в радиальном направлении. Для улучшения герметизации контакта со стволом 1 внутри нижней ступени 12 втулки 8 в кольцевой канавке установлено уплотнительное кольцо 13. Такой вариант пакера, в зависимости от верхнего или нижнего расположения противоэкструзионной защиты, выдерживает, в значительной степени, лишь односторонний перепад давления, действующий на пакер в зависимости от условий его применения.

При действии на пакер двухстороннего перепада давления его конструкция (фиг.2) содержит аналогичную противоэкструзионную защиту и на нижнем концевом участке 14 уплотнительного элемента. При этом уплотнительный элемент может иметь радиальные отверстия (не показаны) в своей средней части или быть выполнен из двух частей 2а и 2б, разделенных проставочным кольцом 15 с одним, по крайней мере, радиальным отверстием 16, которое может быть жестко закреплено на стволе 1 стопорными винтами (на фиг.2 не показаны) или иным известным способом. Такой вариант обеспечивает более надежную работу пакера при действии двухстороннего перепада давления в процессе его эксплуатации в скважине.

Кроме того, узел А (фиг.1 и фиг.2) может быть выполнен в разных исполнениях.

Так на фиг.3 верхняя тонкостенная ступень 10 втулки 8 выполнена с внутренней конической поверхностью, а взаимодействующий с ней второй концевой участок цилиндрической манжеты 9 имеет наружную коническую поверхность. На фиг.4 упорное кольцо 3 и нижняя ступень 12 втулки выполнены ступенчатыми и соединены внахлест своими смежными участками, при этом уплотнительное кольцо 13 установлено в кольцевой канавке, образованной смежными участками. На фиг.5 нижняя ступень втулки 8 выполнена из двух частей 12а и 12б, соединенных внахлест и жестко связанных П-образным кольцом 17 (или иным известным способом), а уплотнительное кольцо 13 установлено в кольцевой канавке, образованной частями 12а и 12б, нижней ступени.

Пакер работает следующим образом.

Пакер в составе колонны труб хвостовика спускают к месту установки в открытый ствол или эксплуатационную колонну для изоляции, например, водопритока или дополнительного барьера от притока воды в добываемую продукцию при последующей эксплуатации скважины. Во время спуска пакера уплотнительный элемент 2, взаимодействуя с внутрискважинной жидкостью, частично набухает, не препятствуя спуску пакера к месту установки в скважине. При определенных скважинных условиях (большая глубина спуска, высокая температура и т.д.) на наружную поверхность уплотнительного элемента 2 наносят защитный слой, замедляющий процесс его набухания в период спуска пакера в скважину.

В процессе освоения и эксплуатации скважины уплотнительный элемент 2, взаимодействуя со скважинной жидкостью, набухает до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны. При этом под действием сил объемного набухания уплотнительный элемент 2 удлиняется, а его концевой конический участок 7 взаимодействует с манжетой 9 и через нее с верхней тонкостенной ступенью 10 втулки 8, деформируя их обеих в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Это обеспечивает надежное перекрытие кольцевого зазора между упорным кольцом 3 и обсадной колонной (на фиг.1 не показана) и предотвращает выдавливание и разрушение уплотнительного элемента 2 при действии перепада давления со стороны, в данном случае, упорного кольца 4 в процессе эксплуатации скважины.

Если условия эксплуатации скважины предусматривают работу набухающего пакера при двухстороннем перепаде давления, то в скважину спускается компоновка пакера (фиг.2) с противоэкструзионной защитой на обоих концевых участках 7 и 14 уплотнительного элемента. В этом случае уплотнительный элемент имеет радиальные отверстия (не показаны) в своей средней части или состоит из двух частей 2а и 2б, между которыми установлено проставочное кольцо 15 с радиальными отверстиями 16, которые обеспечивают доступ жидкости к внутренней поверхности уплотнительного элемента в период его набухания.

Такая конструкция пакера в обоих его исполнениях обеспечивает надежную его работу в скважине при высоких перепадах давления, что существенно расширяет области применения набухающего пакера при разобщении и изоляции пластов в скважинах.

1. Пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный в форме полого цилиндра, один, по крайней мере, концевой участок которого имеет наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у концевых участков уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, и противоэкструзионную защиту уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатой втулки и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины, установленных на стволе между упорным кольцом и концевым участком уплотнительного элемента, имеющим наружную коническую поверхность, при этом один из концевых участков манжеты имеет внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевого участка уплотнительного элемента, а другой размещен во внутренней полости, образованной верхней ступенью втулки и стволом, при этом верхняя ступень выполнена тонкостенной с возможностью деформирования в радиальном направлении.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент, имеющий на обоих концевых участках противоэкструзионную защиту, выполнен с одним, по крайней мере, радиальным отверстием в своей средней части.

3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент, имеющий на обоих концевых участках противоэкструзионную защиту, выполнен из двух частей, разделенных проставочным кольцом с одним, по крайней мере, радиальным отверстием и возможностью жесткого крепления на стволе.

4. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент выполнен из эластомера, разбухающего в воде.

5. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент выполнен из эластомера, разбухающего в нефти.

6. Пакер по п.1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент выполнен из гибридного эластомера, разбухающего как в воде, так и в нефти.

7. Пакер по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности уплотнительного элемента нанесен защитный слой для замедления процесса набухания в период спуска его в скважину.

8. Пакер по п.1, отличающийся тем, что верхняя тонкостенная ступень втулки выполнена с продольными разрезами в окружном направлении.

9. Пакер по п.1, отличающийся тем, что верхняя тонкостенная ступень втулки и взаимодействующий с ней второй концевой участок цилиндрической манжеты выполнены конусообразными, при этом верхняя ступень имеет внутреннюю коническую поверхность, а второй концевой участок манжеты - наружную коническую поверхность.

10. Пакер по п.1, отличающийся тем, что ступенчатая втулка снабжена одним, по крайней мере, уплотнительным кольцом, размещенным во внутренней кольцевой канавке ее нижней ступени.

11. Пакер по п.10, отличающийся тем, что кольцевая канавка под уплотнительное кольцо образована ступенчатой формой и размещением внахлест смежных участков нижней ступени втулки и упорного кольца.

12. Пакер по п.10, отличающийся тем, что нижняя ступень втулки выполнена из двух частей, жестко связанных друг с другом соединительным элементом, при этом кольцевая канавка под уплотнительное кольцо образована ступенчатой формой и размещением внахлест смежных участков частей нижней ступени втулки.