Пакерное устройство для глубоких скважин с высоким пластовым давлением

Пакерное устройство предназначено для работы в глубоких скважинах с высоким пластовым давлением. Устройство включает гидравлический пакер 1 и клапанный узел 2. Пакер 1 содержит вал 3, гильзу 4, цилиндр 6, нижний 7 и верхний 18 якори, уплотнители 25. Гильза 4 установленана на вале 3 с возможностью фиксации на нем посредством срезных винтов 5. Якорь 7 выполнен с подпружиненными сухарями 8, подвижным 9 и неподвижным 12 клиньями. Клин 9 снабжен пружинными фиксаторами 10 и 11, расположенным между ним и цилиндром 6, между ним и гильзой 4, соответственно. Внутри вала 3, в месте размещения клина 12, выполнена втулка 13, установлен стопор 16 и дополнительно установлено срезное кольцо 17, препятствующее освобожнению клина 12 минуя стопор 16. Якорь 18 выполнен с подпружиненными сухарями 20 и подвижным клином 21. Сухари 20 установлены в клетке 19. Клин 21 имеет возможность фиксации клетки 19 на нем с помощью срезных винтов 22. Уплотнители 25 расположены между клином 21 и цилиндром 6. Над якорем 18 установлено упругое кольцо 23 для защиты его сухарей 20. Кольцо 23 сопряжено с храповым механизмом 24. Узел 2 выполнен в виде седла 27 для шарика 28, закрепленного на вале 3 посредством кронштейна 26 и зафиксированного срезными винтами. Техническое решение позволяет увеличить надежность работы пакерного устройства, 4 ил.

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована в любых скважинах обсаженных трубой, а именно для глубоких скважин с высоким давлением при эксплуатации с агрессивными химическими компонентами в добываемом флюиде.

Известен гидравлический пакер, содержащий корпус, на котором установлены верхний и нижний якорные узлы, упругий эластичный уплотнительный элемент, расположенный между якорными узлами, гидравлический привод, выполненный в виде цилиндра и поршня, срезной клапан, соединенный с нижней частью корпуса и снабженный посадочным седлом под сбросной элемент, RU 2151854 C1, E21B 33/12, 27.06.2000.

Двуякорный механический пакер, содержащий вал, верхний и нижний якори с подпружиненными плашками, уплотнители, верхний и нижний конусы, фигурный паз, RU 84052 U1, E21B 33/12, 27.06.2009.

Известен гидравлически-устанавливаемый разбуриваемый пакер, содержащий пакерное устройство, включающее полый вал, на котором установлены плашки, клинья, уплотнитель и в нижней части которого размещено запорное устройство, и установочное устройство, включающее гидравлический якорный узел с поршнем и фиксирующим элементом, RU 84913 U1, E21B 33/12, 20.07.2009.

Известные пакеры не предназначены для работы в глубоких скважинах с высоким пластовым давлением.

Известен гидравлический пакер, содержащий вал, гильзу, установленную на вале, цилиндр, уплотнители, якорь с подвижным клином и неподвижным клином, установленным на вале, с подпружиненными сухарями, установленными между подвижным и неподвижным его клиньями, и клапанный узел в виде седла для шарика, закрепленного на вале посредством кронштейна и зафиксированного срезными винтами, RU 2235189 С1, E21B 33/12, 27.08.2004.

Данное техническое решение принято в качестве «ближайшего аналога» настоящей полезной модели.

Гидравлический пакер «ближайшего аналога» выполнен съемным, надежен в эксплуатации в скважинах с низким пластовым давлением и не пригоден для эксплуатации с агрессивными флюидами как сероводород.

В глубоких скважинах, где имеют место температурные колебания, возникающие в процессе выполнения технологических операций (закачка с устья жидкостей в пласт), способствующие укорочению длины труб, создающие большую осевую нагрузку натяжения колонны труб и приводящие к самопроизвольному срыву пакера, использование гидравлического пакера «ближайшего аналога» не представляется возможным.

Кроме того, наличие в добываемом флюиде агрессивных компонентов и высокое давление (при длительной работе пакерного устройства в скважине) разрушают резиновые кольцевые уплотнения между гильзой и валом, что снижает надежность пакера и использование гидравлического пакера «ближайшего аналога» в глубоких скважинах не представляется возможным.

В основу настоящей полезной модели положено решение задачи, позволяющей увеличить надежность работы пакерного устройства.

Технический результат настоящей полезной модели заключается в возможности эксплуатации пакерного устройства в глубоких скважинах с высоким пластовым давлением при наличии химически агрессивных добываемых флюидов, в выполнении пакерного устройства с гидравлическим пакером и клапанным узлом, в наличии у гидравлического пакера верхнего и нижнего якорей.

Согласно полезной модели эта задача решается за счет того, что пакерное устройство для глубоких скважин с высоким пластовым давлением включает гидравлический пакер, содержащий вал, гильзу, установленную на вале, цилиндр, уплотнители, нижний якорь с подвижным клином и неподвижным клином, установленным на вале, с подпружиненными сухарями, установленными между подвижным и неподвижным его клиньями. Пакерное устройство включает клапанный узел в виде седла для шарика, закрепленного на вале посредством кронштейна и зафиксированного срезными винтами.

Пакерное устройство содержит верхний якорь с подпружиненными сухарями, установленный в клетке, с подвижным клином, имеющим возможность фиксации клетки на нем с помощью срезных винтов, и гильза имеет возможность фиксации на вале с помощью срезных винтов.

Подвижный клин нижнего якоря снабжен пружинными фиксаторами, расположенными между ним и цилиндром и между ним и гильзой, соответственно.

Внутри вала в месте размещения неподвижного клина нижнего якоря выполнена втулка, в канавке которой установлены срезные винты, фиксирующие втулку относительно вала, и установлен стопор, препятствующий освобождению неподвижного клина нижнего якоря, и дополнительно установлено срезное кольцо, препятствующее освобожнению неподвижного клина нижнего якоря минуя стопор.

При этом над верхним якорем установлено упругое кольцо для защиты его подпружиненных сухарей, сопряженное с храповым механизмом.

Уплотнители расположены между подвижным клином верхнего якоря и цилиндром.

Цилиндр установлен на вале.

Подвижный клин нижнего якоря расположен между валом и цилиндром.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о техническом решении, идентичном признакам, приведенным в формуле настоящей полезной модели, это определяет, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «новизна».

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображены:

на фиг.1 - Пакерное устройство, разрез;

на фиг.2 - Узел А на фиг.1, разрез;

на фиг.3 - Узел Б на фиг.1, разрез;

на фиг.4 - Узел В на фиг.1, разрез.

Пакерное устройство содержит гидравлический пакер 1, клапанный узел 2.

Гидравлический пакер 1 содержит:

Вал - 3.

Гильзу (на вале 3) - 4,

срезные винты (для фиксации гильзы 4 на вале 3) - 5.

Цилиндр (на вале 3) - 6.

Нижний якорь (пакера 1) - 7.

Подпружиненные сухари (якоря 7) - 8.

Подвижный клин (якоря 7) - 9,

пружинный фиксатор (между цилиндром 6 и клином 9) - 10,

пружинный фиксатор (между гильзой 4 и клином 9) - 11.

Неподвижный клин (на вале 3) - 12.

Втулку (внутри вала 3 в месте размещения клина 12) - 13,

канавку (во втулке 13) - 14,

срезные винты (в канаве 14 для фиксации втулки 13 на вале 3) - 15,

стопор (для клина 12) - 16,

срезное кольцо (для клина 12) - 17.

Верхний якорь (пакера 1) - 18.

Клетка (для якоря 18 на вале 3) - 19.

Подпружиненные сухари (якоря 18 в клетке 19) - 20.

Подвижный клин (якоря 18) - 21,

срезные винты (для фиксации клетки 19 на клине 21) - 22.

Упругое кольцо (над якорем 18 для защиты сухарей 20) - 23,

храповой механизм (препятствует «отдаче» кольца 23) - 24.

Уплотнители (между клином 21 и цилиндром 6) - 25.

Клапанный узел 2 включает:

Кронштейн (на вале 3) - 26.

Седло (на кронштейне 26) - 27,

Шарик (для седла 27) - 28.

Пакерное устройство для глубоких скважин с высоким пластовым давлением включает гидравлический пакер 1 и клапанный узел 2.

Гидравлический пакер 1 содержит вал 3, гильзу 4, цилиндр 6, нижний 7 и верхний 18 якори, уплотнители 25.

Гильза 4 установленана на вале 3 с возможностью фиксации на нем посредством срезных винтов 5.

Нижний якорь 7 выполнен с подпружиненными сухарями 8, подвижным 9 и неподвижным 12 клиньями.

Подвижный клин 9 снабжен пружинным фиксатором 10, расположенным между ним и цилиндром 6, и пружинным фиксатором 11, расположенным между ним и гильзой 4 (фиг.3).

Подвижный клин 9 расположен между валом 3 и цилиндром 6.

Неподвижный клин 12 установлен на вале 3.

Внутри вала 3, в месте размещения неподвижного клина 12, выполнена втулка 13, в канавке 14 которой установлены срезные винты 15, фиксирующие втулку 13 относительно вала 3, и установлен стопор 16, препятствующий освобождению неподвижного клина 12, и дополнительно установлено срезное кольцо 17, препятствующее освобожнению неподвижного клина 12 минуя стопор 16 (фиг.4).

Подпружиненные сухари 8 установлены между подвижным 9 и неподвижным 12 клиньями.

Верхний якорь 18 выполнен с подпружиненными сухарями 20 и подвижным клином 21.

Подпружиненные сухари 20 установлены в клетке 19. Подвижный клин 21 имеет возможность фиксации клетки 19 на нем с помощью срезных винтов 22.

Уплотнители 25 расположены между подвижным клином 21 верхнего якоря 18 и цилиндром 6.

Цилиндр 6 установлен на вале 3.

Над верхним якорем 18 установлено упругое кольцо 23 для защиты его подпружиненных сухарей 20. Упругое кольцо 23 сопряжено с храповым механизмом 24, который препятствует «отдаче» кольца 23 (фиг.2).

Клапанный узел 2 выполнен в виде седла 27 для шарика 28, закрепленного на вале 3 посредством кронштейна 26 и зафиксированного срезными винтами.

Работу с пакерным устройством осуществляют следующим образом.

После спуска пакерного устройства до необходимой глубины, бросают шарик 28 в колонну труб, который падает в седло 27, после чего производят подачу жидкости в трубы.

Под действием подаваемой в трубы жидкости подвижный клин 9 нижнего якоря 7 перемещается в сторону неподвижного клина 12 нижнего якоря 7 и отжимает подпружиненные сухари 8 к стенке трубы эксплуатационной колонны.

Когда подпружиненные сухари 8 нижнего якоря 7 зафиксируются на стенке эксплуатационной колонны, движение подвижного клина 9 нижнего якоря 7 прекратится, но начнется движение цилиндра 6 совместно с уплотнителями 25 и подвижным клином 21 верхнего якоря 18 по валу 3 в сторону упругого кольца 23, которое будет деформироваться, уплотнит зазор между гидравлическим пакером 1 и стенкой эксплуатационной колонны и будет защищать подпружиненные сухари 20 верхнего якоря 18 от механических примесей.

Дальнейшее перемещение цилиндра 6 совместно с уплотнителями 25 и подвижным клином 21 верхнего якоря 18 приведет к срезу срезных винтов 22 и вдавливанию подвижным клином 21 подпружиненных сухарей 20 в стенку трубы эксплуатационной колонны.

В момент между срезом винтов 22 и касанием подвижным клином 22 верхнего якоря 18 подпружиненных сухарей 20, храповой механизм 24 препятствует «отдаче» упругого кольца 23, тем самым предохраняя от разуплотнения в этот момент. После этого произойдет деформация уплотнителей 25, которые уплотнят зазор между гидравлическим пакером 1 и стенкой эксплуатационной колонны.

С окончанием запакеровки, одновременно, происходит фиксация цилиндра 6 относительно подвижного клина 9 нижнего якоря 7 пружинным фиксатором 10 и фиксация подвижного клина 9 нижнего якоря 7 относительно гильзы 4 пружинным фиксатором 11. При продолжении повышения давления жидкости срезается седло 27 на кронштейне 26 и седло 27 вместе с шариком 28 падает на забой скважины.

Пакерное устройство установлено и готово к работе.

При этом упругое кольцо 23 закрывает зазор между пакерным устройством и скважиной, не допуская возможности осаждения механических примесей на подпружиненные сухари 20 верхнего якоря 18, что увеличивает надежность их работы при срыве.

Уплотнители 25 одновременно уплотняют как вал 3, так и стенку эксплуатационной колонны скважины, изолируя надпакерное пространство от забоя скважины, и тем самым увеличивается надежность уплотнения за счет увеличения площади уплотнения вала 3 с созданием предварительного сжатия уплотнителей 25.

В случае превышения осевой нагрузки, позволяющей срезать винты 5, срыва пакерного устройства не будет, так как срезное кольцо 17, рассчитанное на многократно большее усилие, не позволит этого сделать, что также увеличивает надежность работы пакерного устройства.

Кроме этого, в процессе работы пакерного устройства подпружиненные сухари 8 нижнего якоря 7 удерживают вал 3 пакерного устройства от действующих на него нагрузок - давления добываемого флюида, веса лифтовой колонны труб, усилия натяжения лифтовой колонны. Подпружиненные сухари 20 верхнего пакера 18 принимают на себя нагрузку от давления флюида на уплотнители 25, а это значительно снижает нагрузку на вал 3, повышая надежность работы пакерного устройства при больших пластовых давлениях.

Подъем пакерного устройства осуществляется специальным инструментом (не показан), в задачу которого входит захват втулки 13, срез винтов 15 и перемещение втулки 13 вверх, вдоль оси вала 3. После этого натяжением колонны труб вал 3 перемещается и на гильзе 4 срезаются винты 5. Вал 3 перемещается до упора срезного кольца 17 в неподвижный клин 12 нижнего якоря 7.

Срезное кольцо 17 не срезается, а смещается и задавливает стопоры 16 в свободное пространство втулки 13, давая возможность дальнейшего перемещения вала 3 для распакеровки пакерного устройства.

Дальнейшее натяжение вала 3 обеспечивает вывод гильзы 4 из зацепления с неподвижным клином 12 нижнего якоря 7, последовательно происходит освобождение подпружиненных сухарей 20 верхнего якоря 18 от действия на них подвижного клина 21 верхнего якоря 18, освобождение уплотнителей 25, а затем смещение неподвижного клина 12 нижнего якоря 7, освобождающего подпружиненные сухари 8 нижнего якоря 7.

Пакерное устройство поднимают.

В том случае, когда не удалось, по каким-то причинам, переместить втулку 13, чтобы дать возможность стопорам 16 позволить осевое перемещение срезному кольцу 17, подъем пакерного устройства можно осуществить аварийным способом - натяжением вала 3 усилием, превышающим прочность срезного кольца 17, на которое оно выбрано первоначально.

При этом сначала срезаются винты 5, освобождая вал 3 относительно гильзы 4. Однако при дальнейшем натяжении труб вал 3 перемещается только до упора неподвижного клина 12 нижнего якоря 7 в срезное кольцо 17 на вале 3, что не приводит к распакеровке.

Затем при натяжении труб, на которых спускалось пакерное устройство с усилием гораздо большим чем то, которого хватило на срез винтов 5, но достаточным для среза кольца 17, срезное кольцо 17 срезается и освобождает вал 3 относительно неподвижного клина 12 нижнего якоря 7.

Дальнейший процесс по подъему пакерного устройства повторяет штатный способ по подъему после освобождения вала 3 относительно неподвижного клина 12 нижнего якоря 7 и гильзы 4.

Сложность работ в глубоких скважинах с высоким пластовым давлением или в скважинах с большими температурными изменениями лифта без теплового компенсатора заключается в больших осевых нагрузках, как по направлению к забою, так и по направлению к устью.

Наличие втулки 13, взаимодействующей со стопорами 16 и срезным кольцом 17 и препятствующей освобождению вала 3 относительно неподвижного клина 12 нижнего якоря 7 существенно повышает надежность, т.к. позволяет воспринимать большие осевые нагрузки на вал 3 пакерного устройства по направлению от забоя к устью.

Наличие пружинного фиксатора 11 повышает надежность при осевых нагрузках на вал 3 от устья к забою, т.к. при нагрузке на вал 3 от устья к забою, с помощью пружинного фиксатора 11 происходит еще большее вдавливание подпружиненных сухарей 8 нижнего якоря 7 в трубу эксплуатационной колонны.

Наличие подпружиненных сухарей 20 верхнего якоря 18 и упругого кольца 23, которое защищает подпружиненные сухари 20 от механических примесей, повышает надежность т.к. защищает уплотнители 25 от осевых нагрузок и препятствует разуплотнению зазора между гидравлическим пакером 1 и эксплуатационной колонной. А наличие храпового механизма 24 препятствует разуплотнению упругого кольца 23 в момент среза винтов 22 при установке пакерного устройства в скважине.

Конструкция пакерного устройства, при которой уплотнители 25 находятся непосредственно на вале 3, с креплением гильзы 4 на вале 3, когда нет необходимости в использовании уплотнительных резиновых колец над уплотнителями 25, повышает надежность пакера 1, т.к. отсутствует взаимодействие резиновых уплотнительных колец с агрессивной средой.

Предложенное пакерное устройство, включает узлы и детали, широко применяемое в нефтегазодобывающей промышленности, и проведение опытных испытаний обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию «промышленная применимость».

Пакерное устройство для глубоких скважин с высоким пластовым давлением, включающее гидравлический пакер, содержащий вал, гильзу, установленную на вале, цилиндр, уплотнители, нижний якорь с подвижным клином и неподвижным клином, установленным на вале, с подпружиненными сухарями, установленными между подвижным и неподвижным его клиньями, и клапанный узел в виде седла для шарика, закрепленного на вале посредством кронштейна и зафиксированного срезными винтами, отличающееся тем, что пакерное устройство содержит верхний якорь с подпружиненными сухарями, установленный в клетке, с подвижным клином, имеющим возможность фиксации клетки на нем с помощью срезных винтов, и гильза имеет возможность фиксации на вале с помощью срезных винтов, и подвижный клин нижнего якоря снабжен пружинными фиксаторами, расположенными между ним и цилиндром и между ним и гильзой соответственно, а внутри вала в месте размещения неподвижного клина нижнего якоря выполнена втулка, в канавке которой установлены срезные винты, фиксирующие втулку относительно вала, и установлен стопор, препятствующий освобождению неподвижного клина нижнего якоря, и дополнительно установлено срезное кольцо, препятствующее освобожнению неподвижного клина нижнего якоря минуя стопор, при этом над верхним якорем установлено упругое кольцо для защиты его подпружиненных сухарей, сопряженное с храповым механизмом, уплотнители расположены между подвижным клином верхнего якоря и цилиндром, который установлен на вале, а подвижный клин нижнего якоря расположен между валом и цилиндром.