Пакер

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам, которые применяются для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение герметизирующей способности пакера, снижает время на его установку и расширяет его технологические возможности. Сущность полезной модели: пакер включает ствол, на котором установлены две части уплотнительного элемента из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, разделенных проставочным кольцом. У несмежных концевых участков частей размещены упорные кольца и их противоэкструзионная защита, которая выполнена в виде ступенчатых втулок и размещенных в них манжет из ненабухающей резины, при этом верхние ступени втулок выполнены тонкостенными, а манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента. Согласно полезной модели пакер снабжен кольцевым поршнем с наружной резьбовой поверхностью и охватывающим его ступенчатым толкателем, установленными на стволе между частями уплотнительного элемента и образующими со стволом кольцевую полость, стопорным кольцом, размещенным в кольцевой полости и жестко связанным со стволом, разрезным кольцевым фиксатором с внутренней резьбовой поверхностью, установленным в концевом участке верхней ступени толкателя и имеющим возможность взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью поршня. В стволе выполнено радиальное отверстие для гидравлической связи полости ствола с кольцевой полостью, а концевой участок верхней ступени толкателя связан с проставочным кольцом одним, по крайней мере, срезным элементом. 6 з.п. ф-лы, 4 илл.

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам, предназначенным для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин.

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.

Известен 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.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух частей, разделенных проставочным кольцом и имеющих форму полых цилиндров, концевые участки которых, по крайней мере, с одной стороны, имеют наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у несмежных концевых участков частей уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, противоэкструзионную защиту частей уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатых втулок и размещенных в них кольцевых цилиндрических манжет из ненабухающей резины, установленных на стволе у концевых участков частей уплотнительного элемента с наружной конической поверхностью, при этом манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента, а верхние ступени втулок выполнены тонкостенными с возможностью деформирования в радиальном направлении [Патент на полезную модель 108095, Е21В 33/12, 2011].

Недостатком пакера является то, что набухание уплотнительных элементов, особенно в скважинных жидкостях с низкой температурой или высокой минерализацией, является достаточно длительным по времени процессом и не всегда обеспечивает надежную герметизацию при разобщении пространства в скважине, что ограничивает его технологические возможности.

Техническим результатом полезной модели является сокращение времени для установки пакера, повышение его герметизирующей способности и расширение его технологических возможностей.

Необходимый технический результат достигается тем, что пакер включает полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух частей, разделенных проставочным кольцом и имеющих форму полых цилиндров, концевые участки которых, по крайней мере, с одной стороны, имеют наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у несмежных концевых участков частей уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, противоэкструзионную защиту частей уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатых втулок и размещенных в них кольцевых цилиндрических манжет из ненабухающей резины, установленных на стволе у концевых участков частей уплотнительного элемента с наружной конической поверхностью, при этом манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента, а верхние ступени втулок выполнены тонкостенными с возможностью деформирования в радиальном направлении. Согласно полезной модели пакер снабжен кольцевым поршнем с наружной резьбовой поверхностью и охватывающим его ступенчатым толкателем, установленными на стволе между частями уплотнительного элемента с возможностью осевого перемещения во взаимно противоположные стороны и поджатия частей уплотнительного элемента и образующими со стволом кольцевую полость, стопорным кольцом, размещенным в кольцевой полости и жестко связанным со стволом, разрезным кольцевым фиксатором с внутренней резьбовой поверхностью, установленным в концевом участке верхней ступени толкателя и имеющим возможность взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью поршня, при этом в стволе выполнено одно, по крайней мере, радиальное отверстие для гидравлической связи полости ствола с кольцевой полостью, а концевой участок верхней ступени толкателя связан с проставочным кольцом одним, по крайней мере, срезным элементом.

Для лучшего взаимодействия концевых участков частей 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.2).

Кроме того, для улучшения герметизации внутри нижних ступеней втулок в кольцевой канавке может быть установлено, по крайней мере, одно уплотнительное кольцо.

Для доступа скважинной жидкости к внутренней поверхности уплотнительного элемента в проставочном кольце и нижней ступени толкателя могут быть выполнены, по крайней мере, по одному радиальному отверстию.

Кроме того, проставочное кольцо может быть жестко связано с взаимодействующим с ним концевым участком поршня. Это повышает надежность передачи осевой нагрузки от поршня при поджатии соответствующей части уплотнительного элемента.

В частном исполнении одна, по крайней мере, из частей уплотнительного элемента может быть выполнена из ненабухающего в скважинных жидкостях эластомера, например, из бутадиен-нитрильной или гидрированной бутадиен-нитрильной резины. Это способствует сокращению времени на установку пакера и повышению в целом его герметизирующей способности.

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

Пакер (фиг.1) в частном исполнении состоит из полого ствола 1, на котором установлен уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух симметрично расположенных частей 2 и 3, которые имеют форму полых цилиндров, сформированных из эластомера, разбухающего при взаимодействии, например, с пластовой водой в скважине. Несмежные концевые участки 4 и 5 частей уплотнительного элемента имеют наружную коническую поверхность. На стволе 1 у обоих концевых участков 4 и 5 частей уплотнительного элемента установлены соответственно упорные кольца 6 и 7, которые жестко закреплены на стволе любым, известным из уровня техники, способом, например, стопорными винтами соответственно 8 и 9. Между упорными кольцами 6 и 7 и соответствующими концевыми участками 4 и 5 частей уплотнительного элемента установлена противоэкструзионная защита, которая выполнена в виде ступенчатых втулок 10 и 11 и размещенных в них соответствующих кольцевых цилиндрических манжет 12 и 13, которые выполнены из ненабухающей резины. Концевые участки манжет 12 и 13 с одной стороны имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков 4 и 5 частей уплотнительного элемента. Верхние ступени 14 и 15 втулок имеют тонкостенную конструкцию и выполнены разрезными в продольном направлении на произвольное количество лепестков по периметру окружности. Это дает возможность верхним ступеням 14 и 15 свободно деформироваться в радиальном направлении. Для улучшения герметизации контакта со стволом 1 внутри нижних ступеней втулок 10 и 11 в кольцевых канавках установлены соответственно уплотнительные кольца 16 и 17.

На стволе 1 между частями 2 и 3 уплотнительного элемента установлены проставочное кольцо 18, кольцевой поршень 19 и охватывающий его ступенчатый толкатель 20. Поршень 19 и толкатель 20 образуют между собой и стволом 1 кольцевую полость 21, которая гидравлически связана через радиальное отверстие 22 в стволе 1 с его внутренней полостью. В кольцевой полости 21 размещено стопорное кольцо 23, которое жестко закреплено на стволе 1 винтами (на фиг.1 не указаны) или иным, известным из уровня техники, способом. Кольцо 23 удерживает поршень 19 и толкатель 20 от перемещения при спуске пакера к месту установки. Кольцевой поршень 19 имеет наружную резьбовую поверхность 24, а в верхней ступени 25 толкателя 20 размещен разрезной кольцевой фиксатор 26 с внутренней резьбовой поверхностью (на фиг.1 не указана) с возможностью взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью 24 поршня 19. Концевой участок верхней ступени 25 толкателя жестко связан с проставочным кольцом 18 одним, по крайней мере, срезным элементом 27. Проставочное кольцо 18 и толкатель 20 имеют радиальные отверстия, а герметизация кольцевой полости 21 обеспечивается уплотнительными кольцами (на фиг.1 не указаны).

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

Так на фиг.2 верхние тонкостенные ступени 14 и 15 втулок 10 и 11 выполнены с внутренней конической поверхностью, а взаимодействующие с ними участки цилиндрических манжет 12 и 13 имеют наружную коническую поверхность. На фиг.3 втулки 10 и 11 жестко связаны с упорными кольцами 6 и 7 с помощью, например, резьбового соединения или иным известным способом.

По другому варианту пакера (фиг.4) наружную коническую поверхность имеют смежные концевые участки 4 и 5 частей уплотнительного элемента, у которых размещена противоэкструзионная защита, втулки 10 и 11 которой взаимодействуют соответственно с толкателем 20 и проставочным кольцом 18.

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 части 2 и 3 уплотнительного элемента, взаимодействуя с внутрискважинной жидкостью, частично набухают, не препятствуя спуску пакера к месту установки в скважине. При определенных скважинных условиях (большая глубина спуска, высокая температура и т.д.) на наружную поверхность частей уплотнительного элемента может быть установлен защитный слой, замедляющий процесс его набухания в период спуска пакера в скважину.

В процессе освоения и эксплуатации скважины части 2 и 3 уплотнительного элемента, взаимодействуя со скважинной жидкостью, набухают до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны. При этом под действием сил объемного набухания части 2 и 3 уплотнительного элемента удлиняются, а их концевые конические участки 4 и 5 взаимодействуют соответственно с манжетами 12 и 13 и через них с верхними тонкостенными ступенями 14 и 15 втулок 10 и 11, деформируя их в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Это обеспечивает надежное перекрытие кольцевого зазора между упорными кольцами 6 и 7 и обсадной колонной (на фиг.1 не показана) и предотвращает выдавливание и разрушение частей 2 и 3 уплотнительного элемента после полного контакта их с внутренней поверхностью обсадной колонны и последующем действии перепада давления сверху или снизу в процессе эксплуатации скважины.

Для того, чтобы уменьшить время выдержки пакера в скважине до того момента, когда его уплотнительный элемент может герметично перекрывать пространство в скважине и выдерживать большие перепады давления, внутри ствола 1 создают расчетное давление для приведения в действие поршня 19 и толкателя 20. Через радиальное отверстие 22 давление передается на поршень 19 и толкатель 20, при этом срезается удерживающий их срезной винт 27 и они перемещаются во взаимно противоположные направления. При своем перемещении толкатель 20 поджимает часть 2 уплотнительного элемента, а поршень 19 через проставочное кольцо 18 поджимает его другую часть 3. Конечное взаимное положение поршня 19 и толкателя 20 фиксируется разрезным кольцевым фиксатором 26. Такое поджатие частей 2 и 3 уплотнительного элемента обеспечивает начальный контакт их с внутренней поверхностью обсадной колонны и способность выдерживать перепады давления, даже если они еще не набухли полностью в скважине.

В случае выполнения пакера по варианту, показанному на фиг.4, после создания в стволе 1 расчетного давления и среза винта 27 толкатель 20 при своем перемещении поджимает часть 2 уплотнительного элемента через втулку 10, а поршень 19 через проставочное кольцо 18 и втулку 11 поджимает другую его часть 3.

Если технологические требования в скважине не предполагают выдержку во времени при установке пакера, то, по крайней мере, одна из частей уплотнительного элемента выполняется из ненабухающего эластомера, например из бутадиен-нитрильной резины. В этом случае после спуска пакера к месту установки в стволе 1 сразу создают давление для приведения в действие толкателя 20 и поршня 19 и сжатия частей уплотнительного элемента до их контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны и надежного разобщения затрубного пространства скважины. При этом часть уплотнительного элемента, выполненная из набухающего эластомера, под воздействием скважинной жидкости будет разбухать и способствовать увеличению герметизирующей способности пакера.

Такая конструкция пакера во всех его вариантах обеспечивает сокращение времени для установки пакера, повышение его герметизирующей способности и расширение его технологических возможностей при разобщении и изоляции пластов в скважинах.

1. Пакер, включающий полый ствол, установленный на стволе уплотнительный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный из двух частей, разделенных проставочным кольцом и имеющих форму полых цилиндров, концевые участки которых, по крайней мере, с одной стороны имеют наружную коническую поверхность, упорные кольца, размещенные у несмежных концевых участков частей уплотнительного элемента и жестко связанные со стволом, противоэкструзионную защиту частей уплотнительного элемента, выполненную в виде ступенчатых втулок и размещенных в них кольцевых цилиндрических манжет из ненабухающей резины, установленных на стволе у концевых участков частей уплотнительного элемента с наружной конической поверхностью, при этом манжеты имеют внутреннюю коническую поверхность, взаимодействующую с наружной конической поверхностью концевых участков частей уплотнительного элемента, а верхние ступени втулок выполнены тонкостенными с возможностью деформирования в радиальном направлении, отличающийся тем, что он снабжен кольцевым поршнем с наружной резьбовой поверхностью и охватывающим его ступенчатым толкателем, установленными на стволе между частями уплотнительного элемента с возможностью осевого перемещения во взаимно противоположные стороны и поджатия частей уплотнительного элемента и образующими со стволом кольцевую полость, стопорным кольцом, размещенным в кольцевой полости и жестко связанным со стволом, разрезным кольцевым фиксатором с внутренней резьбовой поверхностью, установленным в концевом участке верхней ступени толкателя и имеющим возможность взаимодействия с наружной резьбовой поверхностью поршня, при этом в стволе выполнено одно, по крайней мере, радиальное отверстие для гидравлической связи полости ствола с кольцевой полостью, а концевой участок верхней ступени толкателя связан с проставочным кольцом одним, по крайней мере, срезным элементом.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что верхние тонкостенные ступени втулок выполнены с продольными разрезами в окружном направлении.

3. Пакер по п.1, отличающийся тем, что верхние тонкостенные ступени втулок и взаимодействующие с ними вторые концевые участки цилиндрических манжет выполнены конусообразными, при этом верхние ступени имеют внутреннюю коническую поверхность, а вторые концевые участки манжет - наружную коническую поверхность.

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

5. Пакер по п.1, отличающийся тем, что в проставочном кольце и нижней ступени толкателя выполнено, по крайней мере, по одному радиальному отверстию.

6. Пакер по п.1, отличающийся тем, что проставочное кольцо жестко связано с взаимодействующим с ним концевым участком поршня.

7. Пакер по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из частей уплотнительного элемента выполнена из ненабухающего в скважинных жидкостях эластомера, например из бутадиен-нитрильной или гидрированной бутадиен-нитрильной резины.