Уплотнительный узел пакера

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к пакерующим устройствам с набухающими уплотнительными элементами, которые применяются для разобщения пространства и изоляции пластов при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение герметизирующей способности и надежности работы уплотнительного узла пакера при высоких перепадах давления. Сущность полезной модели: уплотнительный узел пакера включает эластичный элемент, который выполнен в форме полого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера. У концевых участков эластичного элемента, размещены противоэкструзионные защиты, каждая из которых содержит металлическое упорное кольцо, металлическую втулку с внутренними кольцевыми расточками в ее концевых участках, один из которых жестко связан с упорным кольцом и имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка которого выполнена более прочной, чем сама втулка, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении. Между втулкой и концевым участком эластичного элемента размещена кольцевая цилиндрическая манжета из ненабухающей резины, один из концевых участков которой размещен во внутренней кольцевой расточке концевого участка втулки с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента. В кольцевой расточке концевого участка втулки, жестко связанного с упорным кольцом, размещен герметизирующий элемент. 8 з.п. ф-лы, 4 илл.

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

Известен уплотнительный узел пакера, включающий эластичный элемент в форме полого цилиндра с кольцевыми канавками на внешней поверхности, выполненный из набухающего в скважинных жидкостях эластомера, и упорные кольца у его концевых участков [Патент на полезную модель 86650, E21B 33/12, 2009].

Недостатком уплотнительного узла пакера является недостаточная жесткость эластичного элемента в радиальном направлении и невысокая герметизирующая способность, обусловленная тем, упорные кольца не способны в значительной степени противодействовать выдавливанию и разрушению эластичного элемента при действии перепада давления. Это существенно снижает надежность спуска узла в скважину и ограничивает область его применения.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является уплотнительный узел пакера, включающий эластичный элемент из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, выполненный в форме полого цилиндра, упорные кольца, размещенные у концевых участков эластичного элемента, и противоэкструзионную защиту эластичного элемента, размещенную у его концевых участков и выполненную в виде ступенчатой втулки, имеющей возможность деформирования в радиальном направлении, и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины, установленных между упорными кольцами и концевыми участками эластичного элемента, при этом верхняя ступень втулки выполнена с продольными разрезами в окружном направлении [Патент на полезную модель 108095, E21B 33/12, 2011].

Недостатком уплотнительного узла пакера является недостаточная жесткость эластичного элемента в радиальном направлении, а также недостаточная способность противоэкструзионной защиты обеспечивать надежную работу эластичного элемента по герметизации ствола скважины при высоких перепадах давления. Это ограничивает его применение для изоляции пластов, например, при проведении гидроразрыва и других технологических операциях в скважине, связанных с повышенными перепадами давления.

Техническим результатом полезной модели является повышение герметизирующей способности и надежности работы уплотнительного узла пакера при высоких перепадах давления.

Необходимый технический результат достигается тем, что уплотнительный узел пакера включает эластичный элемент, выполненный в форме полого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, и противоэкструзионные защиты эластичного элемента, размещенные у его концевых участков и содержащие каждая металлическое упорное кольцо, металлическую втулку с внутренними кольцевыми расточками в ее концевых участках, причем один из концевых участков втулки жестко связан с упорным кольцом и имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка которого выполнена более прочной, чем сама втулка, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении, кольцевую цилиндрическую манжету из ненабухающей резины, один из концевых участков которой размещен во внутренней кольцевой расточке концевого участка втулки с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента, и герметизирующий элемент, размещенный в кольцевой расточке концевого участка втулки, жестко связанного с упорным кольцом.

Для лучшего взаимодействия концевые участки эластичного элемента и контактирующие с ними концевые участки манжет могут быть выполнены конусообразными, а наружная поверхность концевых участков манжет, размещенных во внутренней кольцевой расточке втулок, покрыта слоем высокомодульного полимерного пленочного материала.

Кроме того, для надежного спуска уплотнительного узла в скважину эластичный элемент может быть снабжен армирующим слоем, закрепленным на его внутренней поверхности, а на его наружной поверхности может быть нанесен защитный слой для замедления процесса набухания.

В частном исполнении эластичный элемент может быть выполнен из двух частей, разделенных проставочным кольцом, а узел герметизации в виде набора, включающего металлическое кольцо прямоугольного сечения, фоторопластовые и резиновые кольца, при этом металлическое кольцо может быть выполнено заодно целое с упорным кольцом.

На фиг. 1 изображен уплотнительный узел пакера в транспортном положении; на фиг. 2 - узел A (исполнение 1) на фиг. 1; на фиг. 3 - узел A (исполнение 2) на фиг. 1; на фиг. 4 - узел A (исполнение 3) на фиг. 1.

Уплотнительный узел пакера (фиг. 1) в частном исполнении состоит из эластичного элемента, выполненного из двух симметричных частей 1, между которыми размещено проставочное кольцо 2 с одним, по крайней мере, радиальным отверстием 3. Части 1 эластичного элемента выполнены из набухающего в скважинных жидкостях эластомера и имеют форму полого цилиндра. У несмежных концевых участков частей 1 эластичного элемента размещены противоэкструзионные защиты (узел A на фиг. 1), которые предотвращают разрушение эластичного элемента при действии перепада давления. Варианты исполнения узла A представлены на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.

Узел A каждого исполнения содержит металлическое упорное кольцо 4, металлическую втулку 5, в концевых участках 6 и 7 которой выполнены внутренние кольцевые расточки 8 и 9, кольцевую цилиндрическую манжету 10 из ненабухающей резины и герметизирующий элемент, который размещен в кольцевой расточке 8 и содержит металлическое кольцо 11, фторопластовое 12 и резиновое 13 кольца, при этом металлическое кольцо 11 может быть выполнено за одно целое с упорным кольцом 4 (фиг. 4).

Концевой участок 6 втулки 5 имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка 14 которого выполнена из более прочного металла, чем сама втулка 5. Оболочка 14 может быть установлена на концевой участок 6 любым способом, известным из уровня техники. Более предпочтительным является установка оболочки 14 с жесткой фиксацией на концевом участке 6, например, с помощью запрессовки. Другой концевой участок 7 втулки 5 на части своей длины выполнен с продольными разрезами 15 (фиг. 1), образуя лепестки в окружном направлении, и способен деформироваться наружу в радиальном направлении. Концевой участок 6 втулки 5 жестко связан с упорным кольцом 4. Жесткая связь данных элементов может быть обеспечена различными способами. В первом исполнении узла A (фиг. 2) жесткая связь может быть обеспечена с помощью сварки (на фиг. 2 не показана). Во втором исполнении (фиг. 3) жесткая связь обеспечивается через наружную обечайку 14, которая жестко зафиксирована на концевом участке 6, и может быть закреплена на кольце 4 с помощью, по крайней мере, одного винта 18, являющегося одновременно и винтом для фиксации упорного кольца 4. В третьем исполнении (фиг. 4) жесткая связь обеспечивается, по крайней мере, одним стопорным или срезным винтом (на фиг. 4 не указан), который связывает концевой участок 6 с кольцом 11, выполненным за одно целое с упорным кольцом 4. Применение срезного винта в данном исполнении, при определенных условиях, может обеспечить дополнительное уплотнение частей 1 эластичного элемента. Возможны и другие способы обеспечения жесткой связи концевого участка 6 втулки 5 с упорным кольцом 4, известные из уровня техники.

Кольцевая манжета 10 из ненабухающей резины установлена между втулкой 5 и эластичным элементом, при этом один из ее концевых участков размещен во внутренней расточке 9 втулки 5, а другой контактирует с концевым участком части 1 эластичного элемента. Для лучшего взаимодействия контактирующие между собой концевой участок манжеты 10 и части 1 эластичного элемента выполнены конусообразными, а наружная поверхность концевого участка кольцевой манжеты 10, размещенного в кольцевой расточке 9 втулки 5, в интервале продольных разрезов 15 покрыта слоем высокомодульного полимерного пленочного материала (на фигурах не показано).

Для повышения жесткости и безаварийного спуска уплотнительного узла в скважину части 1 эластичного элемента из набухающего эластомера снабжены армирующим слоем (на фиг. 1 не показан) из тканого либо нетканого материала, например, из полиамидной или хлопчатобумажной ткани, как это описано в патенте 140323, а на их наружную поверхность может быть нанесен защитный слой для замедления процесса набухания.

Для применения на скважине уплотнительный узел устанавливается на базовую трубу 16, свинченную с муфтой 17, на концевых участках которых выполнены присоединительные резьбы обсадных или насосно-компрессорных труб (на фиг. 1 не указаны). Установка узла на трубу 16 может производиться как с упором, так и без упора в муфту 17. Упорное кольцо 4 каждой противоэкструзионной защиты фиксируется на трубе 16, по крайней мере, одним стопорным винтом 18 или другими способами, известными из уровня техники, а герметизацию внешней поверхности трубы 16 в зоне контакта с втулкой 5 обеспечивает набор, включающий металлическое кольцо 11, фторопластовое 12 и резиновое 13 кольца. Проставочное кольцо 2 также фиксируется от осевых перемещений на трубе 16 (на фиг. 1 не показано). Такая конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает надежную герметизацию пространства в скважине при действии высоких перепадов давления, действующих как с одной стороны, так и с другой.

Уплотнительный узел пакера работает следующим образом.

В зависимости от геолого-технических и технологических условий в скважине уплотнительный узел оснащается либо водонабухающим, либо нефтенабухающим, либо водонефтенабухающим эластичным элементом с заданными параметрами по набуханию. Для применения на скважине уплотнительный узел устанавливается на базовую трубу 16 с упором или без упора в муфту 17. Установка всех элементов уплотнительного узла на трубу 16 может производиться на заводе-изготовителе или непосредственно на производственных базах нефтегазодобывающих компаний. При необходимости, на наружную поверхность высокоактивного эластичного элемента наносится защитный слой для замедления процесса его набухания в период спуска.

Спуск уплотнительного узла осуществляют в составе колонны обсадных труб и другого оборудования (на фиг. 1 не показано) к месту установки в открытый ствол или эксплуатационную колонну для изоляции интервалов пласта, например, при проведении многостадийного гидроразрыва пласта (далее по тексту МСГРП). Во время спуска армирующий слой (не показан) препятствует радиальной деформации частей 1 эластичного элемента под действием гидродинамики скважинной жидкости и преждевременному их разрушению.

После спуска, в интервале установки уплотнительного узла, в зависимости от типа набухающего эластомера создается специальная нефтяная или водяная ванна для активации и ускорения процесса набухания эластичного элемента. Части 1 эластичного элемента взаимодействуют со скважинной жидкостью и набухают до плотного контакта с поверхностью открытого ствола или обсадной колонны, обеспечивая надежную изоляцию заданных интервалов в скважине. При действии высокого перепада давления, который создается при МСГРП за счет большой скорости закачки жидкости в пласт, части 1 эластичного элемента передают осевую нагрузку и давление на манжету 10 и деформируют ее и концевой участок 7 втулки 5 наружу в радиальном направлении до контакта с внутренней поверхностью обсадной колонны или открытого ствола. Концевой участок 6 втулки 5, укрепленный более прочной оболочкой 14, не разрушается при действии давления, обеспечивает целостность втулки 5 и надежную работу герметизирующего элемента, размещенного в ее кольцевой расточке 8. Это обеспечивает герметичное перекрытие кольцевого зазора между втулкой 5 и открытым стволом скважины и предотвращает выдавливание и разрушение частей 1 эластичного элемента под действием перепада давления.

Такая конструкция уплотнительного узла пакера обеспечивает надежный спуск и установку его в скважине и способна выдерживать высокие перепады давления при таких технологических операциях в скважине как гидравлический разрыв пласта или изоляция межпластовых перетоков в скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями.

1. Уплотнительный узел пакера, включающий эластичный элемент, выполненный в форме полого цилиндра из разбухающего в скважинных жидкостях эластомера, и противоэкструзионные защиты эластичного элемента, размещенные у его концевых участков и содержащие каждая металлическое упорное кольцо, металлическую втулку с внутренними кольцевыми расточками в ее концевых участках, причем один из концевых участков втулки жестко связан с упорным кольцом и имеет конструкцию составного цилиндра, наружная оболочка которого выполнена более прочной, чем сама втулка, а другой на части своей длины выполнен с продольными разрезами в окружном направлении и способен деформироваться в радиальном направлении, кольцевую цилиндрическую манжету из ненабухающей резины, один из концевых участков которой размещен во внутренней кольцевой расточке концевого участка втулки с продольными разрезами, а другой взаимодействует с концевым участком эластичного элемента, и герметизирующий элемент, размещенный в кольцевой расточке концевого участка втулки, жестко связанного с упорным кольцом.

2. Уплотнительный узел пакера по п. 1, отличающийся тем, что концевые участки эластичного элемента и кольцевой цилиндрической манжеты, взаимодействующие между собой, выполнены с коническими поверхностями, при этом концевой участок эластичного элемента имеет наружную коническую поверхность, а концевой участок манжеты внутреннюю коническую поверхность.

3. Уплотнительный узел пакера по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность концевого участка цилиндрической манжеты, размещенного во внутренней кольцевой расточке втулки, на участке, контактирующем с продольными разрезами, покрыта слоем высокомодульного полимерного пленочного материала.

4. Уплотнительный узел пакера по п. 1, отличающийся тем, что эластичный элемент снабжен армирующим слоем, закрепленным на внутренней поверхности полого цилиндра, при этом армирующий слой выполнен из тканого либо нетканого материала.

5. Уплотнительный узел пакера по п. 1, отличающийся тем, что герметизирующий элемент выполнен в виде металлического кольца прямоугольного сечения, контактирующего с упорным кольцом, и, по крайней мере, одного набора, содержащего фторопластовое и резиновое кольцо.

6. Уплотнительный узел пакера по п. 5, отличающийся тем, что металлическое кольцо выполнено за одно целое с упорным кольцом.

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

8. Уплотнительный узел пакера по п. 1, отличающийся тем, что эластичный элемент выполнен из двух частей, разделенных проставочным кольцом, имеющим одно, по крайней мере, радиальное отверстие.

9. Уплотнительный узел пакера по п. 1 или 8, отличающийся тем, что он содержит базовую трубу, свинченную с муфтой, и установлен на ней с упором или без упора в муфту, при этом упорное и проставочное кольцо закреплены на трубе от осевого перемещения, а базовая труба и муфта имеют на концевых участках присоединительные резьбы обсадных или насосно-компрессорных труб.

РИСУНКИ