пакер

Формула изобретения

Пакер, включающий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с чередующимися осевыми коротким и длинным участками, опору, расположенные под ней уплотнительный элемент и конус, жестко соединенный со стволом, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазе, соединенные с обоймой по ее окружности шлипсы, подпружиненные внутрь в радиальном направлении, жестко соединенный через конус со стволом наконечник, через который пропущен шток с радиальными отверстиями и центральным каналом, расположенными выше наконечника, при этом шток выполнен с кольцевым выступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и соединен сверху с грузом, при этом осевые короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в осевом коротком участке - транспортное положение, то в осевом длинном участке фигурного паза - рабочее положение, отличающийся тем, что шток герметично вставлен в наконечник, заглушен снизу, дополнительно оборудован снаружи кольцевой выборкой в районе верхней кромки радиальных отверстий и расположенными выше радиальных отверстий центраторами с диаметром описываемой вокруг них окружности, большим диаметра уплотнительного элемента в транспортном положении, который расположен на наружной поверхности штока и зафиксирован снизу наконечником, а сверху - опорой, выполненной с возможностью осевого перемещения относительно штока в пределах кольцевой выборки штока, при этом ствол снизу перфорирован и оборудован заглушкой, причем обойма оснащена пружинными центраторами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к скважинным устройствам для многократной поинтервальной опрессовки колонны труб в скважине.

Известно пакерное устройство (авторское свидетельство №1795080, МПК 7 Е 21 В 33/12, опубл. Бюл. №6 от 15.02.1993 г.), включающее телескопически установленные друг относительно друга полые наружный ствол с радиальными каналами и уплотнительным элементом, и внутренний ствол с уплотнением для перекрытия радиальных каналов наружного ствола, сообщающих гидравлически полость внутреннего ствола с пространствами над и под уплотнительным элементом, и плашки с плашкодержателем, при этом оно снабжено жестко связанной с верхней частью внутреннего ствола полой головкой с радиальными каналами и кольцевым выступом на наружной поверхности, жестко связанным с плашкодержателем цилиндром с калибровочным каналом на нижнем торце, обратным клапаном, перекрывающим нижний торец наружного ствола, размещенной над уплотнительным элементом манжетой с конусным наконечником, установленным подвижно на наружном стволе с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом головки и стопорами, фиксирующими наружный и внутренний стволы при спуске и подъеме пакера и наружный ствол с плашкодержателем при пакеровке, при этом наружный ствол выполнен с окнами под стопоры, а внутренний ствол и плашкодержатель - с кольцевыми канавками для последовательного размещения в них стопоров при спуске и подъеме устройства и в процессе пакеровки.

Известен пакер (свидетельство на полезную модель №29090, МПК 7 Е 21 В 33/12, опубл. Бюл. №12 от 27.04.2003 г.), включающий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с равномерно расположенными чередующимися продольными короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенный под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму и соединенное с ней кольцо, направляющий штифт, размещенный в фигурном пазе и соединенный с кольцом, установленные в обойме по ее окружности шлипсы, подпружиненные в радиальном направлении, при этом пакер снабжен самоуплотняющейся манжетой, установленной на стволе выше опоры и жестко соединенным с ним наконечником, через который пропущен шток, выполненный с кольцевым уступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и радиальными отверстиями, расположенными выше наконечника, причем шток соединен с грузом, имеющим камеру в нижней части, сообщенную с колонным пространством скважины посредством радиальных отверстий и с внутренним пространством штока посредством осевого канала, перекрытого обратным клапаном. В качестве средства для подъема и спуска пакера используют канат.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому является пакер (патент на полезную модель №37763, МПК 7 Е 21 В 33/12, опубл. Бюл. №13 от 10.05.2004 г.), включающий ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с чередующимися короткими и длинными участками, жестко связанную со стволом опору, расположенные под ней нажимной уплотнительный элемент и конус, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазу, установленные в обойме по ее окружности шлипсы, подпружиненные в радиальном направлении, самоуплотняющуюся манжету, установленная на стволе выше опоры, жестко соединенный со стволом наконечник, через который пропущен шток с радиальными отверстиями, расположенными выше наконечника, при этом шток выполнен с кольцевым уступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и соединен с грузом, имеющим камеру в нижней части, сообщенную с внутренним пространством штока посредством осевого канала, перекрытого обратным клапаном, причем груз дополнительно снизу оборудован жестко соединенной с ним втулкой, имеющей радиальные каналы, соответствующие радиальным каналам штока, и внизу конусную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью самоуплотняющейся манжеты, при этом наружный диаметр втулки больше диаметра самоуплотняющейся манжеты в транспортном положении, причем фигурный паз выполнен замкнутым с одной стороны наружной поверхности ствола.

Устройствам, как по аналогам, так и по прототипу присущи общие недостатки конструкции:

- во-первых, металлоемкость и большое количество технологически сложных деталей, ведущих к высокой стоимости изготовления и, как следствие, удорожанию конструкции пакера в целом;

во-вторых, ограниченные функциональные возможности, поскольку невозможна работа пакера в колоннах малого диметра;

в-третьих, основной рабочий элемент конструкции, а именно самоуплотняющаяся манжета, имеет возможность контакта в процессе спуско-подъемных операций с внутренней стенкой колонны труб, что ведет к ее быстрому износу.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение себестоимости изготовления пакера, а также расширение его функциональных возможностей, а именно проведение опрессовки в колоннах малого диаметра.

Техническая задача решается предлагаемым пакером, включающим ствол с фигурным пазом на наружной поверхности с чередующимися осевыми коротким и длинным участками, опору, расположенные под ней уплотнительный элемент и конус, жестко соединенный со стволом, установленную на стволе с возможностью осевого перемещения обойму с направляющим штифтом, который размещен в фигурном пазе, соединенные с обоймой по ее окружности шлипсы, подпружиненные внутрь в радиальном направлении, жестко соединенный через конус со стволом наконечник, через который пропущен шток с радиальными отверстиями и центральным каналом, расположенными выше наконечника, при этом шток выполнен с кольцевым выступом внизу, взаимодействующим с наконечником, и соединен сверху с грузом, при этом осевые короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в осевом коротком участке - транспортное положение, то в осевом длинном участке фигурного паза - рабочее положение.

Новым является то, что шток герметично вставлен в наконечник, заглушен снизу, дополнительно оборудован снаружи кольцевой выборкой в районе верхней кромки радиальных отверстий и расположенными выше радиальных отверстий центраторами с диаметром описываемой вокруг них окружности, большим диаметра уплотнительного элемента в транспортном положении, который расположен на наружной поверхности штока и зафиксирован снизу наконечником, а сверху - опорой, выполненной с возможностью осевого перемещения относительно штока в пределах кольцевой выборки штока, при этом ствол снизу перфорирован и оборудован заглушкой, причем обойма оснащена пружинными центраторами.

На фиг.1 изображен предлагаемый пакер в продольном разрезе.

На фиг.2 - разрез А-А пакера.

На фиг.3 - развертка фигурного паза, выполненного на наружной поверхности ствола.

Пакер состоит из ствола 1 (см. фиг.1) с фигурным пазом 2 (см. фиг.2) на наружной поверхности с чередующимися осевыми коротким 3 и длинным 4 участками, опоры 5, под которой расположены уплотнительный элемент 6 и конуса 7. Конус 7 жестко соединен со стволом 1.

Ниже конуса 7 (см. фиг.1) на стволе 1 с возможностью осевого перемещения установлена обойма 8, оснащенная пружинными центраторами 9 и направляющим штифтом 10, который размещен в фигурном пазе 2. С обоймой 8 по ее окружности соединены шлипсы 11 (см. фиг.3), подпружиненные внутрь в радиальном направлении посредством пружинных пластин 12.

Со стволом 1 через конус 7 жестко соединен наконечник 13 (см. фиг.1), через который пропущен шток 14 с радиальными отверстиями 15 и центральным каналом 16, расположенными выше наконечника 13.

Шток 14 снизу оснащен кольцевым выступом 17 и имеет длину хода - L. Кроме того, шток 14 имеет возможность герметичного взаимодействия с наконечником 13, в который он вставлен и заглушен снизу, а сверху шток 14 соединен с грузом 18.

Шток 14 дополнительно оборудован снаружи кольцевой выборкой 19 в районе верхней кромки радиальных отверстий 15. На стволе 1 выше радиальных отверстий 15 расположены центраторы 20 с диаметром D1, описываемой вокруг них окружности, большим диаметра D2 уплотнительного элемента 6 в транспортном положении.

Уплотнительный элемент 6 расположен на наружной поверхности штока 14 и зафиксирован снизу наконечником 13, а сверху - опорой 5, выполненной с возможностью осевого перемещения относительно штока 14 в пределах его кольцевой выборки 19 длиной 1.

Ствол 1 снизу перфорирован и имеет сквозное отверстие 21, а также оборудован заглушкой 22, выполняющей роль груза.

Осевые короткий 3 и длинный 4 участки фигурного паза 2 соединены между собой замкнутым фигурным участком 23 так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы 8 относительно ствола 1 направляющий штифт 10 будет расположен то в осевом коротком участке 3 - транспортное положение, то - в осевом длинном участке 4 фигурного паза 2 - рабочее положение.

Несанкционированные перетоки жидкости на сопрягаемых поверхностях исключаются уплотнительным кольцом 24.

Пакер работает следующим образом.

Пакер на канате 25 (см. фиг.1) спускают в колонну труб (на фиг.1, 2 и 3 не показано) в интервал, где необходимо провести опрессовку, при этом заглушка 22, расположенная на нижнем конце ствола 1 и выполняющая роль груза, препятствует выталкивающей силе, которая возникает после погружения пакера под уровень жидкости в колонне труб. В процессе спуска пакера находящаяся в колонне труб жидкость через сквозное отверстие 21 попадает внутрь ствола 1 и воздействует снизу на кольцевой выступ 19 штока 14, исключая складывание уплотнительного элемента 6 и сохраняя последний в вытянутом состоянии в транспортном положении.

Направляющий штифт 10 обоймы 8 размещен на осевом коротком участке 3 (см. фиг.2) фигурного паза 2, причем диаметр D₁ описываемой вокруг центраторов 20 окружности больше диаметра D₂ уплотнительного элемента 6 в транспортном положении (D₁ >D₂), благодаря чему он не контактирует во время спуско-подъемных операций со стенками колонны и не истирается. Достигнув необходимого интервала, заливают колонну труб технологической жидкостью, после чего пакер приподнимают примерно на 1 метр и опускают, в результате проделанной операции направляющий штифт 10 перемещается (при подъеме) из осевого короткого участка 3 посредством нижней части замкнутого фигурного участка 23 в нижнюю часть осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 (см. фиг.2), а затем (при спуске) направляющий штифт 10 перемещается из нижней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 в его верхнюю часть. При этом пакер, за исключением деталей 8, 9, 10, 11 и 12, которые остаются неподвижными благодаря контакту пружинных центраторов 9 обоймы 8 со стенками колонны труб, перемещается относительно деталей 8, 9, 10, 11 и 12 соответственно вверх, а затем вниз.

Движение вниз продолжается до тех пор, пока шлипсы 11 обоймы 8 (см. фиг.1), подпружиненные внутрь в радиальном направлении посредством пружинных пластин 12, не войдут в контакт с конусом 7, жестко соединенным со стволом 1.

Далее под действием веса пакера и его груза 18 сначала шток 14, пропущенный через наконечник 13, в котором зафиксирована нижняя часть уплотнительного элемента 6, опускается вниз на длину хода - L штока 14 и своим кольцевым выступом 17 снизу упирается во внутренний торец 26 конуса 7, в то же время опора 5, в которой зафиксирована верхняя часть уплотнительного элемента 6, также перемещается вниз относительно штока 14 в пределах его кольцевой выборки 19 длиной - 1. Поскольку длина хода - L штока 14 больше длины - 1 его кольцевой выборки 19 (L>1), то происходит складывание уплотнительного элемента 6, который изнутри соприкасается со стенками колонны труб и предварительно прижимается к ним.

При дальнейшем действии веса пакера и его груза 18 конус 7 отгибает пружинные пластины 12 шлипсов 11 в радиальном направлении наружу, прижимая их зубчатую часть к стенкам колонны, при этом происходит фиксация пакера на стенках колонны труб от смещения вниз.

Затем устье скважины герметизируют (на фиг.1, 2 и 3 не показано) и внутри колонны поднимают давление, которое действует на уплотнительный элемент 6 сверху, а также через радиальные отверстия 15 и центральный канал 16 ствола 1 передается на внутреннюю поверхность уплотнительного элемента 6, который раздувается и плотно прижимается к стенкам колонны труб.

При этом давление, воздействующее на уплотнительный элемент 6, сверху будет дополнительно прижимать зубчатую часть шлипсов 11 к стенкам колонны труб, усиливая фиксацию пакера, а уплотнительный элемент 6 надежно перекроет внутреннее пространство колонны труб, и чем выше давление опрессовки колонны труб, тем большее давление воздействует на уплотнительный элемент 6 и тем сильнее фиксация шлипсов 11 пакера на стенках колонны труб.

Сквозное отверстие 21 ствола 1 исключает "эффект поршневания" в процессе опрессовки колонны труб.

Установив степень герметичности колонны труб, давление сбрасывают и пакер посредством каната 25 поднимают на высоту примерно 1 м и опускают. При таких действиях сначала (при подъеме) опора 5, в которой зафиксирована верхняя часть уплотнительного элемента 6, перемещается вверх относительно штока 14 в пределах его кольцевой выборки 19 длиной - 1 и останавливается, в то же время шток 14, пропущенный через наконечник 13, поднимается на длину своего хода - L, но поскольку длина хода - L штока 14 больше длины - 1 его кольцевой выборки 19 (L>1) - шток 14 продолжает свое движение вверх уже после остановки опоры 5 до тех пор, пока своим кольцевым выступом 17 сверху не упрется в нижний торец 27 наконечника 13, при этом происходит вытягивание уплотнительного элемента 6, который отходит от стенок колонны труб. Канат 25 продолжают тянуть вверх, при этом уже направляющий штифт 10 перемещается из верхней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 (см. фиг.2) в верхнюю часть замкнутого фигурного участка 23, а затем (при спуске) перемещается в верхнюю часть осевого короткого участка 3 фигурного паза 2, переводя пакер из рабочего положения в транспортное, при этом пакер, за исключением деталей 8, 9, 10, 11 и 12 (см. фиг.1), которые остаются неподвижными благодаря контакту пружинных центраторов 9 обоймы 8 со стенками колонны труб, перемещается относительно деталей 8, 9, 10, 11 и 12 соответственно вниз, а затем вверх.

Далее пакер может быть перемещен в другой интервал скважины для опрессовки колонны труб или извлечен на поверхность.

Предлагаемый пакер имеет небольшие габариты и вес, кроме того, он дешев в изготовлении, в связи с чем снижается стоимость пакера, а расширение его функциональных возможностей позволяет производить опрессовки труб в колоннах малого диаметра без бригады текущего или капитального ремонта скважины, что несомненно ускоряет процесс ремонтных работ и снижает их стоимость.