уплотнительное устройство для перекрытия скважины и трубопровода и способ его установки

Формула изобретения

1. Уплотнительное устройство для перекрытия скважины или трубопровода (С), содержащее трубчатую манжету (2), радиально расширяющуюся под действием накачиваемой текучей среды, герметично прижимаясь к стенке скважины или трубопровода (С), при этом манжета (2) закреплена на концевых элементах (3; 4), по меньшей мере один (3) из которых содержит кольцевую цилиндрическую часть (31), обращенную в сторону манжеты (2), при этом указанная цилиндрическая часть выполнена, по существу, на половине толщины стенки элемента (3), образуя два кольцевых концентричных заплечика (32, 34), отличающееся тем, что в стенке цилиндрической части (31) образована группа сквозных отверстий (5), расположенных по окружности стенки цилиндрической части (31) по меньшей мере двумя отдельными смещенными в продольном направлении рядами (S₁, S₂ , S₃), а материал манжеты (2) покрывает как наружную (310), так и внутреннюю (311) стороны указанной цилиндрической части (31), проходя при этом через отверстия (5) без нарушения своей целостности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в направлении изнутри наружу указанная манжета (2) содержит внутреннюю уплотнительную оболочку (20), механическую оплетку (21) и внешнюю оболочку (22), а указанную цилиндрическую часть (31) охватывает материал внутренней уплотнительной оболочки (20).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отверстия (5) одного ряда (S₁, S₂, S₃) смещены в окружном направлении относительно отверстий (5) соседнего ряда (S₁, S₂, S₃) так, что на виде сверху отверстия группы расположены в шахматном порядке.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что отверстия (5) имеют вытянутую форму.

5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что наружная поверхность (20) манжеты (2) находится на одной линии с наружной поверхностью (33) указанного концевого элемента (3).

6. Способ установки трубчатой манжеты (2), радиально расширяющейся под действием накачиваемой текучей среды, на кольцевой цилиндрической части (31) концевого элемента (3) уплотнительного устройства для закрывания скважины или трубопровода (С), характеризующийся тем, что используют концевой элемент (3), в стенке цилиндрической части (31) которого выполнена группа сквозных отверстий (5), расположенных по окружности по меньшей мере двумя отдельными, смещенными в продольном направлении рядами (S₁, S ₂, S₃), а материал указанной манжеты (2) покрывает цилиндрическую часть (31) за счет совместного литья, покрывая ее наружную (310) и внутреннюю (311) стороны и проходя при этом через отверстия (5) без нарушения своей целостности.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что отверстия одного ряда (S ₁, S₂, S₃) смещены по окружности относительно отверстий (5) соседнего ряда (S₁, S ₂, S₃) так, что на виде сверху отверстия группы расположены в шахматном порядке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к уплотнительному устройству для временного перекрытия скважины, в частности нефтяной, или трубопровода.

Изобретение относится также к способу установки такого устройства, в частности его трубчатой манжеты, на концевом элементе.

Такое уплотнительное устройство, хорошо известное в области бурения скважин и прокладки трубопроводов, обычно называют «надувной заглушкой» или «пакером».

Устройство предназначено для временного разобщения двух смежных участков скважины или трубопровода, например для осуществления исследований или ремонтных работ на одном из участков.

В частности, изобретение относится к уплотнительному устройству в виде надувной манжеты или камеры, которую устанавливают на держателе, предназначенном для введения в скважину или трубопровод.

Как правило, деформируемая зона такого устройства содержит: трубчатую накачиваемую «уплотнительную оболочку» круглого сечения из непроницаемого для жидкости гибкого и эластичного материала, радиально деформирующуюся наружу под действием давления внутренней текучей среды и прилегающую к «механической оплетке»; механическую оплетку, которая должна противостоять силам, создаваемым давлением при накачивании уплотнительной оболочки, причем эта механическая оплетка может быть снабжена так называемым «запорным» устройством, предназначенным для предупреждения выдавливания уплотнительной оболочки через механическую оплетку; и трубчатую «внешнюю оболочку» из гибкого и эластичного материала, радиально деформируемую при перемещении механической оплетки.

На своих концах такое устройство содержит: «герметичное соединение», обеспечивающее герметичность между уплотнительной оболочкой и концом устройства; «осевое механическое соединение», обеспечивающее крепление механической оплетки на конце устройства и воспринимающее все осевые составляющие силы, создаваемой давлением при накачивании; и «кольцо радиального удержания», обеспечивающее радиальное удержание механической оплетки, когда на нее действует давление при накачивании.

В нерабочем состоянии диаметры устройства и уплотнения меньше диаметра скважины или трубопровода.

После размещения устройства в требуемой зоне производят накачивание пакера, как правило, путем закачки в него жидкости, например воды, углеводорода и/или раствора, присутствующего внутри скважины или трубопровода.

Жидкость подают под высоким давлением, что приводит к расширению оболочки и механической конструкции и плотному прижатию внешней оболочки к стенке указанной зоны, чтобы временно или окончательно герметично закрыть эту зону.

Во время накачивания пакер расширяется в радиальном направлении и одновременно укорачивается в соответствии с геометрией механической конструкции.

После завершения операций исследования и/или ремонта давление в пакере сбрасывают и устройство извлекают.

Разумеется, его можно в дальнейшем использовать опять для закрывания новой зоны этой же скважины или этого же трубопровода или переместить на другое место для закрывания другой скважины или другого трубопровода с обеспечением такой же функции.

На прилагаемых фигурах 1 и 2 в осевом разрезе схематично показано такое уплотнительное устройство, установленное внутри закрываемой скважины или трубопровода до и после накачивания соответственно.

Позицией С обозначена стенка скважины, например нефтедобывающей, или трубопровода.

Эта цилиндрическая стенка с осью Х-Х' может представлять собой необработанную стенку пробуренной скважины или стенку трубы из стали или синтетического материала, если скважину укрепляют обсадными трубами.

На фигуре ось Х-Х' расположена горизонтально для большей ясности чертежа. Разумеется, направление оси может быть другим, в частности вертикальным или наклонным.

Уплотнительное устройство 1 в основном содержит цилиндрическую манжету 2 с центром на оси Х-Х', установленную на паре удерживающих элементов 3 и 4.

Эти удерживающие элементы 3 и 4 выполнены в виде жестких концевых дисков, например из стали, соединенных друг с другом цилиндрической манжетой 2.

Стенка этой манжеты выполнена гибкой и упруго деформируемой.

Схема этого узла приведена исключительно в качестве иллюстрации.

Концы закрыты дисками 3 и 4, герметично закрепленными, например, при помощи клея.

Размеры такого устройства могут различаться в зависимости от варианта применения.

Например, манжета (не накачанная) имеет длину l, равную 2,5 м, диаметр d - 120 мм, а толщину e стенки - 20 мм.

Не показанное на чертежах приспособление известного типа позволяет перемещать устройство внутри скважины для его расположения напротив закрываемой зоны и подавать накачиваемую жидкость под высоким давлением внутрь манжеты 2.

Для этого в диске 3 имеется канал 30 подачи жидкости.

Такой является схематичная конструкция этого устройства.

На фиг.2 подача жидкости под давлением показана стрелкой Р, и внутреннее давление заставляет стенку манжеты деформироваться радиально наружу таким образом, чтобы ее центральная часть плотно прижалась к стенке С, как это показано на фиг.2 стрелками f.

Внутреннее давление может достигать, например, значений от 3·10⁷ до 4·10⁷ паскаль.

Радиальное расширение манжеты приводит к уменьшению ее длины, за счет чего диски приближаются друг к другу.

Степень диаметральной деформации манжеты может достигать 3:1 (утроение диаметра).

Таким образом, устройство подвергается действию больших механических напряжений, причем часто в агрессивной среде и при высоких температурах.

Кроме того, необходимо, чтобы одно и то же устройство можно было использовать многократно внутри одной скважины или одного трубопровода, например, двадцать раз, чтобы обеспечить необходимые исследования, например, для измерения пористости стенки в различных зонах, удаленных в осевом направлении.

После каждого цикла накачивания-сброса давления манжета должна восстановить диаметр, близкий к первоначальному, то есть она должна обладать хорошими свойствами упругости.

Как показано на фигуре, концевой элемент 3 заканчивается цилиндрической частью 31, направленной в сторону манжеты 2.

Эта цилиндрическая часть имеет небольшую толщину и находится в продолжении внутренней стенки элемента 3. Это значит, что имеется кольцевой заплечик 32, охватывающий цилиндрическую часть 31 и расположенный перпендикулярно к оси Х-Х' элемента 3.

В представленном варианте выполнения, показанном только в верхней части фиг.3, трубчатая манжета 2 имеет конструкцию, аналогичную конструкции, описанной выше. Это значит, что она содержит уплотнительную оболочку 20, механическую оплетку 21 и внешнюю оболочку 22.

Манжета 2 имеет такие толщину и размеры, чтобы уплотнительная оболочка 20 располагалась вокруг цилиндрической части 31, охватывая ее, а в продольном направлении упиралась в вышеуказанный заплечик.

Кольцо 36 радиального удержания, являющееся неотъемлемой частью элемента 3, удерживает и скрепляет оболочку 20 и механическую оплетку 21. Внешняя оболочка 22 упирается в это кольцо.

Как правило, соединение между цилиндрической частью и оболочкой 20 осуществляют при помощи клея, но при этом возникает сложность правильного соединения резиной оболочки с металлом цилиндрической части.

Эта проблема становится еще более острой для конструкции, показанной на фиг.4-6 и описанной ниже.

Из соображений упрощения на этих фигурах показана только оболочка 20 манжеты.

В данном случае концевой элемент 3 тоже содержит кольцевую цилиндрическую часть 31, направленную в сторону манжеты. Однако она выполнена по существу на половине толщины стенки элемента 3, за счет чего получают два кольцевых концентричных заплечика 32 и 34 по обе стороны от цилиндрической части 31.

Когда манжету 2 накачивают, под действием возрастающего внутреннего давления резина начинает растягиваться. Это явление показано на фиг.5 стрелками F.

Чем больше накачивают манжету, тем больше растягивается резина. Разумеется, это усилие воспринимается соединением манжеты с цилиндрической частью 31.

Поскольку соединение этих двух элементов выполнено посредством клея, под действием окружающей температуры, которая, как правило, является высокой (и может достигать 175°C), свойства сцепления клея снижаются, а под действием растяжения резина манжеты 2 отклеивается на уровне соединения с цилиндрической частью.

Эти области, в которых манжета отклеивается наиболее часто, показаны на фиг.6 буквой А.

Такая конфигурация уплотнительного устройства описана, например, в документе US 4886117 А.

Конструкция, показанная на фиг.7, по существу аналогична конструкции, описанной со ссылками на фиг.3.

Вместе с тем в этой конструкции имеется кольцевая вставка 35, предпочтительно металлическая, которая одновременно заходит и в элемент 3, и в манжету 2.

Однако при использовании такой конструкции сталкиваются с теми же проблемами, что и при использовании конструкции, описанной со ссылками на фиг.4-6.

В частности, такое соединение описано в документе US 6230798 А.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков за счет такого выполнения соединения манжеты с концевым элементом, чтобы даже при больших усилиях, возникающих при накачивании манжеты, соединение между этими двумя деталями держалось хорошо, без риска отклеивания или разрыва.

Дополнительной задачей изобретения является сохранение конструкции уплотнительного устройства в основном без изменений.

Поставленная задача решена в уплотнительном устройстве для закрывания скважины или трубопровода, содержащем трубчатую манжету, радиально расширяющуюся под действием накачиваемой текучей среды и герметично прижимающуюся к стенке скважины или трубопровода, при этом манжета закреплена на концевых элементах, по меньшей мере один из которых содержит кольцевую цилиндрическую часть, обращенную в сторону манжеты.

Особенностью изобретения является то, что в стенке цилиндрической части имеется группа сквозных отверстий, а также то, что материал манжеты покрывает эту цилиндрическую часть таким образом, чтобы закрыть ее наружную и внутреннюю стороны, закрывая при этом отверстия без нарушения своей целостности.

Таким образом, материал манжеты оказывается отчасти внедренным в цилиндрическую часть, за счет чего эти отверстия обеспечивают максимальную площадь соприкосновения с резиной, чтобы противостоять растяжению накачиваемой части манжеты.

Кроме того, согласно другим предпочтительным и неограничивающим признакам:

- в направлении изнутри наружу манжета содержит внутреннюю уплотнительную оболочку, механическую оплетку и внешнюю оболочку, а указанную цилиндрическую часть охватывает материал уплотнительной оболочки;

- указанные отверстия расположены по окружности на стенке цилиндрической части;

- цилиндрическая часть содержит, по меньшей мере, два отдельных ряда отверстий, смещенных в продольном направлении;

- отверстия первого ряда смещены по окружности относительно отверстий соседнего ряда так, что на виде сверху отверстия группы расположены в шахматном порядке;

- указанные отверстия имеют вытянутую форму;

- наружная поверхность манжеты находится на одной линии с наружной поверхностью указанного концевого элемента.

Объектом настоящего изобретения является также способ установки трубчатой манжеты, радиально расширяющейся под действием текучей накачиваемой среды, на кольцевой цилиндрической части концевого элемента уплотнительного устройства для закрывания скважины или трубопровода.

В этом способе согласно изобретению в основном используют концевой элемент, цилиндрическая часть которого содержит совокупность сквозных отверстий, при этом материал манжеты покрывает цилиндрическую часть за счет совместного литья, закрывая ее наружную и внутреннюю стороны и перекрывая при этом отверстия без нарушения своей целостности.

Согласно предпочтительным признакам этого способа:

- используют концевой элемент, отверстия которого выполнены по окружности на стенке цилиндрической части;

- цилиндрическая часть содержит, по меньшей мере, два отдельных ряда отверстий, смещенных в продольном направлении;

- отверстия первого ряда смещены по окружности относительно отверстий соседнего ряда так, что на виде сверху отверстия группы расположены в шахматном порядке.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего описания частного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.8 показан концевой элемент уплотнительного устройства в соответствии с настоящим изобретением, вид сверху;

на фиг.9 - элемент, аналогичный показанному на фиг.8, на котором закреплена манжета, упрощенный вид в продольном разрезе;

на фиг.10 - то же, что на фиг.9, но во время накачивания манжеты.

Концевой элемент, показанный на фиг.8, имеет конструкцию, аналогичную конструкции, которая уже была описана со ссылками на известные технические решения.

Этот элемент содержит концевую кольцевую цилиндрическую часть 31, направленную в сторону манжеты. Она выполнена на половине толщины стенки элемента 3.

Согласно изобретению в стенке цилиндрической части 31 выполнена группа сквозных отверстий, обозначенных позицией 5.

Как показано на этой фигуре, отверстия 5 расположены по окружности на стенке цилиндрической части. В частности, они расположены на параллельных между собой окружностях, перпендикулярных оси Х-Х' и образующим цилиндрической части.

В данном случае выполнены три ряда S ₁, S₂ и S₃ отверстий, причем эти ряды смещены в продольном направлении друг относительно друга. Разумеется, в других, не показанных вариантах выполнения число рядов может быть другим, например более трех.

Кроме того, отверстия распределены особым образом. Так, отверстия первого ряда S₁ смещены в продольном направлении относительно отверстий соседнего ряда S₂. Это же касается и отверстий ряда S₂, смещенных относительно отверстий третьего ряда S₃ таким образом, что в верхней проекции отверстия группы расположены в шахматном порядке.

Далее будет описано преимущество такого расположения отверстий.

На фиг.9 и 10 показана цилиндрическая часть 31, содержащая только два ряда отверстий 5.

Согласно изобретению материал манжеты 2, в данном случае материал внутренней оболочки, покрывает цилиндрическую часть 31 таким образом, чтобы закрыть как ее наружную сторону 310, так и внутреннюю сторону 311, проходя при этом через отверстия 5 без нарушения своей целостности.

Иначе говоря, материал манжеты образует единое целое с цилиндрической частью 31 элемента 3. Определенным образом можно сказать, что материал манжеты отчасти внедрен в цилиндрическую часть.

Установку манжеты 2 на цилиндрическую часть 31 предпочтительно осуществляют путем совместного литья.

Резина, которая предпочтительно образует материал манжеты 2, охватывает цилиндрическую часть и изнутри, и снаружи.

Предпочтительно отверстия 5 имеют вытянутую форму, и их поверхность максимально охвачена резиной, чтобы противостоять растяжению манжеты во время ее накачивания.

Таким образом, это усилие растяжения делится на силу реакции на уровне отверстий и на силу сцепления на уровне части, приклеенной к цилиндрической части, поэтому резина манжеты не скользит на цилиндрической части там, где клей не может выдержать это движение, приводящее к отклеиванию.

Наконец, необходимо отметить, что концевая часть цилиндрической части имеет закругленный профиль, чтобы избежать разрезания резины во время накачивания.