пакер-якорь и способ разобщения кольцевого пространства скважины с помощью пакера-якоря

Формула изобретения

1. Пакер-якорь для скважин, содержащий корпус, якорный узел, состоящий из полого конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения, причем поршень оснащен снизу сужением проходного канала, а сверху - полой штангой, которая сверху жестко и соосно соединена с конусом, зафиксированным сверху соосно с корпусом, причем цилиндр выполнен подвижным и установлен снаружи поршня, а внутренняя полость между цилиндром и поршнем сообщена с полостью штанги выше сужения проходного канала поршня, при этом верхний упор выполнен с возможностью ограниченного перемещения вверх, нижний упор снабжен радиальными окнами и выполнен подвижным с возможностью перемещения вверх и взаимодействия снизу с цилиндром, а плашки выполнены в виде роликов с продольными отверстиями, установленных в окнах нижнего упора на осях, которые закреплены в окнах перпендикулярно оси корпуса, причем внутренний диаметр продольного отверстия ролика больше наружного диаметра оси, а наружная поверхность ролика последовательно взаимодействует с наружными поверхностями полой штанги, конуса, корпуса и стенкой скважины при перемещении нижнего упора относительно корпуса, отличающийся тем, что верхний упор сверху выполнен подпружиненным вниз посредством спиральной пружины, опирающейся на нижнюю втулку средства для защиты от посторонних включений, средство для защиты от посторонних включений содержит подпружиненные посредством указанной пружины в осевом направлении верхнюю и нижнюю подвижные втулки и закрепленную между этими втулками на их внешних поверхностях манжету, способную к радиальному расширению при сближении друг к другу указанных втулок, причем манжета выполнена в виде упругого рукава, способного при максимальном радиальном расширении иметь диаметр, равный диаметру скважины, а при исходном нерасширенном состоянии иметь диаметр, меньший диаметра скважины, для беспрепятственной транспортировки по скважине, при этом усилие, необходимое для максимального радиального расширения манжеты и определяемое, исходя из упругих свойств материала манжеты, меньше усилия, необходимого для перемещения роликов по конусу, верхняя втулка средства для защиты от посторонних включений выполнена с опорой на выступ корпуса, а возможность осевого перемещения верхнего упора ограничена торцевой поверхностью ступени корпуса.

2. Способ разобщения кольцевого пространства скважины, включающий спуск пакера-якоря в скважину, подготовку пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости, вывод роликов в рабочее положение, подготовку уплотнительного элемента к разделению скважинного пространства, разделение скважинного пространства с возможностью дальнейшего распакерования-разъякоривания, подъема из скважины или перемещения в другую зону скважины, отличающийся тем, что в качестве пакера-якоря используют пакер-якорь по п.1, а на этапе подготовки пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости манжета средства для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиально расширенном состоянии и остается в таком состоянии до периода распакерования-разъякоривания.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к технике подземного ремонта и исследования скважин, а именно к устройствам и способам для разобщения кольцевого пространства при обработке призабойной зоны, гидроразрыва пластов и других работ.

Известен пакер-якорь (патент РФ № 2301321, МПК E21B 33/1295, опубл. 20.06.2007), содержащий корпус, якорный узел, состоящий из конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения.

Недостатком этого пакера-якоря является низкая надежность из-за наличия в его конструкции зубчатой рейки, передающей осевое усилие на подвижный упор и далее на уплотнительный элемент. При этом зубчатая рейка подпружинена в радиальном направлении и это зубчатое соединение не защищено от зашламления примесями, содержащимися в скважинной жидкости, что может привести к распакеровке после срезания штифта и падения втулки с шаром на забой из-за не зацепления зубчатой рейки с зубчатыми кольцами на корпусе. Значительные осевые нагрузки на зубчатую рейку могут вызвать ее деформацию или поломку, что воспрепятствует срабатыванию пакера. Поломка или зашламление пружины может послужить причиной несрабатывания пакера из-за незацепления зубчатой рейки с зубчатыми кольцами на корпусе. Существенным недостатком надежности срабатывания пакера-якоря является то, что усилие зацепления нижнего упора за стенку скважины осуществляется через уплотнительный элемент, который возьмет часть распирающей осевой нагрузки на конус на себя после соприкосновения со стенкой скважины, уменьшив силу зацепления зубчатых плашек о стенку скважины. Уменьшенная сила зацепления зубчатых плашек о стенку скважины может явиться причиной перемещения пакера-якоря по стенке скважины. Сбрасываемые на забой шар с втулкой не желательно оставлять в скважине. Сложность конструкции из-за большого количества оригинальных деталей уменьшает надежность срабатывания пакера-якоря и повышает стоимость его изготовления и эксплуатации. Приведенная конструкция пакера-якоря не применима в горизонтальных скважинах, где возможно отсутствие герметичной посадки шара на срезаемую втулку.

Наиболее близким к предлагаемому по большинству совпадающих признаков является пакер-якорь (патент РФ 2379471 C1, МПК E21B 33/1295, опубл. 20.01.2010), содержащий корпус, якорный узел, состоящий из полого конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения, причем поршень оснащен снизу сужением проходного канала, а сверху - полой штангой, которая сверху жестко и соосно соединена с конусом, зафиксированным сверху соосно с корпусом, причем цилиндр выполнен подвижным и установлен снаружи поршня, а внутренняя полость между цилиндром и поршнем сообщена с полостью штанги выше сужения проходного канала поршня, при этом верхний упор выполнен с возможностью ограниченного перемещения вверх, нижний упор снабжен радиальными окнами и выполнен подвижным с возможностью перемещения вверх и взаимодействия снизу с цилиндром, а плашки выполнены в виде роликов с продольными отверстиями, установленные в окнах нижнего упора на осях, которые закреплены в окнах перпендикулярно к оси корпуса, причем внутренний диаметр продольного отверстия ролика больше наружного диаметра оси, а наружная поверхность ролика последовательно взаимодействует с наружными поверхностями полой штанги, конуса, корпуса и стенкой скважины при перемещении нижнего упора относительно корпуса. Способ разобщения кольцевого пространства скважины включает спуск пакера-якоря в скважину, подготовку пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости, вывод роликов в рабочее положение, подготовку уплотнительного элемента к разделению скважинного пространства, разделение скважинного пространства с возможностью дальнейшего распакерования-разъякоривания, подъема из скважины или перемещения в другую зону скважины

Недостатками этого пакера-якоря и способа разобщения кольцевого пространства является низкая надежность из-за возможности попадания посторонних включений на пружину, верхний и нижний упоры, уплотнительный элемент. Это одни из ответственных элементов пакера-якоря, благодаря которым осуществляется герметизация в скважине и срабатывание пакера-якоря. При попадании на них посторонних включений, таких как нескважинные включения (гайки, ключи, плоскозубцы, шплинты и т.п.) и скважинные включения (возможно оседающие частицы песка, соли, различного шлама, отваливающиеся целые куски отложений на трубах и т.п.), может произойти несрабатывание процесса пакеровки, когда посторонние включения забьются в зазор между верхним упором и стенкой скважины, и/или в зазор между пружиной и стенкой скважины, и/или между уплотнительным элементом и стенкой скважины, и/или между нижним упором и стенкой скважины, и/или между другими подвижными элементами пакера-якоря, расположенными ниже нижнего упора, и стенкой скважины. Забившиеся включения не дадут перемещаться подвижным элементам пакера-якоря по теоретически рассчитанной методике. Эти включения могут тормозить срабатывание пакера-якоря, могут привести к невозможности срабатывания или к дополнительным операциям по очистке и удалению этих включений из указанных мест, что приводит к дополнительным затратам. К тому же при попадании посторонних включений между уплотнительным элементом и стенкой скважины герметичность в сработанном состоянии может быть нарушена.

Техническая задача - повышение надежности и удобства в эксплуатации применением несложных по конструкции, технологичных в изготовлении, малых по количеству деталей. А также значительное повышение надежности устройства и способа разобщения пространства, облегчение эксплуатационного обслуживания благодаря защите от попадания посторонних включений на ответственные подвижные элементы пакера-якоря, отвечающие за герметизацию и срабатывание, например, уплотнительный элемент, пружину, упоры.

Техническая задача решается пакером-якорем и способом разобщения пространства с помощью пакера-якоря, содержащего корпус, якорный узел, состоящий из полого конуса и плашек, размещенных под уплотнительным элементом, который расположен между верхним подвижным упором и нижним упором, и привод, выполненный в виде поршня с проходным каналом, установленного внутри цилиндра с возможностью ограниченного продольного перемещения, причем поршень оснащен снизу сужением проходного канала, а сверху - полой штангой, которая сверху жестко и соосно соединена с конусом, зафиксированным сверху соосно с корпусом, причем цилиндр выполнен подвижным и установлен снаружи поршня, а внутренняя полость между цилиндром и поршнем сообщена с полостью штанги выше сужения проходного канала поршня, при этом верхний упор выполнен с возможностью ограниченного перемещения вверх, нижний упор снабжен радиальными окнами и выполнен подвижным с возможностью перемещения вверх и взаимодействия снизу с цилиндром, а плашки выполнены в виде роликов с продольными отверстиями, установленных в окнах нижнего упора на осях, которые закреплены в окнах перпендикулярно к оси корпуса, причем внутренний диаметр продольного отверстия ролика больше наружного диаметра оси, а наружная поверхность ролика последовательно взаимодействует с наружными поверхностями полой штанги, конуса, корпуса и стенкой скважины при возможном перемещении нижнего упора относительно корпуса. Способ разобщения кольцевого пространства скважины включает спуск пакера-якоря в скважину, подготовку пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости, вывод роликов в рабочее положение, подготовку уплотнительного элемента к разделению скважинного пространства, разделение скважинного пространства с возможностью дальнейшего распакерования-разъякоривания, подъема из скважины или перемещения в другую зону скважины.

Новым в устройстве пакера-якоря является то, что верхний упор сверху выполнен подпружиненным вниз посредством спиральной пружины, опирающейся на нижнюю втулку средства для защиты от посторонних включений, средство для защиты от посторонних включений содержит подпружиненные посредством указанной пружины в осевом направлении верхнюю и нижнюю подвижные втулки и закрепленную между этими втулками на их внешних поверхностях манжету, способную к радиальному расширению при сближении друг к другу указанных втулок, причем манжета выполнена в виде упругого рукава, способного при максимальном радиальном расширении иметь диаметр, равный диаметру скважины, а при исходном нерасширенном состоянии иметь диаметр, меньший диаметра скважины для беспрепятственной транспортировки по скважине, при этом усилие, необходимое для максимального радиального расширения манжеты и определяемое исходя из упругих свойств материала манжеты, меньше усилия, необходимого для перемещения роликов по конусу, верхняя втулка средства для защиты от посторонних включений выполнена с опорой на выступ корпуса, а возможность осевого перемещения верхнего упора ограничена торцевой поверхностью ступени корпуса. Новым в способе разобщения кольцевого пространства скважины является то, что в качестве пакера-якоря используют пакер-якорь с новыми указанными признаками, а на этапе подготовки пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости манжета средства для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиально-расширенном состоянии и остается в таком состоянии до периода распакерования-разъякоривания.

На фиг.1 показан пакер-якорь в транспортном положении с частичным продольным разрезом; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - пакер-якорь в положении, установленном давлением прокачиваемой жидкости с частичным продольным разрезом; на фиг.4 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом, когда ролики выведены в рабочее положение; на фиг.5 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом в положении, готовом к разделению скважинного пространства; на фиг.6 - пакер-якорь с частичным продольным разрезом в рабочем положении; на фиг.7 - сечение Б-Б фиг.6.

Пакер-якорь содержит ступенчатый корпус 1 (фиг.1) с центральным проходным каналом 2, снабженный резьбой 3 для соединения с колонной труб (не показан), состоящий из полого конуса 4, штанги 5, поршня 6, имеющего верхний выступ 7, нижний выступ 8 (фиг.3) и сужение 9. Плашки выполнены в виде роликов 10, расположенных в радиальных окнах 11 (фиг.1) нижней подвижной опоры 12 на осях 13 перпендикулярно к оси корпуса 1, причем внутренний диаметр 14 (фиг.2) роликов 10 больше диаметра оси 13 на величину радиального хода роликов 10 при их взаимодействии с конусом 4 (фиг.1). Между нижней подвижной опорой (упором) 12 и верхней подвижной опорой (упором) 15 размещен уплотнительный элемент 16.

Снаружи поршня 6 установлен цилиндр 20, имеющий выступы 21 (фиг.3) и 22, ограничивающие перемещение цилиндра 20 вверх и вниз. Перемещение цилиндра 20 (фиг.1) обеспечивается перепадом давления, создаваемым сужением 9 проходного канала 2 между внутренней полостью 23, образованной поршнем 6 и цилиндром 20, и скважиной 24. Внутренняя полость 23 сообщается с проходным каналом 2 отверстием 25 штанги 5, расположенной выше сужения 9 поршня 6.

Верхний упор 15 сверху выполнен подпружиненным вниз посредством спиральной пружины 18, опирающейся на нижнюю втулку 28 средства 26 для защиты от посторонних включений. Средство 26 для защиты от посторонних включений содержит подпружиненные посредством указанной пружины 18 в осевом направлении верхнюю 29 и нижнюю 28 подвижные втулки и закрепленную между этими втулками на их внешних поверхностях манжету 27, способную к радиальному расширению при сближении друг к другу указанных втулок 28 и 29. Манжета 27 может быть соединена с внешней поверхностью втулок 28, 29 любым известным способом (клеем, посредством хомутов и т.п.). Манжета 27 выполнена в виде упругого рукава, способного при максимальном радиальном расширении иметь диаметр, равный диаметру скважины (см. фиг.3-6), а при исходном нерасширенном состоянии иметь диаметр, меньший диаметра скважины для беспрепятственной транспортировки по скважине (см. фиг.1). Усилие, необходимое для максимального радиального расширения манжеты 27 и определяемое исходя из упругих свойств материала манжеты 27, меньше усилия, необходимого для перемещения роликов 10 по конусу 4. Верхняя втулка 29 средства 26 для защиты от посторонних включений выполнена с опорой на выступ 19 корпуса 1. Возможность осевого перемещения верхнего упора 15 ограничена торцевой поверхностью 17 ступени корпуса 1.

Пакер-якорь работает следующим образом.

Процесс установки пакера-якоря в скважину состоит условно из пяти этапов.

1-й этап - спуск пакера-якоря в скважину 24 (фиг.1);

2-й этап - подготовка пакера-якоря к установке давлением прокачиваемой жидкости (фиг.3);

3-й этап - вывод роликов в рабочее положение (фиг.4);

4-й этап - подготовка уплотнительного элемента к разделению скважинного пространства (фиг.5);

5-й этап - разделение скважинного пространства (фиг.6).

1-й этап. Трубы (не показаны), соединенные резьбой 3 (фиг.1) с пакером-якорем, спускают в зону скважины 24, где необходимо произвести разобщение кольцевого пространства для обработки призабойной зоны, гидроразрыва пластов или других работ. Во время спуска пакера-якоря под действием сжатой пружины 18 (упирающейся в нижнюю втулку 28 средства 26 для защиты от посторонних включений, которая в свою очередь упруго подперта в осевом направлении нерасширившейся в радиальном направлении манжетой 27, находящейся в исходном нерасширившемся состоянии и опирающейся на верхнюю втулку 29, которая в свою очередь опирается на выступ 19) верхняя подвижная опора (верхний упор) 15 находится на корпусе 1 ниже торцевой поверхности 17 ступени корпуса. Уплотнительный элемент 16 расположен на корпусе 1 и частично на конусе 4, а нижняя подвижная опора 12 с роликами 10 находится на штанге 5. Цилиндр 20 находится в нижней части штанги 5 и на поршне 6, при этом выступ 22 (фиг.3) цилиндра 20 взаимодействует с выступом 8 поршня 6 (фиг.1).

2-й этап. Прокачивая жидкость через центральный канал 2 корпуса 1 и через поршень 6, имеющий сужение 9, посредством отверстия 25 создается перепад давления между поршневой полостью 23 и скважиной 24. Под действием перепада давления цилиндр 20 (фиг.3) перемещает вверх нижнюю опору 12 с роликами 10, уплотнительный элемент 16, верхнюю опору 15, сжимая пружину 18, при этом радиальное перемещение роликов 10 ограничивается взаимодействием их с конусом 4 до плотного с натягом соприкосновением роликов 10 со стенкой скважины 24 за счет разницы внутреннего диаметра 14 (фиг.7) отверстия роликов 10 и диаметра оси 13. На 2-м этапе манжета 27 средства 26 для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиально-расширенном состоянии и остается в таком состоянии до периода распакерования-разъякоривания, поскольку усилие, необходимое для максимального радиального расширения манжеты 27 и определяемое исходя из упругих свойств материала манжеты 27, меньше усилия, необходимого для перемещения роликов 10 по конусу 4. Таким образом, на этапе 2 сжатие пружины 18 приводит в движение нижнюю втулку 28, втулки 28 и 29 сближаются друг к другу, максимально расширяя в радиальном направлении манжету 27. При соприкосновении втулок 28 и 29 манжета 27 в виде упругого рукава имеет диаметр, равный диаметру скважины. Такое состояние манжеты сохраняется до периода распакерования-разъякоривания.

3-й этап. При дальнейшем спуске колонны труб (не показаны) происходит прокатывание роликов 10 (фиг.4) вверх по корпусу 1 относительно его и вниз относительно стенок скважины 24. Так как скорость спуска колонны труб (не показаны) в скважину 24 больше скорости перемещения роликов 10 с нижней опорой 12, происходит дальнейшее перемещение верхней опоры 15, уплотнительного элемента 16 с одновременным сжатием пружины 18. Манжета 27 средства 26 для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиальном расширении и имеет диаметр, равный диаметру скважины, а втулки 28 и 29 соприкасаются друг с другом. На данном этапе перемещение цилиндра 20 прекращается при упоре выступа 21 (фиг.3) в выступ 7 поршня 6.

4-й этап. Продолжая спускать колонну труб (не показаны), производится дальнейшее перемещение нижней опоры 12 (фиг.5) с роликами 10, вверх относительно корпуса 1, то есть все ряды роликов 10 соприкасаются плотно со стенкой скважины 24 и корпусом 1, а верхняя опора 15 (фиг.1) коснется торцевой поверхности 17 ступени корпуса 1, прекратив дальнейшее сжатие пружины 18. Манжета 27 средства 26 для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиальном расширении и имеет диаметр, равный диаметру скважины, а втулки 28 и 29 соприкасаются друг с другом.

5-й этап. На данном этапе завершается процесс установки пакера-якоря дальнейшим спуском колонны труб (не показаны), которые заставляют перекатываться ролики 10 (фиг.6) по корпусу 1 и стенке скважины 24, сжимая нижней опорой 12 уплотнительный элемент 16, который, увеличиваясь в поперечном сечении, прижимается к стенке скважины 24, разобщая кольцевое пространство. Манжета 27 средства 26 для защиты от посторонних включений находится в максимальном радиальном расширении и имеет диаметр, равный диаметру скважины, а втулки 28 и 29 соприкасаются друг с другом.

По окончании работ с применением пакера-якоря необходимо потянуть вверх колонну труб (не показаны), которые заставят перекатываться ролики 10 по корпусу 1 и стенке скважины 24. Так как скорость подъема колонны труб (не показаны) в скважине больше скорости перемещения роликов 10 с нижней опорой 12 происходит перемещение нижней опоры 12 и выправление уплотнительного элемента 16, при этом верхняя опора 15 и сжатая пружина 18 перемещаются с корпусом 1. Дальнейший подъем труб (не показаны) заставляет перекатываться ролики 10 по стенкам скважины 24, корпусу 1, а затем и по конусу 4 (фиг.2), при этом происходит перемещение нижней опоры 12, уплотнительного элемента 16, верхней опоры 15 и расжатие пружины 18. Перекатывание роликов 10 по стенкам скважины 24, корпусу 1, а затем и по конусу 4 будет продолжаться до тех пор, пока ролики 10 из-за радиального перемещения вследствие прокатывания по конусу 4 и за счет разности диаметра оси 13 и внутреннего диаметра 14 ролики 10 перестанут взаимодействовать со стенкой скважины 24. В дальнейшем под действием сжатой пружины 18 (фиг.1) происходит перемещение верхней опоры 15, уплотнительного элемента 16, нижней опоры 12 с роликами 10 и цилиндра 20 в состояние готовности к подъему или перемещению в другую зону скважины, где необходимо произвести разобщение кольцевого пространства для обработки призабойной зоны, гидроразрыва пластов или других работ. При этом манжета 27 средства 26 для защиты от посторонних включений под действием уменьшения усилия на пружину 18 принимает свое исходное нерасширенное состояние с диаметром, меньшим диаметра скважины для беспрепятственной транспортировки пакера-якоря, а втулки 28 и 29 максимально отдаляются друг от друга.

Технический результат - повышение надежности и удобства в эксплуатации применением несложных по конструкции, технологичных в изготовлении, малых по количеству деталей. А также значительное повышение надежности устройства и способа разобщения пространства, облегчение эксплуатационного обслуживания благодаря защите от попадания посторонних включений на ответственные подвижные элементы пакера-якоря, отвечающие за герметизацию и срабатывание, например уплотнительный элемент, пружину, упоры.