разбуриваемый пакер

Формула изобретения

Разбуриваемый пакер, содержащий ствол с насечкой на наружной поверхности, уплотнительный элемент, верхние и нижние разрывные плашки, с верхним и нижним конусами, подвижную верхнюю и неподвижную нижнюю опоры, фиксатор в виде разрезных пружинных колец в кольцевой расточке подвижной опоры, ниппель в осевом канале ствола, соединенный через левый переводник с полым плунжером гидравлического посадочного устройства, неподвижную опору с подпружиненным башмачным клапаном в виде корпуса с радиальными отверстиями и уплотнительной манжетой, установленной на седле, отличающийся тем, что ниппель снабжен толкателем с кольцевой расточкой в месте соединения, в осевом канале которого установлены поршень со стержнем и гильза, снабженная радиальными отверстиями, жестко связанная с толкателем, башмачный клапан снабжен седлом, в месте соединения корпуса башмачного клапана с гайкой, снабженной стаканом, опирающимся на пружину, в осевом канале которого выполнено седло на внутреннем кольцевом выступе и установлен подпружиненный шаровой клапан, причем гильза снабжена продольными пазами на торце и пропущена через осевой канал седла, в осевой канал башмачного клапана с возможностью торцевого взаимодействия с подпружиненным шаровым клапаном, а стержень пропущен через осевой канал гильзы с выходом за ее торец и образует с ней кольцевой зазор, гидравлически соединяющий полость пакера с осевым каналом толкателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для перекрытия межтрубного пространства нефтяных и газовых скважин при проведении изоляционных работ.

Известен пакер разбуриваемый (см. патент РФ № 2011792, М. кл. E21B 33/12, опубл. 30.04.1994, Би № 8).

Пакер состоит из полого ствола с уплотнительными элементами на внешней поверхности, фиксатора, заглушенного в нижней части, входного патрубка с радиальными отверстиями, гидроцилиндра с поршнем, втулки. Ствол соединен посредством левой резьбы с входным патрубком. Фиксатор выполнен в виде подпружиненных кулачков, установленных в радиальных отверстиях ствола под входным патрубком, и гильзы, с внутренней конусной поверхностью, установленной с возможностью взаимодействия с кулачками.

Пакер на колонне труб спускают в скважину на заданную глубину и при создании избыточного давления перемещают гидроцилиндр вниз относительно патрубка и ствола с сжатием уплотнительного элемента и перекрытием межтрубного пространства скважины. Подпружиненные кулачки после прохождения гильзы расходятся в радиальном направлении и фиксируют уплотнительный элемент в сжатом напряженном состоянии. Недостатки:

- шлипсы выполнены из легко разбуриваемого материала, обладающего меньшей прочностью, чем материал обсадной колонны. Это снижает надежность фиксации пакера внутри обсадной колонны;

- шлипсы вгумированы в уплотнительный элемент, что при его деформации может привести к затеканию резины в зазоры, так как отсутствует поддержка со стороны разжимного конуса или экструзионных шайб;

- имеет место неравномерность контакта по периметру взаимодействия с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны;

- отсоединение гидравлического посадочного устройства от пакера осуществляется путем вращения лифтовой колонны труб, что ограничивает область применения в наклонных и искривленных скважинах, поскольку сложно контролировать крутящий момент.

Проведение изоляционных работ подразумевает также подачу расчетного объема изолирующего состава в подпакерную зону. В ряде случаев не весь изолирующий состав попадает в пласт и его необходимо удалить из лифтовой колонны труб и межтрубного пространства скважины прямой или обратной промывкой, что при использовании данной конструкции пакера осуществить невозможно, поскольку колонна труб жестко соединяется с пакером.

Известен разбуриваемый механический пакер (см. патент РФ № 2236556, М. кл. E21B 33/12, опубл. 20.09.2004), который предназначен для перекрытия межтрубного пространства нефтяных и газовых скважин и осуществления технологии изоляции подошвенных вод. В осевом канале ствола пакера установлен обратный клапан манжетного типа, который обеспечивает свободный пропуск изолирующего состава в подпакерную зону, с прекращением этой гидравлической связи с осевым каналом ствола пакера после прекращения подачи под давлением изолирующего состава.

Известен разбуриваемый пакер (см. а.с. № 1832148, М. кл. E21B 33/12, опубл. 07.08.1993 г. Би № 29) принятый авторами за прототип.

Устройство состоит из полого цилиндрического корпуса с резьбовой нарезкой на наружной поверхности, уплотнительного элемента, экструзионных шайб, верхних шлипсов в виде кольцевых секторов с радиальными пазами и зацепами. Над верхними шлипсами размещен верхний толкатель. На нижнем конце полого цилиндрического корпуса размещены нижние шлипсы в виде кольцевых секторов, связанных срезными элементами с нижней опорой, опирающихся на нижний толкатель, жестко связанный с патрубком и хвостовиком, между которыми размещено срезное кольцо. Верхние и нижние толкатели имеют фиксаторы в виде упругих разрезных колец с сечением треугольного профиля, взаимодействующих с аналогичной нарезкой на наружной поверхности корпуса при посадке пакера.

Пакер с помощью срезного кольца присоединяется к посадочному инструменту и вводится в скважину. При создании избыточного давления в посадочном инструменте оно воздействует на толкатель, а через срезное кольцо и патрубок на нижний толкатель. Это приводит к посадке пакера с деформацией манжет и зацеплением шлипсов с обсадной колонны и разрушением срезного кольца. Это способствует отсоединению посадочного инструмента от пакера и его извлечения из скважины. Для закачки в пласт технологических жидкостей в скважину на НКТ спускают устройство с плунжером с вводом в осевой канал ствола пакера. При необходимости освобождения осевого канала обсадной колонны скважины от пакера его разбуривают. Недостатки конструкции:

- необходимость проведения дополнительной технологической операции по подъему труб вместе с посадочным устройством и спуском в скважину технологической оснастки для проведения изоляционных работ;

- конструкция пакера не предполагает его оснащение обратным клапаном-отсекателем, что необходимо при проведении изоляционных работ, с созданием избыточного давления в подпакерной области. Обычно часть изолирующего состава может поступить в осевой канал ствола пакера и осевой канал лифтовой колонны труб с возникновением аварийной ситуации.

Технический результат, который может быть получен при реализации предполагаемого изобретения, заключается в следующем:

- возможность спуска разбуриваемого пакера в компоновке с гидравлическим посадочным устройством, со свободным заполнением лифтовой колонны труб пластовой жидкостью;

- возможность гидравлической посадки разбуриваемого пакера при перекрытии гидравлической связи полости скважины с осевым каналом лифтовой колонны труб;

- возможность отсоединения гидравлического посадочного устройства от разбуриваемого пакера путем разрыва ствола пакера или путем передачи крутящего момента на полый плунжер, что исключает возникновение гидравлического удара при посадке;

- возможность подачи изолирующего состава в подпакерную зону при сохранении кинематической связи толкателя со стволом пакера;

- возможность образования гидравлической связи осевого канала лифтовой колонны труб с межтрубным пространством скважины над пакером и удаления излишнего объема изолирующего состава на устье скважины;

- прекращение гидравлической связи подпакерного пространства с надпакерным после сброса давления в осевом канале лифтовой колонны труб;

Анализ изобретательского уровня показал следующее:

- известен пакер (см. а.с. № 1112114, М. кл. E21B 33/12, опубл. 07.09.1984 Би № 33) в котором в осевом канале ствола пакера установлена пробка, извлекаемая на поверхность ловителем, после посадки пакера;

- известен пакер (см. патент РФ № 2162137, М. кл. E21B 33/12, опубл. Би № 2, 2002) в котором применен разделяющий элемент в виде срезного кольца, через которое пакер соединяется с посадочным инструментом.

Посадочный инструмент после этого извлекается из скважины. Для проведения изоляционных работ в насосно-компрессорных трубах в скважину спускают специальный ниппель с его вводом в осевой канал ствола пакера и герметизацией кольцевого зазора уплотнительными кольцами.

Технический результат достигается тем, что разбуриваемый пакер содержит ствол с насечкой на наружной поверхности, верхние и нижние разрывные плашки с верхним и нижним конусами, уплотнительный элемент, фиксатор с разрезными пружинными кольцами в расточке корпуса подвижной опоры, гидравлическое посадочное устройство, соединенное со стволом пакера левым переводником, ниппель. Неподвижная опора снабжена подпружиненным обратным клапаном в виде корпуса с радиальными отверстиями и уплотнительной манжетой, установленной на седле. Ниппель снабжен толкателем с кольцевой расточкой в месте их соединения и поршнем со стержнем в его осевом канале, а также гильзой над поршнем, жестко связанной с толкателем. Башмачный клапан снабжен седлом в месте соединения корпуса с гайкой, снабжен стаканом, опирающимся на пружину, в осевом канале которого выполнено седло на внутреннем кольцевом выступе и установлен подпружиненный шаровой клапан. Гильза на нижнем конце снабжена продольными пазами и пропущена в осевой канал седла с возможностью торцевого взаимодействия с подпружиненным шаровым клапаном, стержень пропущен через осевой канал гильзы ниже места расположения ее торца и образует с ней кольцевой зазор, гидравлически соединяющий полость стакана с осевым каналом толкателя.

При проведении патентных исследований по патентной и научно-технической литературе нами не обнаружено технических решений, в которых обеспечивается наличие гидравлической связи полости скважины с осевым каналом лифтовой колонны труб при спуске пакера к месту установки; возможность гидравлической посадки пакера и отделение от него гидравлического посадочного устройства с прекращением гидродинамической связи подпакерной полости с осевым каналом лифтовой колонны труб.

Не обнаружено также технических решений, направленных на обеспечение подачи изолирующего состава в подпакерную зону, при герметизации надпакерной зоны от поступления в нее изолирующего состава из осевого канала ствола пакера, наличие ниппеля посадочного устройства, установленного с возможностью проведения промывки лифтовой колонны труб и межтрубного пространства от остатков изолирующего состава, при прекращении гидродинамической связи подпакерного пространства от надпакерного.

Конструкция разбуриваемого пакера для проведения изоляционных работ в интервале продуктивного пласта поясняется чертежами, где показаны:

- на фиг.1 - конструкция разбуриваемого пакера, в связи с гидравлическим посадочным устройством, в момент спуска в скважину;

- на фиг.2 - конструкция разбуриваемого пакера в момент его посадки и отделения от него гидравлического посадочного устройства;

- на фиг.3 - взаимное положение деталей пакера при проведении технологии подачи изолирующего состава в интервал продуктивного пласта;

- на фиг.4 - взаимное положение деталей пакера после окончания ремонтно-изоляционных работ и прекращения гидравлической связи подпакерной зоны от надпакерной.

Разбуриваемый пакер состоит из ствола 1 с насечками 2 на его внешней стороне и кольцевой расточкой 3 в месте связи с левым переводником 4, который связан с полым плунжером 5, гидравлического посадочного устройства известной конструкции (см. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Л. и др. / Буровое оборудование: Справочник в 2-х т. Том 2: «Буровой Инструмент». М.: ОАО «Издательство Недра». 2003. С 455).

На стволе 1 пакера снизу установлена нижняя опора 6, на которую последовательно установлены разрывные плашки 7 с посадочными якорящими кольцами 8. Внутрь разрывных плашек 7 введен разжимной конус 9, на который сверху установлен комплект уплотнительных манжет 10 и верхний разжимной конус 11, входящий во взаимодействие с верхним комплектом разрывных плашек 12, с посадочными якорящими кольцами 13. На торец разрывных плашек 12 опирается корпус верхней подвижной опоры 14 с разрезными пружинными кольцами 15. С внешней стороны на корпусе верхней подвижной опоры 14 выполнена технологическая проточка 16, в которую введен нижний конец опорной гильзы 17 гидравлического посадочного устройства.

В осевой канал левого переводника 4 пропущен ниппель 18, связанный нижним концом с толкателем 19, снабженным в месте их соединения кольцевой расточкой 20 и образующим подвижное соединение со стволом 1. В осевом канале толкателя 19 установлен поршень 21 со стержнем 22. В осевом канале нижней опоры 6 с седлом 23 установлен корпус башмачного клапана 24 с уплотнительной манжетой 25, закрепленной гайкой 26, снабженной стаканом 27, который опирается на пружину 28. В месте соединения гайки 26 с корпусом башмачного клапана 24 закреплено седло 30 Z-образной формы, выходящее в его осевой канал, и на торец которого опирается нижним концом толкатель 19. В осевом канале 31 толкателя 19 закреплена гильза 32 с продольными пазами 33 на нижнем конце, пропущенная через осевой канал седла 30, ниже ее посадочной поверхности.

В осевой канал гильзы 32 свободно пропущен стержень 22 с опорой на шаровый клапан 34 (см. фигуру 2), который опирается на пружину 35 и садится на седло 36, выполненное на внутреннем выступе 37 в теле стакана 27. В теле корпуса башмачного клапана 24 выполнены радиальные отверстия 38, перекрытые в исходном положении телом толкателя 19, в котором также выполнены радиальные отверстия 39, для связи осевого канала 31, толкателя 19 под поршнем 21, с осевым каналом 40 ствола 1 пакера. Нижняя опора 6 снабжена гильзой 41, полость которой постоянно гидравлически связана отверстиями 42, в теле стакана 27 с его осевым каналом.

В транспортном положении, когда происходит спуск разбуриваемого пакера в скважину, шаровый клапан 34 усилием пружины 35 и за счет возникающего перепада давления поджат к торцу гильзы 32.

Между внутренней поверхностью гильзы 32 и наружной поверхностью стержня 22 образован кольцевой зазор 43 (см. фигуру 3), гидравлически соединяющий полость стакана 27 с осевым каналом 31 толкателя 19. Полость стакана 27 связана отверстиями 42 с осевым каналом 44 гильзы 41, который сообщается через отверстия 45 в теле нижней опоры с полостью скважины.

Пластовая жидкость при спуске свободно перетекает в осевой канал 31 толкателя 19 с подъемом и расположением поршня 21 в кольцевой проточке 20. Тем самым пластовая жидкость беспрепятственно заполняет полость труб при спуске пакера.

Работа по посадке пакера и проведению ремонтно-изоляционных работ.

В осевой канал бурильной колонны труб подают под давлением рабочую жидкость, которая поступает в осевой канал полого плунжера 5 гидравлического посадочного устройства и далее в осевой канал ниппеля 18.

Ниппель 18 перемещается вниз в осевом канале полого плунжера 5 с воздействием на торец седла 30 и перемещением вниз посадочного клапана 24 до упора в нижнюю опору 6. Одновременно поршень 21 перемещается в осевом канале 31 с воздействием стержнем 22 на шаровый клапан 34 и его посадкой на посадочную поверхность 36 в стакане 27. Усилие от гидравлического посадочного устройства через толкатель 17 сообщается на корпус верхней подвижной опоры 14 с его перемещением по стволу 1 пакера, вводом посадочного конуса 9 под разрывные плашки 7 и их перемещением в радиальном направлении до входа в контакт с внутренней поверхностью трубы обсадной колонны посадочных якорящих колец 8. Дальнейшим перемещением вниз осуществляют осевое сжатие уплотнительных манжет 10 с перекрытием кольцевого зазора. После этого происходит устранение связи между разрывными плашками 12 при их взаимодействии с обратным посадочным конусом 11 и их перемещение в радиальном направлении до входа в контакт с обсадной колонной посадочных якорящих колец 13. При перемещении верхней подвижной опоры 14 разрезные пружинные кольца 15 скосами проскальзывают относительно насечек 2 ствола 1 и при посадке пакера входят во взаимодействие с ближайшей из насечек 2, фиксируя пакер внутри обсадной колонны. После посадки пакера через левый переводник 4 предельное осевое усилие сообщается на ствол 1 и происходит его разрушение в месте выполнения кольцевой расточки 3. Левый переводник 4 освобождается от взаимодействия со стволом 1, что позволяет осуществить перемещение ниппеля 18 при взаимодействии с гайкой на его верхнем конце. При перемещении ниппеля 18 вверх поршень 21 вместе со стержнем 22 под действием перепада давления и собственного веса перемещается вниз в осевом канале 31 до входа в осевой канал гильзы 32. Поршень 21 располагается ниже сечения радиальных отверстий 39. Тем самым обеспечивается гидравлическая связь осевого канала 31 толкателя 19 с осевым каналом 40 ствола 1. Под действием перепада давления гильза 32 перемещается вниз относительно нижней опоры 6 с сжатием пружины 28 и с расположением радиальных отверстий 38 ниже уровня расположения седла 23. Уплотнительная манжета 25 располагается ниже отверстий 45 в нижней опоре 6. Тем самым обеспечивается гидравлическая связь осевого канала насосно-компрессорных труб с подпакерным пространством, что позволяет осуществить подачу изолирующего состава в интервал продуктивного пласта для изоляции пластовой воды. В случае, когда приемистость пласта оказалась меньше расчетной и часть объема изолирующего состава осталась в осевом канале насосно-компрессорных труб, перемещают колонну труб вверх с выводом ниппеля 18 из осевого канала 40 ствола 1 пакера с расположением радиальных отверстий 39 в теле толкателя 19 над местом установки пакера. Подачей промывочной жидкости в осевой канал лифтовой колонны труб оставшийся объем изолирующего состава по межтрубному пространству выносится на поверхность. После подъема ниппеля 18 из осевого канала 40 ствола 1 усилием сжатой пружины 35 шаровый клапан 34 садится на седло 30 с прекращением гидравлической связи подпакерной зоны с осевым каналом 40 ствола 1. Усилием сжатой пружины 28 гайка 26 также перемещается вверх относительно направляющей опоры 6 с посадкой уплотнительной манжеты 25 на седло 23 и прекращением гидравлической связи подпакерной зоны с надпакерной.

Посадочное устройство с ниппелем 18 и связанным с ним толкателем 19 извлекаются на поверхность.

Такое конструктивное выполнение посадочного устройства и его взаимодействие с пакером позволяют осуществить посадку разбуриваемого пакера без применения срезных седел, а значит, исключаются условия возникновения гидравлического удара.