Пакер (варианты)

 

Использование - в нефтегазодобывающей промышленности. Технический результат - повышение эффективности и надежности работы пакера в скважинах с различными геолого-техническими условиями. Сущность изобретения: пакер содержит переводник, верхний шток с верхним и нижним радиальными выступами, нижний шток с пазом, с подпружиненными плашками, конус разрезной с внутренней радиальной выборкой, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительными элементами конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор. Пакер по варианту 1 имеет дифференциальный шток, жестко связанный с верхним и нижним штоками, и дифференциальную втулку, жестко соединенную с кожухом и упором уплотнительного элемента и установленную свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее дифференциальным штоком. Конус разрезной подпружинен относительно дифференциальной втулки. По варианту 2 отличительная особенность пакера - наличие дифференциального штока, жестко связанного с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулки, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента и установленной свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления с дифференциальным штоком, выполнение верхнего штока с одним радиальным выступом, под которым установлен конус разрезной, подпружиненный относительно дифференциальной втулки. По варианту 3 отличительной особенностью в компоновке пакера, содержащем два штока (нижний и верхний), жестко соединенных между собой, является выполнение верхнего штока с одним радиальным выступом, под которым установлен конус разрезной, подпружиненный относительно упора уплотнительного элемента. 3 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к облети нефтегазодобывающей промышленности, а именно к пакеру, совмещенному с якорем двухстороннего действия.

Известны пакеры двухстороннего действия типа ПД-ЯГ и 2ПД-ЯГ, состоящие из верхнего и нижнего заякоривающих устройств, гидроцилиндров, уплотнительных элементов, фиксаторов, срезных элементов и плашкодержателей (см. Пакеры, якоря, разъединители колонн, инструменты и принадлежности для них, каталог, М. , ЦИНТИХИМНефтемаш, 1984, с. 10).

Данные пакеры имеют сложную конструкцию и позволяют проводить только одну операцию за один спуск инструмента. Для повторной установки пакера в скважине необходимо произвести подъем пакера на поверхность и его зарядку.

Известен также пакер двухстороннего действия, содержащий шток с пазом, переводник, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом конус, верхний корпус с подпружиненными верхними плашками, размещенные под уплотнительным элементом конус, фиксатор, нижний корпус с подпружиненными планками и нижними плашками (патент РФ N 2120023, 6 E 21 B 33/12, 1998, БИ N 28). В этом пакере над уплотнительным элементом размещен кожух, конус выполнен разрезным с возможностью радиального раскрытия и с внутренней радиальной выборкой, верхний корпус имеет внутренний выступ, а часть штока, размещенная внутри верхних плашек и конуса разрезного, выполнена с верхним и нижним радиальными выступами, взаимодействующими соответственно с верхними плашками и конусом разрезным, верхний корпус прижат к торцу переводника пружиной, размещенной между внутренним выступом верхнего корпуса и верхним радиальным выступом штока с возможностью осевого перемещения вниз по отношению к штоку, при этом нижний радиальный выступ штока размещен внутри радиальной выборки конуса разрезного, концевая часть которого размещена между радиальными выступами штока, находится в зацеплении с ними и имеет возможность взаимодействия с верхними плашками при перемещении штока.

Этот пакер успешно применяется в обсаженных скважинах, заполненных водой, когда в скважинной жидкости отсутствуют посторонние примеси.

Однако при использовании этого пакера в скважинах, заполненных раствором, содержащим различные примеси (песок, шлам и т. д. ), в процессе эксплуатации над пакером в затрубном пространстве может оседать значительное количество шлама и других посторонних предметов. Поэтому в этом случае при срыве пакера, после зацепления радиальной выборки конуса разрезного с радиальным нижним выступом штока, утонченная часть конуса разрезного будет воспринимать значительную растягивающую нагрузку, что может привести к его поломке.

Кроме того, в малогабаритных пакерах с малыми диаметральными размерами применение конуса разрезного с внутренней радиальной выборкой, воспринимающего растягивающую нагрузку, резко ухудшает его прочностные характеристики.

Цель изобретения - повышение эффективности и надежности работы пакера в скважинах с различными геолого-техническими условиями.

Указанная цель достигается тем, что пакер, содержащий переводник, верхний шток с верхним и нижним радиальными выступами, нижний шток с пазом, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной с внутренней радиальной выборкой, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор, снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, а конус разрезной подпружинен относительно дифференциальной втулки.

Существенным отличием заявленного пакера от известных является то, что он снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, а конус разрезной подпружинен относительно дифференциальной втулки.

По варианту 2 пакер отличается тем, что он снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, верхний шток выполнен с одним радиальным выступом и под ним установлен конус разрезной, подпружиненный относительно дифференциальной втулки.

По варианту 3 отличительной особенностью в компоновке пакера, содержащем два штока (нижний и верхний), жестко соединенных между собой, является выполнение верхнего штока с одним радиальным выступом, под которым установлен конус разрезной, подпружиненный относительно упора уплотнительного элемента.

На фиг. 1 изображен пакер в исходном положении; на фиг. 2 - пакер после пакеровки скважины и зацепления нижних и верхних плашек за стенки колонны труб; на фиг. 3 - пакер по варианту 2 в исходном положении; на фиг. 4 - пакер по варианту 3 в исходном положении.

Пакер содержит жестко соединенные между собой верхний шток 1, нижний шток 2 и размещенный между ними дифференциальный шток 3, имеющий наружный радиальный выступ 4 (см. фиг. 1). Верхний шток 1 через переводник 5 жестко соединяется с колонной труб (не показан). Под переводником 5 установлен верхний корпус 6 с внутренним выступом 7. Внутри верхнего корпуса 6 установлены верхние плашки 8, подпружиненные пружиной 9 через скошенное внутрь коническое кольцо 10. На дифференциальный шток 3 надет уплотнительный элемент 11. Под уплотнительным элементом размещены конус 12, нижний корпус 13, установленные в нижнем корпусе нижние плашки 14, подпружиненные пружиной 15, планки 16, подпружиненные пружиной 17. В нижнем корпусе 13 установлен фиксатор 18, концевая часть которого находится в пазу 19 нижнего штока 2.

Верхний шток 1 снабжен жестко связанными с ним верхним 20 и нижним 21 радиальными выступами.

Внутри кожуха 22 размещен конус разрезной 23 с внутренней радиальной выборкой 24. Нижний радиальный выступ 21 штока 1 размещен внутри радиальной выборки 24 конуса разрезного 23. Концевая часть конуса разрезного 23 размещена между радиальными выступами 20 и 21 штока 1 и имеет возможность взаимодействия с верхними плашками 8.

Над уплотнительным элементом 11 установлена дифференциальная втулка 25, жестко соединенная с кожухом 22 и упором 27 уплотнительного элемента 11. При этом дифференциальная втулка 25 установлена свободно на дифференциальном штоке 3 с возможностью фиксации-зацепления своим внутренним радиальным выступом 26 с наружным радиальным выступом 4 дифференциального штока 3.

Конус разрезной 23 через скошенное внутрь коническое кольцо 28 подпружинен пружинами 29 и в исходном положении сложен внутрь, как показано на фиг. 1.

Усилие сжатия пружин 29 отрегулировано дифференциальной втулкой 25 с таким расчетом, что раскрытие конуса разрезного 23 и перемещение внутри него радиальных выступов 21 и 20 вниз осуществляется только после создания сжимающей нагрузки на пакер и герметизации скважины уплотнительным элементом 11.

В исходном положении верхние плашки 8 через скошенное внутрь коническое кольцо 10 прижаты к верхнему выступу 20 штока 1, а дифференциальная втулка 25 своим внутренним радиальным выступом 26 находится в зацеплении с наружным радиальным выступом 4 дифференциального штока 3.

Перед спуском пакера в скважину фиксатор 18 устанавливают в укороченной части паза 19, как показано на фиг. 1.

В процессе спуска в скважину планки 16 прижаты к стенкам скважины (обсадной колонны).

Для установки пакера в скважине колонну труб с пакером приподнимают, а затем поворотом вправо с одновременным перемещением труб вниз фиксатор 18 вводят в длинную часть паза 19 и инструмент разгружают. Штоки вместе с разрезным конусом 23, верхними плашками 8 и корпусом 6 перемещаются вниз относительно нижнего корпуса 13 и плашек 14. В результате конус 12 соприкасается с нижними плашками 14 и, сжимая пружину 15, переместит их в радиальном направлении до зацепления со стенками скважины. Уплотнительный элемент 11 под действием сжимающей нагрузки, увеличиваясь до диаметра скважины, герметизирует подпакерную зону.

При дальнейшем увеличении сжимающей нагрузки на пакер нижний радиальный выступ 21 взаимодействует коническим торцом с радиальной внутренней выборкой 24 конуса разрезного 23. Одновременно или с опозданием верхний радиальный выступ 20, взаимодействуя коническим торцом с концевой частью конуса разрезного 23, перемещает вниз скошенное внутрь коническое кольцо 28, сжимая пружины 29. При этом раскрывается конус разрезной 23 в радиальном направлении. После полного раскрытия конуса разрезного радиальные выступы 21 и 20 перемещаются внутрь хвостовой части конуса разрезного. При этом верхние плашки 8 вместе со штоками перемещаются вниз и, взаимодействуя с раскрытым конусом разрезным 23, перемещая вверх скошенное внутрь коническое кольцо 10 и, сжимая пружину 9, раскрываются в радиальном направлении и зацепляется за стенки скважины (обсадной колонны), как показано на фиг. 2.

После создания избыточного давления под пакером, например при закачке в пласт различных реагентов под давлением в нагнетательных или эксплуатационных скважинах под действием перепада давления усилие, действующее снизу вверх по площади воспринимает через верхние плашки 8 стенки скважины (обсадной колонны), а усилие, действующее по площади , воспринимает колонна труб, на которой спускался пакер.

Для удержания штока пакера от перемещения вверх относительно корпусных деталей и преждевременной распакеровки скважины необходимо, чтобы усилие Q от веса колонны труб, передаваемое вниз, было не менее усилия, действующего вверх от перепада давления ΔP, передаваемого по площади штока 1, т. е.

Для распакеровки скважины и перевода пакера в транспортное положение избыточное давление из подпакерного пространства снимают. Затем натяжением колонны труб снимают сжимающую нагрузку с пакера. В результате переводник 5 вместе со штоками перемещается вверх относительно верхнего корпуса 6 и верхних плашек 8. При этом дифференциальная втулка 25 своим внутренним радиальным выступом 26, зацепляясь с наружным радиальным выступом 4 дифференциального штока 3, перемещается вместе с ним вверх. В результате уплотнительный элемент 11 принимает транспортное положение. При этом верхний радиальный выступ 20, взаимодействуя торцом со скошенным внутрь коническим кольцом 10, сжимая пружину 9, перемещает его вверх. Как только нижний радиальный выступ 21 переместится до уровня внутренней радиальной выборки 24, конус разрезной 23 под действием усилия пружин 29, действующего через скошенное внутрь кольцо 28, складывается внутрь. Верхние плашки 8 освобождаются от зацепления с обсадной колонной. Затем верхний корпус 6 вместе с верхними плашками 8 перемещается вверх до упора с торцом переводника 5. Верхние плашки 8, взаимодействуя хвостовой частью со скошенным внутрь коническим кольцом 10, под действием усилия пружины 9 перемещаются внутрь в прежнее положение. Нижние плашки 14 складываются во внутрь, фиксатор 18 возвращается в укороченную часть паза 19, как показано на фиг. 1.

При необходимости повторной установки пакера операция повторяется в вышеуказанной последовательности.

В предложенной конструкции пакера наличие дифференциального штока 3 и дифференциальной втулки 25, установленных с возможностью зацепления друг с другом, обеспечивает своевременную распакеровку скважины. При этом исключается передача растягивающей нагрузки на утонченную часть конуса разрезного 23 и его поломка.

Для работы с малогабаритными пакерами в скважине малого диаметра предложен пакер по варианту 2, содержащий переводник, верхний и нижний штоки, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор (см. фиг. 3).

Предложенный пакер по варианту 2 отличается тем, что он снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, верхний шток выполнен с одним радиальным выступом и под ним установлен конус разрезной, подпружиненный относительно дифференциальной втулки.

Как видно из фиг. 3, в предложенном пакере по варианту 2 верхний шток 1 выполнен с одним радиальным выступом 20, под которым установлен конус разрезной 23. При этом конус разрезной 23 подпружинен пружиной 29 относительно дифференциальной втулки 25. Остальные детали использованы те же, что и в пакере, приведенном на фиг. 1 и 2.

В предложенном пакере по варианту 2 (фиг. 3), после герметизации подпакерной зоны при дальнейшем увеличении сжимающей нагрузки на пакер радиальный выступ 20 верхнего штока 1 взаимодействует коническим торцом с концевой частью конуса разрезного 23 и раскрывает его в радиальном направлении. В остальном принцип действия пакера такой же, как в пакере по варианту 1, приведенном на фиг. 1 и 2.

Положительный эффект данного варианта конструкции заключается в увеличении сечения конуса разрезного, связанного с отсутствием внутренней радиальной выборки, что повышает надежность конструкции, особенно для малогабаритных пакеров.

Для использования пакера в скважинах с облегченными условиями эксплуатации (невысокие температура и давление, скважина заполнена водой без примесей, нет осадка шлама и т. п. ) может быть использована конструкция пакера по варианту 3, содержащая переводник, верхний и нижний штоки, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор (см. фиг. 4).

Отличительной особенностью этого варианта пакера, в компоновке которого использованы два штока, является выполнение верхнего штока с одним радиальным выступом, под которым установлен конус разрезной, подпружиненный относительно упора уплотнительного элемента.

Как показано на фиг. 4, в предложенном варианте 3 пакера дифференциальный шток и дифференциальная втулка, приведенные в пакерах по вариантам 1 и 2, отсутствуют.

Так же, как в пакере по варианту 2, верхний шток 1 выполнен с одним радиальным выступом 20, а конус разрезной 23 установлен под радиальным выступом 20.

В отличие от пакеров по вариантам 1 и 2 конус разрезной 23 подпружинен относительно упора уплотнительного элемента. При этом шток 1 выполнен удлиненным, а уплотнительный элемент 11 установлен непосредственно на этом штоке. В транспортном положении кожух 22 вместе с конусом разрезным 23 удерживаются от перемещения вниз относительно тока 1 уплотнительным элементом 11.

В остальном в предложенном пакере используются тот же принцип действия и те же детали, представленные в пакере по варианту 2.

Экономический эффект от применения предложенных вариантов пакера достигается за счет повышения эффективности и надежности его работы в скважинах с различными геолого-техническими условиями.

Формула изобретения

1. Пакер, содержащий переводник, верхний шток с верхним и нижним радиальными выступами, нижний шток с пазом, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной с внутренней радиальной выборкой, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор, отличающийся тем, что он снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, а конус разрезной подпружинен относительно дифференциальной втулки.

2. Пакер, содержащий переводник, верхний и нижний штоки, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор, отличающийся тем, что он снабжен дифференциальным штоком, жестко связанным с верхним и нижним штоками, и дифференциальной втулкой, жестко соединенной с кожухом и упором уплотнительного элемента, при этом дифференциальная втулка установлена свободно на дифференциальном штоке с возможностью фиксации-зацепления ее с дифференциальным штоком, верхний шток выполнен с одним радиальным выступом и под ним установлен конус разрезной, подпружиненный относительно дифференциальной втулки.

3. Пакер, содержащий переводник, верхний и нижний штоки, жестко соединенные между собой, верхний корпус с подпружиненными плашками, конус разрезной, уплотнительный элемент, размещенные над уплотнительным элементом упор и кожух, размещенные под уплотнительным элементом конус, нижний корпус с подпружиненными плашками и планками, фиксатор, отличающийся тем, что верхний шток выполнен с одним радиальным выступом и под ним установлен конус разрезной, подпружиненный относительно упора уплотнительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4