Средство для защиты от посторонних включений для извлекаемого механического пакера, приводимое в действие пружиной
Изобретение относится к средствам для защиты от посторонних включений, предназначенным для использования в извлекаемом скважинном оборудовании и, в частности, в механических пакерах. Обеспечивает беспрепятственное извлечение пакера в скважинах, где присутствуют посторонние включения, имеющие тенденцию к оседанию над верхними скользящими втулками. Скважинный пакер включает ствол пакера, уплотнительный элемент, скользящую втулку, наружный корпус, охватывающий указанный ствол пакера и содержащий опору для сцепления в скважине. Уплотнительный элемент и скользящая втулка выступают радиально при относительном перемещении между стволом пакера и наружным корпусом. На стволе пакера установлено средство для защиты от посторонних включений, приводимое в действие за счет указанного относительного перемещения. 19 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к средствам для защиты от посторонних включений, предназначенным для использования в извлекаемом скважинном оборудовании и, в частности, в механических пакерах.
Предшествующий уровень техники
Пакеры используют в скважинах для разобщения различных интервалов. Некоторые пакеры выполняют таким образом, чтобы их можно было извлечь через некоторое время после установки в скважине, которое может быть достаточно продолжительным. Эти пакеры называют извлекаемыми. Они в общем отличаются наличием скользящих втулок, приводимых в действие конусами, вдвигаемыми под скользящие втулки, чтобы они выступали по радиусу наружу для закрепления пакера. Узел уплотнительного элемента находится между верхней и нижней скользящими втулками. Для извлечения таких пакеров конус, заклиненный в узле скользящей втулки, должен быть удален из-под втулки, которую он до этого расклинивал к кольцевой поверхности. Обычно для механических пакеров манипуляции производят путем вращения трубной колонны, так что она вытягивает конус из-под верхнего узла скользящей втулки, давая возможность уплотнительному элементу развернуться, изменив при этом размеры пакера, так что он может быть вытянут из скважины.
Установку извлекаемых пакеров можно производить путем приложения давления, воздействующего на поршень, который перемещает конуса скользящих втулок друг к другу, чтобы выдвинуть втулки наружу с одновременным сжатием уплотнительного элемента. Механические пакеры обычно снабжают крепежными блоками, приводимыми в действие пружинными элементами, для создания временной опоры для наружного корпуса пакера, когда с помощью трубной колонны, связанной со стволом пакера, производят вращательные операции. В одном из типов пакеров используют байонетный паз для ориентации и направления трубной колонны, и используют вес колонны, приложенный к стволу пакера, для его установки, в то время как наружный корпус остается неподвижным, опираясь на крепежные блоки.
Ранее для гидравлических извлекаемых пакеров было признано необходимым введение над верхней скользящей втулкой манжеты для защиты от посторонних включений. В решении, данном в патентах US 6302217 и 6112811, предусмотрено введение резинового кольца на скосе скользящей втулки, так что, когда поршень под давлением приводит в движение части пакера, верхняя скользящая втулка, надвигаясь своим соответствующим скосом, выталкивает наружу резиновое кольцо и заклинивает его впритык к окружающей кольцевой поверхности, после того как оно поднимется над скосом скользящей втулки. В вариантах выполнения манжета для защиты от посторонних включений первоначально удерживается в пазе над и под узлом скользящей втулки, и установка скользящих втулок под действием поршня, к которому приложено давление, вынуждает манжету выходить из паза, в котором она находится при опускании в скважину, и возвыситься над скосом скользящей втулки, причем в таком положении она скорее всего заклинится впритык к окружающей кольцевой поверхности.
Хотя такое устройство, как кажется, решает проблему теоретически, ему присущи многочисленные практические ограничения. Непосредственное приложение усилия к кольцу для его увеличения в диаметре и расширения над наклонным скосом влечет за собой несколько проблем. Кольцо при увеличении его диаметра может провернуться вокруг проходящей по окружности центральной оси. Если это произойдет, оно будет возвышаться над скосом неравномерно, создавая защиту, охватывающую менее 360°, и скорее всего его разрежет, прежде чем кольцо будет расклинено впритык к окружающей кольцевой поверхности. Другая проблема, связанная с расклиниванием таким путем, заключается в том, что на манжету для защиты от посторонних включений может воздействовать расклинивающее усилие, достаточное для ее выдавливания, которое также приведет в результате к возможному разрушению. Если кольцо связано с перемещением скользящей втулки для его поднятия, любое повреждение на скосе может привести к разрезанию кольца на части, действующие как тормоз, препятствующий перемещению скользящего кольца по скосу. В результате будет получено усилие, меньше оптимального, и пакер может быть установлен недостаточно плотно.
Хотя манжеты для защиты от посторонних включений были предложены для гидравлических пакеров, работа которых основана на перемещении установочного поршня, приводящего в действие скользящие втулки и уплотнительный элемент, такие манжеты не применимы в механических пакерах, которые также могут быть извлекаемыми. Настоящее изобретение направлено на удовлетворение потребности для таких пакеров введением устройства, с помощью которого можно просто модернизировать существующие механические пакеры. В этом устройстве средство (манжета) для защиты от посторонних включений помещено на некотором расстоянии от узла скользящей втулки и приводится в рабочее состояние при установке пакера. Манжета втягивается при опускании в скважину и при установке пакера может легко расшириться в радиальном направлении для перекрытия промежутка в окружающем кольцевом пространстве. Эти и другие свойства настоящего изобретения будут более понятны специалистам в данной области техники из рассмотрения описания предпочтительного варианта выполнения и соответствующих чертежей при одновременном понимании того, что полный объем изобретения отражен в формуле изобретения.
Краткое изложение сущности изобретения
Изолирующее средство (далее - манжета) для защиты от посторонних включений, предназначенное для использования в извлекаемом механическом пакере, удерживается во втянутом состоянии при опускании пакера в скважину. Она установлена на некотором расстоянии от верхних скользящих втулок, а пружинный узел смещения воздействует на скользящие втулки, удерживая их в рабочем состоянии и также приводя в рабочее состояние манжету, вызывая ее расширение, при котором посторонние включения при установленном пакере не попадают к верхним скользящим втулкам. Манжета для защиты от посторонних включений предпочтительно представляет собой рукав, сжимаемый в осевом направлении при установке с тем, чтобы увеличить его в диаметре и перекрыть промежуток между стволом пакера и установленными верхними скользящими втулками. Пакер можно извлечь, втягивая манжету для защиты от посторонних включений, при одновременном освобождении верхних скользящих втулок за счет вращения и приложения подъемного усилия к стволу пакера. Отсутствие манжеты для защиты от посторонних включений могло бы воспрепятствовать извлечению пакера в скважинах, где присутствуют посторонние включения, имеющие тенденцию к оседанию вокруг и, что более критично, над верхними скользящими втулками.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - манжета для защиты от посторонних включений в положении опускания в скважину;
на фиг.2 - манжета для защиты от посторонних включений в рабочем положении;
На фиг.3 - схематическое изображение всего пакера с манжетой для защиты от посторонних включений, который показан в положении опускания в скважину;
на фиг.4 - пакер с фиг.3 в рабочем положении; и
на фиг.5 - пакер с фиг.4 в положении готовности к извлечению;
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
Можно полагать, что специалисты в области механических пакеров знакомы с их основными компонентами, которые представлены на фигурах 3-5. Обычно такие пакеры имеют наружный корпус, временно закрепляемый в скважине тормозными блоками 11, представляющими собой пружинные фиксаторы, сцепляющиеся с кольцевой поверхностью и создающие временную опору для ствола 10 пакера, связанного с верхним переводником 12, скрепленным резьбой 14 с трубной колонной (не показана), продолжающейся вверх по скважине к поверхности. Как правило, между наружным корпусом и стволом 10 пакера вводится байонетный механизм, позволяющий оперировать стволом 10 пакера относительно наружного корпуса, удерживаемого тормозными блоками. Эти операции со стволом пакера выполняют с поверхности, вращая трубную колонну.
В известных в предшествующем уровне техники конструкциях пружина 16 должна упираться в верхний переводник 12 на одном конце и в узел 18 скользящей втулки, показанный на фиг.2. Вращательные манипуляции со стволом 10 пакера должны приближать верхний переводник 12 к неподвижным тормозным блокам, так чтобы прижимать пружину 16 к верхнему узлу 18 скользящей втулки, и при этом также устанавливать в рабочее положение нижние скользящие втулки 13 и уплотнительный элемент 15, находящийся под верхним узлом 18 скользящей втулки. Хотя и существовали различные модификации, описанные выше компоненты и способ установки механических пакеров достаточно близко повторяли изложенный выше процесс. Наконец, приложение сверху нагрузки на ствол 10 пакера позволяло скользящим втулкам протолкнуть сжатый уплотнительный элемент в окружающую кольцевую поверхность при сжатой верхним переводником 12 пружине 16. В процессе установочного перемещения ствол 10 пакера должен автоматически прийти в рабочее положение в байонетном пазе, так чтобы пакер оставался в рабочем состоянии при снятии сжимающей нагрузки. Процесс удаления пакера включает вращение ствола 10 пакера и подъем верхнего переводника 12, так чтобы дать возможность ослабнуть пружине 16 и, захватив узел 18 скользящей втулки, потянуть его вверх от нижней и верхней скользящих втулок, давая возможность уплотнительному элементу пакера и нижним скользящим втулкам разойтись в положение, необходимое для удаления пакера.
Настоящее изобретение вносит изменения в существующее устройство механического пакера путем введения кольца 20, закрепленного на верхнем переводнике 12 на резьбе 22. Нижнее кольцо 24 имеет нижний упор 26, на который приходится нагрузка пружины 16. При опускании в скважину положение нижнего кольца 24 фиксируют относительно верхнего переводника 12 срезным штифтом 28. Манжета 30 для защиты от посторонних включений предпочтительно представляет собой рукав с краями 32 и 34, закрепленными кольцами 20 и 24 соответственно. Приложение направленной вниз нагрузки на верхний переводник 12 приводит к устранению зазора 36 и разрушению срезного штифта 28. Когда это происходит, пружина 16, ставшая более сжатой при установке пакера в рабочее положение, толкает кольцо 24 вверх по направлению скважины, в то время как кольцо 20 движется вниз благодаря приложенному вниз усилию. Защитная манжета 30 просто сжимается по мере того, как ее края 32 и 34 сводятся друг с другом под воздействием пружины 16. Как показано на фиг.1, манжета 30 может иметь одну или более гофрированные складки для снижения их сопротивления сплющиванию и для направления ее радиального расширения с целью перекрытия промежутка в окружающем кольцевом пространстве, так что она может работать на предотвращение попадания посторонних включений. В манжете 30 могут быть выполнены отверстия 38 для предотвращения заполнения кольцевого объема 40 несжимаемой жидкостью. Это также предотвращает образование защитной манжетой некоего типа кольцевого уплотнения. В идеале при опускании пакера в скважину объем 40 должен быть заполнен воздухом под атмосферным давлением, однако без выхода за объем изобретения он может быть также заранее заполнен сжимаемой текучей средой под давлением и удерживаться в сжатом положении, показанном на фиг.1, за счет срезного штифта 28. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что существующие механические извлекаемые пакеры могут быть просто модернизированы с минимальными изменениями путем введения манжеты для защиты от посторонних включений, делающего их более простыми с точки зрения удаления, когда приходит время удаления опоры нижнего и верхнего узлов скользящей втулки. Манжета для защиты от посторонних включений удалена от узла скользящей втулки, и в ей предпочтительно придается гофрированная форма для расширения в радиальном направлении, хотя другие формы также допустимы. Манжета сохраняется при приложении смещающего усилия, развиваемого при установке пакера. Альтернативно манжета может представлять собой сплошное кольцо из упругого материала или может быть слоистой конструкцией, сплошной или имеющей внутренние полости. В понятие пружина 16 могут входить многочисленные типы механических пружин, а также альтернативные и эквивалентные узлы, работающие на сжатии сжимаемого газа или использовании текучей среды под давлением для выборочного удержания манжеты для защиты от посторонних включений в развернутом положении.
Предшествующее описание дает предпочтительный вариант выполнения и не предназначено для определения объема изобретения в широком смысле, который дан в приложенной далее формуле изобретения, точно представляющей полный объем изобретения дословно и эквивалентно.
1. Скважинный пакер, содержащий ствол пакера, несущий уплотнительный элемент и по меньшей мере одну скользящую втулку, наружный корпус, охватывающий указанный ствол пакера и содержащий опору для сцепления в скважине, причем уплотнительный элемент и скользящая втулка выступают радиально при относительном перемещении между стволом пакера и наружным корпусом, средство для защиты от посторонних включений, установленное на стволе пакера и приводимое в действие за счет указанного относительного перемещения.
2. Пакер по п.1, в котором средство для защиты от посторонних включений установлено с возможностью смещения в положение, в котором оно выступает в радиальном направлении.
3. Пакер по п.2, в котором средство для защиты от посторонних включений может по выбору сохраняться во втянутом положении.
4. Пакер по п.3, в котором средство для защиты от посторонних включений представляет собой упругий рукав.
5. Пакер по п.4, в котором указанный рукав имеет по меньшей мере одну складку.
6. Пакер по п.5, в котором края указанного рукава закреплены первым и вторым кольцами.
7. Пакер по п.6, в котором указанные первое и второе кольца первоначально скреплены с указанным стволом пакера разрушаемым элементом.
8. Пакер по п.7, в котором усилие смещения на указанный рукав воздействует на первое кольцо.
9. Пакер по п.8, в котором указанное усилие смещения на указанный рукав воздействует на скользящую втулку.
10. Пакер по п.9, в котором указанное относительное перемещение между наружным корпусом и указанным стволом пакера приводит к разрушению указанного элемента, первоначально крепящего указанное кольцо, что дает возможность сдвинуть первое кольцо в направлении второго кольца.
11. Пакер по п.10, в котором перемещение первого кольца в направлении второго кольца приводит к сжатию рукава вдоль указанной складки.
12. Пакер по п.5, в котором указанный рукав имеет отверстие.
13. Пакер по п.12, в котором указанное отверстие расположено между указанной складкой и скользящей втулкой.
14. Пакер по п.5, в котором указанный рукав образует вокруг ствола пакера объем, содержащий сжимаемую текучую среду.
15. Пакер по п.14, в котором сжимаемая текучая среда находится в указанном объеме в основном под атмосферным давлением.
16. Пакер по п.14, в котором сжимаемая текучая среда находится в указанном объеме под давлением, достаточно высоком, чтобы приводить к радиальному расширению указанного рукава в скважине.
17. Пакер по п.2, в котором указанное смещающее усилие приложено в осевом направлении и создается по меньшей мере одной пружиной.
18. Пакер по п.7, в котором указанный разрушаемый элемент включает по меньшей мере один срезной штифт.
19. Пакер по п.1, в котором средство для защиты от посторонних включений включает кольцо, которое первоначально прилегает к стволу пакера и сжимается в осевом направлении, расширяясь в радиальном направлении при указанном относительном перемещении.
20. Пакер по п.1, в котором средство для защиты от посторонних включений установлено на некотором расстоянии от скользящей втулки.
