Пакер
Иллюстрации
Реферат
Изобретение относится к нефтегазодобывающей пром-ти и позволяет повысить надежность пакера за счет исключения преждевременного срабатывания его при спуске в скважину. Пакер включает полый цилиндрический шток 1 с верхней 3 и нижней 2 опорами, установленный на штоке 1 уплотнительный элемент (УЭ) 4, ограниченный с торцов пакетами 8, 9 антиэкструзионных шайб, содержащими опорнь1е 10 и дополнительные 11 уплотнительные шайбы с наружным диаметром, большим диаметра сква
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ы 4 Е 21 В 12
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
//
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /
К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Фиг.1 (21) 3943626/22-03 (22) 19.08.85 (46) 23.06.88. Бюл. № 23 (71) Северо-Кавказский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) И. В. Роман, А. К. Арсеньев, А. В. Литвинов и Н. А. Белогуров (53) 622.245.4 (088.8) (56) Патент США № 3381969, кл. 277 — 117, 1968.
Патент США № 4185689, кл. Е 21 В 23/00, 1980.
„„SU„„1404636 А1 (54) ПАКЕР (57) Изобретение относится к нефтегазодобывающей пром-ти и позволяет повысить надежность пакера за счет исключения преждевременного срабатывания его при спуске в скважину. Пакер включает полый цилиндрический шток 1 с верхней 3 и нижней 2 опорами, установленный на штоке 1 уплотнительный элемент (УЭ) 4, ограниченный с торцов пакетами 8, 9 антиэкструзионных шайб, содержащими опорные 10 и дополнительные 11 уплотнительные шайбы с наружным диаметром, большим диаметра сква1404636
10 жины. Между шайбами 10 и 11 размещены элементы ограниченной жесткости в виде распорных колец 22 из материала с более низкой прочностью при сжатии, чем материал
УЭ 4. Внутренние кромки шайб 10, 11 отогнуты в сторону УЭ 4. Причем элементы ограниченной жесткости м.б. выполнены в виде кольцевых выступов на доньях 14 шайб 11.
При достижении пакером заданной глубины происходит сжатие УЭ 4 и затем деформация колец 22, Шайбы 10, 11 под дейст1
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для разобщения затрубного пространства эксплуатационных и нагнетательных скважин, а также может быть использовано в паронагнетательных скважинах.
Цель изобретения — повышение надежности пакера за счет исключения преждевременного срабатывания его при спуске в скважину.
На фиг. 1 представлен пакер в транспортном положении; на фиг. 2 — то же, в рабочем положении; на фиг. 3 — дополнительная антиэкструзионная уплотнительная шайба с распорным кольцом, аксонометрия (с вырезом); на фиг. 4 — то же, с кольцевым выступом на дне, аксонометрия (с вырезом); на фиг. 5 — развертка шайбы.
Пакер (фиг. 1) включает полый цилиндрический шток 1 с опорами 2 и 3, уплотнительный элемент 4 из пластичного материала, например фторопласта, выполненный в виде толстостенной втулки с наружной 5 и внутренней 6 фасками и торцовыми поверхностями 7. На штоке 1 между опорами 2 и 3 и уплотнительным элементом 4 установлены нижний 8 и верхний 9 пакеты антиэкструзионных шайб, состоящие из опорных шайб 10 и дополнительных шайб 1 плотности, выполненных из тонкого (толщиной 0,6 — 0,8 мм) листового металла, например из ст. 3, в виде тарелок. Опорные шайбы 10 состоят из плоских доньев 12 и конусных частей 13. Уплотнительные шайбы 11 состоят из доньев 14, конусных частей 15 и внутренних отогнутых частей 16.
Наружные конусные части антиэкструзионных шайб 10 и 11 выполнены под углом а к оси шайбы, равным 65 — 70, а внутренние отогнутые части 16 уплотнительных шайб 11 — под углм р, равным 25 — 30 .
Наружные фаски 5 уплотнительного элемента 4 выполнены также под углом а, а внутренние фаски 6 — под углом р.
35 вием осевой нагрузки соприкасаются доньями 12, 14. Нагрузка передается УЭ 4, который деформируется и разгибает конусные части 13 шайб 10, 11. В итоге УЭ 4 оказывается в замкнутом кольцевом пространстве. Шайбы 10 образуют консольные опоры, предотвращающие натекание материала
УЭ 4 на опоры 2, 3. Шайбы 11 герметично перекрывают соответствующие зазоры и исключают экструзию через них материала
УЭ 4. 1 з,п. ф-лы, 5 ил.
Антиэкструзионные уплотнительные шайбы 11 выполнены из развертки (фиг. 5) путем сгибания лепестков 17 по линии сгиба на угол а таким образом, чтобы края 18 лепестков 17 смыкались, образуя конусную часть
15 тарелки уплотнительной шайбы 11, а ее наружный диаметр становился на 1 — 1,5 мм меньше габаритного диаметра пакера для обеспечения свободного его прохождения в скважине. Размер лепестков 17 развертки выбран таким образом, чтобы ее наружный диаметр был на 8 — 10 мм больше диаметра d, равного внутреннему диаметру обсадной колонны, в которой устанавливается пакер, за счет периферийных частей 19.
Края 20 внутреннего отверстия развертки уплотнительной шайбы 11 шириной 2 — 3 мм подгибаются в ту же сторону, что и лепестки 17, на угол р, образуя внутренние отогнутые части 16, причем диаметр внутреннего отверстия развертки должен быть на
4--6 мм меньше диаметра dl, равного диаметру штока 1.
При выполнении пакера с уплотнительными шайбами 11 (фиг. 3) на донья 12 и 14 шайб 10 и 11 укладываются распорные кольца 22 из материала с меньшим, чем материал уплотнительного элемента 4, пределом прочности при сжатии. Например, при выполнении уплотнительного элемента 4 из фторопласта-4 с пределом прочности при сжатии 50 — 60 МПа распорные кольца 22 выполняются из полиэтилена высокого давления с пределом прочности при сжатии
12,5 МПа.
При выполнении пакера с уплотнительными шайбами 11 (фиг. 4) по доньям 14 шайб
11 выдавливаются кольцевые выступы 21, предел прочности при сжатии которых при толщине доньев 14 0,6 — 0,8 мм составляет
12 — 16 МПа.
Антиэкструзионные опорные шайбы 10 выполнены из развертки, наружный диаметр который меньше внутреннего диаметра обсад1404636 ной колонны на 1 — 2 мм, а диаметр внутреннего отверстия обеспечивает свободное движение шайбы 10 по штоку 1. Лепестки развертки шайбы 10 отгибаются на угол я по линии сгиба такого же диаметра, как и лепестки 17 шайбы 11, а внутреннее отверстие шайбы IO остается без изменений.
Шайбы 10 и 11 собраны в нижний 8 и верхний 9 пакеты антиэкструзионных шайб и надеты вместе с уплотнительным элементом 4 на шток 1 следующим образом: ближе к уплотнительному элементу 4 установлены с обеих сторон уплотнительные шайбы 11 в количестве как минимум по две таким образом, что их прорези перекрываются для исключения зазоров, а затем установлены опорные шайбы 10 в количестве по
6 —.8 штук в каждом пакете 8 и 9, причем их прорези могут совпадать.
В свободных пространствах между доньями 12 и 14 антиэкструзионных шайб 10 и 11 имеются элементы ограниченной жесткости в виде распорных колец 22 или кольцевых выступов 21, высота которых подобрана таким образом, что шайбы 10 и 11 опираются друг на друга своими доньями 12 и 14 через распорные кольца 22 или кольцевые выступы 21, а не конусными частями 13 и 15.
Конусные части 15 и внутренние отогнутые части 16 шайб 11, соприкасающихся с уплотнительным элементом 4, также опираются на соответствующие им поверхности наружных 5 и внутренних 6 фасок уплотнительного элемента 4, а донья 14 шайб 11 опираются на торцовые поверхности 7 уплотнительного элемента 4 через распорные кольца
22 или кольцевые выступы 21.
Пакер работает следующим образом.
Собранные в нижний 8 и верхний 9 пакеты антиэкструзионные опорные шайбы 10 и уплотнительные шайбы 11, оснащенные приспособлениями ограниченной жесткости в виде распорных колец 22 или кольцевых выступов 21, свободно надетые на шток 1 вместе с уплотнительным элементом 4, образуют с последним жесткую систему, несжимаемую под действием усилий, не связанных с усилиями пакеровки, а возникающих, например, при сборке пакера или спуска его в скважину к месту установки при трении о стенки обсадной колонны или о муфтовые соединения. Жесткость всей уплотнительной системы не позволяет антиэкструзионным шайбам 10 и 11 преждевременно разгибаться, выходить за габаритный диаметр пакера и цепляться за внутреннюю поверхность обсадной колонны, что привело бы к преждевременному разрушению их и выходу из строя.
Пакер спускается в скважину на колонне насосно-компрессорных труб. При достижении пакером заданной глубины производится сжатие уплотнительного элемента 4 и деформирование его в осевом направлении воздействием подвижной опоры 3, на кото5
55 рую, в свою очередь, действует вес колонны труб.
В начальный момент действия осевой нагрузки уплотнительный элемент 4 несколько сжимается за счет усилий, передаваемых от опоры 3 через верхний пакет 9 и воспринимаемых опорой 2 через нижний пакет 8 шайб
10 и 11. После превышения давлением от осевой нагрузки предела прочности при сжатии элементов ограниченной жесткости в виде распорных колец 22 или кольцевых выступов 21 эти элементы деформируются, материал распорных клец 22 выдавливается в первоначальные зазоры между антиэкструзионными шайбами 10 и 11 и внутренней поверхностью обсадной колонны, или кольцевые выступы 21 вдавливаются до принятия доньями шайб 10 и 11 плоского состояния.
После деформации элементов ограниченной жесткости в виде распорных колец 22 или кольцевых выступов 21 антиэкструзионные шайбы 10 и 11 под действием осевой нагрузки приходят в соприкосновение своими доньями 12 и 14, осевая нагрузка через опирающиеся друг на друга донья 12 и 14 шайб передается уплотнительному элементу 4, который, при превышении давлением от осевой нагрузки предела прочности при сжатии его материала деформируется в осевом направлении и разгибает конусные части 13 и 15 антиэкструзионных шайб 10 и 11. Последние разгибаются до плоского состояния и приходят в соприкосновение всей своей поверхностью. При этом опорные шайбы 10 разгибаются до первоначального состояния развертки, таким образом увеличивая радиус нижней опоры 2 пакера, а шайбы 11 разгибаются таким образом, что их периферийная часть !9 изгибается до упора во внутреннюю поверхность обсадной колонны. При этом изогнутые концы лепестков 17 прижимаются к обсадной колонне деформированным материалом уплотнительного элемента 4. Таким же образом внутренние отогнутые части шайб
11 прижимаются к поверхности штока 1.
Остальная часть шайб 11 плоско прижимается к шайбам 10.
Таким образом, деформированный под действием осевой нагрузки уплотнительный элемент 4 оказывается в замкнутом кольцевом пространстве, ограниченном сверху и снизу пакетами 8 и 9 антиэкструзионных шайб 10 и 11. Ilp«этом пакеты шайб 10 образуют консольные опоры, предотвращающие натекание материала уплотнительного элемента на опоры 2 и 3, а загнутые наружные и внутренние края шайб 11, концы которых прижаты соответственно к внутренней поверхности обсадной колонны и к наружной поверхности штока 1, герметично перекрывают соответствующие зазоры и исключают экструзию через них материала уплотнительного элемента 4.
1404636
Выполнение пакера с пакетами антиэкструзионных шайб с уплотнительными шайбами, наружный диаметр которых в развертке больше на 8 — 10 мм внутреннего диаметра обсадной колонны в месте установки пакера и больше наружного диаметра в развертке опорных шайб, которые, в свою очередь, меньше внутреннего диаметра обсадной колонны, позволяет исключить вытекание материала уплотнительного элемента в зазоры между деталями, ограничивающими уплотнительный элемент с торцов, и внутренней поверхностью обсадной колонны при работе пакера в условиях высоких температур и давлений, Выполнение уплотнительных шайб с внутренним диаметром развертки, меньшим наружного диаметра штока пакера, позволяет исключить вытекание материала уплотнительного элемента в зазоры между внутренними поверхностями антиэкструзионных шайб и штоком. А размещение между доньями антиэкструзион- д) ных шайб элементов ограниченной жесткости в виде распорных колец или снабжение доньев шайб кольцевыми выступами исключает вероятность выхода из строя антиэкструзионных шайб при сборке пакера, транспортировке или спуске в скважину.
Все это повышает надежность работы пакера при изоляции им затрубного пространства эксплуатационных и нагнетательных скважин, в частности, при паротепловом воздействии на пласт.
Формула изобретения
1. Пакер, включающий полый цилиндрический шток с верхней и нижней опорами, установленный на штоке уплотнительный элемент, ограниченный с торцов пакетами антиэкструзионных шайб, содержащими опорные и дополнительные уплотнительные шайбы, выполненные с наружным диаметром больше диаметра скважины, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы пакера за счет исключения преждевременного срабатывания его при спуске в скважину, между опорными и уплотнительными антиэкструзионными шайбами размещены элементы ограниченной жесткости, выполненные в виде распорных колец из материала с более низкой прочностью при сжатии, чем материал уплотнительного элемента, а внутренние кромки уплотнительных антиэкструзионных шайб выполнены отогнутыми в сторону уплотнительного элемента.
2. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что элементы ограниченной жесткости выполнены в виде кольцевых выступов на доньях опорных и уплотнительных антиэкструзионных шайб.
1404636
НИЯ иЮа
Составитель Л. Фарукшин
Редактор О. Юрковецкая Техред И. Верес Корректор И. Муска
Заказ 3067/32 Тираж 531 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4!5
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4