Разбуриваемый пакер

Разбуриваемый пакер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен пакер разбуриваемый (см. Мкл. 5 Е21В 33/12, Пат. РФ №2011792, опубл. 30.04.94 г. Бюл.8), содержащий полый ствол с уплотнительным элементом на внешней поверхности, фиксатор, заглушенный в нижней части, входной патрубок с радиальными отверстиями, гидроцилиндр с поршнем, втулку. Ствол соединен с входным патрубком с помощью левой резьбы. Фиксатор выполнен в виде подпружиненных кулачков в радиальных отверстиях ствола под входным патрубком и гильзы с внутренней конусной поверхностью, установленной с возможностью взаимодействия с кулачками.

Работа пакера

На колонне насосно-компрессорных труб пакер спускают в скважину на заданную глубину, создают избыточное давление с воздействием на поршень гидроцилиндра с перемещением гидроцилиндра вниз относительно патрубка и ствола, с сжатием уплотнительного элемента до контакта со стенкой трубы обсадной колонны. Подпружиненные кулачки после прохождения гильзы расходятся в радиальном направлении и фиксируют уплотнительный элемент.

К недостаткам конструкции следует отнести то, что

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

шлипсы вгумированы в уплотнительный элемент, что при раздвигании и деформации последнего может привести к затеканию резины в зазоры, так как отсутствует поддержка со стороны разжимного конуса или экструзионные шайбы, которые в этой конструкции не применяются;

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

при неконтролируемом внутреннем диаметре обсадной колонны и фиксированном размере хода штока, ствола и связанного с ними фиксатора кулачков, выходящих за пределы гильзы после деформации уплотнительного элемента, существует вероятность невыхода кулачков и фиксации пакера.

Эта ситуация возможна из-за отсутствия информации о толщине стенки трубы или малого внутреннего диаметра трубы обсадной колонны в месте посадки пакера.

Кроме того, ограничена область применения данного пакера из-за невозможности воспринимать высокий перепад давления рабочей жидкости,

а отсоединение гидравлического посадочного устройства от пакера осуществляется путем вращения лифтовой колонны, что также ограничивает область применения в наклонных и искривленных скважинах, поскольку сложно контролировать крутящий момент, сообщаемый входному патрубку.

Известен разбуриваемый пакер (см. а.с. №1832148, Мкл. Е21В 33/12, опубл. 07.08.93 г. бюл. №29), принятый 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, опирающимися 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 треугольной формы, взаимодействующих с аналогичной нарезкой на наружной поверхности корпуса при посадке пакера.

Работа пакера

Пакер с помощью срезного кольца присоединяют к посадочному инструменту и на колонне НКТ спускают в скважину. В колонне НКТ создают избыточное давление жидкости, которое сообщается в посадочный инструмент с воздействием на верхний толкатель и через срезное кольцо и патрубок на нижний толкатель. Это приводит к деформации манжеты, со срезом штифтов, соединяющих верхние и нижние шлипсы с верхней и нижней опорами. Верхние и нижние шлипсы перемещаются равномерно по конической поверхности опор с перекрытием межтрубного пространства. По окончании деформации манжеты с экструзионными шайбами и зацепления шлипсов с обсадной колонной происходит срез срезного кольца, что приводит к отсоединению посадочного инструмента от пакера и извлечению его из скважины. В зависимости от проводимой технологической операции осуществляют спуск в скважину НКТ с плунжером для соединения с пакером и закачки в пласт технологических жидкостей, например, для изоляции подошвенной пластовой воды. При необходимости освобождения осевого канала ствола скважины от пакера его разбуривают (верхнюю часть) и с помощью захвата бурильного инструмента извлекают из скважины.

К недостаткам конструкции пакера следует отнести:

- необходимость проведения дополнительной технологической операции, связанной с дополнительным подъемом лифтовой колонны труб из скважины после посадки пакера, для оснащения технологической оснасткой (инструментом), чтобы провести, например, изоляционные работы в подпакерной зоне;

- поскольку конструкция пакера не предполагает его оснащение обратным клапаном-отсекателем, что необходимо при проведении изоляционных работ, с созданием избыточного давления в заданном интервале, часть изолирующего состава после сброса давления может поступить как в осевой канал ствола пакера, так и в осевой канал лифтовой колонны труб, что может привести к аварийной ситуации;

- проведение изоляционных работ подразумевает также подачу расчетного объема изолирующего состава в подпакерную зону. Но в ряде случаев часть состава не принимается пластом 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 НКТ жестко соединяется с пакером;

- конструкция пакера, показанная на чертеже, не соответствует ее техническому описанию, отраженному в материалах изобретения. Это видно из того, что хвостовик, к которому подсоединяется с помощью срезного кольца посадочный инструмент известной конструкции, подсоединяется к лифтовой колонне труб и в последствии извлекается из скважины. Но это сделать невозможно, поскольку на чертеже конструкция пакера повернута на 180°, что вносит путаницу при рассмотрении конструкции пакера и принципа его работы.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- возможность гидравлической посадки с помощью посадочного инструмента с защитой ствола пакера от избыточного давления, который изготовлен из материала, обладающего достаточно низкими прочностными свойствами, например серого чугуна;

- возможность отсоединения посадочного устройства от ствола пакера с сохранением герметичности лифтовой колонны труб и возможностью подачи изолирующего состава в подпакерную зону;

- возможность отсечки подпакерной зоны от осевого канала ствола пакера после окончания процесса;

- возможность осуществления прямой или обратной промывки осевого канала лифтовой колонны труб от излишков изолирующего состава путем образования гидродинамической связи между осевым каналом лифтовой колонны и межтрубным пространством скважины;

- возможность многократного применения посадочного клапана, извлекаемого из скважины вместе с посадочным устройством после посадки пакера.

Анализ изобретательского уровня показал следующее:

известен пакер (см. а.с. №1112114, Мкл. Е21В 33/12, опубл. 07.09.84, бюл. №33), в котором в осевом канале ствола пакера установлена пробка, которая после посадки пакера извлекается ловителем;

- известен пакер (см. пат. РФ №2162137, Мкл Е21В 33/12), в котором применен разъединяющий элемент, например срезное кольцо, которым соединяется пакер с посадочным инструментом. Посадочный инструмент после этого извлекается из скважины. После распакеровки в ствол пакера на насосно-компрессорных трубах вводят специальный ниппель с герметизацией кольцевого зазора между ними уплотнительными кольцами;

- известен разбуриваемый механический пакер (см. пат. РФ №2.236.556 Мкл. Е21В 33/12, опубл. 20.09.2004 г.), который предназначен для перекрытия межтрубного пространства нефтяных и газовых скважин и осуществления технологии изоляции подошвенных вод. В осевом канале ствола пакера установлены обратный клапан манжетного типа, который обеспечивает свободный пропуск изолирующего состава в подпакерную зону, и перекрытие гидравлической связи последней с осевым каналом ствола пакера от подпакерной зоны после прекращения подачи под давлением изолирующего состава в лифтовую колонну труб.

Технический результат достигается тем, что разбуриваемый пакер содержит ствол, на внешней стороне которого выполнена резьбовая насечка, комбинированный уплотнительный элемент, охватываемый экструзионными шайбами, верхние и нижние разрывные плашки с верхними и нижними опорами с разжимными конусами, фиксатор в виде разрезных пружинных колец, установленных в кольцевой расточке верхней подвижной опоры, причем нижняя опора снабжена подпружиненным обратным клапаном в виде корпуса с заглушкой в средней части и радиальными отверстиями выше места ее расположения, а также эластичной уплотнительной манжетой. Левый переводник связан со стволом пакера и ниппелем, который снабжен посадочным клапаном в виде стакана с глухим дном и радиальными каналами, перекрытыми в исходном положении втулкой с дросселем, которая связана с телом стакана, тарированным срезным элементом, причем левый переводник связан со стволом тарированной кольцевой перемычкой в месте выполнения кольцевой проточки, а ниппель установлен в осевом канале ствола пакера с возможностью образования с ним подвижного соединения после разрушения кольцевой перемычки.

При проведении патентных исследований по научно-технической и патентной литературе не обнаружено конструкции разбуриваемых пакеров, в которых гидравлическая посадка осуществляется с помощью посадочного устройства, связанного механически через специальный левый переводник с кольцевой проточкой, с ниппелем, входящим в осевой канал ствола пакера, кольцевой зазор между которыми перекрыт уплотнительными элементами. В осевом канале ниппеля установлен на резьбе посадочный клапан в виде стакана, в осевом канале которого установлена втулка с дроссельным каналом, связанная с корпусом посадочного клапана, тарированным срезным элементом. Осевой канал ствола пакера перекрыт башмаком, являющимся нижней опорой, снабженным подпружиненным обратным клапаном с эластичной манжетой.

Конструкция разбуриваемого пакера предназначена для перекрытия межтрубного пространство в скважинах, где необходимо проведение изолирующих работ от поступления подошвенных вод и поясняется чертежами,

где на фиг.1 - конструкция разбуриваемого пакера в исходном транспортном положении;

на фиг.2 - разбуриваемый пакер в положении гидравлической посадки и перекрытии межтрубного пространства скважины уплотнителем с разрывом левого переводника по кольцевой проточке и отсоединения от ствола;

на фиг.3 - открытие гидравлической связи осевого канала ниппеля со стволом пакера и затрубным пространством, проведение изоляции;

на фиг.4 - взаимное положение деталей пакера при образовании гидродинамической связи осевого канала лифтовой колонны труб через осевой канал ниппеля с межтрубным пространством скважины и закрытом обратном клапане в башмаке.

Разбуриваемый пакер состоит из ствола 1 с насечками 2 на его внешней стороне, связанного через левый переводник 3 с полым плунжером гидравлического посадочного устройства известной конструкции, например (см. фиг.1).

Левый переводник 3 связан с ниппелем 4, который пропущен в осевой канал 5 ствола 1 пакера с возможностью образования с ним подвижного соединения. В месте соединения со стволом 1 левый переводник 3 снабжен кольцевой проточкой 6. В осевом канале 7 ниппеля 4 на резьбе закреплен посадочный клапан в виде стакана 8 с глухим дном 9 и радиальными отверстиями 10 в боковой поверхности, перекрытыми втулкой 11 с дросселем 12, которая связана с телом стакана 8 тарированными срезными элементами 13.

На наружной поверхности ствола 1 в месте выполнения насечек 2 установлена верхняя подвижная опора 14 с фиксатором в виде разрезных пружинных колец 15 в цилиндрической расточке 16. Верхняя подвижная опора 14 взаимодействует с верхними разрывными плашками 17, входящими во взаимодействие с разжимным конусом 18, который через верхние экструзионные шайбы 19 опирается на комбинированный уплотнительный элемент 20, опирающийся через нижние экструзионные шайбы 21 на нижний разжимный конус 22, входящий в ответный конус нижних разрывных плашек 23, опирающихся, в свою очередь, на торец корпуса 24 башмачного клапана, который закреплен на нижнем конце ствола 1 пакера.

В корпусе 24 башмачного клапана, в его осевом канале, установлен корпус 25 обратного клапана. Его осевой канал 26 снабжен заглушкой 27 в средней части и радиальными отверстиями 28, гидравлически связанными с полостью осевого канала 5 ствола пакера 1. Ни нижнем конце корпуса 25 обратного клапана установлена эластичная уплотнительная манжета 29, закрепленная гайкой 30. В исходном положении корпус 25 обратного клапана поджат пружиной 31 к посадочному месту в заглушке 27, которая установлена внутри осевого канала 32 перфорированной заглушки 33. Верхняя 17 и нижняя 23 разрывные плашки связаны кольцевыми перемычками 34 и 35 соответственно, толщина которых определена из условия последовательной передачи и восприятия осевой нагрузки при посадке пакера, с разрывом-разрушением на первом этапе кольцевой перемычки 35 нижних разрывных плашек 23. На внешней стороне верхних 17 и нижних 23 разрывных плашек выполнены насечка 36 и, по крайней мере, две кольцевые канавки, в которых установлены разрезные пружинные кольца 37, обращенные острым углом к стенке трубы обсадной колонны. Они выполнены из прочного материала, например из закаленной стали. Левый переводник 3 верхним концом подсоединяется к полому штоку 38 гидравлического посадочного устройства.

Работа разбуриваемого пакера

К нижнему концу лифтовой колонны труб подсоединяется гидравлическое посадочное устройство, к полому штоку которого через левый переводник 3 подсоединяется разбуриваемый пакер, и компановка опускается на заданную глубину.

Подается под расчетным давлением рабочая жидкость в осевой канал лифтовой колонны труб и гидравлическое посадочное устройство. При воздействии деталей этого устройства с внешней стороны на торец верхней подвижной опоры 14 происходит перемещение сборки вдоль наружной поверхности ствола 1 с вводом нижнего разжимного конуса 22 внутрь нижних разрывных плашек 23. При расчетной осевой нагрузке происходят разрыв кольцевой перемычки 35 и перемещение разрывных плашек 23 в радиальном направлении с внедрением острым углом кромок разрезных пружинных колец 37 в стенку трубы обсадной колонны и фиксацией разбуриваемого пакера нижними разрывными плашками 23.

Дальнейшим осевым нагружением происходит деформация комбинированного уплотнительного элемента 20 с доведением до контакта со стенкой трубы обсадной колонны и перекрытием кольцевого зазора нижними 21 и верхними экструзионными шайбами 19. При расчетном осевом нагружении и надвигании верхних разрывных плашек 17 на коническую поверхность верхнего разжимного конуса 18 происходит разрушение кольцевой перемычки 34 и перемещение верхних разрывных плашек 17 в радиальном направлении с внедрением разрезных пружинных колец 37 в тело трубы обсадной колонны.

Верхняя подвижная опора 14 с фиксатором в виде разрезных пружинных колец 15 располагается на уровне выполнения насечек 2 на стволе 1 пакера, что приводит к их вводу в насечки 2 и фиксации пакера внутри обсадной колонны с перекрытием кольцевого зазора комбинированным уплотнительным элементом 20.

После посадки пакера происходит разрушение тарированной кольцевой перемычки 6, соединяющей левый переводник 3 со стволом 1, что приводит к отсоединению гидравлического посадочного устройства от ствола 1 пакера.

При дальнейшем повышении давления рабочей жидкости, которое передается на площадь поперечного сечения втулки 11 посадочного клапана, происходят разрушение тарированного срезного элемента 13 и перемещение втулки 11 до упора в глухое днище 9 стакана 8.

При этом полость осевого канала 7 ниппеля 4 через радиальные отверстия 10 свободно сообщается с полостью осевого канала 5 ствола 1 пакера.

После сброса давления в лифтовой колонне труб эластичная уплотнительная манжета 29 обратного клапана избыточным давлением под пакером и усилием сжатой пружины 31 вводится в контакт с посадочным местом в заглушке 27, в результате чего происходит прекращение гидравлической связи подпакерной полости с осевым каналом 5 ствола 1 пакера. Натяжением лифтовой колонны труб осуществляется перемещение ниппеля 4 вверх внутри осевого канала 5 ствола 1 пакера с выходом ниппеля 4 из него и расположением над пакером.

В этом положении осуществляют прямую подачу промывочной жидкости по осевому каналу лифтовой колонны труб через осевой канал 7 ниппеля 4 в межтрубное пространство скважины для удаления избытка изолирующего состава из скважины.

По окончании процесса изоляционных работ происходит подъем лифтовой колонны труб вместе с гидравлическим посадочным устройством и ниппелем 4 на поверхность.

Конструкция разбуриваемого пакера предполагает, в случае необходимости, осуществить его разбуривание.

1. Разбуриваемый пакер, содержащий ствол с насечками на наружной поверхности, установленные на стволе комбинированный уплотнительный элемент, экструзионные шайбы, верхние и нижние разрывные плашки, подвижную верхнюю и неподвижную нижнюю опоры, фиксатор в виде разрезных пружинных колец в кольцевой расточке подвижной опоры, отличающийся тем, что ствол пакера снабжен левым переводником с тарированной кольцевой проточкой и ниппелем в осевом канале, жестко связанным с левым переводником и снабженным посадочным клапаном в осевом канале в виде стакана с глухим дном и радиальными отверстиями, перекрытыми втулкой с днищем, снабженным дросселем, причем втулка связана со стаканом тарированным срезным элементом, а нижняя опора снабжена подпружиненным обратным клапаном в виде корпуса с заглушкой в средней части и радиальными отверстиями, эластичной уплотнительной манжетой на нижнем конце, установленной с возможностью взаимодействия с посадочным местом в осевом канале нижней опоры.

2. Разбуриваемый пакер по п.1, отличающийся тем, что разрывные плашки снабжены кольцевыми перемычками и разрезными пружинными кольцами, установленными в кольцевых канавках.

3. Разбуриваемый пакер по п.2, отличающийся тем, что поперечное сечение кольцевой перемычки нижних разрывных плашек принято меньше поперечного сечения кольцевой перемычки верхних разрывных плашек.