Устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера

Устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для приведения в действие уплотнительного узла пакера при разобщении пластов.

Известно устройство для подачи жидкости к уплотнительному элементу пакера, включающее корпус-патрубок с выполненной в его стенке и заполненной жидкостью цилиндрической полостью и двумя отверстиями для сообщения последней с уплотнительным элементом, подпружиненный золотник с ограничителем его перемещения, установленный в цилиндрической полости между отверстиями с возможностью их сообщения между собой при осевом перемещении (см. авторское свидетельство СССР №1701892, кл. Е21В 33/12, опубл. 30.12.1991 г.).

Однако данное устройство имеет существенные недостатки, в частности, при его использовании есть опасность преждевременного срабатывания пакера при порыве нагнетательной линии, значительной разгерметизации колонны и т.д. В случае падения давления в колонне золотник при своем перемещении приводит к преждевременному срабатыванию клапанного устройства, то есть создается аварийная ситуация. Кроме того, этот пакер нельзя устанавливать в верхних интервалах ствола скважины, где из-за незначительного перепада давления между внутриколонным и затрубным пространствами не всегда обеспечивается подготовка пакера к срабатыванию.

Указанное устройство нецелесообразно применять для изоляции продуктивного пласта небольшой мощности при установке нескольких пакеров, так как не обеспечивается возможность последовательного приведения их в действие снизу вверх.

Конструкция известного устройства сложна в изготовлении.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включающее корпус-патрубок с выполненной в его стенке цилиндрической полостью и двумя отверстиями для сообщения последней с уплотнительным элементом, золотник с пружиной и ограничителем его перемещения, установленный в цилиндрической полости между отверстиями с возможностью их сообщения между собой при осевом перемещении, и уплотнительные кольца, причем золотник выполнен в виде поршня с осью, на которой размещена втулка с упорами (штифтами), несимметрично смещенными друг относительно друга, причем между упорами (штифтами) установлен ограничитель перемещения золотника, выполненный в виде разрезного кольца с фигурными пазами (см. патент РФ №2096583 на изобретение, кл. Е21В 33/12, опубл. 20.11.1997 г. - прототип).

Благодаря размещению на оси поршня-золотника втулки со смещенными друг относительно друга упорами, между которыми установлен ограничитель перемещения золотника, представляющий собой разрезное кольцо с фигурными пазами, достигается возможность многократного создания и снятия избыточного давления в обсадной колонне за счет последовательного взаимодействия упоров втулки с фигурными пазами ограничителя, что исключает преждевременное срабатывание устройства при непредвиденных падениях давления в процессе цементирования скважин.

Основной недостаток известной конструкции заключается в крайне низкой надежности, так как кольцо с фигурными пазами (шаговый ограничитель перемещения поршня-золотника) выполнено разрезным. При этом сложность обеспечения требуемой точности изготовления диаметральных размеров указанного разрезного кольца повышает трудоемкость изготовления и стоимость устройства. Низкая надежность устройства обусловлена тем, что полость в корпусе-патрубке, где установлено кольцо с фигурными пазами и втулка с упорами, соединяется с внутренним проходным каналом обсадной колонны. Таким образом, мелкие абразивные частицы, содержащиеся в буровом растворе могут попасть в зазор между указанными элементами и привести к их заклиниванию. Устройство выдерживает небольшой перепад давлений ввиду того, что имеет только два ограничительных упора (штифта).

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности работы устройства и расширении области применения за счет возможности работы при больших перепадах давления.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включающем корпус-патрубок с выполненной в его стенке цилиндрической полостью для заполнения жидкостью и двумя отверстиями для сообщения последней с уплотнительным элементом, размещенную в цилиндрической полости пробку, поршень-золотник с пружиной, на оси которого размещена втулка со смещенными друг относительно друга первым и вторым штифтами, между которыми установлено кольцо с фигурными пазами для ограничения перемещения поршня-золотника, размещенного в цилиндрической полости между указанными отверстиями с возможностью их сообщения между собой при осевом его перемещении, упор, расположенный на поршне-золотнике между втулкой и пружиной, и уплотнительные кольца, кольцо с фигурными пазами выполнено цельным, втулка снабжена смещенными друг относительно друга третьим и четвертым штифтами, установленными на втулке таким образом, что оси первого, третьего штифтов и оси второго, четвертого штифтов расположены по соответствующим диаметральным линиям втулки, причем пружина поршня-золотника установлена в пробке.

Целесообразно первый, второй штифты и третий, четвертый штифты выполнить соответственно смещенными относительно друг друга на угол от 7 до 25 градусов к оси втулки.

Первый, третий штифты и второй, четвертый штифты целесообразно разместить симметрично относительно соответствующих диаметральных линий втулки.

Целесообразно первый, второй, третий и четвертый штифты выполнить с диаметром от 0,8 мм до 3,2 мм.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображено устройство в исходном (транспортном положении) в разрезе.

Фиг.2 изображает устройство после создания в обсадной колонне давления (после получения сигнала «СТОП»).

На фиг.3 показано устройство после сброса давления (после получения сигнала «СТОП»).

На фиг.4 изображено устройство в режиме «Пакеровка».

На фиг.5 - устройство при сбросе давления после режима «Пакеровка».

На фиг.6 - устройство в режиме «Допакеровка».

Фиг.7 изображает устройство при сбросе давления после режима «Допакеровка».

На фиг.8 представлено устройство при всех последующих наборах давления после режима «Допакеровка» (в конечном «закрытом» положении).

На фиг.9 показана втулка;

На фиг.10 - втулка на фиг.9 (вид сверху).

На фиг.1-10 приняты следующие обозначения:

1 - корпус-патрубок (корпус пакера);

2 - пробка;

3 - поршень-золотник;

4 - пружина;

5 - втулка;

6 - ось втулки 5;

7 - первый штифт;

8 - второй штифт;

9 - третий штифт;

10 - четвертый штифт;

11 - кольцо с фигурными пазами (шаговый ограничитель перемещения поршня-золотника 3);

12 - первые фигурные пазы;

13 - вторые фигурные пазы;

14 - отверстие (для сообщения цилиндрической полости с уплотнительным элементом);

15 - отверстие (для сообщения цилиндрической полости с осевым каналом пакера);

16 - упор;

17 - первое уплотнительное кольцо;

18 - второе уплотнительное кольцо.

Устройство (фиг.1) включает корпус-патрубок 1 с выполненной в его стенке цилиндрической полостью для заполнения жидкостью, размещенную в цилиндрической полости пробку 2, поршень-золотник 3 с пружиной 4, на оси которого размещена втулка 5, имеющая ось 6 и смещенные относительно друг друга первый и второй штифты 7, 8 и смещенные относительно друг друга третий и четвертый штифты 9, 10, между которыми установлено цельное кольцо 11 с первыми и вторыми фигурными пазами 12, 13 для шагового ограничения перемещения поршня-золотника 3.

Цилиндрическая полость корпуса-патрубка 1 имеет сообщение через отверстие 14 с уплотнительным элементом и через отверстие 15 с осевым каналом пакера.

Поршень-золотник 3 размещен в цилиндрической полости между указанными отверстиями 14, 15 с возможностью их сообщения между собой при осевом его перемещении.

Пружина 4 установлена в пробке 2 и отделена от втулки 5 упором 16.

Первый, второй, третий и четвертый штифты 7, 8, 9, 10 (фиг.9) установлены на боковой поверхности втулки 5 с возможностью взаимодействия с соответствующими первыми и вторыми фигурными пазами 12, 13 таким образом, что оси первого, третьего штифтов 7, 9 и оси второго, четвертого штифтов 8, 10 расположены по соответствующим диаметральным линиям втулки 5. Оси первого и второго штифтов 7, 8 и оси третьего и четвертого штифтов 9, 10 в горизонтальной проекции расположены соответственно под углом (β) от 7 до 25 градусов относительно оси 6 втулки 5, т.е. указанные штифты 7, 8 и штифты 9, 10 смещены (фиг.10) относительно друг друга на угол (β) от 7 до 25 градусов к оси 6 втулки 5.

Необходимая герметичность соединений в устройстве обеспечивается первым и вторым уплотнительными кольцами 17, 18.

Устройство работает следующим образом. После спуска пакера с устройством для подачи жидкости к уплотнительному элементу на обсадной колонне в заданный интервал скважины и освобождения отверстия 15 от его перекрытия создают избыточное давление в осевом канале корпуса-патрубка 1, например 2 МПа (фиг.2), и жидкость из внутренней полости обсадной колонны через отверстие 15, сжимая пружину 4 (на сжатие пружины расходуется, например, 1,5 МПа), перемещает в осевом направлении поршень-золотник 3 с втулкой 5. При этом второй и четвертый штифты 8, 10 выходят из вторых фигурных пазов 13 кольца 11 с фигурными пазами (шагового ограничителя осевых перемещений), а первый и третий штифты 7, 9, взаимодействуя с первыми фигурными пазами 12, проворачивают втулку 5, тем самым устанавливая второй и четвертый штифты 8, 10 напротив следующих соответствующих вторых фигурных пазов 13. При снятии избыточного давления во внутренней полости колонны обсадных труб поршень-золотник 3 с втулкой 5 под действием усилия сжатой пружины 4 перемещается в обратном направлении. При этом первый и третий штифты 7, 9 втулки 5 выходят из соответствующих первых фигурных пазов 12, а второй и четвертый штифты 8, 10, взаимодействуя с соответствующими вторыми фигурными пазами 13, проворачивают втулку 5, тем самым устанавливая первый и третий штифты 7, 9 напротив соответствующих первых фигурных пазов 12 (фиг.3).

При повторном наборе давления во внутренней полости колонны обсадных труб (режим «Пакеровка») (фиг.4) жидкость из отверстия 15 поступает в цилиндрическую полость клапанного механизма. При этом поршень-золотник 3 сжимает пружину 4, первый и третий штифты 7, 9 выходят из первых фигурных пазов 12, а второй и четвертый штифты 8, 10 входят во вторые фигурные пазы 13 увеличенной длины, одновременно с этим проворачивая втулку 5 на заданный угол. Первое уплотнительное кольцо 17 выходит за пределы посадочного отверстия, таким образом, жидкость из внутренней полости колонны обсадных труб получает возможность через отверстие 15, обтекая первое уплотнительное кольцо 17, заполнить полость под уплотнительным элементом с деформацией последнего.

При сбросе давления во внутренней полости колонны обсадных труб после завершения режима «Пакеровка» (фиг.5) поршень-золотник 3 под действием разжимающейся пружины 4 возвращается в исходное положение. При этом второй и четвертый штифты 8, 10 выходят из вторых фигурных пазов 13, а первый и третий штифты 7, 9 входят в первые фигурные пазы 12, одновременно с этим проворачивая втулку 5 на заданный угол.

При следующем наборе давления во внутренней полости колонны обсадных труб (режим «Допакеровка») (фиг.6) жидкость из отверстия 15 снова поступает в цилиндрическую полость клапанного механизма. При этом поршень-золотник 3 снова сжимает пружину 4, первый и третий штифты 7, 9 выходят из первых фигурных пазов 12, а второй и четвертый штифты 8, 10 входят во второй ряд вторых фигурных пазов 13 увеличенной длины, одновременно с этим проворачивая втулку 5 на заданный угол. Первое уплотнительное кольцо 17 снова выходит за пределы посадочного отверстия, таким образом, жидкость из отверстия 15, обтекая первое уплотнительное кольцо 17, снова попадает в полость под уплотнительным элементом, компенсируя частичное падение давления под уплотнительным элементом, вызванное растягиванием резинового слоя.

При сбросе давления во внутренней полости колонны обсадных труб после завершения режима «Допакеровка» (фиг.7) поршень-золотник 3 под действием усилия разжимающейся пружины 4 возвращается в исходное положение. При этом второй и четвертый штифты 8, 10 выходят из вторых фигурных пазов 13, а первый и третий штифты 7, 9 входят в первые фигурные пазы 12, одновременно с этим проворачивая втулку 5 на заданный угол.

При всех последующих наборах давления (фиг.8) жидкость из отверстия 15 больше не имеет возможности попадать в цилиндрическую полость клапанного узла, так как первое уплотнительное кольцо 17 больше никогда не выходит за пределы посадочного отверстия. При этом поршень-золотник 3 сжимает пружину 4, первый и третий штифты 7, 9 выходят из первых фигурных пазов 12, а второй и четвертый штифты 8, 10 не входят во вторые фигурные пазы 13, втулка 5 не проворачивается. Первое уплотнительное кольцо 17 не выходит за пределы посадочного отверстия, тем самым сохраняется герметичность между изолируемыми полостями.

Конструкция предлагаемого устройства выдерживает в три раза больший перепад давлений (до 25 МПа), чем прототип. Кроме того, значительно возрастает надежность работы всего изделия в целом, за счет расположения клапанного механизма (втулки 5 с ограничительными первым, вторым, третьим, четвертым штифтами 7, 8, 9, 10, кольца 11 c фигурными пазами, пружины 4) в отдельной цилиндрической полости, изолированной от осевого канала пакера. Таким образом, исключается возможность попадания мелких абразивных частиц и заклинивания устройства до завершения процесса пакеровки. Устройство имеет более широкую область применения, в том числе в пакерах при изоляции продуктивных пластов, имеющих большие пластовые давления.

1. Устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, включающее корпус-патрубок с выполненной в его стенке цилиндрической полостью для заполнения жидкостью и двумя отверстиями для сообщения последней с уплотнительным элементом, размещенную в цилиндрической полости пробку, поршень-золотник с пружиной, на оси которого размещена втулка со смещенными относительно друг друга первым и вторым штифтами, между которыми установлено кольцо с фигурными пазами для ограничения перемещения поршня-золотника, размещенного в цилиндрической полости между указанными отверстиями с возможностью их сообщения между собой при осевом его перемещении, упор, расположенный на поршне-золотнике между втулкой и пружиной, и уплотнительные кольца, отличающееся тем, что кольцо с фигурными пазами выполнено цельным, втулка снабжена смещенными относительно друг друга третьим и четвертым штифтами, установленными на втулке таким образом, что оси первого, третьего штифтов и оси второго, четвертого штифтов расположены по соответствующим диаметральным линиям втулки, причем пружина поршня-золотника установлена в пробке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй штифты и третий, четвертый штифты соответственно смещены относительно друг друга на угол от 7° до 25° к оси втулки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, третий штифты и второй, четвертый штифты размещены симметрично относительно соответствующих диаметральных линий втулки.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй, третий и четвертый штифты выполнены с диаметром от 0,8 мм до 3,2 мм.