RU2191249C2

RU2191249C2 - Пакер и способ его фиксации в скважине

Info

Publication number: RU2191249C2
Application number: RU2000117555/03A
Authority: RU
Inventors: М.В. Курлен; М.В. Курленя; С.В. Сердюков; Х.Б. Ткач
Original assignee: Институт горного дела - научно-исследовательское учреждение СО РАН
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-10-20
Also published as: WO2002002905B1; CN1383468A; GB2371820A8; WO2002002905A1; US20030075341A1; GB0204728D0; MXPA02002095A; GB2371820A; CA2383978A1

Abstract

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения продуктивности скважин путем интенсификации притоков нефти, а также для капитального ремонта скважин, отключения обводненных пластов и т. д. Технический результат - повышение надежности фиксации пакера в скважине за счет воздействия давления рабочего тела привода пакера на сравнительно большую площадь контактирования пакера со стенками скважины, а также за счет упрощения конструкции пакера и технологии его установки в скважине на любом расстоянии от ее забоя. Пакер содержит корпус с раздвижной в радиальном направлении манжетой-уплотнителем с приводом. Привод манжеты-уплотнителя выполнен в виде камеры с рабочим телом в таком исходном агрегатном состоянии, в котором оно занимает минимальный объем, и элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, в котором оно занимает больший объем. Способ фиксации пакера включает спуск его в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера и деформацию в радиальном направлении его манжеты-уплотнителя. Рабочее тело привода манжеты-уплотнителя переводят из исходного агрегатного состояния, в котором рабочее тело занимает минимальный объем, в другое агрегатное состояние, в котором рабочее тело занимает больший объем. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для повышения продуктивности скважин путем интенсификации притоков нефти, а также для капитального ремонта скважин, отключения обводненных пластов и т. д.

Известен пакер по авт.свид. СССР 304345, кл. Е 21 В 33/12, опубл. в БИ 17, 1971, содержащий корпус с радиальными каналами, герметизирующие элементы со шлипсами, кожух и фиксирующий узел с подпружиненными плашками, взаимодействующими с толкателями и зубчатой поверхностью патрубка. Между корпусом и кожухом концентрично расположен поршень, жестко связанный с толкателями, а подпоршневая полость сообщена с внутритрубным пространством.

Недостатком известного пакера является низкая надежность его работы из-за возможного засорения каналов "а" и "б" и полостей "А" и "Б" частицами, находящимися в скважинной жидкости. Кроме того, резко уменьшено поперечное сечение центрального канала пакера из-за концентрически расположенных корпуса, кольцевого поршня и кожуха.

Известен также пакер по авт.свид. СССР 1099047, кл. Е 21 В 33/12, опубл. в БИ 23, 1984, включающий полый корпус с радиальными каналами, на котором установлен уплотнительный элемент с полостью для его привода, размещенный в корпусе с возможностью осевого перемещения и связанный с колонной труб полый, заглушенный в нижней части ствол с двумя рядами радиальных каналов для связи внутритрубного пространства соответственно с затрубным надпакерным пространством и полостью привода уплотнительного элемента. При этом пакер снабжен кожухом с радиальными каналами, установленными над уплотнительным элементом, образующим с корпусом камеру, в которой установлена подпружиненная штуцерная втулка, а связь затрубного надпакерного пространства с внутритрубным осуществляется через канал штуцерной втулки.

Недостатком известного пакера является сложность конструкции и в связи с этим низкая надежность работы, так как не исключено засорение частицами, находящимися в скважинной жидкости, канала "А" гидравлического сопротивления и отверстий, сообщающих внутреннюю его полость с верхней, и верхнюю и нижнюю камеры.

Наиболее близким к предложенному является пакер, содержащий корпус с раздвижной в радиальном направлении манжетой-уплотнителем с приводом по авт. свид. СССР 1093792, кл. Е 21 В 33/12, опубл. 23.05.1984.

Недостаток - низкая надежность работы пакера.

Известен способ фиксации пакера в скважине, реализованный в конструкции пакера по авт.свид. СССР 252244, кл. Е 21 В, опубл. в БИ 29, 1969, заключающийся в том, что расклинивают уплотнительные элементы пакера, сдвигая одну их часть относительно другой, при этом сдвигают элементы пакера, имеющие конические поверхности (в продольном сечении два соседние элемента имеют наклонную поверхность, а каждый элемент выполнен в виде треугольника, причем основания соседних элементов обращены одно к стенке скважины, а другое - к продольной ее оси). Для извлечения пакера его тянут вверх, срезая при этом штифты и тем самым уменьшая его поперечное сечение.

Недостатком этого способа является трудность извлечения пакера такой конструкции из-за большого его диаметрального размера, так как используют конические сечения, надвигающиеся друг на друга, в результате чего пакер имеет большее поперечное сечение. При расклинивании нельзя значительно уменьшить его поперечное сечение для надежного извлечения из скважины.

Известен также способ фиксации пакера в скважине, реализованный в гидравлическом пакере по авт.свид. СССР 571581, кл. Е 21 В 33/12, опубл. в БИ 33, 1977, заключающийся в том, что эластичную манжету деформируют в радиальном направлении за счет подачи под давлением бурового раствора во внутреннюю полость эластичной манжеты. Для создания давления используют поршень и гидронасос. При извлечении пакера отключают давление и перемещением поршня в верхнее положение эластичную манжету возвращают в исходное положение специально предназначенными для этой цели пружинами.

Недостатком описываемого способа является необходимость использования двух приводов для фиксации пакера к стенкам скважины и его рассоединения, что усложняет конструкцию пакера и управление им.

Известен способ фиксации пакера, реализованный в пакетирующем устройстве по авт.свид. СССР 898043, кл. Е 21 В 33/12, опубл. в БИ 2, 1982, заключающийся в изменении радиального размера уплотнительного элемента пакетирующего устройства за счет механического осевого воздействия на него, при этом это воздействие осуществляют в два этапа, а именно: сначала нижнюю часть пакетирующего устройства упирают в забой скважины, сдвигая одну из его частей относительно другой в осевом направлении, а затем создают поджатие за счет гидравлического напора.

Недостатком известного способа является невозможность установки пакетирующего устройства высоко от забоя скважины, так как он управляется силой, возникающей при взаимодействии с торцем скважины. Кроме того, использование двух приводов для фиксации и рассоединения предопределяет усложнение конструкции пакетирующего устройства и сложность управления им.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ фиксации пакера в скважине, реализованный в пакере по авт. свид. СССР 1093792, кл. Е 21 В 33/12, опубл. 23.05.1984, включающий спуск его в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера и деформацию в радиальном направлении его манжеты-уплотнителя.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает надежность работы пакера.

Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением, является повышение надежности фиксации пакера в скважине за счет воздействия давления рабочего тела привода пакера на сравнительно большую площадь контактирования пакера со стенками скважины, а также за счет упрощения конструкции пакера и технологии его установки в скважине на любом расстоянии от ее забоя.

Эта задача решается за счет того, что в пакере, содержащем корпус с раздвижной в радиальном направлении манжетой-уплотнителем с приводом, согласно предлагаемому техническому решению, привод манжеты-уплотнителя выполнен в виде камеры с рабочим телом в таком исходном агрегатном состоянии, в котором оно занимает минимальный объем, и элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, в котором оно занимает больший объем.

Такая конструкция пакера обеспечивает минимальный радиальный размер его при установке в скважину и извлечении из нее, что упрощает эти операции и предопределяет упрощение конструкции пакера. Это достигается благодаря возможности изменения агрегатного состояния рабочего тела, в результате которого его объем изменяется от минимального к максимальному, и рабочее тело воздействует на манжету-уплотнитель, деформируя ее и раздвигая в радиальном направлении.

Целесообразно камеру привода манжеты-уплотнителя разделить на подготовленную для размещения рабочего тела в исходном агрегатном состоянии и элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, и, по крайней мере, одну рабочую часть, в которой рабочее тело воздействует на манжету-уплотнитель, причем части камеры соединить между собой, по крайней мере, одним каналом.

Такая конструкция пакера позволяет расположить камеру вдоль продольной оси пакера, что способствует уменьшению ее радиального размера и одновременно позволяет увеличить площадь контакта манжеты-уплотнителя со стенками камеры, что повышает надежность фиксации пакера в скважине.

Можно в качестве рабочего тела использовать жидкость, а в качестве элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, - термонагреватель.

Такая конструкция пакера позволяет наиболее просто реализовать перевод рабочего тела в виде жидкости (исходное агрегатное состояние) в пар (другое - газообразное - агрегатное состояние). При этом объем, занимаемый рабочим телом, возрастает в сотни раз или при том же объеме в такой же пропорции повышается давление газов, образованных при переводе рабочего тела из исходного агрегатного состояния в другое, что позволяет надежно фиксировать пакер к стенкам скважины.

Возможно также в качестве элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, использовать охладитель-термопару. В этом случае можно, используя, например, воду, превратить ее в лед. При температуре -4^oС лед будет иметь максимальный объем и обеспечит надежную фиксацию пакера к стенкам скважины. В случае использования газа необходимо последний превратить в жидкость, а затем охладить ее, превратив в лед с температурой, которая предопределяет максимальный его объем.

Целесообразно камеру привода манжеты-уплотнителя снабжать управляемым на расстоянии клапаном для выпуска из нее рабочего тела в газообразном агрегатном состоянии. Это позволяет управлять фиксацией пакера (при необходимости можно уменьшить давление газа в камере привода и извлечь пакер из скважины).

Возможно также выполнять манжету-уплотнитель из расположенных коаксиально элемента, взаимодействующего с рабочей частью камеры, и нескольких охватывающих его элементов.

Такая конструкция пакера позволит изготовлять манжету-уплотнитель достаточно эластичной для радиальной деформации за счет эластичности элемента, взаимодействующего с рабочей частью камеры, и жесткой для повышения износостойкости охватывающих его элементов.

В способе фиксации пакера в скважине, включающем спуск его в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера и деформацию в радиальном направлении его манжеты-уплотнителя, согласно предложенному техническому решению, рабочее тело привода манжеты-уплотнителя переводят из исходного агрегатного состояния, в котором рабочее тело занимает минимальный объем, в другое агрегатное состояние, в котором рабочее тело занимает больший объем. Такая совокупность операций повышает надежность пакера в скважине за счет воздействия рабочего тела на сравнительно большую площадь контактирования пакера со стенками скважины, создает радиальное уплотнение и силу, фиксирующую пакер в скважине на любом расстоянии от ее забоя. Это упрощает технологию установки и демонтажа пакера в скважине, так как радиальной деформацией манжеты-уплотнителя можно управлять с поверхности.

Целесообразно перевод рабочего тела в другое агрегатное состояние осуществлять путем нагрева рабочего тела в виде жидкости не ниже точки ее кипения. Такая операция является в настоящее время наиболее просто реализуемой, обеспечивая достижение необходимого эффекта.

Целесообразно также перевод рабочего тела в другое агрегатное состояние осуществлять путем охлаждения рабочего тела в виде жидкости не выше точки ее замерзания. Такая операция обеспечит простоту управления, так как известен объем, занимаемый льдом, и возникающие при этом силы.

Сущность предлагаемого пакера и способа его фиксации в скважине поясняются примерами конкретного использования и фиг.1 -5 .

На фиг. 1 показана операция установки пакера в скважине (обсадной трубе); фиг. 2 - операция перевода рабочего тела из исходного агрегатного состояния в другое, за счет чего происходит радиальная деформация манжеты-уплотнителя с образованием замкнутой системы (пакер с термопарой); фиг. 3 - пакер с термопарой, термонагревателем и управляемым на расстоянии электрическим клапаном, например электромагнитным (открытая система пакера); фиг. 4 - пакер с несколькими рабочими частями камеры привода, размещенными вдоль продольной оси скважины; фиг.5 - пакет с коаксиальными элементами манжеты-уплотнителя (с частичным обрывом).

Реализация предлагаемого пакера и способа его фиксации осуществляется следующим образом.

Пакер 1 (фиг. 1), закрепленный к средству подвеса (тросу, трубе 2), устанавливают в скважину (обсадную трубу - не показана) 3. Пакер 1 состоит из корпуса 4 с манжетой-уплотнителем 5 и ее привода, раздвигающего манжету-уплотнитель 5 в радиальном направлении. Привод может иметь единую камеру 6 (фиг. 1-3) или она может быть выполнена из частей 7 и 8 (фиг. 4) (причем часть 7 является подготовительной, а часть (части) 8 - рабочими), соединенных между собой по крайней мере одним каналом 9. В первом случае камера 6 (фиг. 1-3) служит для размещения в ней рабочего тела (поз. не обозначено) в твердом или жидком исходном агрегатном состоянии и является одновременно подготовительной и рабочей, то есть в ней же рабочее тело переходит в другое агрегатное состояние и воздействует на манжету-уплотнитель 5. В этой же камере 6 или за ее пределами (последнее не показано) размещены элементы, переводящие рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое. Так, при переводе жидкости в твердое тело (лед) необходима термопара 10 (фиг. 1-3); при переводе жидкости в газ - термонагреватель 11 (фиг. 3, 4). В случае использования камеры с несколькими частями 7, 8, одна 7 из них (подготовительная) служит для размещения рабочего тела в исходном агрегатном состоянии, в котором оно занимает минимальный объем (в виде жидкости или твердого тела), а другая часть 8 - рабочая (фиг. 4) может быть размещена вдоль манжеты-уплотнителя 5 с внутренней ее стороны, и в нее поступает рабочее тело в газообразном состоянии, обеспечивая радиальную деформацию манжеты-уплотнителя 5. Камера 6 или рабочая часть 8 камеры может быть выполнена в виде одного протяженного под манжетой-уплотнителем 5 участка (фиг. 1-3), либо камера может иметь несколько рабочих частей 8, количество которых соответствует количеству соприкасающихся поверхностей манжеты-уплотнителя 5 (фиг. 4). Подготовительная и рабочие части 7, 8 камеры размещены вдоль продольной оси пакера 1 (фиг. 4). Манжета-уплотнитель 5 может иметь один участок соприкосновения со стенками скважины 3 (фиг. 1-3), либо иметь несколько участков 12-14 (фиг. 4), контактирующих со стенками скважины 3 и последовательно расположенных вдоль продольной оси. Возможно решение, когда манжета-уплотнитель 5, являясь комбинированной, состоит из расположенных коаксиально одного элемента 15, взаимодействующего с рабочей частью 8 камеры, и нескольких элементов 12-14, охватывающих элемент 15. Манжета-уплотнитель 5 закреплена на корпусе 4 кольцевыми пружинами или хомутами 16 (они могут иметь в поперечном сечении круглую (фиг. 1, 2,5) или плоскую (фиг. 3, 4) форму). Кольцевые пружины 16 могут быть закреплены по концам манжеты-уплотнителя 5 (фиг. 1-3) или посредине (фиг. 4). В последнем случае их поперечный размер должен, с одной стороны, обеспечить деформацию манжеты-уплотнителя 5, а с другой - концы манжеты-уплотнителя 5 должны обеспечить после деформации герметичность рабочей части 8 камеры. На фиг. 4 пунктиром показано положение манжеты-уплотнителя 5 с несколькими элементами 12-14, соприкасающимися со стенками скважин 3 после деформации. На фиг. 5 показана одна из возможных конструкций комбинированной манжеты-уплотнителя 5, обеспечивающая выполнение этих условий.

Пакер 1 может представлять собой замкнутую систему (фиг. 1, 2, 4), в которой рабочее тело не удаляют в атмосферу через скважину 3. В этом случае подготовительная часть 7 камеры герметично закрыта пробкой 17. Если пакер представляет собой открытую систему (фиг. 3), то имеется управляемый на расстоянии клапана 18 (наиболее целесообразно использовать электромагнитный клапан), который при необходимости удаляет рабочее тело, находящееся в газообразном состоянии, в скважину 3 и по ней в атмосферу. Позициями: 19 (фиг. 1-4) показан кабель, по которому подают электропитание термопары 10; 20 (фиг. 3, 4) - кабель, по которому подают электропитание на термонагреватель 11; 21 (фиг. 3) - кабель, по которому осуществляют управление электромагнитным клапаном 18.

Принцип работы пакера и способ его фиксации в скважине заключается в следующем.

В скважину (обсадную трубу) 3 опускают на тросе (трубе) 2 пакер 1 (фиг. 1-4) до глубины, на которой необходимо его зафиксировать. Учитывая, что с глубиной температура скважинной жидкости повышается, рабочее тело подбирают таковым, чтобы при температуре места установки пакера 1 в скважине 3 оно занимало бы минимальный объем в исходном агрегатном состоянии. В исходном агрегатном состоянии минимальный объем рабочее тело занимает будучи в твердом или жидком агрегатном состоянии, что позволяет уменьшает размеры камеры 6 и части 7 камеры (фиг. 1-4), в которых его располагают. Затем осуществляют перевод рабочего тела из исходного агрегатного состояния в другое. Если в качестве рабочего тела была использована жидкость, то ее нужно либо превратить в твердое тело (лед), либо в газ. Как известно, если использовать чистую воду, лед имеет максимальный объем при температуре -4^oС, что позволяет использовать лед в замкнутом объеме для воздействия на окружающие его стенки, а следовательно, и на манжету-уплотнитель 5. Для перевода жидкости в лед необходимо использовать термопару 10, снижающую температуру жидкости ниже точки ее замерзания (фиг. 1). Лед раздвинет манжету-уловитель 5, фиксируя пакер 1 к стенкам скважины 3 (фиг. 2). Целесообразно использовать специальные жидкости, обеспечивающие достижение максимального объема при минимальной затрате энергии. В настоящее время более рационально с точки зрения высказанного выше перевести жидкость в газообразное состояние. В этом случае можно использовать термонагреватель 11 (фиг. 3, 4), который нагреет жидкость не ниже точки ее кипения и переведет ее в газ. Температура в скважине 3 на уровне установки пакера 1 будет способствовать нагреву. Нагрев можно продолжить. В этом случае будет повышено давление газа в камере 6, частях 7, 8 камеры, что приведет к деформации манжеты-уплотнителя 5, а следовательно, к надежной фиксации пакера 1 к стенкам скважины 3.

Конкретное использование любого из способов перевода рабочего тела из исходного агрегатного состояния в другое будет зависеть от экономической целесообразности и степени отработки его в конкретных условиях. Так, минимальный объем занимает твердое рабочее тело, что обеспечивает достижение минимальных размеров пакера 1, упрощая его установку в скважину 3, особенно в обсадную трубу небольшого диаметра. Использование жидкого рабочего тела, например воды, проще в реализации и обслуживании, так как вода имеется на любой скважине 3. Если пакер 1 выполнен с единой камерой 6 (фиг. 1-3), то в ней же происходит и воздействие рабочего тела на манжету-уплотнитель 5, что проще конструктивно. Если камера имеет несколько частей - подготовительную 7 и рабочую 8 (фиг. 4), то в одной из них 7 производят перевод рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, а другая (другое) часть 8 служит в качестве рабочей, то есть в ней происходит воздействие рабочего тела на манжету-уплотнитель 5. При наличии нескольких частей 7, 8 камеры имеется возможность увеличить площадь контактирования манжеты-уплотнителя 5 за счет удлинения последней вдоль продольной оси пакера 1. Другим эффектом является уменьшение диаметрального размера пакера 1, так как камера 7 может быть размещена вдоль продольной оси частей 8 камеры. Взаимодействие манжеты-уплотнителя 5 со стенкой скважины 3 может быть непосредственное (фиг. 1-4) или через элементы 12-14, которые могут быть выполнены более износостойкими. В последнем случае элемент манжеты-уплотнителя 5, взаимодействующий с рабочей частью 8 камеры, может быть выполнен эластичным, а элементы, охватывающие его, - жесткими, то есть более износоустойчивыми.

Для извлечения пакера 1 из скважины 3 необходимо восстановить начальные радиальные размеры манжеты-уплотнителя 5. При наличии в конструкции клапана 18 электромагнитного типа возможно дистанционно открыть его и стравить газообразное рабочее тело в скважину 3. В частях 7, 8 камеры уменьшится давление газа, и манжета-уплотнитель 5 под действием своих упругих сил восстановит первоначальный радиальный размер, после чего можно будет извлечь пакер 1 из скважины 3.

Если пакер 1 представляет собой замкнутую систему, то есть имеет пробку 17 (фиг. 1, 2, 4), обеспечивающую герметичность камере 6 или частям 7, 8 камеры, то в этом случае необходимо охладить газообразное рабочее тело, что снизит его давление в них. Это можно осуществить за счет естественного охлаждения теплопередачей через стенки камеры 6 и частей 7, 8 камеры пакера 1, что требует затрат времени. Можно ускорить это процесс, искусственно охлаждая рабочее тело термопарой 10 (фиг. 1-3).

Целесообразно предусмотреть в конструкции пакера 1 и термоэлемент 11 и в термопару 10 (фиг. 3, 4), что обеспечит лучшую систему управления работой пакера 1.

Claims

1. Пакер, содержащий корпус с раздвижной в радиальном направлении манжетой-уплотнителем с приводом, отличающийся тем, что привод манжеты-уплотнителя выполнен в виде камеры с рабочим телом в таком исходном агрегатном состоянии, в котором оно занимает минимальный объем, и элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, в котором оно занимает больший объем.

2. Пакер по п.1, отличающийся тем, что камера привода манжеты-уплотнителя разделена на подготовительную часть для размещения рабочего тела в исходном агрегатном состоянии и элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое, и, по крайней мере, одну рабочую часть, в которой рабочее тело воздействует на манжету-уплотнитель, причем части камеры соединены между собой, по крайней мере, одним каналом.

3. Пакер по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использована жидкость, а в качестве элемента, переводящего рабочее тело из исходного агрегатного состояния в другое - термонагреватель или охладитель-термопара для изменения агрегатного состояния рабочего тела.

4. Пакер по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что камера привода манжеты-уплотнителя снабжена управляемым на расстоянии клапаном для выпуска из нее рабочего тела в газообразном агрегатном состоянии.

5. Пакер по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что манжета-уплотнитель выполнена из расположенных коаксиально элемента, взаимодействующего с рабочей частью камеры, и нескольких охватывающих его элементов.

6. Способ фиксации пакера в скважине, включающий спуск его в скважину на требуемую глубину, увеличение диаметрального размера пакера и деформацию в радиальном направлении его манжеты-уплотнителя, отличающийся тем, что рабочее тело привода манжеты-уплотнителя переводят из исходного агрегатного состояния, в котором рабочее тело занимает минимальный объем, в другое агрегатное состояние, в котором рабочее тело занимает больший объем.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что перевод рабочего тела в другое агрегатное состояние осуществляют путем нагрева рабочего тела в виде жидкости не ниже точки ее кипения.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что перевод рабочего тела в другое агрегатное состояние осуществляют путем охлаждения рабочего тела в виде жидкости не выше ее точки замерзания.