Принципы действия и устройство пакеров.
Пакеры предназначены для уплотнения кольцевого пространства и разобщения отдельных горизонтов нефтяных и газовых скважин. Они работают в условиях воздействия высоких перепадов давлений (от 7 до 70 МПа), больших механических нагрузок (десятки кН) и в различных термических (от 40 до 100°С, а при тепловом воздействии на пласт до 400°С) и коррозионных средах. Поэтому конструкции пакеров должны обеспечивать эффективную и надежную работу в условиях эксплуатации.
Пакеры при эксплуатации устанавливаются обычно в обсаженной части скважины и спускают их на колонне подъемных труб. Уплотнение, прижимаемое к обсадной трубе, должно надежно разобщать части ствола скважины, находящиеся над и под уплотнителем.
Пакеры применяются:
— при освоении скважины для облегчения и ускорения очистки забоя путем продувки и промывки через фонтанные трубы;
— при всех технологических процессах на скважине и при ее эксплуатации для защиты обсадной колонны от химической коррозии и действия чрезмерно высокого давления жидкости и газа;
— при необходимости центровки колонны насосно-компрессорных труб и передачи части веса труб на обсадную колонну при подземных ремонтах скважин.
Пакер включает следующие элементы (Рис.2.2.): 1-головка; 2-опорное кольцо; 3-ограничительная втулка; 4-ограничительный уплотнительный элемент; 5- ограничительное кольцо; 6- уплотнительный элемент; 7- конус; Узел фонаря в свою очередь состоит из элементов: 8-шлипсы; 9-упорная втулка; 10-ограничительный обруч; 11- пружина; 12-корпус фонаря; 13-штифт; 14-фигурный паз в крпусе фонаря; 15-ствол.
Опорное кольцо служит для упора уплотнительного элемента 4 и обеспечивает ее деформацию при посадке пакера.
Ствол представляет собой отрезок насосно-компрессорной трубы. На него последовательно надеваются ограничительная втулка 3, ограничительный уплотнительный элемент 4, ограничительное кольцо 5, резиновый уплотнительный элемент 6, конус 7 и узел фонаря со шлипсами.
Рис.2.2. Общий вид механического пакера
1-головка; 2-опорное кольцо; 3-ограничительная втулка; 4-вспомогательный уплотнительный элемент; 5-ограничительное кольцо; 6- основной уплотнительный элемент; 7- конус; Узел фонаря в свою очередь состоит из элементов: 8-шлипсы; 9-Упорная втулка; 10- ограничительный обруч; 11-пружины; 12-корпус фонаря; 13-штифт; 14-фигурный паз; 15-ствол.
Узел ограничителя предназначен для предотвращения проникновения резины основного уплотняющего элемента в кольцевой зазор между скважиной и опорным кольцом 2 при высоких перепадах давления жидкости. Между торцами ограничительной втулки 3 и ограничительного кольца 5 остается зазор, достаточный для заполнения кольцевого зазора при сжатии уплотнительного элемента и и в то же время для предупреждения его заклинивания.
Под действием веса колонны насосно-компрессорных труб резиновый элемент 6 сжимается между неподвижным ограничителем 5 и подвижным конусом 7.
Происходящее при этом увеличение диаметра резинового элемента создает уплотнение кольцевого пространства между обсадной колонной и подъемными трубами. Диаметр резиновой манжеты при свободном состоянии должен быть меньше внутреннего диаметра обсадной колонны примерно на 10-20 мм и не должен быть больше диаметра шаблона.
Основной уплотнительный элемент, как и ограничительный, изготавливается из резины марок 4004, 3826-С, которые допускают большую деформацию. Они рассчитаны на работу при температуре до 100 0 С, стойкие против разъедания агрессивными веществами, находящимися в скважине.
Подвижный конус является промежуточным элементом, предназначенным передавать сжимающие усилия от шлипсов на уплотнительные манжеты. Конусная форма этого элемента обеспечивает посадку пакера на определенной глубине ствола скважины при перемещении ствола вниз относительно неподвижного фонаря, конус надвигается на неподвижные шлипсы, раздвигает их до соприкосновения с обсадной колонной, и заклинивает.
Узел фонаря устроен следующим образом: в корпусе 12, представляющем цилиндрическую втулку, под углом 120° расположены глухие отверстия, в которых помещены цилиндрические пружины. Внизу корпуса размещена упорная втулка 9, вверху- оганичительный обруч 10, удерживающие от выпадения шлипсы 8. Наружный диаметр фонаря должен быть больше всех остальных деталей.
Строительный инъекционный пакер
Строительный инъекционный пакер состоит из пластикового корпуса (1), с наружными кольцевыми ребрами (2), кольцевым выступом (3) и центральным сквозным отверстием (4). Отверстие (4) имеет конический выпускной участок (5) и впускной участок (6). На выпускном участке (5) выполнены продольные направляющие ребра (7), фиксирующая кольцевая канавка (8) и установлен обратный клапан (9). Клапан (9) представляет собой пластиковую пражину (10), выполненный за одно целое с ней сферический запирающий элемент (11) и опорные ножки (12) с фасками (13). Технический результат заключается в снижении производственных затрат на изготовление пакера и упрощении его сборки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области строительства, в частности к вспомогательным устройствам для проведения ремонтно-восстановительных работ на строительных объектах, например, для заполнения трещин. Предложенное техническое решение может быть использовано как при проектировании строительных инъекционных пакеров, так и в других областях промышленности для узлов с обратным клапаном.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предложенной полезной модели является устройство для нагнетания раствора в трещины бетона (Патент RU 2012755, E04C 23/02, 1994 г.) Устройство содержит корпус из полимерного материала с осевым каналом. На наружной поверхности устройства выполнены кольцевые ребра, а осевой канал снабжен обратным клапаном (ниппелем) в виде подпружиненного шарика в металлическом корпусе.
Недостатком данного устройства является сложное конструктивное выполнение и, в связи с этим, сложная технология изготовления и высокие производственные затраты.
Задача, которая лежит в основе данной полезной модели, состоит в разработке конструкции строительного инъекционного пакера, лишенной вышеуказанных недостатков.
Таким образом, технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении производственных затрат на изготовление и упрощении сборки строительного инъекционного пакера.
Названный технический результат полезной модели достигается благодаря тому, что в строительном инъекционном пакере, содержащем полученный литьем под давлением пластиковый корпус с наружными кольцевыми ребрами, кольцевым выступом, центральным сквозным отверстием и расположенным в нем обратным клапаном, центральное сквозное отверстие выполнено ступенчатым и включает конический выпускной участок и впускной участок меньшего диаметра. Обратный клапан представляет собой полученную литьем под давлением пластиковую пружину, выполненные за одно целое с ней запирающий элемент с одной стороны и опорные ножки с другой. Конический выпускной участок центрального сквозного отверстия снабжен, по крайней мере, тремя продольными направляющими ребрами, примыкающими к впускному участку и кольцевой канавкой, а опорные ножки обратного клапана выполнены с возможностью фиксации в указанной кольцевой канавке.
При этом, кольцевая канавка расположена на расстоянии от впускного участка достаточном для обеспечения сжатия пластиковой пружины на 20-40%, предпочтительно на 30%.
Кроме того, запирающий элемент обратного клапана имеет сферическую форму.
Кроме того, опорные ножки обратного клапана расположены по периметру пластиковой пружины и снабжены заходными фасками.
При этом, обратный клапан выполнен из полимерного материала с высокими упругими свойствами, например, из полиоксиметилена (полиацеталя).
Полезная модель, ее признаки, детали и преимущества можно понять из описания, приведенного со ссылкой на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий пример выполнения полезной модели.
На чертеже показан строительный инъекционный пакер, вид сбоку с местным разрезом выполненным в увеличенном масштабе.
Согласно чертежу, строительный инъекционный пакер состоит из полученного литьем под давлением пластикового корпуса 1 с наружными кольцевыми ребрами 2 и кольцевым выступом 3 под быстросъемную муфту (на чертеже не показана). Пластиковый корпус 1 имеет центральное сквозное отверстие 4 с коническим выпускным участком 5 и впускным участком 6. На коническом выпускном участке 5 выполнены направляющие продольные ребра 7 и кольцевая канавка 8. В выпускном участке 5 центрального отверстия 4 смонтирован полученный литьем под давлением пластиковый обратный клапан 9. Клапан 9 представляет собой пружину 10, выполненные за одно целое с ней запирающий элемент 11 с одной стороны и опорные ножки 12 с заходными фасками 13 с другой.
Сборка строительного инъекционного пакера производится следующим образом. Обратный клапан 9 вставляют со стороны конического выпускного участка 5 в корпус 1. Опорный ножки 12 с заходными фасками 13 скользят по конической поверхности, сжимаются и, достигнув кольцевой канавки 8, надежно в ней фиксируются. В этом положении пружина 10 сжата примерно на 30% и запирающий элемент 11 перекрывает впускной участок 6. Направляющие продольные ребра 7 обеспечивают при этом перемещение запирающего элемента 11 строго вдоль оси центрального отверстия 4. Учитывая то, что инъекционный пакер является одноразовым изделием, соединение обратного клапана 9 с корпусом 1 выполнено неразъемным, обеспечив, таким образом, низкую себестоимость изделия.
Обе детали (корпус и обратный клапан) изготавливаются методом литья под давлением. Производство является безотходным, высокотехнологичным процессом. Чертежи и описание позволяют изготовить предлагаемый строительный инъекционный пакер из известных материалов с использованием известных технологий, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
1. Строительный инъекционный пакер, содержащий полученный литьем под давлением пластиковый корпус с наружными кольцевыми ребрами, кольцевым выступом, центральным сквозным отверстием и расположенным в нем обратным клапаном, отличающийся тем, что центральное сквозное отверстие выполнено ступенчатым и включает конический выпускной участок и впускной участок меньшего диаметра; обратный клапан представляет собой полученную литьем под давлением пластиковую пружину, выполненные за одно целое с ней запирающий элемент с одной стороны и опорные ножки с другой; конический выпускной участок центрального сквозного отверстия снабжен, по крайней мере, тремя продольными направляющими ребрами, примыкающими к впускному участку, и кольцевой канавкой, а опорные ножки обратного клапана выполнены с возможностью фиксации в указанной кольцевой канавке.
2. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что кольцевая канавка расположена на расстоянии от впускного участка, достаточном для обеспечения сжатия пластиковой пружины на 20-40%, предпочтительно на 30%.
3. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что запирающий элемент обратного клапана имеет сферическую форму.
4. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что опорные ножки обратного клапана расположены по периметру пластиковой пружины и снабжены заходными фасками.
5. Пакер по п. 1, отличающийся тем, что обратный клапан выполнен из полимерного материала с высокими упругими свойствами, например, из полиоксиметилена (полиацеталя).
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАКЕРА
НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
| Рисунок 1 ПАКЕР ПРО-ЯТ-О |
Пакер ПРО-ЯТ-О-122-50-350-Т100-КЗ предназначен для длительного герметичного разобщения интервалов ствола эксплуатационной колонны, нагнетательной или эксплуатационной скважины и защиты ее от динамического воздействия рабочей среды в процессе проведения различных технологических операций.
— для многократно повторяющихся технологических операций, связанных с созданием давления и прокачкой жидкости со знакопеременным перепадом давления за одну установку пакера;
— для разделения пластов при одновременно-раздельной эксплуатации (ОРЭ) и одновременно-раздельной закачке (ОРЗ);
— для длительной автономной (независимой от связи с НКТ) изоляции нарушенного участка эксплуатационной колонны;
— для установки в нагнетательных скважинах и других технологических операций на длительный срок, при которых происходит циклический перепад давления на пакер.
Оборудование применяется в нагнетательных, эксплуатационных нефтяных и газовых обсаженных скважинах с условными диаметрами эксплуатационных труб.
Пакер устанавливается в скважине без упора на забой, путём осевых перемещений колонны труб, на которых он спускается в скважину.
Пакер обеспечивает герметизацию эксплуатационной колонны при перепа-дах давления на него до 35 МПа и применяется в скважинах с максимальной температурой рабочей среды до плюс 100 С.
Область применения оборудования в соответствии с Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» от 12.03.2013г. Оборудование имеет исполнение стандартное к сульфидно-коррозионному растрескиванию (СКР)
Рабс.>1,83х 
Па (18,6 кгс/ 
);
C 
S
Технические характеристики пакера
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПАКЕРА
Пакер состоит из трёх штоков поз. 7, 26, 30, соединённых между собой с помощью гладких резьб НКТ. В верхней части штока поз. 7 расположен верхний механический якорь, состоящий из деталей поз. 2, 3, 4, 5, 6. В нижней части штока поз. 30 расположен нижний механический якорь, состоящий из деталей поз. с 31 по 41.
Плашки поз.6 и поз.32 якорных устройств в транспортном положении поджаты к штокам поз. 7 и поз. 30 с помощью пружин, соответственно, поз. 3 и поз. 31. На штоке поз. 26 установлены уплотнительные элементы поз. 27 с кольцами поз. 28.
| Рисунок 2 Схема пакера ПРО-ЯТ-О-122 |
Между верхним механическим якорем и уплотнительными элементами, на нижней части штока поз. 7, расположен механизм регулятора осевой
нагрузки срабатывания’ верхнего механического якоря, состоящий из деталей поз. с 8 по 19.
Между нижним механическим якорем и уплотнительными элементами расположен конус поз. 29. В верхней части пакера расположена муфта поз. 1, служащая для соединения пакера с трубами НКТ и удерживающая верхний механический якорь на штоке поз. 7.
Фиксатор поз. 39, перед спуском пакера в скважину, устанавливается в короткой части паза штока поз. 30 в положении 1 или 3, рисунок 2.
Пакер спускают в скважину на насосно-компрессорных или бурильных трубах на требуемую глубину. При спуско-подъёмных операциях планки (центраторы) поз.33 нижнего якорного устройства постоянно прижаты к стенкам эксплуатационной колонны.
При спуске пакера должно соблюдаться условие:
где Н — высота подъёма труб над ротором после свинчивания очередной трубы и снятия её с нижнего элеватора или со снайдера;
260 мм — расстояние осевого перемещения фиксатора внутри фигурного паза штока при спуско-подъёме труб (рисунок 2).
При спуске пакера, после свинчивания очередной трубы, колонну труб необходимо приподнять не менее, чем на 260 мм и только после этого производить спуск.
В процессе спуска колонны труб, (при соблюдении условия H≥260 мм), фиксатор будет находиться в положении 1, а после навинчивания очередной трубы и обязательного после этого подъёма колонны труб на интервал Н ≥260 мм, перейдёт в положение 2.
Затем, при спуске труб, фиксатор снова перейдёт в положение 1 и т. д.
При этом втулка поз.40 вместе с фиксатором будет вращаться вправо и влево относительно штока на ¼ оборота при каждом перемещении штока вверх или вниз относительно корпусных деталей якорного устройства.
Для установки пакера в заданном интервале колонну труб приподнимают на высоту Н1 с соблюдением условия 100≤ Н1 ≥200 мм, т. е. колонну труб приподнимают не менее 100 мм и не более 200 мм, затем разгружают для установки.
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ В СКВАЖИНЕ (ДЕФОРМАЦИЯ ТРУБ, КРИВИЗНА СТВОЛА СКВАЖИНЫ), МИНИМАЛЬНОЕ ИЛИ МАКСИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КОЛОННЫ ТРУБ ВВЕРХ МОЖЕТ БЫТЬ БОЛЬШЕ ВЫШЕУКАЗАННЫХ ЗНАЧЕНИЙ И ПРАКТИЧЕСКИ ЭТУ ВЕЛИЧИНУ ОПРЕДЕЛЯЮТ ОПЫТНЫМ IIYTEM!
Поэтому, если при первом перемещении труб вверх пакер не удается установить, то в дальнейшем колонну труб снова приподнимают на величину, превышающую прежнее значение, на 50 мм и снова производят разгрузку колонны. В дальнейшем операция повторяется с постепенным увеличением значения на 50-70 мм. Допускается повторение всего процесса установки пакера, начиная с минимального значения перемещения колонны труб вверх.
При разгрузке инструмента, когда фиксатор перемещается в положение 4, штоки поз. 7, 26, 30 с уплотнительными элементами перемещаются вниз относительно корпусных деталей нижнего якоря. Конус поз.29, соприкасаясь с плашками поз.32 и, сжимая пружины поз.31, переместит плашки в радиальном направлении до зацепления со стенками эксплуатационной колонны.
Уплотнительные элементы, увеличиваясь до диаметра эксплуатационной колонны, герметизируют межтрубное пространство.
В ходе дальнейшего движения вниз штоков поз. 7, 26, 30 и определённом значении осевой сжимающей нагрузки (таблица 2), создаваемой весом НКТ, произойдёт срабатывание механизма регулятора нагрузки и установка верхнего механического якоря. При этом плашки поз. 6, взаимодействуя с разрезным конусом поз. 8, раздвигаются радиально и зацепляются со стенками эксплуатационной колонны.
После создания избыточного давления под пакером, основное усилие на пакер, направленное снизу вверх, воспринимается плашками верхнего якорного устройства.
В таблице 2 приведена рекомендуемая оптимальная сжимающая нагрузка при посадке пакера в зависимости от планируемого перепада давления на пакер, действующего из подпакерного пространства снизу вверх.
Таблица 2 Рекомендуемая оптимальная сжимающая нагрузка
Допускается завышение сжимающей нагрузки дополнительно к рекомен-дуемой, представленной в таблице 2, с учётом потери веса труб на трение о стенки обсадной колонны.
Для перевода пакера в транспортное положение выравнивают давление в подпакерном и надпакерном пространствах. После этого колонну НКТ медленно натягивают с нагрузкой, превышающей допустимое усилие натяжения НКТ после посадки пакера, до распакеровки скважины.
При этом штоки пакера перемещаются вверх относительно якорных устройств, уплотнительные элементы возвращаются в исходное состояние. Пакер принимает транспортное положение.
Если вес НКТ недостаточен для установки пакера в выбранном месте эксплуатационной колонны (то есть создания минимальной осевой нагрузки на пакер 12 т), то необходимое осевое усилие для обеспечения надёжной гермети-ации эксплуатационной колонны достигается навинчиванием необходимого количества труб НКТ к нижней части пакера (хвостовика).