RU2177532C2 - Hook-wall tubing packer - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industries; setting of packers in oil and gas wells. SUBSTANCE: packer has housing in form of pipe, rubber envelope with reinforcement and load-bearing unit acting on envelope. Housing has two passages closed by detachable pistons. One piston is made in form of bush with through hole. Reinforcement is made in form of thin-walled wavy framework with longitudinal slots forming flexible tabs. Rubber envelope is made in form of double-side coat of framework. Power drive is made in form of cylinder connected with framework; this cylinder has passages leading to inter-tube space. Cylinder is connected to housing for axial freedom of framework in case of deformation caused by pressure of well fluid; it may extend to tubing above piston for delivery of high- pressure fluid to rubber envelope and under rod for receiving pressures in rubber envelope. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а конкретнее к технике пакерования насосно-компрессорных труб (НКТ) в колонне нефтяных и газовых скважин. The invention relates to the oil and gas industry, and more particularly to a technique for packing tubing (tubing) in a string of oil and gas wells.

Известны пакеры для НКТ разных конструкций, основу которых составляют толстостенные резиновые втулки (оболочки), установленные на НКТ и сжимаемые различными способами для увеличения их в диаметре до плотного прилегания к внутренней стенке колонны и тем самым до герметизации затрубного пространства между НКТ и колонной (Д. С. Варламов. Испытатели пластов многоциклового действия. М., Недра, 1982, с. 92-101). Packers for tubing of various designs are known, the basis of which is thick-walled rubber bushings (shells) mounted on the tubing and compressed in various ways to increase their diameter to fit snugly against the inner wall of the column and thereby to seal the annulus between the tubing and the column (D. S. Varlamov, Testers of multi-cycle formations, M., Nedra, 1982, pp. 92-101).

Пакеры широко используются для герметизации скважин, однако они контактируют с поверхностью колонны лишь узкими поясками, образованными зоной деформации сжатых резиновых втулок. В результате этого при большой разности давлении скважинной жидкости над пакером и под пакером жидкость прорывается через зону контакта резиновой втулки с колонной, образуя перетоки. Packers are widely used for sealing wells, but they are in contact with the surface of the column with only narrow bands formed by the deformation zone of the compressed rubber bushings. As a result of this, with a large difference in the pressure of the well fluid above the packer and under the packer, the fluid breaks through the contact area of the rubber sleeve with the column, forming overflows.

Известен также пакер, принятый за прототип, содержащий корпус в виде трубы, резиновую оболочку с арматурой и устройство силового воздействия на оболочку для ее пакерования (Е.И. Бухаленко, В.Е. Бухаленко. Оборудование и инструмент для ремонта скважин. М., Недра, 1991, с.253-264). Такой пакер с раздутой резиновой оболочкой прилегает к колонне по всей его длине, улучшая герметизацию стыка в контактной зоне. Also known is the packer adopted for the prototype, comprising a housing in the form of a pipe, a rubber shell with reinforcement and a device for exerting force on the shell to pack it (E.I. Bukhalenko, V.E. Bukhalenko. Equipment and tools for repairing wells. M., Nedra, 1991, p. 253-264). Such a packer with a swollen rubber shell adheres to the column along its entire length, improving the sealing of the joint in the contact zone.

Однако из-за большой площади контакта приходится прилагать значительные усилия для достижений контактных напряжений, превышающих давление скважинной жидкости. Поскольку такое условие для резины, мягкой по сравнению с металлом, трудно выполнимо, для повышения жесткости в резину размещают арматуру в виде клиньев, стержней и т.п. Но требующиеся усилия от этого не уменьшаются, а, напротив, возрастают. По этой причине устройство силового воздействия на оболочку получается громоздким и сложным, а габариты пакера по длине составляют до нескольких метров. Не исключается также срыв пакера давлением жидкости и появление в связи с этим ее перетоков. However, due to the large contact area, considerable efforts have to be made to achieve contact stresses exceeding the pressure of the well fluid. Since this condition is difficult for rubber soft compared to metal, reinforcement in the form of wedges, rods, etc., is placed in the rubber to increase stiffness. But the required efforts from this do not decrease, but, on the contrary, increase. For this reason, the device for exerting force on the shell is cumbersome and complex, and the packer is up to several meters in length. It is also possible that the packer is broken by the pressure of the liquid and the appearance of its overflows in this connection.

Задачей заявляемого изобретения является создание пакера, лишенного недостатков прототипа. The task of the invention is the creation of a packer devoid of the disadvantages of the prototype.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является большая величина контактных напряжений в зоне контакта пакера с колонной, превышающая давление скважинной жидкости, большая жесткость пакера в этой зоне, обеспечивающая достаточные контактные напряжения, силовое сцепление пакера с колонной, предотвращающее его срывы давлением скважинной жидкости, простота конструкции и малые габариты пакера и силового привода при отсутствии двигателей и подводимой в скважину энергии, простота установки и снятия пакера, надежность от осевых срывов пакера скважинным давлением. The technical result achieved when using the invention is a large value of contact stresses in the zone of contact of the packer with the column, exceeding the pressure of the well fluid, a large rigidity of the packer in this zone, providing sufficient contact stresses, force adhesion of the packer with the column, preventing it from being disrupted by the pressure of the well fluid simplicity of design and small dimensions of the packer and power drive in the absence of engines and energy supplied to the well, ease of installation and removal of the packer, above the pressure from axial breakdowns of the packer by borehole pressure.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в пакере для НКТ, содержащем корпус в виде трубы, резиновую оболочку с арматурой и устройство силового воздействия на оболочку для ее пакерования, согласно изобретению, в корпусе выполнены два канала, закрытые размещенными в насосно-компрессорных трубах съемными поршнями, один из которых выполнен в виде втулки с проходным отверстием, а арматура выполнена в виде тонкостенного волнообразного каркаса с продольными прорезями, образующими упругие лепестки, резиновая оболочка выполнена в виде двухсторонней облицовки каркаса, в том числе в прорезях, при этом силовой привод выполнен в виде соединенного с каркасом цилиндра с каналами для выхода в затрубное пространство, стаканом, установленным в зоне этих каналов, поршнем со штоком, при этом цилиндр прикреплен к корпусу с условием предоставления степени свободы каркасу в осевом направлении при его деформациях от давления скважинной жидкости в затрубном пространстве и имеет возможность выхода внутрь насосно-компрессорных труб над поршнем, для подачи жидкости с высоким давлением в резиновую оболочку, и под штоком, для сброса давления в резиновой оболочке. The achievement of the technical result is ensured by the fact that in the packer for the tubing, containing the body in the form of a pipe, a rubber sheath with reinforcement and a device for exerting force on the sheath to pack it, according to the invention, two channels are made in the body, which are closed by removable pistons placed in tubing , one of which is made in the form of a sleeve with a through hole, and the reinforcement is made in the form of a thin-walled wave-like frame with longitudinal slots forming elastic petals, rubber sheath It is provided in the form of a double-sided cladding of the frame, including in the slots, while the power drive is made in the form of a cylinder connected to the frame with channels for exiting into the annulus, a cup installed in the area of these channels, a piston with a rod, while the cylinder is attached to the housing with the condition of providing a degree of freedom to the frame in the axial direction when it deforms from the pressure of the borehole fluid in the annulus and has the ability to exit into the tubing above the piston to supply fluid with high pressure in a rubber sheath, and a rod, for depressurizing the rubber sheath.

Выполнение каналов в корпусе необходимо для подвода скважинной жидкости к поршню и штоку и использования ее давления: на поршне - для его перемещения и подачи жидкости с высоким давлением в резиновую оболочку, а на штоке - для сброса давления в резиновой оболочке перед подъемом пакера. Закрытие каналов съемными поршнями обеспечивает: возможность спуска пакера в скважину с последующим снятием поршня и подводом жидкости через канал к поршню; возможность подъема пакера снятием поршня-втулки и открытием канала к штоку для сброса давления в штоковой камере и резиновой оболочке. Изготовление поршня в виде втулки с проходным отверстием позволяет поднимать и опускать через НКТ приборы, перфораторы, аппаратуру и т.п., так как втулку снимают только перед поднятием пакера на поверхность. The execution of channels in the housing is necessary for supplying the borehole fluid to the piston and the rod and using its pressure: on the piston - for moving it and supplying high-pressure fluid to the rubber shell, and on the rod - to relieve pressure in the rubber shell before lifting the packer. Closing the channels with removable pistons provides: the ability to lower the packer into the well, followed by removing the piston and supplying fluid through the channel to the piston; the ability to lift the packer by removing the piston sleeve and opening the channel to the rod to relieve pressure in the rod chamber and rubber sheath. The manufacture of a piston in the form of a sleeve with a bore allows you to raise and lower instruments, perforators, equipment, etc. through the tubing, since the sleeve is removed only before lifting the packer to the surface.

Выполнение арматуры в виде тонкостенного волнообразного каркаса с выступами и впадинами, с продольными прорезями, образующими гибкие лепестки, позволяет каркасу увеличиваться в диаметре при воздействии на него резинового слоя, находящегося под давлением жидкости. Обрезиненные выступы прижимаются к колонне, уплотняя зазоры между пакером и колонной. При уменьшении давления скважинной жидкости каркас возвращается в исходное состояние упругими силами лепестков. Выступы имеют небольшую площадь контакта, в связи с чем удельные контактные давления легко превышают давление скважинной жидкости. Деформация впадин обеспечивает увеличение диаметров выступов. Заостренные шипы во впадинах внедряются в стенку колонны при увеличении пакера в диаметре под воздействием высокого давления жидкости. Выполнение резиновой оболочки в виде двухсторонней облицовки каркаса, в том числе и в прорезях, обеспечивает герметизацию пакера, передачу усилия на лепестки, уплотнение выступов каркаса. The implementation of the reinforcement in the form of a thin-walled wave-like framework with protrusions and depressions, with longitudinal slots forming flexible petals, allows the framework to increase in diameter when exposed to a rubber layer under pressure of the liquid. The rubberized protrusions are pressed against the column, sealing the gaps between the packer and the column. With a decrease in the pressure of the borehole fluid, the frame returns to its original state by the elastic forces of the petals. The protrusions have a small contact area, and therefore the specific contact pressures easily exceed the pressure of the well fluid. Deformation of the hollows provides an increase in the diameters of the protrusions. The pointed spikes in the depressions penetrate the wall of the column as the packer grows in diameter under the influence of high fluid pressure. The execution of the rubber shell in the form of a double-sided cladding of the frame, including in the slots, provides for sealing the packer, transferring force to the petals, and sealing the protrusions of the frame.

Создание силового привода в виде соединенного с каркасом цилиндра с каналами, для выхода в затрубное пространство, стаканом, установленным в зоне этих каналов, поршнем со штоком, обеспечивает увеличение давления скважинной жидкости в мультипликаторе поршень- шток. Получение давления внутри резиновой оболочки, превышающего скважинное давление, обеспечивает возможность расширяться резиновой оболочке и волнообразному каркасу, преодолевая скважинное давление. Таким образом, обеспечивается уплотнение затрубного пространства пакером. Стакан предназначен для переключения каналов от получения скважинной жидкости из канала, соединенного с НКТ, на канал, соединенный с затрубным пространством. После этого имеется возможность создавать повышенное давление в затрубном пространстве и выполнять технологические операции внутри НКТ, сопровождающиеся перепадами давления. Пульсация этого давления уже не будет оказывать влияния на степень закрепления и герметизации пакера, так как канал в НКТ закрыт. Creating a power drive in the form of a cylinder with channels connected to the frame to exit into the annulus, with a glass installed in the area of these channels, a piston with a rod, provides an increase in the pressure of the well fluid in the piston-rod multiplier. Obtaining pressure inside the rubber shell exceeding the borehole pressure provides the ability to expand the rubber shell and the undulating frame, overcoming the borehole pressure. Thus, a seal is provided for the annulus by the packer. The glass is designed to switch channels from receiving well fluid from a channel connected to the tubing to a channel connected to the annulus. After that, it is possible to create increased pressure in the annulus and perform technological operations inside the tubing, accompanied by pressure drops. The pulsation of this pressure will no longer affect the degree of consolidation and sealing of the packer, since the channel in the tubing is closed.

Закрепление цилиндра к корпусу, во-первых, совместно с заостренными шипами предотвращает возможность срыва пакера давлением столба жидкости в затрубном пространстве, а во-вторых, позволяет каркасу перемещаться в осевом направлении при его деформациях от давления скважинной жидкости. Fixing the cylinder to the housing, firstly, together with pointed spikes prevents the packer from breaking off by the pressure of the liquid column in the annulus, and secondly, allows the frame to move in the axial direction when it deforms from the pressure of the borehole fluid.

Предложенный пакер представлен на чертежах, где изображен его вид в продольном разрезе (фиг. 1) и разрез А-А (фиг. 2). Пакер содержит корпус 1 с каналами 2, закрытыми размещенными в насосно-компрессорных трубах съемными поршнями 3 и 4, последний из которых выполнен в виде втулки с проходным отверстием, резиновую оболочку 5, выполненную в виде двухсторонней облицовки арматуры, которая изготовлена в виде тонкостенного волнообразного каркаса 6 с выступами 7 и впадинами 8, с продольными прорезями 9, образующими лепестки 10, и с заостренными шипами 11 во впадинах 8. Силовой привод выполнен в виде соединенного с каркасом 6 цилиндра 12 с каналами 2, который имеет выход в затрубное пространство, стаканом 15, установленным в зоне канала 2, поршнем 13 со штоком 14. Каналы 2 с выходом внутрь НКТ 17 соединены раздельно с камерами над поршнем 13 и под штоком 14. Цилиндр 12 прикреплен к корпусу 1 из условия предоставления степени свободы в осевом направлении 18 каркасу 6 при его деформациях от давления скважинной жидкости в затрубном пространстве 16. The proposed packer is presented in the drawings, which shows its view in longitudinal section (Fig. 1) and section AA (Fig. 2). The packer comprises a housing 1 with channels 2 closed by removable pistons 3 and 4 located in the tubing, the last of which is made in the form of a sleeve with a through hole, a rubber shell 5 made in the form of a double-sided cladding of reinforcement, which is made in the form of a thin-walled wavy frame 6 with protrusions 7 and depressions 8, with longitudinal slots 9 forming petals 10, and with pointed spikes 11 in depressions 8. The power drive is made in the form of a cylinder 12 with channels 2 connected to the frame 6, which has an outlet in the tube space, a glass 15 installed in the zone of the channel 2, the piston 13 with the rod 14. The channels 2 with an exit into the tubing 17 are connected separately to the chambers above the piston 13 and under the rod 14. The cylinder 12 is attached to the housing 1 from the condition of providing a degree of freedom in axial direction 18 of the frame 6 with its deformations from the pressure of the well fluid in the annulus 16.

Пакер работает следующим образом. Все элементы пакера собирают на корпусе 1. Устанавливают также съемные поршни 3 и 4. Стакан 15 ставят в исходное положение. Затем пакер соединяют корпусом 1 с НКТ и опускают НКТ в зону пакерования. Достигнув заданной глубины, в НКТ на кабеле опускают ловитель и извлекают на поверхность поршень 3. Жидкость изнутри НКТ 17 по каналу 2 поступает в камеру над поршнем 13 и внутрь стакана 15. Поршень 13 начинает перемещаться вниз, создавая штоком 14 высокое давление жидкости и раздувая пакер. Стакан 15 перемещается вверх и вначале открывает канал 2, соединенный с затрубным пространством 16, а затем закрывает канал 2, соединенный с пространством внутри НКТ 17. На поршень 13 начинает действовать постоянное давление столба жидкости в затрубье 16. Благодаря этому пакер находится постоянно в рабочем состоянии. После окончания работ на кабеле опускают захват и поднимают на поверхность поршень 4. Поршень 4 открывает канал 2, соединяющий объем внутри НКТ 17 с камерой под штоком 14. Жидкость из-под штока 14 проникает внутрь НКТ 17, давление жидкости под штоком 14 падает до уровня давления жидкости в НКТ, и пакер складывается под действием давления жидкости в затрубном пространстве 16. После этого пакер можно извлекать из скважины вместе с колонной НКТ. The packer works as follows. All elements of the packer are assembled on the housing 1. Install also removable pistons 3 and 4. The glass 15 is placed in its original position. Then the packer is connected with the housing 1 to the tubing and lower the tubing into the packer zone. Having reached a predetermined depth, the trap is lowered into the tubing on the cable and the piston 3 is removed to the surface. The fluid from the tubing 17 inside the channel 2 enters the chamber above the piston 13 and into the barrel 15. The piston 13 begins to move downward, creating a high fluid pressure with the rod 14 and inflating the packer . The glass 15 moves up and first opens the channel 2 connected to the annular space 16, and then closes the channel 2 connected to the space inside the tubing 17. The piston 13 begins to act on a constant pressure of the liquid column in the annulus 16. Due to this, the packer is constantly in working condition . After finishing work on the cable, lower the grip and raise the piston 4. The piston 4 opens the channel 2 connecting the volume inside the tubing 17 with the chamber under the rod 14. The fluid from the rod 14 penetrates the tubing 17, the fluid pressure under the rod 14 drops to the level fluid pressure in the tubing, and the packer is folded under the action of fluid pressure in the annulus 16. After this, the packer can be removed from the well together with the tubing string.

Как видно, предложенный пакер легко включается в работу, легко отключается, имеет надежное закрепление, обеспечивает эффективное уплотнение в зоне закрепления, отсекая затрубное пространство. As you can see, the proposed packer is easily included in the work, it is easily turned off, has a reliable fastening, provides effective sealing in the fixing zone, cutting off the annulus.

Claims (1)

Пакер для насосно-компрессорной трубы, содержащий корпус в виде трубы, резиновую оболочку с арматурой и устройство силового воздействия на оболочку для ее пакерования, отличающийся тем, что в корпусе выполнены два канала, закрытые размещенными в насосно-компрессорных трубах съемными поршнями, один из которых выполнен в виде втулки с проходным отверстием, арматура выполнена в виде тонкостенного волнообразного каркаса с продольными прорезями, образующими упругие лепестки, резиновая оболочка выполнена в виде двухсторонней облицовки каркаса, в том числе в прорезях, при этом силовой привод выполнен в виде соединенного с каркасом цилиндра с каналами для выхода в затрубное пространство, стаканом, установленным в зоне каналов, поршнем со штоком, при этом цилиндр прикреплен к корпусу с условием предоставления степени свободы каркасу в осевом направлении при его деформациях от давления скважинной жидкости в затрубном пространстве и имеет возможность выхода внутрь насосно-компрессорных труб над поршнем для подачи жидкости с высоким давлением в резиновую оболочку и под штоком для сбора давления в резиновой оболочке. A packer for a tubing containing a tube-shaped body, a rubber sheath with reinforcement and a device for exerting force on the sheath to pack it, characterized in that the channel has two channels closed by removable pistons located in the tubing, one of which made in the form of a sleeve with a through hole, the reinforcement is made in the form of a thin-walled wave-like frame with longitudinal slots forming elastic petals, the rubber shell is made in the form of a double-sided cladding Asa, including in the slots, while the power drive is made in the form of a cylinder connected to the frame with channels for access to the annulus, a glass installed in the channel area, a piston with a rod, while the cylinder is attached to the housing with the condition of providing the degree of freedom to the frame in the axial direction when it deforms from the pressure of the borehole fluid in the annulus and has the ability to exit into the tubing above the piston to supply high-pressure fluid to the rubber sheath and under the stem A pressure collection rubber sheath.

Images