Устройство, выполняющее функцию пакера или временной пробки

Изобретение относится к области геофизических методов исследования скважин и может быть использовано при герметизации прискважинного пласта в процессе проведения каротажных исследований. Сущность: устройство содержит корпус, выполненный трансформируемым, в котором расположено средство, препятствующее прохождению жидкости. Указанное средство представляет собой слой волокон, выполненных из органических или природных полимеров и/или стекловолокна. Средство дополнительно содержит элемент, предназначенный для сбора волокон, изготовленный из проницаемой ткани, сетки или перфорированного материала. Также корпус содержит средство, обеспечивающее расширение корпуса в скважине, представляющее собой подпружиненный или зонтиковый механизм. При этом корпус выполнен из материалов, по меньшей мере, малорастворимых в скважинной жидкости. Технический результат: упрощение технологии размещения пакера в скважине. 16 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области геофизических методов исследования, а именно геофизических способов исследования скважин, и может быть использовано при герметизации прискважинного пласта в процессе проведения каротажных исследований.

Известен (RU, патент 2018631) тампон для изоляции зоны поглощения при бурении скважин, содержащий ленточно-нитевидный наполнитель, разбуриваемый груз, выполненный с возможностью его размещения в стволе скважины в рабочем положении, а ленточно-нитевидный наполнитель выполнен в виде пучка с возможностью его расправления в потоке тампонажного раствора, при этом один из концов пучка ленточно-нитевидного наполнителя жестко связан с разбуриваемым грузом.

Недостатком известного тампона следует признать сложность его конструкции, а также сложность установки тампона в скважине.

Известен (RU, патент 2049909) тампон для изоляции зоны поглощения при бурении скважины, содержащий ленточно-нитевидные наполнители различной плотности и груз из разбуриваемого материала, при этом наполнители содержат разноразмерные ленточные лоскуты и выполнены в виде пучка, один из концов которого жестко связан с торцевой частью груза, причем наполнители с плотностью меньше 1 г/см³ связаны с центральной частью груза, а наполнители с плотностью больше 1 г/см³ с периферийной частью груза.

Недостатком известного тампона следует признать сложность его конструкции.

Известна («Геофизические методы исследования скважин», М., «Недра», 1983, стр. 32) конструкция пакера, содержащего трансформируемый корпус, причем в корпусе размещено средство, препятствующее прохождению жидкости, представляющее собой слой волокон, выполненных из выполненных из органических полимеров и/или стекловолокна, причем корпус выполнен из материалов, по меньшей мере, малорастворимых в скважинной жидкости.

Недостатком известного пакера следует признать сложность размещения его в скважине.

Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции, состоит в упрощении технологии размещения пакера в скважине при одновременном уменьшении его себестоимости.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство, выполняющее функцию пакера или временной пробки, содержащее корпус, в котором расположено средство, препятствующее прохождению жидкости, представляющее собой слой волокон, выполненных из органических или природных полимеров, и/или стекловолокна, корпус выполнен трансформируемым, причем средство, препятствующее прохождению жидкости, дополнительно содержит элемент, предназначенный для сбора волокон, изготовленный из проницаемой ткани, сетки или перфорированного материала, при этом корпус дополнительно содержит средство, обеспечивающее расширение корпуса в скважине, представляющее собой подпружиненный или зонтиковый механизм, из материалов, по меньшей мере, малорастворимых в скважинной жидкости. В предпочтительном варианте при реализации устройства корпус выполняют как единое целое с возможностью расширения в стволе скважины. Это облегчает процесс помещения устройства в скважину. В случае выполнения корпуса как единого целого в наиболее предпочтительном варианте реализации устройство дополнительно содержит средство, обеспечивающее расширение корпуса в скважине, представляющее собой подпружиненный, гофрированно-шарнирный или шарнирный зонтиковый механизмы (подобные устройства рассмотрены в патенте США 6,915,845).

В одном из вариантов реализации устройства может быть использована винтовая (спиральная) пружина, в том числе, и в случае, когда концы пружины соединены между собой. После того как указанное устройство помещают в зону создания пакера или временной пробки, его активируют посредством действия пружины или шарнирного зонтикового механизма, что обеспечивает раскрытие корпуса устройства. В частности, активация устройства может быть обеспечена разрушением средства, удерживающего пружину или шарнирный механизм в сжатой форме. Разрушение возможно, в частности, за счет воздействия скважинной жидкости на указанное средство удержания. Устройство также может дополнительно содержать защитный чехол, предохраняющий его при спуске в бурильной колонне, размещенной в скважине. Указанный чехол предпочтительно выполнен из легко разрушаемого материала, причем при размещении устройства в месте установления временной пробки или пакера чехол механически или химически разрушают. При этом корпус устройства приобретает способность улавливать волокна из вышерасположенного столба жидкости. В предпочтительном варианте реализации корпус представляет собой проволочный шар или открытое сверху тело вращения. Тело вращения может иметь в продольном сечении форму треугольника, в том числе и со скругленным углом, а также полуовала или полуокружности. На верхней поверхности корпуса может быть дополнительно расположен элемент, изготовленный из проницаемой ткани, сетки или перфорированного материала и предназначенный для сбора волокон. Наличие указанного элемента позволяет более полно собрать на поверхности корпуса опускающиеся под действием сил гравитации волокна. Элементы корпуса могут быть выполнены из материала, обладающего эффектом памяти. Это позволит, изменяя температуру скважинкой жидкости, изменять форму корпуса.

Также, корпус может быть выполнен из материала, способного к разрушению в условиях скважины. В частности, элементы, составляющие корпус, могут быть, по меньшей мере, частично выполнены из поли-оксипропионовой кислоты, полигликолевой кислоты, полиэтилентерефталата, полиамидов, полиуретанов или смеси этих материалов. Кроме того, корпус может быть выполнен, по меньшей мере, частично из материала, способного вступать в реакцию с продуктами разложения волокон и/или, по меньшей мере, частично, из материалов, разлагаемых жидкостью для промывки скважины (в частности, из алюминия или магния, а также их сплавов). Все это позволяет при необходимости легко удалить пакер или временную пробку путем удаления (растворения) корпуса.

Кроме того, корпус может быть выполнен из раздельно погружаемых в скважину элементов, образующих в скважине указанный корпус. В этом случае элементы могут представлять собой волокна с липкими поверхностями и/или волокна, соединяющиеся между собой за счет физического (магнитного или электростатического) взаимодействия.

Волокна, входящие в состав средства, препятствующего прохождению жидкости, предпочтительно могут быть выполнены из полиоксипропионовой кислоты, полигликолевой кислоты и стекловолокна. Указанное средство, препятствующее прохождению жидкости, может дополнительно содержать набухающие частицы, набухающие волокна, а также армирующие волокна. Также средство, препятствующее прохождению жидкости, может дополнительно содержать материалы, способствующие набуханию или отверждению волокон посредством образования химических связей внутри волокон. В дальнейшем сущность изобретения будет раскрыта более подробно.

Первоначально в скважину вводят гибкую или эксплутационную НКТ, бурильную колонну, ремонтную колонну, скользящую муфту и т.д. Через указанные элементы в скважину опускают корпус устройства, выполненный в виде упакованного в чехол и деформированного каркаса, выполненного из металла, эластомера или пластика (в частности, из группы полимеров типа полиоксипропионовой кислоты, полиэтилтетрафталата, полиамидов, полиимидов, полиарамидов, полифенолов). Устройство доставляют на место установки пакера под давлением через НКТ (или в гибкую НКТ, буровую колонну, ремонтную колонну или иную колонну). В другом варианте реализации корпус опускают на тросе или на вспомогательном канате до места его активации. Для предотвращения преждевременного срабатывания и для механической защиты на пути к намеченной точке, корпус помещают в защитный чехол. Указанный чехол может быть выполнен из магния, алюминия или пластмассы (то есть материалов, растворимых в кислотных растворах, сильных щелочных растворах, химически активных растворах или из материалов, медленно растворяющихся в скважинной жидкости). В другом варианте, чехол может быть раскрыт с использованием пружинно-спускового механизма или при механическом контакте с концом гибкой НКТ. После размещения корпуса в месте установки пакера или временной пробки и/или растворения чехла присходит процесс активации корпуса. Раскрывшийся корпус упирается в стену скважины, что фиксирует положение в скважине пакера или пакер-пробки. Метод активации корпуса зависит от способа его доставки в скважину. Корпус может быть активирован с использованием пружинно-спускового механизма, газового наполнения, электрического инструмента, механической манипуляции концом гибкой НКТ, гладкой проволоки, спусковой колонны, или электромагнитного механизма. Также корпус может быть собран в скважине из более мелких элементов (стержни, клейкие волокна, гибкие или подпружиненные элементы, намагниченные элементы со способностью к самосборке (подобно процессу формирования намывного фильтра).

После активации корпуса через него прокачивают определенное количество бурового раствора со взвесью волокон. Корпус покрывается волокнами и образуется плотная упаковка, которая препятствует прохождению скважной жидкости, то есть образуется пакер или пакер-пробка, изолирующая нужный участок ствола скважины. В зависисти от выбора материала для формирования этого устройства в стволе скважины, можно получить временную пробку (сложенную из материалов, подверженных разрушению) или постоянную пробку (созданную из долговечных материалов).

Материалом волокна может быть стекло, полимерные вещества (полиэтилтетрафталат, полимер оксипропионовой кислоты, полиамиды, полиарамиды, целлюлоза и иные полимеры или гомо- или сополимеры). Обычно волокна закачивают в скважину через ремонтную колонну. Конкретный размер волокон определен тремя условиями: первое - возможность введения волокон в буровую жидкость в наземных агрегатах, второе - возможность прокачки полученной суспензии через оборудование к нужному уровню, третье - способность волокон накапливаться на устройстве с образованием пробки. Обычный размер волокн - от 3 до 50 мм, но лучше выбирать длину в интервале 3 мм - 18 мм. Диаметр таких волокн составляет от 3 мкм до 1 мм. Условия прокачки выбирают так, чтобы указанные волокна накапливались на корпусе и образовывали плотную пробку. Из-за повышения трения образованный пакер/пробка плотнее прижимается к стенке ствола скважины, частично это достигается благодаря взаимодействию этих волокн с поверностью ствола скважины.

Если необходимо создать временную пробку/пакер, то выбор материала зависит от его способности к разрушению в скважной жидкости. Хороший пример такого материала - волокна, полученные из полимера оксипропионовой кислоты. Полиэтилентерфталатная кислота хорошо работает при высоких температурах. Чтобы ускорить удаление временного пакера, используют кислотную промывку (смесь минеральных и органческих кислот) или щелочную промывку из гидроксида натрия, которые закачивают в ствол скважины.

Для создания постоянной пробки/пакера нужно использовать термоустойчивые волокна. Хороший пример - стекловолокно или волкна «новолоид». Для создания временных или постоянных пробок можно использовать комбинации указанных волокон или добавлять материалы, которые улучшают параметры пробки или пакера. К примеру, стекловолокно обычно имеет высокое значение модуля Юнга, следовательно, стекловолокно оказывается более механически прочным для условий применения в скважине, чем волокна из полимеров с тем же диаметром (полиэтилтетрафталат или полимер оксипропионовой кислоты).

В частности, стекловолокно обычно легко захватывается и накапливается на раскрывшемся каркасе устройства, но более мягкий материал из оксипропионовой кислоты лучше поддается дефоромации и способствует более плотному закупориванию канала под давлением.

Применение предлагаемого технического решения позволяет достигнуть следующие преимущества.

Для многих скважинных операций требуется провести изоляцию одной или нескольких зон в скважине или трубе. Иногда изоляция играет только вторичную роль - она нужна, чтобы облегчить задачу выполнения другой скважинной операции, а затем временная пробка должна быть удалена. То есть, сначала изолируют одну секцию скважины, потом выполняют основную операцию, а затем временную пробку, которая обеспечивала изоляцию, удаляют. Во многих случаях создание или удаление запирающего устройства, пакер-пробки или пакера требует неоднократного использования троса, проводки, гибкой НКТ, эксплутационной колонны или буровой трубы.

Данное изобретение показывает, как постоянная или временная пакер-пробка или пакер может быть создана в самой скважине (in situ) с применением волокнистых материалов. Данное изобретение показывает, что при надлежащем выборе корпуса и его геометрии, необходимые пробки из волоконных материалов могут быть созданы в скважине с использованием стандартных скважных инструментов.

1. Устройство, выполняющее функцию пакера или временной пробки, содержащее корпус, в котором расположено средство, препятствующее прохождению жидкости, представляющее собой слой волокон, выполненных из органических или природных полимеров, и/или стекловолокна, корпус выполнен трансформируемым, причем средство, препятствующее прохождению жидкости, дополнительно содержит элемент, предназначенный для сбора волокон, изготовленный из проницаемой ткани, сетки или перфорированного материала, при этом корпус дополнительно содержит средство, обеспечивающее расширение корпуса в скважине, представляющее собой подпружиненный или зонтиковый механизм, корпус выполнен из материалов, по меньшей мере, малорастворимых в скважинной жидкости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит механизм с винтовой пружиной.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что концы винтовой пружины соединены между собой.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус представляет собой открытое сверху тело вращения.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит защитный чехол, предохраняющий его при спуске в бурильной колонне, размещенной в скважине.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из материала, обладающего эффектом памяти.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено из элементов, раздельно погружаемых или подаваемых под давлением в скважину, образующих в скважине каркас для улавливания волокон.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что эти элементы способны к самосборке или самосклеиванию в стволе скважины или в корпусе.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из материала, способного к разрушению и распаду в условиях скважины.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что корпус выполнен, по меньшей мере, частично из полиоксипропионовой кислоты, полигликолевой кислоты, полиэтилентерефталата, полиамидов, полиимидов, полиуретанов или смеси этих материалов.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что корпус выполнен, по меньшей мере, частично из материала, способного вступать в реакцию с продуктами разложения волокон.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что корпус выполнен, по меньшей мере, частично из материалов, разлагаемых жидкостью для промывки скважины.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено из алюминия, магния и их сплавов, а также смеси смол, полиимидов, и заполнено композициями указанных полимеров.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волокна выполнены из полиоксипропионовой кислоты, полигликолевой кислоты, полиэтилентерефталата, полиамидов, целлюлозы или стекловолокна.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство, препятствующее прохождению жидкости, дополнительно содержит набухающие частицы и/или набухающие волокна.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство, препятствующее прохождению жидкости, дополнительно содержит армирующие волокна.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство, препятствующее прохождению жидкости, дополнительно содержит материалы, способствующие отверждению волокон посредством образования химических связей внутри волокон.