Способ и система для уменьшения локальных напряжений в трубчатых элементах (варианты)

Изобретение относится к трубопроводным сетям и может быть использовано в скважинах. Способ уменьшения влияния локальной внешней нагрузки на трубчатый элемент заключается в формировании трубчатого элемента с наружным слоем и внутренним слоем, расположенным радиально внутрь относительно наружного слоя, и размещении между внутренним слоем и наружным слоем распределяющего усилие материала, имеющего большую податливость по сравнению с внутренним слоем, для распределения локального наружного сдвигающего усилия, воздействующего на трубчатый элемент, при этом в качестве распределяющего усилие материала может быть использована сжимаемая текучая среда или сжимаемый гель, а наружный слой может быть сформирован из полимерного материала, из металлической фольги в сочетании с неорганическим слоем или из композитного материала. Система распределяет локальное напряжение, воздействующее на трубчатый элемент. Податливый характер наружного слоя вызывает его деформацию относительно распределяющего усилие материала под воздействием концентрированной внешней нагрузки. Наружный податливый слой и распределяющий усилие материал взаимодействуют с целью изоляции и защиты внутреннего слоя от смещений окружающего подземного материала. Технический результат - уменьшение локальных напряжений в трубчатых элементах. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и системе для уменьшения локальных напряжений в трубчатых элементах.

Во многих случаях применения скважин возможно развитие концентрации напряжений или диполя напряжений, связанного с зональным сдвигом, сжатием резервуара, размещением набивок гравийного фильтра, перекрытием хвостовика, пустотами в цементе и другими факторами, связанным с окружающей средой. Концентрация напряжений может вызвать потерю круглой формы и разрушения при сдвиге трубных компонентов, например обсадных труб, буровых труб и насосно-компрессорных колонн, применяемых в скважинах. В некоторых резервуарах и перекрывающей породе зональный сдвиг и/или перемещения породы или формации могут произойти в результате производственных процессов или слабых сейсмических событий. Поперечное смещение подземного материала может вызвать локальные концентрации напряжения, которые ведут к разрушениям при сдвиге.

В других связанных с применением скважин условиях сжатие резервуара может привести к повреждениям обсадных труб в форме натяжения, вспучивания, сплющивания и среза. Механизм разрушения при сдвиге может произойти как локальная деформация обсадных труб на очень коротких отрезках. Например, стволы скважин, пробуренные сквозь пласт глинистого сланца, могут подвергнуться воздействию горизонтального смещения этого пласта, когда соответствующие резервуары подвергаются вертикальному сжатию/оседанию на несколько футов. Разрушение при сдвиге обсадной трубы обычно вызывается смещением толщи породы вдоль плоскостей напластования или вдоль более круто наклоненных поверхностей сброса. Механизмы деформации обсадных труб включают в себя локальный горизонтальный сдвиг на слабых литологических поверхностях раздела внутри перекрывающей породы, локальный горизонтальный сдвиг на верху продуктивного и нагнетательного горизонта и вспучивание обсадных труб в пределах производственного горизонта, например рядом с отверстиями в обсадной трубе. Эти виды разрушений являются дорогостоящими и могут помешать или даже прервать эксплуатацию скважины.

Целью настоящего изобретения является создание системы и способа для уменьшения локальных напряжений в трубчатых элементах.

Согласно изобретению создан способ уменьшения влияния локальной внешней нагрузки на трубчатый элемент, при котором формируют трубчатый элемент с наружным слоем и внутренним слоем, расположенным радиально внутрь относительно наружного слоя, и размещают между внутренним слоем и наружным слоем распределяющий усилие материал, имеющий большую податливость по сравнению с внутренним слоем, для распределения локального наружного сдвигающего усилия, воздействующего на трубчатый элемент.

При осуществлении способа можно формировать наружный слой из материала, имеющего большую податливость, чем внутренний слой.

При осуществлении способа можно формировать наружный слой из полимерного материала, металлической фольги в сочетании с неорганическим слоем, из композитного материала.

В качестве распределяющего усилие материала можно использовать сжимаемую текучую среду или сжимаемый гель.

Согласно изобретению создан способ формирования трубчатого элемента, способного ослабить локальное напряжение, при котором формируют внутренний слой, окружают, по меньшей мере, частично внутренний слой распределяющим усилие материалом, охватывают указанный материал податливым наружным слоем и присоединяют наружный слой к внутреннему слою.

При осуществлении способа можно формировать распределяющий усилие материал с жидкостью и с газом, с гелем, по меньшей мере, частично в виде вспененного материала, с распределенными в нем наночастицами или с газовой камерой.

При осуществлении способа можно формировать наружный слой из полимерного материала или композитного материала.

Согласно изобретению создана система для уменьшения локального напряжения в трубчатом элементе, содержащая трубчатый элемент, имеющий внутренний слой и наружный слой, более податливый чем внутренний слой, и распределяющий усилие материал, размещенный в радиальном направлении между внутренним слоем и наружным слоем для распределения концентрированной внешней нагрузки, воздействующей на наружный слой.

Распределяющий усилие материал может быть жидкостью или гелем.

Трубчатый элемент может представлять собой обсадную трубу.

Согласно изобретению создан способ уменьшения локального напряжения в скважинном трубчатом элементе, при котором размещают трубчатый элемент в стволе скважины и распределяют сдвигающие; усилия, воздействующие на трубчатый элемент, посредством размещения распределяющего усилие материала в стенке трубчатого элемента между внутренним слоем и податливым наружным слоем.

При осуществлении способа в качестве распределяющего усилие материала можно использовать сжимаемую текучую среду или сжимаемый гель.

Некоторые варианты реализации изобретения будут описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 изображает вид спереди трубчатого элемента, расположенного в подземной среде и подвергнутого воздействию локальной нагрузки, согласно варианту реализации настоящего изобретения;

фиг.2 изображает вид в поперечном разрезе варианта реализации трубчатого элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг.3 показан аксиальный вид в поперечном разрезе участка стенки трубчатого элемента, показанного на фиг.2, согласно варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг.4 показан аксиальный вид в поперечном разрезе другого варианта реализации трубчатого элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг.5 показан аксиальный вид в поперечном разрезе еще одного варианта реализации трубчатого элемента согласно варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг.6 показан аксиальный вид в поперечном разрезе еще одного варианта реализации трубчатого элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг.7 показан аксиальный вид в поперечном разрезе еще одного варианта реализации трубчатого элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг.8 показан аксиальный вид в поперечном разрезе трубчатого элемента, имеющего участок с контролируемым вспучиванием согласно варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг.9 показан аксиальный вид в поперечном разрезе еще одного варианта реализации трубчатого элемента согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

В следующем описании приведены многочисленные детали, обеспечивающие понимание настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники понятно, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике без этих деталей и что существует возможность многочисленных изменений или модификаций описанных вариантов реализаций.

Настоящее изобретение относится в общем к способу и системе ослабления локальных напряжений в трубных элементах. Трубчатый элемент, такой как обсадная труба, буровая колонна, набивка гравийного фильтра, заглубленный трубопровод или другие подземные установки использует распределяющие усилие элементы, которые, способны распространять или перераспределять концентрированные нагрузки, воздействующие на трубчатый элемент. Распределяющие усилие элементы наружного слоя предназначены для независимого подчинения и деформации под влиянием концентрированных нагрузок с целью изолирования и защиты внутренней цилиндрической формы от концентрированной нагрузки. Способ и система особенно подходят для использования в условиях, которым присущи нагрузки смещения, но обеспечивают также защиту от продольных смещений. При использовании в скважинах, например, уменьшается вероятность сплющивания и/или вспучивания трубчатого элемента из-за оседания, и уменьшается также возможность повреждения из-за нагрузок смещения.

Способ и система для уменьшения эффекта локальной нагрузки особенно применимы в различных условиях, существующих в скважинах, и обеспечивают защиту от зонального сдвига, перемещения формаций, смещения пластов глинистых сланцев и других подземных перемещений пород, которые случаются в резервуарах и перекрывающей породе. Однако уникальный подход, описанный здесь, может быть использован с трубами, применяемыми в разных областях и средах, включая заглубленные трубопроводы или другие трубные подземные установки.

На фиг.1 показан один вариант реализации системы 20, расположенной в подземной среде с трубчатым элементом 22, который изготовлен согласно варианту реализации настоящего изобретения. В этом варианте трубчатый элемент 22 размещен в стволе скважины 24 и образует часть колонны 26 труб в скважине, помещенных в стволе скважины 24 ниже устья 28 скважины. Ствол 24 скважины пробурен в подземной области 30, которая может содержать перекрывающие породы, один или несколько пластов, добываемые текучие среды и другие геологические признаки. Тип применяемого трубчатого элемента 22 будет варьироваться от одной области применения до другой. Показанный трубчатый элемент 22 представляет собой, например, обсадную трубу, отрезок бурильной колонны, набивку гравийного фильтра, отрезок подземного трубопровода или другой трубчатый элемент, который может подвергнуться концентрированной нагрузке.

Трубчатый элемент 22 приспособлен для распространения, т.е. перераспределения, концентрированных усилий нагрузки, воздействующих на трубчатый элемент, как показано стрелками 32 и 34. В данном варианте стрелка 34 изображает усилие, действующее в направлении, противоположном усилиям, представленным стрелками 32. Эти противоположные усилия, вызванные относительным смещением областей 30 и 31, создают усилие сдвига, действующее на трубчатый элемент 22. В обычных трубных конструкциях такие нагрузки сдвига могут повредить или уничтожить функциональные возможности трубной конструкции. Однако, благодаря использованию податливого наружного слоя, который снижает силу воздействия усилий сдвига на внутреннюю трубу, трубчатый элемент 22 способен распространить эти локальные нагрузки вдоль трубчатого элемента таким образом, чтобы сохранить функциональные возможности системы 20.

В показанном на фиг.2 варианте реализации трубчатый элемент 22 содержит внутренний слой 36 и наружный слой 38, расположенный радиально снаружи внутреннего слоя 36. Податливость наружного слоя 38 обеспечивает существенную гибкость под концентрированной нагрузкой. В качестве примера, внутренний слой 36 может содержать стальной материал, а наружный слой 38 может содержать полимерный материал.

Распределяющий усилие материал 40 размещен радиально между внутренним слоем 36 и наружным слоем 38. Распределяющий усилие материал 40 является сжимаемым материалом, который взаимодействует с податливым наружным слоем 38 для перераспределения локальной нагрузки вдоль трубчатого элемента 22. Распределение усилия изолирует и защищает внутренний слой 36 от концентрированной нагрузки. В качестве примера, распределяющий усилие материал 40 может содержать сжимаемый гель или жидкость, заключенную в полости 42, такой как кольцевая полость, между внутренним слоем 36 и наружным слоем 38. Из-за значительной податливости наружного слоя 38 и его воздействия на гель или жидкость, находящиеся в полости 42, а также из-за способности внутреннего слоя 36 перемещаться независимо от наружного слоя 38, деформация, возникающая в слое 36, значительно меньше, чем в окружающем, локально сдвигающемся подземном материале.

Как показано в поперечном разрезе стенки трубчатого элемента на фиг.3, концентрированная внешняя нагрузка 34, воздействующая на трубчатый элемент 22, создает значительный локальный изгиб наружного слоя 38 по направлению внутрь. Изгибающийся наружный слой 38 воздействует на распределяющий усилие материал 40, который стремится распространить концентрированную нагрузку с преобразованием ее в распределенную нагрузку вдоль трубчатого элемента 22 и особенно вдоль внутреннего слоя 36, как представлено стрелками 44. Несмотря на то, что поперечное перемещение окружающего пласта или другого подземного материала является значительным, эти перемещения сталкиваются с серьезным сопротивлением за счет взаимодействия податливого наружного слоя 38 и распределяющего усилие материала 40 и за счет способности внутреннего слоя 36 свободно перемещаться относительно наружного слоя 38. В связи с этим изгиб и деформация внутреннего слоя 36 являются минимальными.

Наружный слой 38 может быть соединен с внутренним слоем 36 для закрытия и герметизации полости 42, как показано на фиг.4. В общем длина полости 42 в продольном направлении меньше, чем длина внутреннего слоя 36. Однако толщина и радиальное положение полости 42 могут быть оптимизированы согласно конкретной области применения. Кроме того, для соответствия многим применениям и условиям окружающей среды могут быть использованы разнообразные распределяющие усилие материалы 40. Например, распределяющий усилие материал 40 может содержать сжимаемый, не являющийся твердыми материал, заключенный в полости 42 способом, позволяющим перераспределять нагрузки. Во многих областях применения формирование распределяющего усилие материала 40, как сжимаемого материала, позволяет избежать возникновения избыточного давления в системе и возможного разрушения, связанного, например, с колебаниями температуры в процессе производства. Степень сжимаемости можно регулировать, основываясь на различных параметрах, включая ожидаемый рабочий диапазон температур.

В варианте реализации, проиллюстрированном на фиг.4, сжимаемый, не являющийся твердым материал содержит жидкий или гелеобразный материал 46, сжимаемость которого может быть повышена за счет введения в полость 42 газа 48. В одном варианте реализации газ 48 заключен внутри газовой камеры 50 в жидкости или геле 46. В качестве примера камера 50 может быть образована между двумя непроницаемыми мембранами 52, подверженными разрушению и/или легкой деформации при повышении давления текучей среды.

В других областях применения газ 48 может быть введен в полость 42 путем растворения ограниченного количества газа в жидкости или геле 46, как показано на фиг.5. Кроме того, в жидкость или гель 46 могут быть внесены наночастицы 54 для изменения реологических свойств жидкой фазы. Реологические свойства могут быть модифицированы, например, с целью повышения вязкости для изменения сопротивления течению и для повышения максимальной температурной стабильности. Примерами наночастиц могут служить дисульфид молибдена, графит и глинистые частицы, имеющие наноразмеры, например иллит и каолинит. В некоторых областях применения частицы выбирают таким образом, чтобы взаимодействия между частицами позволяли получить распределяющий усилие материал 40 в форме геля.

Распределяющий усилие материал 40 может также составлен с ньютоновской жидкостью. В других областях применения ньютоновская жидкость комбинируется с инертными твердыми веществами, причем комбинирование может быть выполнено способом, позволяющим получить пульпу. Примеры подходящих жидкостей включают в себя фтороуглеродистые масла и консистентные смазки и силиконовые масла.

Сжимаемость может также быть достигнута путем вспенивания всей или части жидкости или геля или формирования иным образом распределяющего усилие материала 40, как вспененного слоя. Слои пены могут быть неорганическими или органическими по характеру и обеспечивать гибкость при сохранении стабильности при температуре. Газ, захваченный слоем пены, повышает сжимаемость слоя, в то время как непрерывный характер среды обеспечивает передачу давления в стороны в случае, когда коэффициент Пуассона близок к 0,5.

Наружный слой 38 является по существу более податлив, чем внутренний слой 36, и располагается рядом с распределяющим усилие материалом 40. Таким образом, когда локальная нагрузка приложена к наружному слою 38, податливый материал наружного слоя 38 прогибается и взаимодействует с распределяющим усилие материалом 40 для эффективного преобразования концентрированного напряжения в управляемую, распределенную нагрузку вдоль значительной длины трубчатого элемента 22. Как показано выше, наружный слой 38 может быть выполнен из полимерного материала. Полимерный материал может относится к ряду от, например, эластомеров до гибких пластмасс с низкими модулями (см. фиг.4). В других областях применения наружный слой 38 может быть выполнен как композитный слой 56, как показано на фиг.6 и 7.

На фиг.6, например, наружный слой 38 содержит гибкий металлический слой 58. Металлические слои могут использоваться, когда толщина металлической стенки достаточно мала для легкой деформации без разрушения. Например, металлический слой 58 может иметь форму металлической фольги в сочетании с неорганическим слоем 60, таким как материал на основе глины или цемента. В других вариантах реализации композитный слой 56 может быть образован путем добавления материалов-наполнителей 61, как показано на фиг.7. Примерами материалов-наполнителей 61 могут служить частицы и волокна на основе минералов или металлов. Материалы-наполнители 61 могут быть внесены в различные базовые материалы 62, к которым может относиться ряд полимерных и других податливых материалов. Например, наружный слой 38, сформированный как однородный слой или композитный слой, может содержать силикон, эпоксид, полиалкилен, полиуретан и другие материалы, по отдельности или в различных сочетаниях.

В показанном на фиг.8 варианте реализации внутренний слой 36 предназначен для обеспечения контролируемого разрушения из-за вспучивания трубчатого элемента 22. Вспучивание может быть вызвано оседанием породы или другими подземными перемещениями. Для восприятия нагрузки такого типа трубчатый элемент 22 содержит область 64 контролируемого вспучивания с целью гарантировать вспучивание трубчатого элемента 22 радиально в наружном направлении. Область вспучивания 64 может быть образована локальным участком 66 с более тонкой стенкой и/или путем изготовления трубчатого элемента с выпуклостью 68 в наружном направлении в нужном месте с целью минимизации опасности закупоривания трубчатого элемента. Тонкостенный участок 66 и выпуклость 68 могут быть использованы по отдельности или в сочетании как механизмы, позволяющие гарантировать контролируемое вспучивание в случае разрушения со вспучиванием трубчатого элемента 22.

В другом варианте реализации податливый наружный слой 38 содержит разбухающий материал 70, расположенный вдоль наружной поверхности подслоя 72, который может содержать полимерный материал, композитный материал или другой подходящий материал, такой как описанные выше. В качестве примера на подслой 72 может быть нанесен разбухающий материал 70. Способность материала 70 к разбуханию может быть включена за счет контакта с определенным спусковым реагентом, таким как рассол, нефть или газ. В некоторых областях применения может использоваться смешанный податливый слой 38, содержащий разбухающий материал. Вне зависимости от этого разбухание разбухающего материала 70 полезно при осуществлении эффективной зональной изоляции в областях, подверженных перемещению подслоя формации, такого как перемещение слоев глинистого сланца.

Структура трубчатого элемента 22 определяется в соответствии с его применением и средой, в которой расположен трубчатый элемент. Кроме того, трубчатый элемент 22 может быть использован как все трубное устройство или же как часть более крупной трубной системы. Например, трубчатый элемент 22 или трубные элементы 22 могут быть использованы в подземных трубопроводах или в скважинах в тех областях, которые в особенности подвержены локальной нагрузке. Разнообразное каротажное оборудование и другие виды приборов могут быть использованы для выбора подходящих участков скважины или другого подземного региона, в которых можно использовать распределяющие усилие трубные элементы 22. В скважинах, например, трубчатый элемент 22 может образовать часть всей обсадной трубы или буровой колонны. В других областях применения определенный трубчатый элемент, такой как набивка гравийного фильтра, может быть выполнен как трубчатый элемент 22 с подходящим податливым слоем и распределяющим усилие материалом.

Соответственно, хотя выше были описаны лишь немногие варианты реализации настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут возможность выполнения многочисленных модификаций без значительного отклонения от положений настоящего изобретения. Такие модификации должны быть включены в объем изобретения, определяемый формулой изобретения.

1. Способ уменьшения влияния локальной внешней нагрузки на трубчатый элемент, при котором формируют трубчатый элемент с наружным слоем и внутренним слоем, расположенным радиально внутрь относительно наружного слоя, и размещают между внутренним слоем и наружным слоем распределяющий усилие материал, имеющий большую податливость по сравнению с внутренним слоем, для распределения локального наружного сдвигающего усилия, воздействующего на трубчатый элемент.

2. Способ по п.1, в котором формируют наружный слой из материала, имеющего большую податливость, чем внутренний слой.

3. Способ по п.2, в котором формируют наружный слой из полимерного материала.

4. Способ по п.2, в котором формируют наружный слой из металлической фольги в сочетании с неорганическим слоем.

5. Способ по п.2, в котором формируют наружный слой из композитного материала.

6. Способ по п.1, в котором в качестве распределяющего усилие материала используют сжимаемую текучую среду.

7. Способ по п.1, в котором в качестве распределяющего усилие материала используют сжимаемый гель.

8. Способ формирования трубчатого элемента, способного ослабить локальное напряжение, при котором формируют внутренний слой, окружают, по меньшей мере, частично внутренний слой распределяющим усилие материалом, охватывают указанный материал податливым наружным слоем и присоединяют наружный слой к внутреннему слою.

9. Способ по п.8, в котором формируют распределяющий усилие материал с жидкостью и с газом.

10. Способ по п.8, в котором формируют распределяющий усилие материал с гелем.

11. Способ по п.8, в котором формируют распределяющий усилие материал, по меньшей мере, частично в виде вспененного материала.

12. Способ по п.8, в котором формируют распределяющий усилие материал с распределенными в нем наночастицами.

13. Способ по п.8, в котором формируют распределяющий усилие материал с газовой камерой.

14. Способ по п.8, в котором формируют наружный слой из полимерного материала.

15. Способ по п.8, в котором формируют наружный слой из композитного материала.

16. Система для уменьшения локального напряжения в трубчатом элементе, содержащая трубчатый элемент, имеющий внутренний слой и наружный слой, более податливый, чем внутренний слой, и распределяющий усилие материал, размещенный в радиальном направлении между внутренним слоем и наружным слоем для распределения концентрированной внешней нагрузки, воздействующей на наружный слой.

17. Система по п.16, в которой распределяющий усилие материал является жидкостью.

18. Система по п.16, в которой распределяющий усилие материал является гелем.

19. Система по п.16, в которой трубчатый элемент является обсадной трубой.

20. Способ уменьшения локального напряжения в скважинном трубчатом элементе, при котором размещают трубчатый элемент в стволе скважины и распределяют сдвигающие усилия, воздействующие на трубчатый элемент, посредством размещения распределяющего усилие материала в стенке трубного элемента между внутренним слоем и податливым наружным слоем.

21. Способ по п.20, в котором в качестве распределяющего усилие материала используют сжимаемую текучую среду.

22. Способ по п.20, в котором в качестве распределяющего усилие материала используют сжимаемый гель.