Способ образования кольцевого барьера в подземной скважине, способ изготовления скважинного пакера и конструкция скважинного пакера

Группа изобретений относится к применяемому в подземных скважинах оборудованию и работам, проводимым в них, и, в частности, к конструкции набухающего пакера. Обеспечивает повышенную жесткость узла уплотнения, технологичность сборки, исключается необходимость изготовления и хранения запасов отдельных конструкций пакеров для каждой отличающейся конфигурации основной трубы. Способ образования кольцевого барьера в подземной скважине включает в себя формирование продольной щели в армирующем материале, введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения и набухание материала уплотнения при его контакте со скважинной текучей средой. Способ изготовления скважинного пакера включает в себя формирование продольной щели в армирующем материале, введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения и дальнейшую установку узла уплотнения на основную трубу. Конструкция набухающего пакера содержит узел уплотнения, включающий в себя набухающий материал уплотнения с введенным в него армирующим материалом. Армирующий материал включает в себя продольную щель, проходящую на всю его длину. Материал уплотнения имеет цилиндрическую форму, расположен как снаружи, так и изнутри относительно армирующего материала, и способен набухать при контакте со скважинной текучей средой. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится, в общем, к применяемому в подземных скважинах оборудованию и работам, проводимым в них, и, в частности, к конструкции набухающего пакера.

Предшествующий уровень техники изобретения

Преимущества использования набухающих материалов уплотнения в скважинных пакерах известны. Например, типичные набухающие уплотнительные материалы могут прилегать к неровным поверхностям скважин (таким, как проржавевшая или поврежденная обсадная колонна или необсаженный ствол скважины, и т.п.) и могут расширяться радиально наружу без использования сложных и потенциально подверженных отказу механизмов на забое скважины.

Известные способы изготовления набухающих скважинных пакеров обычно включают связывание набухающего материала с основной трубой в процессе формования набухающего материала или другим способом. Основные трубы разной конфигурации используют для разных ситуаций, в которых, например, требуются разная прочность на растяжение, разные резьбовые соединения, разные материалы, и т.п.

Известен способ образования кольцевого барьера в подземной скважине, содержащий введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения и набухание материала уплотнения при его контакте с текучей средой в подземной скважине (см. патентную заявку США 20040020662 от 05.02.2004).

Известен способ изготовления скважинного пакера, содержащий введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения и последующая установку узла уплотнения на основную трубу (см. патентную заявку США 20040020662 от 05.02.2004).

Известна конструкция набухающего пакера, содержащая узел уплотнения включающий в себя набухающий материал уплотнения с введенным в него армирующим материалом, имеющий цилиндрическую форму, расположенный снаружи и изнутри относительно армирующего материала и способный набухать в скважине при контакте с текучей средой в скважине (см. патентную заявку США 20040020662 от 05.02.2004).

Известные способы изготовления набухающих скважинных пакеров требуют изготовления, хранения запасов, надлежащего распределения и т.п. деталей множества различных конфигураций. Это увеличивает стоимость снабжения отрасли требуемыми набухающими пакерами и уменьшает удобство использования набухающих пакеров.

В связи с вышеизложенным целью настоящего изобретения является усовершенствования конструкций набухающих пакеров.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создан способ образования кольцевого барьера в подземной скважине, содержащий следующие этапы:

формирование продольной щели в армирующем материале;

последующее введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения/набухание материала уплотнения при его контакте с текучей средой в подземной скважине.

Армирующий материал может быть металлическим материалом.

Армирующий материал может иметь форму муфты.

Способ может дополнительно содержать этапы установки узла уплотнения на основную трубу и расположения основной трубы в подземной скважине. Этап установки узла уплотнения на основную трубу может осуществляться посредством введения основной трубы в продольном направлении через внутренний канал узла уплотнения и выполняться после этапа введения армирующего материала в набухающий материал уплотнения. Этап установки узла уплотнения на основную трубу может осуществляться посредством введения основной трубы сбоку через продольную щель, выполненную в узле уплотнения и выполняться после этапа введения армирующего материала.

На этапе введения армирующего материала набухающий материал уплотнения может быть цилиндрическим и располагаться снаружи и изнутри относительно армирующего материала.

Набухающий материал уплотнения может контактировать с внешней поверхностью основной трубы по, по существу, всей длине узла уплотнения. Этап набухания материала уплотнения может дополнительно содержать уплотняющий контакт материала уплотнения с поверхностью скважины снаружи узла уплотнения и с наружной поверхностью основной трубы.

Согласно изобретению создан способ изготовления скважинного пакера, содержащий следующие этапы:

формирование продольной щели в армирующем материале;

последующее введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения;

последующая установка узла уплотнения на основную трубу, при этом армирующий материал обеспечивает закрепляющее усилие для прикрепления узла уплотнения к основной трубе.

Армирующий материал может быть металлическим материалом.

Армирующий материал может иметь форму муфты.

Этап установки узла уплотнения на основную трубу может осуществлять введением основной трубы в продольном направлении через внутренний канал узла уплотнения.

Этап установки узла уплотнения на основную трубу может осуществляться введением основной трубы сбоку через продольную щель, выполненную в узле уплотнения по всей длине.

На этапе введения армирующего материала набухающий материал уплотнения может быть цилиндрическим и располагаться снаружи и изнутри относительно армирующего материала.

Этап установки узла уплотнения на основную трубу может дополнительно содержать контакт материала уплотнения с основной трубой между противоположными концами узла уплотнения.

Согласно изобретению создана конструкция набухающего пакера, содержащая узел уплотнения, включающий в себя набухающий материал уплотнения с введенным в него армирующим материалом, имеющий цилиндрическую форму, расположенный снаружи и изнутри относительно армирующего материала и способный набухать в скважине при контакте с текучей средой в скважине, причем армирующий материал включает в себя продольную щель, проходящую на всю длину армирующего материала.

Конструкция пакера может дополнительно содержать основную трубу, и набухающий материал уплотнения предназначен для уплотняющего контакта с основной трубой.

Узел уплотнения может обеспечить введение основной трубы в продольном направлении во внутренний канал узла уплотнения.

Узел уплотнения может включать в себя продольную щель, обеспечивающую введение основной трубы сбоку через щель во внутреннее пространство узла уплотнения.

Набухающий материал уплотнения может уплотняющим образом контактировать с основной трубой на по существу всей длине узла уплотнения.

Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут наиболее понятными для специалиста в данной области техники из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления изобретения и прилагаемых чертежей, на которых одинаковые элементы на различных фигурах обозначены одинаковыми позициями.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан схематичный вид с частичным сечением системы скважины согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 показан схематичный вид сечения конструкции набухающего пакера, согласно настоящему изобретению.

На фиг.3-7 дополнительно показаны схематичные виды сечений в увеличенном масштабе конструкций различных технических средств для использования в конструкции пакера, показанного на фиг.2.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Следует понимать, что различные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные в данном документе, можно использовать с различной ориентацией, такой, как наклонная, перевернутая, горизонтальная, вертикальная и т.д., и в различных конфигурациях, не отходя от принципов настоящего изобретения. Варианты осуществления изобретения описаны только как примеры практического применения принципов изобретения, не ограниченные какими-либо конкретными деталями данных вариантов осуществления изобретения.

В следующем описании вариантов осуществления, представляющих изобретение, задающие направление термины, такие как «над», «под», «выше», «ниже» и т.д., используют для удобства при ссылке на прилагаемые чертежи. В общем, «над», «выше», «вверх» и аналогичные термины относятся к направлению к поверхности земли вдоль ствола скважины, и «под», «ниже», «вниз» и аналогичные термины относятся к направлению от поверхности земли вдоль ствола скважины.

На фиг.1 показана скважинная система 10 согласно настоящему изобретению. В системе 10 трубная колонна 12 (такая, как эксплуатационная колонна насосно-компрессорной трубы, колонна хвостовика, и т.п.) установлена в стволе 14 скважины. Ствол 14 скважины может быть полностью или частично обсажен (как показано, обсадной колонной 16 в верхней части фиг.1), и/или ствол скважины может быть полностью или частично не обсажен (как показано в нижней части фиг.1).

Между трубной колонной 12 и обсадной колонной 16 выполнен кольцевой барьер посредством набухающего пакера 18. Другой кольцевой барьер выполнен между трубной колонной 12 и необсаженным стволом 14 скважины посредством другого набухающего пакера 20.

Вместе с тем, следует ясно понимать, что пакеры 18, 20 являются только двумя вариантами практического использования настоящего изобретения. Можно сконструировать другие типы пакеров и можно выполнить кольцевые барьеры другого типа без отхода от принципов изобретения.

Например, кольцевой барьер может быть выполнен в соединении с насосно-компрессорной трубой, хвостовиком или подвеской обсадной колонны, пакер может включать или не включать в себя анкерное устройство для крепления трубной колонны, мостовая пробка или пробка другого типа может включать в себя кольцевой барьер и т.п. Таким образом, изобретение не является никоим образом ограниченным деталями системы 10, описанной в данном документе.

Каждый из пакеров 18, 20 включает в себя узел уплотнения с набухающим уплотняющим материалом, который набухает при контакте с соответствующей скважинной текучей средой. Термин «набухать» и аналогичные термины (такие как «набухающий») используются в данном документе для указания на увеличение в объеме материала уплотнения. Обычно данное увеличение в объеме имеет место вследствие внедрения молекулярных компонентов скважинной текучей среды в сам материал уплотнения, но и другие механизмы набухания или технологии можно использовать, если необходимо.

Когда материал уплотнения набухает в системе 10, он расширяется радиально наружу, контактируя с внутренней поверхностью обсадной колонны 16 (в случае пакера 18) или внутренней поверхностью ствола 14 скважины (в случае пакера 20). Следует отметить, что набухание не является аналогичным расширению, хотя материал уплотнения может расширяться в результате набухания.

Например, в обычных пакерах, элемент уплотнения можно расширить радиально наружу посредством продольного сжатия элемента уплотнения или посредством надувания элемента уплотнения. В каждом из этих случаев элемент уплотнения расширяется без любого увеличения в объеме материала уплотнения, из которого выполнен элемент уплотнения.

Для обеспечения контакта набухающего материала уплотнения с соответствующей скважинной текучей средой, обуславливающей набухание материала уплотнения, можно использовать различные технологии. Скважинная текучая среда может уже присутствовать в скважине, когда пакеры 18, 20 устанавливают в скважину, в таком случае узлы уплотнения пакеров предпочтительно включают в себя элементы (такие как покрытия, задерживающие абсорбцию, или мембраны, композиции материалов, задерживающие набухание, и т.п.) для задержки набухания материала уплотнения.

Альтернативно, можно осуществлять циркуляцию скважинной текучей среды, обуславливающей набухание материала уплотнения, по скважине к пакерам 18, 20 после установки пакеров в скважине. В качестве другой альтернативы, скважинная текучая среда, обуславливающая набухание материала уплотнения, может поступать в ствол 14 скважины из пласта, окружающего ствол скважины. Таким образом, должно быть ясно, что можно использовать любой способ, обуславливающий набухание материала уплотнения пакеров 18, 20, согласно принципам изобретения.

Скважинной текучей средой, обуславливающей набухание материала уплотнения, может быть вода и/или углеводородная текучая среда. Например, вода или углеводородная текучая среда, поступающая в ствол 14 скважины из окружающего пласта, может обуславливать набухание материала уплотнения.

Различные материалы уплотнения, набухающие при контакте с водой и/или углеводородной текучей средой, известны специалистам в данной области техники, поэтому широкий перечень данных материалов не представлен. Примеры набухающих материалов уплотнения раскрыты в патентах США №3385367 и 7059415, и в опубликованной патентной заявке США 2004-0020662, которые полностью включены в данное описание путем ссылки. Вместе с тем, понятно, что можно использовать любой материал уплотнения, набухающий при контакте с любым типом скважинной текучей среды, согласно принципам изобретения.

На фиг.2 дополнительно показана конструкция 30 набухающего пакера согласно настоящему изобретению. Конструкцию 30 пакера можно использовать для любого из пакеров 18, 20 в скважинной системе 10. Конструкцию 30 пакера можно использовать также для любого другого типа пакера и в любой другой системе скважины согласно изобретению.

Конструкция 30 пакера включает в себя узел 32 уплотнения и основную трубу 34. Основная труба 34 может быть выполнена из любого материала, может быть любой длины или толщины, может иметь любой тип концевых соединений, может быть радиально расширяющейся и т.п. Таким образом, одним из многих преимуществ конструкции 30 пакера является возможность использования различных основных труб с данным узлом 32 уплотнения.

Например, основная труба 34 может представлять собой отрезок обычной эксплуатационной насосно-компрессорной трубы, гибкой насосно-компрессорной трубы или хвостовика, применяющихся на скважинной площадке. В этом случае будет только необходима установка узла 32 уплотнения на насосно-компрессорную трубу или хвостовик для образования конструкции 30 пакера.

Таким образом, отсутствует необходимость изготовления, хранения запасов и распределения различных конструкций пакеров для различных случаев практического применения на скважинной площадке. Необходимо только изготовление узла 32 уплотнения, подходящего для различных случаев практического применения на скважинной площадке.

Конечно, конструкцию 30 пакера можно выполнять для каждого отдельного случая практического применения перед доставкой на соответствующую скважинную площадку. При этом даже в данном случае отсутствует необходимость хранения запасов пакеров каждой отдельной конструкции. Вместо этого узел 32 уплотнения можно выполнять подходящим соответствующей основной трубе 34, когда известно его конкретное практическое применение.

При изготовлении узла 32 уплотнения в его состав предпочтительно включают армирующий материал 36, введенный в набухающий материал 38 уплотнения. Армирующий материал 36 предпочтительно создает увеличенную жесткость узла 32 уплотнения для удобной установки на основной трубе 34.

Материал 38 уплотнения предпочтительно расположен как снаружи относительно армирующего материала 36 (для уплотняющего контакта с поверхностью скважины, такой, как обсадная колонна 16 или ствол 14 скважины), так и изнутри относительно армирующего материала (для уплотнения контакта с основной трубой 34). В другом предпочтительном варианте конструкции 30 пакера материал 38 уплотнения предпочтительно контактирует с основной трубой 34 по существу по всей длине отрезка узла 32 уплотнения между его противоположными концами. Таким образом, создается улучшенный контакт уплотнения между узлом 32 уплотнения и основной трубой 34, даже если узел уплотнения не отлит на основной трубе или иначе не связан с ней.

Армирующий материал 36 предпочтительно имеет форму цилиндрической муфты и выполнен из металла. Вместе с тем, можно использовать другие формы и материалы для армирующего материала 36 в соответствии с принципами изобретения.

Армирующий материал 36 предпочтительно вводят в материал 38 уплотнения при формировании уплотняющего материала. Этот способ должен создавать удобную, интегральную и экономичную конструкцию. Вместе с тем, можно использовать другие способы введения армирующего материала 36 в материал 38 уплотнения (такие как в конструкции, состоящей из фрагментов) согласно принципам изобретения.

Для крепления узла 32 уплотнения на основной трубе 34 и предотвращения выдавливания материала 38 уплотнения в кольцевой зазор между основной трубой и поверхностью скважины, к которой материал уплотнения уплотняется, можно использовать концевые кольца 40, которые можно прикреплять к основной трубе 34 до или после установки узла 32 уплотнения на основной трубе. Концевые кольца 40 можно прикреплять к основной трубе 34 с использованием любой подходящей технологии (такой как сварка, механические фиксаторы, соединение на клею, и т.п.).

Для установки узла 32 уплотнения на основную трубу 34 можно использовать различные способы. Например, основную трубу 34 можно вставлять в продольном направлении через внутренний канал 42 узла 32 уплотнения. Альтернативно, можно создать продольную щель (не показана на фиг.2) в узле 32 уплотнения, чтобы основную трубу 34 можно было устанавливать во внутренний канал 42 сбоку. Последний способ может быть более полезным при очень длинном узле 32 уплотнения и/или если основная труба 34 имеет грубую или неровную внешнюю поверхность.

Для дополнительного улучшения уплотняющего контакта между материалом 38 уплотнения и внешней поверхностью основной трубы 34 можно использовать герметик между данными элементами при установке основной трубы в узел уплотнения 32. Альтернативно, возможно, чтобы материал 38 уплотнения не имел уплотняющего контакта с основной трубой 34 до набухания материала уплотнения в скважине.

На фиг.3 показан вид сечения в увеличенном масштабе одного примера узла 32 уплотнения. В данном варианте армирующий материал 36 и материал 38 уплотнения выполнены в форме сплошных труб, при этом армирующий материал встроен в материал уплотнения. После изготовления узла 32 уплотнения соответствующую основную трубу 34 следует предпочтительно вставлять во внутренний канал 42 узла уплотнения для образования конструкции 30 пакера.

Вид сечения другого варианта узла 32 уплотнения показан на фиг.4. В этом варианте материал 38 уплотнения выполнен в форме сплошной трубы, но в армирующем материале 36 выполнена продольная щель 44.

Данная продольная щель 44 обеспечивает удобную установку узла 32 уплотнения на основную трубу 34 способом, более подробно описанным ниже. Кроме того, данная щель 44 обеспечивает возможность высвобождения узла 32 уплотнения в продольном направлении, когда материал уплотнения 38 набухает в скважине, как описано более подробно ниже.

На фиг.5 узел 32 уплотнения фиг.4 показан после выполнения другой продольной щели 46 на узле 32 уплотнения на месте щели 44 в армирующем материале 36. Щель 46 в узле 32 уплотнения можно выполнить в любое время, например во время или после формования материала 38 уплотнения и т.д.

Щель 46 позволяет открыть узел 32 уплотнения, как показано на фиг.6, чтобы можно было вводить основную трубу 34 сбоку через щель 46 в канал 42 (в направлении, указанном стрелкой 48). Альтернативно, основная труба 34 может быть введена в продольном направлении через канал 42 (как на фиг.3), в варианте с щелью 46, обеспечивающей увеличение узла 32 уплотнения, насколько необходимо для размещения любых неровностей на внешней поверхности основной трубы и/или уменьшения трения между узлом уплотнения и основной трубой. Предпочтительно, армирующий материал 36 является эластичным и должен создавать закрепляющее усилие для крепления узла 32 уплотнения на основной трубе 34. Вместе с тем, эластичность не является необходимой для армирующего материала 36 для создания такой силы зажима согласно принципам изобретения.

Завершенная конструкция 30 пакера показана на фиг.7 с основной трубой 34, установленной в узел 32 уплотнения. Следует заметить, что щель 46 закрыта или, по меньшей мере, достаточно закрыта для уплотнения щели при набухании материала 38 уплотнения в скважине и предотвращения протечки через нее.

Герметик и/или клеящий состав можно использовать в щели 46, если необходимо, для улучшения уплотняющего контакта в ней. Герметик и/или клеящий состав можно также использовать между узлом 32 уплотнения и основной трубой 34 для улучшения уплотняющего контакта и/или крепления узла уплотнения на главной трубе. Зажимы, хомуты, или другие средства прикрепления можно также, или альтернативно, использовать для крепления узла 32 уплотнения на основной трубе 34.

Может быть совершенно очевидно, что конструкция 30 пакера, реализующая принципы настоящего изобретения, создает несколько преимуществ по сравнению с набухающими пакерами существующего уровня техники. Например, нет необходимости в изготовлении, хранении запасов и распределении пакеров отличающихся конструкций для каждого случая применения на скважинной площадке. Кроме того, армирующий материал 36 в материале 38 уплотнения обеспечивает повышенную жесткость в узле 32 уплотнения. Дополнительно к этому, различные технологии можно использовать для удобной сборки узла 32 уплотнения и основной трубы 34.

Специалисту в данной области техники, после внимательного рассмотрения представленных вариантов осуществления изобретения, должно быть ясно, что в конкретных вариантах осуществления изобретения возможно выполнение модификаций, дополнений, замен, исключений и такие изменения соответствуют принципами настоящего изобретения. Соответственно, приведенное выше подробное описание следует понимать как иллюстративное и являющееся только примером, при этом сущность и объем настоящего изобретения ограничиваются только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Способ образования кольцевого барьера в подземной скважине, содержащий следующие этапы: формирование продольной щели в армирующем материале; последующее введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения; набухание материала уплотнения при его контакте с текучей средой в подземной скважине.

2. Способ по п.1, в котором армирующий материал является металлическим материалом.

3. Способ по п.1, в котором армирующий материал имеет форму муфты.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы установки узла уплотнения на основную трубу и расположения основной трубы в подземной скважине.

5. Способ по п.4, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу осуществляется посредством введения основной трубы в продольном направлении через внутренний канал узла уплотнения.

6. Способ по п.5, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу выполняется после этапа введения армирующего материала в набухающий материал уплотнения.

7. Способ по п.4, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу осуществляется посредством введения основной трубы сбоку через продольную щель, выполненную в узле уплотнения.

8. Способ по п.7, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу выполняется после этапа введения армирующего материала.

9. Способ по п.1, в котором на этапе введения армирующего материала набухающий материал уплотнения является цилиндрическим и расположен снаружи и изнутри относительно армирующего материала.

10. Способ по п.4, в котором набухающий материал уплотнения контактирует с внешней поверхностью основной трубы, по существу, по всей длине узла уплотнения.

11. Способ по п.10, в котором этап набухания материала уплотнения дополнительно содержит уплотняющий контакт материала уплотнения с поверхностью скважины снаружи узла уплотнения и с наружной поверхностью основной трубы.

12. Способ изготовления скважинного пакера, содержащий следующие этапы: формирование продольной щели в армирующем материале; последующее введение армирующего материала в набухающий материал уплотнения для образования узла уплотнения; последующая установка узла уплотнения на основную трубу, при этом армирующий материал обеспечивает закрепляющее усилие для прикрепления узла уплотнения к основной трубе.

13. Способ по п.12, в котором армирующий материал является металлическим материалом.

14. Способ по п.12, в котором армирующий материал имеет форму муфты.

15. Способ по п.12, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу осуществляется введением основной трубы в продольном направлении через внутренний канал узла уплотнения.

16. Способ по п.12, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу осуществляется введением основной трубы сбоку через продольную щель, выполненную в узле уплотнения по всей длине.

17. Способ по п.12, в котором на этапе введения армирующего материала набухающий материал уплотнения является цилиндрическим и расположен снаружи и изнутри относительно армирующего материала.

18. Способ по п.12, в котором этап установки узла уплотнения на основную трубу дополнительно содержит контакт материала уплотнения с основной трубой между противоположными концами узла уплотнения.

19. Конструкция набухающего пакера, содержащая узел уплотнения, включающий в себя набухающий материал уплотнения с введенным в него армирующим материалом, имеющий цилиндрическую форму, расположенный снаружи и изнутри относительно армирующего материала и способный набухать в скважине при контакте с текучей средой в скважине, причем армирующий материал включает в себя продольную щель, проходящую на всю длину армирующего материала.

20. Конструкция пакера по п.19, дополнительно содержащая основную трубу, и набухающий материал уплотнения предназначен для уплотняющего контакта с основной трубой.

21. Конструкция пакера по п.20, в которой узел уплотнения способен обеспечить введение основной трубы в продольном направлении во внутренний канал узла уплотнения.

22. Конструкция пакера по п.20, в которой узел уплотнения включает в себя продольную щель, обеспечивающую введение основной трубы сбоку через щель во внутреннее пространство узла уплотнения.

23. Конструкция пакера по п.20, в которой набухающий материал уплотнения способен уплотняющим образом контактировать с основной трубой, по существу, на всей длине узла уплотнения.

24. Конструкция пакера по п.19, в которой армирующий материал имеет форму муфты.

25. Конструкция пакера по п.19, в которой армирующий материал является металлическим материалом.