Разбухающий пакер с усиливающим элементом и антиэкструзионными характеристиками

Группа изобретений относится к узлу пакера для использования в подземной скважине, способу его конструирования и скважинной системе, содержащей указанный узел. Технический результат заключается в повышении эффективности разбухающего пакера. Узел пакера содержит уплотнительный элемент, выполненный с возможностью разбухания в скважине, усиливающий элемент, размещенный в указанном уплотнительном элементе, и экструзионный барьер, выполненный с возможностью вытеснения наружу в ответ на разбухание концевого участка уплотнительного элемента. Указанный усиливающий элемент смещен в продольном направлении от указанного концевого участка указанного уплотнительного элемента. Экструзионный барьер содержит первое множество распределенных по окружности сегментов, закрепленных на концевой шайбе. Указанная концевая шайба выполнена с возможностью предотвращения продольного смещения уплотнительного элемента относительно основной трубы. Экструзионный барьер также содержит муфту, вставленную в первое множество указанных сегментов. Эта муфта включает второе множество распределенных по окружности сегментов, размещенных радиально внутри от первого множества. Экструзионный барьер расположен вокруг по меньшей мере части уплотнительного элемента между указанным концевым участком уплотнительного элемента и концом усиливающего элемента. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Настоящее раскрытие, в основном, относится к используемому в подземной скважине оборудованию и к производимым в подземной скважине работам. В одном описанном ниже примере, в частности, предложен разбухающий пакер, содержащий усиливающий элемент и имеющий антиэкструзионные характеристики.

Уровень техники

Разбухающие пакеры известны в уровне техники как "кольцевые барьеры", которые разбухают и тем самым уплотняют кольцевое пространство в скважине, например, между насосно-компрессорной колонной и обсадной колонной (или стенкой скважины) и т.п. Разбухающие пакеры содержат уплотнительные элементы. После разбухания в уплотнительных элементах, находящихся в кольцевом пространстве, имеет место перепад давлений. Легко понять, что по этой причине в области конструирования и использования разбухающих пакеров имеется потребность в постоянных усовершенствованиях.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен частичный вид в поперечном сечении скважинной системы и соответствующего способа, которые реализуют принципы настоящего раскрытия.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены виды в вертикальной проекции и поперечном сечении узла пакера, который может быть использован в системе и способе, представленных на фиг. 1 и фиг. 3, взятыми по линии сечения 3-3 на фиг. 2.

На фиг. 4 представлен вид в перспективе концевой шайбы и экструзионного барьера узла пакера.

На фиг. 5 представлен вид в перспективе участка узла пакера, содержащего экструзионный барьер.

Подробное описание

На фиг. 1 представлена предназначенная для использования в скважине система 10 и соответствующий способ. Указанные система и способ могут реализовать принципы настоящего раскрытия. Вместе с тем необходимо четко понимать, что указанные система 10 и способ являются лишь одним из примеров применения на практике принципов настоящего раскрытия. Можно дать много других примеров. Поэтому объем настоящего раскрытия не ограничен особенностями системы 10 и способа, которые здесь описаны и/или изображены на чертежах.

В примере на фиг. 1 трубчатая колонна 12 расположена в стволе 14 скважины соосно с обсадной колонной 16 и цементной стенкой 18. В других примерах ствол 14 скважины может представлять собой открытый забой или быть необсажен по меньшей мере на участке, где узел 20 пакера вставлен в трубчатую колонну 12.

Узел 20 пакера используется для уплотнения кольцевого пространства 22, образованного в радиальном направлении между трубчатой колонной 12 и стволом 14 скважины. В случае если ствол 14 скважины необсажен или представляет собой открытый забой, кольцевой уплотнительный элемент 24 узла 20 пакера может плотно контактировать с внутренней стенкой 26 геологического пласта 28, через который проходит ствол 14 скважины. Вместе с тем следует понимать, что объем данного раскрытия не ограничивается какой-либо конкретной поверхностью или стенкой, плотный контакт с которой обеспечивается уплотнительным элементом 24.

Уплотнительный элемент 24 содержит материал 30, который разбухает при контакте с определенной текучей средой или текучими средами. Разбухание материала 30 обусловливает расширение уплотнительного элемента 24 в радиальном направлении наружу до плотного контакта со стволом 14 скважины.

Разбухающий материал 30 разбухает, предпочтительно при контакте с определенным активирующим реагентом, например нефтью, газом, другими углеводородами, водой, кислотой, иными химикатами и т.п., в скважине. Активирующий реагент может заранее присутствовать в скважине, или он может быть введен после установки в скважине узла пакера 20, или он может быть введен в скважину вместе с узлом пакера и т.п. Разбухающий материал 30 может разбухать или под воздействием определенной температуры, или по прошествии определенного периода времени, или в ответ на иные воздействия и т.п.

Таким образом, специалистам ясно, что существует и известно большое число различных вариантов обеспечения разбухания разбухающего материала 30. Поэтому объем данного раскрытия не ограничивается каким-либо конкретным подходом к обеспечению разбухания разбухающего материала 30. Более того, объем настоящего раскрытия не ограничен особенностями скважинной системы 10 и способом, которые здесь описаны, поскольку принципы, представленные в настоящем раскрытии применимы во многих различных обстоятельствах.

Термин "разбухать" и аналогичные термины, такие как "разбухающий", используются здесь, чтобы указать на увеличение объема разбухающего материала. Как правило, указанное увеличение объема обусловлено введением молекулярных компонентов активирующего реагента в собственно разбухающий материал, однако при желании можно использовать иные механизмы и технологии разбухания. Следует отметить, что "разбухание" не то же самое, что "расширение", хотя уплотнительный материал может расширяться в результате разбухания.

Например, в некоторых известных пакерах уплотнительный элемент может быть расширен в радиальном направлении наружу посредством продольного сжатия уплотнительного элемента или посредством вспучивания уплотнительного элемента. Во всех этих случаях уплотнительный элемент расширяется без увеличения объема уплотнительного материала, из которого уплотнительный элемент выполнен. Таким образом, в указанных стандартных пакерах уплотнительный элемент расширяется, но не разбухает.

Указанный активирующий реагент, обусловливающий разбухание разбухающего материала 30, в настоящем примере предпочтительно представляет собой углеводородную текучую среду, например нефть или газ. В скважинной системе 10 разбухающий материал 30 разбухает, если текучая среда 32 содержит активирующий реагент (т.е. если текучая среда проникает в ствол 14 скважины из окружающего ствол скважины геологического пласта 28, если текучая среда прокачивается к узлу 20 пакера с поверхности, если текучая среда высвобождается из камеры, которая предусмотрена вместе с узлом пакера, и т.п.). В результате уплотнительный элемент 24 уплотняет кольцевое пространство 22.

Указанный активирующий реагент, обусловливающий разбухание разбухающего материала 30, может содержаться в текучей среде любого типа. Активирующий реагент может присутствовать в скважине естественным образом. В другом случае он может быть транспортирован вместе с узлом 20 пакера, или он может быть транспортирован отдельно, или, при желании, закачан в скважину до образования контакта с разбухающим материалом 30. Могут быть применены различные подходы к обеспечению контакта активирующего реагента с разбухающим материалом 30 при соблюдении принципов настоящего раскрытия.

Специалистам в данной области известны различные разбухающие материалы, которые разбухают при контакте с водой и/или углеводородной текучей средой, так что полный список этих материалов здесь не будет представлен. Неполные перечни разбухающих материалов можно найти в патентах США №3385367, 7059415 и 7143832, здесь даны ссылки на их полные описания.

В другом варианте разбухающий материал 30 может содержать значительное количество пустот, которые в нормальных условиях сжаты или сплющены. Затем, после помещения в скважину при высоком давлении, в результате заполнения полостей текучей средой материал 30 расширяется.

Этот тип устройства и способ могут быть применены, если желательно расширение разбухающего материала 30 в присутствии газа, а не нефти или воды. Подходящие разбухающие материалы представлены в опубликованной заявке США №2007-0257405, которая приведена в настоящем описании посредством ссылки.

Предпочтительно, разбухающий материал 30, используемый в уплотнительном элементе 24, разбухает в результате проникновения углеводородов в разбухающий материал, или, в случае разбухающего в воде материала, - в результате поглощения воды посредством суперабсорбирующего материала (например, целлюлозы, глины и т.п.), и/или вследствие осмотической активности с участием солеподобного вещества. При необходимости углеводородные, водные и газовые разбухающие материалы могут быть объединены.

Следует понимать, что в соответствии с принципами настоящего раскрытия может быть использован любой разбухающий материал, который разбухает при контакте с заранее установленным активирующим реагентом. Также разбухающий материал 30 может разбухать в результате контакта с любым из нескольких активирующих реагентов. Например, разбухающий материал 30 может разбухать при контакте с углеводородной текучей средой или при контакте с водой.

Теперь обратимся дополнительно к фиг. 2 и фиг. 3, на которых наглядно показаны вертикальная проекция и поперечное сечение узла 20 пакера. Узел 20 пакера может быть использован в системе 10 и способе, представленных на фиг. 1. Также узел пакера может быть использован в иных системах или способах.

В примерах на фиг. 2 и фиг. 3 уплотнительный элемент 24 удерживается в продольном направлении на основной трубе 34 посредством концевых шайб 36. В этом примере концевые шайбы 36 закреплены на основной трубе 34 посредством установочных винтов 38, однако, при желании, могут быть использованы иные технологии (такие как сварка, зажим и т.п.). Объем настоящего раскрытия не ограничен конкретными особенностями концевых шайб 36 или любым конкретным подходом к креплению концевых шайб на основной трубе 34.

Экструзионные барьеры 40 в радиальном направлении снаружи перекрывают противоположные концевые участки 42 уплотнительного элемента 24. Когда концевой участок 42 уплотнительного элемента разбухает, экструзионные барьеры 40 выгибаются наружу, при этом они перекрывают экструзионные зазоры, сформированные между концевыми шайбами 36 и стволом 14 скважины. Это предотвращает экструзию уплотнительного элемента 24 через экструзионные зазоры, происходящую вследствие перепада давления в уплотнительном элементе.

Усиливающий элемент 44 встроен в уплотнительный элемент 24. В этом примере усиливающий элемент 44 имеет вид металлической муфты, которая опрессована или вдавлена с фиксацией в уплотнительный элемент 24. Вместе с тем в других примерах усиливающий элемент 44 может быть выполнен из другого материала (материалов), при этом усиливающий элемент может иметь другую форму. Поэтому объем данного раскрытия не ограничивается какими-либо конкретными особенностями усиливающего элемента 44, как здесь это описано или показано на чертежах.

Усиливающий элемент 44 предотвращает изгиб уплотнительного элемента 24 и способствует его удержанию на основной трубе 34. Например, когда начинается разбухание уплотнительного элемента 24, разбухающий материал 30 также будет разбухать в радиальном направлении между усиливающим элементом 44 и основной трубой 34, вызывая сжатие уплотнительным элементом основной трубы.

Следует иметь в виду, что усиливающий элемент 44 проходит в продольном направлении в уплотнительном элементе 24, но не проходит по всей длине уплотнительного элемента. Вместо этого усиливающий элемент 44 смещен в продольном направлении от концевого участка 42 уплотнительного элемента.

При таком подходе усиливающий элемент 44 никак не ограничивает разбухание концевых участков 42 уплотнительного элемента. Концевые участки 42 уплотнительного элемента могут легко разбухать в направлении наружу для обеспечения плотного контакта со стволом 14 скважины, а также для расширения наружу экструзионных барьеров 40, расположенных на противоположных концах уплотнительного элемента 24.

Теперь обратимся дополнительно к фиг. 4 и фиг. 5, на которых, отдельно от остальных частей узла пакера 20, наглядно показаны концевая шайба 36 и экструзионный барьер 40. На фиг. 4 можно видеть, что экструзионный барьер 40 содержит проходящие в продольном направлении и распределенные по окружности листочки, или сегменты, 46, сформированные на концевой шайбе 36.

Экструзионный барьер 40 также содержит проходящие в продольном направлении и распределенные по окружности листочки, или сегменты, 48, сформированные на муфте 50, вставленной в сегменты 46 на концевой шайбе 36. Сегменты 46, 48 размещены таким образом, что каждый сегмент перекрывает зазор, который существует между сегментами, которые лежат ниже или лежат выше данного сегмента, тем самым формируя сплошной барьер для экструзии уплотнительного элемента 24 при его разбухании.

Как показано на фиг. 3, экструзионные барьеры 40 в радиальном направлении снаружи перекрывают концевые участки 42 уплотнительного элемента 24. Таким образом, когда концевые участки 42 уплотнительного элемента разбухают, экструзионные барьеры 40 легко вытесняются наружу концевыми участками уплотнительного элемента, при этом экструзионные барьеры образуют контакт со стволом 14 скважины и перекрывают экструзионные зазоры, сформированные между концевыми шайбами 36 и стволом скважины.

Легко понять, что в данном раскрытии представлены значительные достижения в области конструирования и использования разбухающих пакеров в скважинах. В описанном выше примере уплотнительный элемент 24 узла пакера 20 имеет внутри усиливающий элемент 44, который не препятствует разбуханию концевых участков 42 уплотнительного элемента и делает возможным свободное вытеснение экструзионных барьеров 40, сопровождающееся перекрытием экструзионных зазоров.

Выше описан узел пакера 20, предназначенный для использования в подземной скважине. В одном примере узел пакера 20 может содержать уплотнительный элемент 24, который разбухает в скважине, усиливающий элемента 44, размещенный в уплотнительном элементе 24, и экструзионный барьер 40, который выполнен с возможностью вытеснения наружу в результате разбухания концевого участка 42 уплотнительного элемента 24. Усиливающий элемент 44 смещен в продольном направлении от концевого участка 42 уплотнительного элемента 24.

Усиливающий элемент 44 может содержать металлическую муфту. Уплотнительный элемент 24 может быть расположен в радиальном направлении как внутри, так и снаружи усиливающего элемента 44.

Концевой участок 42 уплотнительного элемента 24 может быть расположен ниже экструзионного барьера 40. Экструзионный барьер 40 может содержать некоторое количество распределенных по окружности сегментов 46, 48, закрепленных на концевой шайбе 36, которая выполнена с возможностью предотвращения продольного смещения уплотнительного элемента 24 относительно основной трубы 34.

Усиливающий элемент 44 может быть смещен в продольном направлении от экструзионного барьера 40. Также уплотнительный элемент 24 может разбухать в результате контакта с текучей средой 32.

Также выше был описан способ конструирования узла пакера 20, предназначенного для использования в подземной скважине. В одном примере способ может включать размещение усиливающего элемента 44 в уплотнительном элементе 24, который разбухает в скважине, причем указанное размещение включает смещение в продольном направлении противоположных концов усиливающего элемента 44 от противоположных концевых участков 42 уплотнительного элемента 24 и установку экструзионных барьеров 40, которые в радиальном направлении снаружи перекрывают концевые участки 42 уплотнительного элемента.

Также выше описана скважинная система 10, которая может содержать узел пакера 20, расположенный в подземной скважине. Узел пакера 20 может содержать уплотнительный элемент 24, который разбухает в результате контакта с текучей средой 32, усиливающий элемент 44, расположенный в уплотнительном элементе 24, и экструзионный барьер 40, который перекрывает концевой участок 42 уплотнительного элемента 24. Усиливающий элемент 44 смещен в продольном направлении от концевого участка 42 уплотнительного элемента 24.

Выше были описаны различные примеры, причем каждый пример имеет определенные признаки. При этом следует иметь в виду, что конкретные признаки из одного примера не должны непременно использоваться исключительно в этом примере. Напротив, любой представленный на чертежах и/или описанный выше признак может быть объединен с любым из указанных примеров в качестве дополнения или замены любых других признаков из указанных примеров. Признаки из одного примера не являются взаимоисключающими для признаков из другого примера. Напротив, объем данного раскрытия охватывает любое объединение любых признаков.

Хотя каждый описанный выше пример включает определенную совокупность признаков, следует иметь в виду, что необязательно использовать все признаки примера. Вместо этого любой из признаков, описанных выше, может быть использован без какого-либо другого конкретного и также используемого признака (признаков).

Следует понимать, что описанные здесь различные варианты реализации без отхода от принципов настоящего раскрытия могут быть использованы для различных направлений, например наклонных, перевернутых, горизонтальных, вертикальных и т.д., а также в различных конфигурациях. Варианты реализации описаны только в качестве примеров полезных применений принципов, представленных в раскрытии, которое не ограничивается какими-либо конкретными деталями указанных вариантов реализации.

В приведенном выше описании типичных примеров, указывающих на направление, термины (такие как "выше", "ниже", "верхний", "нижний" и т.п.) используются для удобства обращения с прилагаемыми чертежами. Вместе с тем следует понимать, что объем данного раскрытия не ограничивается какими-либо конкретными направлениями, описанными здесь.

Термины "включающий", "включает", "содержащий", "содержит" и аналогичные термины используются в данном описании в значении, не имеющем ограничительного характера. Например, если система, способ, аппаратура, устройство и т.п. описывается как "включающая" определенный признак или элемент, то система, способ, аппаратура, устройство и т.п. может содержать в себе этот признак или элемент, а также может содержать в себе другие признаки или элементы. Аналогичным образом, термин "содержит" рассматривается в значении "содержит, но не ограничивается".

После внимательного рассмотрении приведенного выше описания типичных вариантов реализации раскрытия, специалисту в данной области техники должно быть, понятно, что многие модификации, дополнения, замены, изъятия и другие изменения могут быть произведены в конкретных вариантах реализации, причем такие изменения рассматриваются в соответствии с принципами настоящего раскрытия. Например, структуры, раскрытые как "сформированные раздельно", в других примерах могут быть единым целым и наоборот. Таким образом, очевидно, что изложенное выше подробное описание следует понимать только как приведенное в качестве иллюстрации и примера. Сущность и объем изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Узел пакера, предназначенный для использования в подземной скважине, содержащий:

уплотнительный элемент, выполненный с возможностью разбухания в скважине;

усиливающий элемент, размещенный в указанном уплотнительном элементе; и

экструзионный барьер, выполненный с возможностью вытеснения наружу в ответ на разбухание концевого участка уплотнительного элемента, причем указанный усиливающий элемент смещен в продольном направлении от указанного концевого участка указанного уплотнительного элемента,

при этом экструзионный барьер содержит первое множество распределенных по окружности сегментов, закрепленных на концевой шайбе, причем указанная концевая шайба выполнена с возможностью предотвращения продольного смещения уплотнительного элемента относительно основной трубы, и экструзионный барьер содержит муфту, вставленную в первое множество указанных сегментов, причем эта муфта включает второе множество распределенных по окружности сегментов, размещенных радиально внутри от первого множества, при этом экструзионный барьер расположен вокруг по меньшей мере части уплотнительного элемента между указанным концевым участком уплотнительного элемента и концом усиливающего элемента.

2. Узел пакера по п. 1, в котором усиливающий элемент содержит металлическую муфту.

3. Узел пакера по п. 1, в котором уплотнительный элемент расположен в радиальном направлении как внутри, так и снаружи усиливающего элемента.

4. Узел пакера по п. 1, в котором концевой участок уплотнительного элемента расположен ниже экструзионного барьера.

5. Узел пакера по п. 1, в котором уплотнительный элемент выполнен с возможностью разбухания в результате контакта с текучей средой.

6. Способ конструирования узла пакера, предназначенного для использования в подземной скважине, согласно которому:

размещают усиливающий элемент в уплотнительном элементе, который разбухает в скважине; причем указанное размещение включает размещение в продольном направлении противоположных концов усиливающего элемента на расстоянии от противоположных концевых участков уплотнительного элемента; и

устанавливают экструзионные барьеры, которые в радиальном направлении снаружи перекрывают концевые участки уплотнительного элемента, при этом каждый экструзионный барьер содержит первое множество распределенных по окружности сегментов, закрепленных на концевой шайбе, причем указанные концевые шайбы выполнены с возможностью предотвращения продольного смещения уплотнительного элемента относительно основной трубы,

вставляют в первое множество указанных сегментов каждого экструзионного барьера муфту, включающую второе множество распределенных по окружности сегментов, размещаемых радиально внутри от первого множества,

причем экструзионные барьеры располагают вокруг по меньшей мере части уплотнительного элемента между концевым участком уплотнительного элемента и концом усиливающего элемента.

7. Способ по п. 6, в котором усиливающий элемент содержит металлическую муфту.

8. Способ по п. 6, в котором указанное размещение, кроме того, включает расположение уплотнительного элемента в радиальном направлении как внутри, так и снаружи относительно усиливающего элемента.

9. Способ по п. 6, в котором экструзионный барьер вытесняется наружу в результате разбухания концевых участков уплотнительного элемента.

10. Способ по п. 6, в котором уплотнительный элемент выполнен с возможностью разбухания в результате контакта с текучей средой.

11. Скважинная система, содержащая узел пакера по п. 1, расположенный в подземной скважине.

12. Скважинная система по п. 11, в котором усиливающий элемент содержит металлическую муфту.

13. Скважинная система по п. 12, в котором уплотнительный элемент расположен в радиальном направлении как внутри, так и снаружи усиливающего элемента.

14. Скважинная система по п. 11, в котором экструзионный барьер выполнен с возможностью вытеснения наружу в результате разбухания концевого участка уплотнительного элемента.