СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ В СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ СБОРКИ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА
DOWNHOLE TOOL, DEVICE FOR INSTALLATION IN DOWNHOLE TOOL, AND DOWNHOLE TOOL ASSEMBLY METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к скважинным инструментам, и, в частности, к разбухающим пакерам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В отрасли разведки и добычи нефти и газа используются различные инструменты для обеспечения непроницаемого для текучей среды уплотнения между двумя компонентами в стволе скважины. Были разработаны изолирующие инструменты для уплотнения кольцевого пространства между двумя скважинными компонентами для предотвращения нежелательного протекания скважинной текучей среды в кольцевом пространстве. Например, пакер может быть сформирован на наружной поверхности эксплуатационной колонны, которая опускается во внешнюю обсадную колонну или в необсаженную скважину. Пакер спускается вместе с колонной в местоположение в глубине скважины и раздувается или расширяется до контакта с внутренней поверхностью внешней обсадной колонны или необсаженной скважины для образования уплотнения в кольцевом пространстве. Для обеспечения эффективного уплотнения необходимо предотвратить прохождение текучей среды через пространство или кольцевое микропространство между пакером и эксплуатационной колонной, а также между пакером и внешней обсадной колонной или необсаженной скважиной.
Изолирующие инструменты не обязательно устанавливаются и спускаются на эксплуатационных колоннах. Например, для некоторых областей применения они образуют уплотнение между оправкой, являющейся частью специализированного инструмента, и наружной поверхностью. Для других областей применения они могут устанавливаться и спускаться на гибкой насосно-компрессорной трубе или инструментах, опускаемых в скважину на кабеле или тросе.
Обычные пакеры приводятся в действие механическими или гидравлическими системами. В последнее время были созданы пакеры, которые содержат оболочку из разбухающего эластомерного материала, расположенную вокруг трубчатого тела. Разбухающий эластомерный материал выбирается таким образом, чтобы расширяться под действием, по меньшей мере, одной предварительно заданной текучей среды, которой может быть углеводородная текучая среда или текучая среда на водной основе. Пакер может быть перемещен в некоторое местоположение в глубине скважины в его нерасширенном состоянии, где он подвергается воздействию скважинной текучей среды, что вызывает его расширение. Конструкция, размеры и характеристики разбухания выбираются таким образом, что разбухающая оболочка расширяется и образует непроницаемое для текучей среды уплотнение в кольцевом пространстве, тем самым изолируя одну секцию ствола скважины от другой. Разбухающие пакеры имеют много преимуществ по сравнению с обычными пакерами, включая пассивное приведение в действие, простоту конструкции и надежность изоляции в течение длительного периода времени.
На фиг.1 иллюстрируется известный разбухающий пакер 100, установленный на трубчатом теле 110, таком как оправка, имеющем продольную ось L. Пакер 100 содержит разбухающий элемент 120, расположенный вокруг тела 110. Разбухающий элемент 120 сформирован из эластомерного материала, выбранного таким образом, что он расширяется под действием, по меньшей мере, одной предварительно заданной текучей среды. Такие материалы известны в данной области техники.
Размеры пакера 100 и характеристики разбухающего материала разбухающего элемента 120 типично выбираются таким образом, что разбухающий элемент 120 образует уплотнение во время работы, которое по существу предотвращает протекание текучих сред мимо тела 110. При воздействии скважинной текучей среды в кольцевом пространстве, окружающем тело 110, такой как углеводородная текучая среда, разбухающий элемент 110 разбухает, и его наружный диаметр увеличивается до его контакта с поверхностью ствола скважины для образования уплотнения в кольцевом пространстве. Уплотнение предотвращает протекание текучей среды в кольцевом пространстве ствола скважины между пространством выше пакера 100 и пространством ниже пакера 100. Разбухающие пакеры могут использоваться в необсаженной скважине и в обсаженной скважине, при этом разбухающий элемент 120 образует уплотнение относительно внутренней поверхности внешней обсадной колонны.
Типично пакер проектируется для конкретной области применения и вводится в обсадную колонну или другую инструментальную колонну с помощью резьбовых соединений, не показанных на фиг.1. Дополнительно, хотя в варианте пакера 100 на фиг.1 разбухающий элемент 120 удерживается на месте за счет простого смещения, он может удерживаться на месте с помощью калибрующих колец или других крепежных приспособлений, расположенных на обоих концах разбухающего элемента 120 в продольном направлении.
Разбухающие пакеры, такие как иллюстрируемые на фиг.1, могут изготавливаться с разбухающими элементами 120 различной длины для конкретной области применения, типично в диапазоне от 1 фута (0,3048 м) до 30 футов (9,144 м), хотя эта длина может быть более короткой или более длинной. Кроме того, хотя на фиг.1 иллюстрируется один разбухающий элемент 120, пакеры 100 могут использовать, если требуется, множество разбухающих элементов 120.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению создан скважинный инструмент, содержащий трубчатое тело, разбухающий элемент, расположенный вокруг трубчатого тела, и, по меньшей мере, одно уплотнительное кольцо, расположенное вокруг трубчатого тела между трубчатым телом и разбухающим элементом и являющееся более твердым, чем разбухающий элемент.
Скважинный инструмент может содержать множество уплотнительных колец, расположенных вокруг трубчатого тела между трубчатым телом и разбухающим элементом и являющихся более твердыми, чем разбухающий элемент.
Уплотнительное кольцо может иметь трапецеидальную форму поперечного сечения или прямоугольную форму поперечного сечения.
Уплотнительное кольцо может быть прикреплено к трубчатому телу.
Скважинный инструмент может дополнительно содержать винт, прикрепляющий уплотнительное кольцо к трубчатому телу.
Уплотнительное кольцо может быть приклеено к трубчатому телу.
Разбухающий элемент может быть приклеен к трубчатому телу.
Разбухающий элемент может быть закреплен на трубчатом теле посредством калибрующих колец на каждом конце разбухающего элемента.
Скважинный инструмент может дополнительно содержать камеру, образованную поверхностью трубчатого тела и поверхностью разбухающего элемента, при этом первое давление, внешнее относительно разбухающего элемента во время введения скважинного инструмента, является более высоким, чем второе давление в камере.
Скважинный инструмент может быть пакером.
Согласно изобретению создано устройство для установки в скважинном инструменте, которое имеет разбухающий элемент, расположенный вокруг трубчатого тела, содержащее уплотнительное кольцо, сформированное из материала, являющегося более твердым, чем материал разбухающего элемента, и выполненное с возможностью размещения между разбухающим элементом и трубчатым телом.
Материал уплотнительного кольца может содержать разбухающий материал.
Устройство может дополнительно содержать винт для крепления уплотнительного кольца к трубчатому телу.
Уплотнительное кольцо может иметь трапецеидальную форму поперечного сечения или прямоугольную форму поперечного сечения.
Согласно изобретению создан также способ сборки скважинного инструмента, содержащий следующие стадии:
размещение разбухающего элемента вокруг трубчатого тела; и
размещение уплотнительного кольца вокруг трубчатого тела между трубчатым телом и разбухающим элементом, причем уплотнительное кольцо сформировано из материала, являющегося более твердым, чем разбухающий элемент.
Способ может дополнительно содержать размещение множества уплотнительных колец между трубчатым телом и разбухающим элементом, крепление уплотнительного кольца к трубчатому телу или образование камеры низкого давления между разбухающим элементом и трубчатым телом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в данное описание и являются его частью, иллюстрируют пример осуществления устройств и способов согласно настоящему изобретению и вместе с подробным описанием предназначены для пояснения преимуществ и принципов изобретения.
Фиг.1 изображает вид в разрезе известного разбухающего пакера.
Фиг.2 - вид в разрезе разбухающего пакера согласно одному варианту осуществления изобретения, в котором используется одно уплотнительное кольцо.
Фиг.3 - вид в разрезе разбухающего пакера согласно одному варианту осуществления изобретения, в котором используется множество уплотнительных колец.
Фиг.4 - вид в разрезе разбухающего пакера согласно одному варианту осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В последующем описании, в целях пояснения, приводятся различные конкретные детали и подробности для обеспечения полного понимания изобретения. Однако специалисту в данной области техники очевидно, что изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных деталей. В других случаях структура и устройства показаны схематично для улучшения понимания изобретения. Ссылки на позиции без нижних или верхних индексов относятся ко всем случаям нижних и верхних индексов, соответствующих данной позиции, на который ссылаются. Кроме того, используемый в этом описании язык специально выбран для обеспечения удобочитаемости и обучения, а не для ограничения объема настоящего изобретения, который определяется только прилагаемой формулой изобретения. Ссылка в описании на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что частный признак, структура или характеристика, описанные в связи с этими вариантами осуществления, включены в, по меньшей мере, один вариант осуществления изобретения, и множество ссылок на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» не должны пониматься как обязательно относящиеся к одному и тому же варианту осуществления.
Термины «верхний», «нижний», «выше», «ниже», «вверх» и «вниз» используются здесь для указания относительных положений в стволе скважины. Изобретение также может быть применено в скважинах, которые являются наклонными или горизонтальными, и когда эти термины используются для таких скважин, они могут указывать «левый», «правый» или другие относительные положения с учетом ориентации скважины.
В данной области техники неизвестно, как давление уплотнения распределяется по длине разбухающего элемента 120, осуществляет ли он уплотнение вдоль всей его длины или только на протяжении короткого отрезка, такого как несколько дюймов, напротив калибрующего кольца на обоих концах. Обычно изготовители пакеров пытаются достичь лучшего уплотнения путем выполнения уплотнительного элемента более длинным для увеличения его максимально допустимого давления или посредством расположения раздвижных опор на обоих концах уплотнительного элемента.
Фиг.2 представляет вид в разрезе, иллюстрирующий разбухающий пакер 200 согласно одному варианту осуществления изобретения. Дополнительно к элементам, описанным выше для фиг.1, уплотнительное кольцо 210 располагается между разбухающим элементом 120 и оправкой 110. Как иллюстрируется на чертеже, уплотнительное кольцо 210 прикреплено к оправке 110 посредством, по меньшей мере, одного винта 220. В других вариантах осуществления могут использоваться другие способы крепления уплотнительного кольца 210 к оправке 110, такие как приклеивание уплотнительного кольца 210 к оправке. В еще одних вариантах осуществления уплотнительное кольцо 210 может не быть прикреплено к оправке и вместо этого удерживаться на месте за счет трения относительно разбухающего элемента 120 и оправки 110.
Уплотнительное кольцо 210 в одном варианте осуществления сформировано из эластомерного материала, более твердого, чем материал, используемый для разбухающего элемента 120. Могут использоваться другие типы материалов, включая как металлические, так и неметаллические материалы, являющиеся более твердыми, чем разбухающий элемент 120. В одном варианте осуществления уплотнительное кольцо 210 сформировано из эластомерного разбухающего материала, имеющего более высокое значение твердости, чем разбухающий материал разбухающего элемента 120. При воздействии инициирующей текучей среды для разбухающих материалов разбухающего элемента 120 и уплотнительного кольца 210, оба материала будут расширяться.
Уплотнительное кольцо 210 обеспечивает «точку зажима», которая увеличивает удерживающую и уплотняющую способность разбухающего элемента 110 над и вблизи уплотнительного кольца 210. Если давление прилагается в направлении вверх или вниз в стволе скважины, перемещение разбухающего элемента 120 ограничивается уплотнительным кольцом 210, увеличивая давление уплотнения, прилагаемое разбухающим элементом 120 в этом месте. В одном варианте осуществления уплотнительное кольцо 210 может иметь наружный диаметр на 0,254 см (0,1 дюйма) меньше, чем наружный диаметр разбухающего элемента 120.
Фиг.3 представляет вид в разрезе разбухающего пакера согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором множество уплотнительных колец 210 располагаются между разбухающим элементом 120 и оправкой 110. Множество уплотнительных колец 210 равномерно разнесены вдоль длины разбухающего элемента 120 в одном варианте осуществления. В других вариантах осуществления уплотнительные кольца 210 могут быть разнесены неравномерно с любым требуемым расстоянием между ними. Некоторые из уплотнительных колец 210 могут быть закреплены на месте, тогда как другие кольца могут быть не закреплены, или все кольца могут быть закреплены или не закреплены на оправке 110, как потребуется.
В одном варианте осуществления изобретения разбухающий элемент 120 может быть прикреплен к оправке по всей его длине, путем приклеивания разбухающего элемента 120 к оправке 110. В другом варианте осуществления разбухающий элемент 120 может быть закреплен на месте на каждом конце посредством калибрующего кольца 410. Если участок разбухающего элемента 120 между калибрующими кольцами 410 остался неприклеенным к оправке, камера низкого давления может быть образована оправкой 110 и поверхностью разбухающего элемента 120, что может помочь удержать разбухающий элемент от чрезмерного перемещения в радиальном направлении от наружной поверхности оправки 110 во время вставки разбухающего пакера 400. Альтернативно множество камер низкого давления могут быть образованы путем приклеивания разбухающего элемента 120 в требуемом множестве мест вдоль его длины.
На разбухающих пакерах, иллюстрируемых на фиг.1-4, для ясности не показаны какие-либо другие элементы, которые могут быть размещены на оправке 110. Другие элементы могут быть размещены на оправке 110, если требуется. Форма оправки 110 на чертежах является иллюстративной и показана только в качестве примера, и могут использоваться другие формы. Оправка 110 может быть сформирована из металлического или неметаллического материала, как потребуется.
Хотя на фиг.1-4 показан только один разбухающий элемент 120, размещенный на оправке 110, в некоторых вариантах осуществления изобретения множество разбухающих элементов 120 может быть размещено на оправке 110, некоторые из которых или все могут быть размещены вместе с уплотнительными кольцами 210, как было описано выше.
Хотя иллюстрируемые на фиг.2-4 уплотнительные кольца 210 имеют приблизительно трапецеидальную форму поперечного сечения, они могут иметь любую требуемую форму поперечного сечения, включая прямоугольную.
Использование уплотнительных колец, как было описано выше, обеспечивает точки зажима, в которых разбухающие элементы могут опираться на уплотнительное кольцо, что обеспечивает увеличение силы удерживания разбухающего элемента 20 относительно окружающей обсадной колонны или необсаженной скважины. Традиционно разбухающие пакеры были ограничены в том, насколько короткий разбухающий элемент мог быть использован для достижения достаточного уплотнения. Улучшение уплотняющей способности пакера, обеспечиваемое уплотнительными кольцами 210, может позволить выполнить разбухающий пакер 200, 300 или 400 более коротким, чем обычные разбухающие пакеры, при этом сохраняя требуемые максимальной допустимое давление и уплотняющую способность.
Приведенные выше варианты осуществления изобретения описывают уплотнительное кольцо 210, которое полностью охватывает оправку 110. В других вариантах осуществления уплотнительное кольцо 210 может не полностью охватывать оправку 110, но может быть образовано в виде дуги, которая только частично окружает оправку 110. В вариантах осуществления с множеством уплотнительных колец 210 уплотнительное кольцо 210 может располагаться в множестве положений по окружности оправки 110, как потребуется.
Хотя способы и уплотнительные кольца описаны выше применительно к пакерам, они не ограничены в применении только пакерами, и могут использоваться в скважинном инструменте любого типа, в котором используются разбухающие элементы для обеспечения уплотнения относительно необсаженной скважины или обсадной колонны. Подобным образом, хотя выше описывается, что уплотнительное кольцо 210 и разбухающий элемент 120 размещаются на оправке 110, они могут размещаться на трубчатом теле любого требуемого типа.
Приведенное выше описание является иллюстративным и неограничивающим. Например, описанные выше варианты осуществления могут использоваться в сочетании друг с другом. Многие другие варианты осуществления будут очевидны специалистам в этой области техники после изучения настоящего описания. Поэтому объем изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения вместе со всеми эквивалентами, охватываемыми формулой изобретения.