ЯКОРЯ РАЗБУХАЮЩИХ ПАКЕРОВ
ANCHORS OF SWELLING PACKERS

ОПИСАНИЕ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области скважинных устройств для использования в углеводородной скважине, а в частности, к скважинным устройствам для использования с разбухающими материалами, которые применяются в отраслях разведки на залежи углеводородов их добычи, а также к скважинному инструменту, включающему в себя такие устройства, и к способу его эксплуатации. Варианты осуществления изобретения относятся к приложениям, которые предусматривают изоляцию и создание затворов и в которых используются пакеры стволов скважин.
Предшествующий уровень техники
В области разведки на залежи углеводородов и их добычи используются различные инструменты для обеспечения гидравлических затворов между двумя компонентами в стволе скважины. Разработаны кольцевые барьеры для предотвращения нежелательного течения скважинных текучих сред в кольцевом пространстве между бурильной и внутренней поверхностью окружающей трубы или стенкой ствола скважины. В любом случае, кольцевые барьеры обеспечивают гидравлический затвор, способный выдерживать значительное давление по его длине. В одном приложении пакер ствола скважины в первом состоянии, в котором он имеет конкретный внешний диаметр, формируется на внешней поверхности колонны, которую устанавливают в скважине, законченной бурением, и которую опускают во внешнюю обсадную трубу. Когда пакер оказывается в нужном месте в скважине, его надувают или расширяют, вводя в контакт с внутренней поверхностью внешней обсадной трубы, чтобы создать затвор в кольцевом пространстве. Аналогичные пакеры стволов скважин разработаны для использования в скважинах, не закрепленных обсадными трубами, чтобы создавать затвор между трубой и окружающей стенкой ствола скважины.
Обычные пакеры приводятся в действие механическими или гидравлическими системами. Со стороны оборудования устья скважины прикладывается сила или давление для радиального перемещения механического элемента пакера с введением в контакт с окружающей поверхностью. В случае надувного пакера текучая среда подается из оборудования устья скважины для надувания камеры, ограниченной эластичным баллоном, вокруг тела трубы.
Недавно разработаны пакеры стволов скважин, которые включают в себя кожух из разбухающего материала, сформированный вокруг трубы. Разбухающий материал выбран исходя из его увеличения в объеме под воздействием, по меньшей мере, одной заранее определенной текучей среды, которая может быть углеводородной текучей средой либо водной текучей средой или рассолом. Разбухающий пакер можно опускать в нерасширенном состоянии в некоторое место в скважине, где он подвергается воздействию текучей среды ствола скважины, что обуславливает его увеличение в объеме. Конструкцию, размеры и характеристики разбухания выбирают так, что разбухающий элемент пакера расширяется, создавая гидравлический затвор в кольцевом пространстве для изоляции одной секции ствола скважины от другого. Разбухающие пакеры обладают несколькими преимуществами над обычными пакерами, включая пассивную активацию, простоту конструкции и стойкость к внешним воздействиям в приложениях, связанных с долгосрочной изоляцией.
Кроме того, разбухающие пакеры можно выполнять с возможностью эластичного расширения разбухающего кожуха с введением в контакт с окружающей поверхностью, так что сила, прикладываемая к этой поверхности, будет предотвращать нарушение целостности пласта породы или вскрытой поверхности в песчаном пласте, создавая при этом кольцевой барьер или затвор. Следовательно, разбухающие пакеры сами по себе хорошо приспосабливаются к скважинам с необсаженным забоем в рыхлых или непрочных пластах.
Материалы, выбираемые для формирования разбухающего элемента в разбухающем пакере, варьируются в зависимости от конкретного применения. Разбухающие материалы являются эластомерными (т.е. они демонстрируют механические и физические свойства эластомера или натурального каучука). В ситуации, где разбухающий кожух предназначен для разбухания в углеводородах, он может содержать материал, такой, как каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера. В ситуации, где разбухающий материал должен разбухать в водных текучих средах или рассолах, этот материал может содержать, например, сшитый полимер на основе амида N-винилкарбоновой кислоты и разбухающий в воде уретан в матрице этиленпропиленового каучука. Кроме того, разбухающие эластомерные материалы могут быть предназначены для увеличения в объеме, как в углеводородных текучих средах, так и в водных текучих средах.
Применения разбухающих инструментов ограничены рядом факторов, включая их способность увеличиваться в объеме, их способность создавать затвор, а также их механические и физические свойства в нерасширенном и расширенном состояниях материала. Разбухающий пакер может подвергаться воздействию больших перепадов давления во время эксплуатации. Целостность кольцевого затвора, создаваемого скважинным пакером, является первостепенным фактором, а тенденция разбухающего материала к вытеснению, деформации или течению под воздействием сил, обуславливаемых перепадом давления, приводит к потенциальному режиму отказа между устройствами и окружающей поверхностью. Поэтому на практике разбухающие инструменты, в частности, разбухающие пакеры, проектируют с учетом ограничений, накладываемых материалом. Например, можно эксплуатировать разбухающий пакер с внешним диаметром, лишь незначительно меньшим, чем внутренний диаметр окружающей поверхности, чтобы ограничить выражаемое в процентах увеличение разбухающего материала в объеме при расширении. Кроме того, разбухающие пакеры можно выполнять с элементами пакеров, имеющими значительную длину, которая больше, чем длины эквивалентных механических или гидравлических изолирующих инструментов, чтобы увеличить номинал давления и/или уменьшить шансы разрыва затвора при больших перепадах давления.
Скважины, законченные бурением, подвержены разрыву ввиду часто возникающих эффектов движения труб из-за сжатия труб вследствие охлаждения и увеличения диаметра или расширения. Соответствующие силы могут перемещать пакеры, вызывая утечку через них. Существует необходимость в способе предохранения скважин, законченных бурением, от движения в них. Обычные механические пакеры имеют клинья, которые врезаются в обсадную трубу. Надувные пакеры имеют металлические ребра, которые врезаются в обсадную трубу или скважину, не закрепленную обсадными трубами. Скважины с необсаженным забоем часто эксплуатируются с использованием автономных устройств, таких, как Petrowell ROK-ANKOR ("ROK-ANKOR" - это зарегистрированная торговая марка фирмы Petrowell, Inc.). Действие разбухающих пакеров основано на трении между разбухающим материалом и скважиной, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубой, причем это трение не всегда оказывается достаточным для того, чтобы избежать перемещения и утечки вокруг пакеров.
Краткое изложение существа изобретения
В разбухающем пакере используется одна или более якорных областей для якорного крепления разбухающего элемента к окружающей поверхности скважины, не закрепленной обсадными трубами, или к обсадной трубе. Якорные области можно формировать различными способами, включая применение прутьев или шероховатых областей, расположенных на поверхности разбухающего элемента. В некоторых вариантах осуществления якорные области выполнены как часть опорного узла, расположенного на конце разбухающего элемента, который расширяется за счет разбухания разбухающего элемента. Другие якорные области могут быть разнесены по поверхности разбухающего элемента в любой желаемой компоновке.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, включенные в настоящее описание и составляющие его часть, иллюстрируют воплощение устройств и способов, согласно настоящему изобретению, и вместе с подробным описанием служат для разъяснения преимуществ и принципов изобретения. На чертежах показано следующее:
фиг.1 изображает вид в разрезе разбухающего пакера в соответствии с одним вариантом осуществления;
фиг.2 - вид в разрезе разбухающего пакера в соответствии с еще одним вариантом осуществления;
фиг.3 - вид сбоку опорного узла разбухающего пакера в соответствии с одним вариантом осуществления
Описание вариантов осуществления
С целью разъяснения в нижеследующем описании приводятся многочисленные подробности, чтобы обеспечить полное понимание изобретения. Вместе с тем, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что изобретение может быть воплощено и без этих конкретных подробностей. В других примерах конструкция и устройства показаны в форме блок-схемы, чтобы избежать неясности изобретения. Ссылки на позиции без подстрочных индексов или суффиксов следует понимать как относящиеся ко всем случаям подстрочных индексов или суффиксов, соответствующим указываемой позиции. Кроме того, формулировки, употребляемые в этом описании, принципиально выбраны в целях удобочитаемости и инструктивности и могут не описывать или не обозначать пределы притязаний согласно объекту изобретения, о котором идет речь в формуле изобретения, которая как раз и нужна для определения такого объекта изобретения. Ссылка на "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" в описании означает, что конкретный признак, конкретная конструкция или характеристика, описываемая в связи с вариантами осуществления, включена, по меньшей мере, в один вариант осуществления изобретения, а неоднократные ссылки на "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" не следует понимать так, будто все они обязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления.
Фиг.1 иллюстрирует разбухающий пакер 100 в соответствии с одним вариантом осуществления. В этом варианте осуществления вокруг оправки 110 вдоль продольной оси L расположен разбухающий элемент 140. Разбухающий элемент 140 может быть прикреплен к оправке 110 с использованием методов прикрепления, известных в данной области техники, или других методов для скрепления разбухающего элемента 140 с оправкой 110. Хотя описываемый здесь разбухающий элемент 140 расположен вокруг оправки, в некоторых вариантах осуществления вместо оправки можно использовать трубу, такую, как базирующая труба.
В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.1, вокруг оправки 110 на каждом конце разбухающего элемента 140 расположены замыкающие кольца 120A и 120B, которые в одном варианте осуществления прикреплены к оправке 140 винтами, проходящими в радиальном направлении через замыкающие кольца до упора в оправку 110. Вокруг оправки 110 между разбухающим элементом 140 и замыкающими кольцами 120A, 120B на противоположных концах пакера 100 расположены опорные узлы 130A и 130B. В некоторых вариантах осуществления, между опорными узлами 130А, 130В и разбухающим элементом 140 может быть расположен дополнительный эластомерный элемент (не показан).
В одном варианте осуществления, каждый опорный узел 130 (фиг.3) содержит опорное кольцо 300, ограничивающее сквозное расточенное отверстие для размещения оправки 110. Опорное кольцо 300 выполнено из металла, такого, как нержавеющая сталь, и содержит горловинную часть 310 и раструбную часть 320. Горловинная часть 310 размещена в соответствующей выемке 122A, 122B в замыкающих кольцах 120A, 120B и упирается в торцевую стенку выемки. Якорное крепление несущих узлов 130A, 130B может быть осуществлено на оправке 110 в точках 312 крепления в горловинной части 310 с помощью метода якорного крепления, известного в данной области техники, включающего использование винтов.
Раструбная часть 320 проходит в радиальном и продольном направлениях по оправке 110, ограничивая в собранном состоянии внутренний объем, в котором размещена часть разбухающего элемента 140, как показано на фиг.1. Опорное кольцо 300 содержит вогнутую внутреннюю поверхность, которая образует чашку, а внешняя поверхность может проходить под углом, образуя коническую часть 330 и цилиндрическую часть 332.
Опорное кольцо 300 может быть снабжено разнесенными в окружном направлении прорезями 340, которые проходят от внешнего края 350 (отдаленного по отношению к оправке 110) через раструбную часть 320 на заданную глубину, образуя лепестки 360 в раструбной части 320. Прорези 350 облегчают развертывание опорного узла 130, обеспечивая раскрытие прорезей 350 путем поворота или деформации лепестков 360. Прорези 350 могут быть сформированы, например, путем резания водяной струей или резания проволочной пилой. В альтернативных вариантах осуществления, вместо формирования прорезей, образующих лепестки 360, которые разделяются, когда расширяются при расширении разбухающего элемента 140, можно формировать раструбную часть 320 из материала, который расширяется за счет растяжения.
От внешнего края 350 на участке раструбной части 320 на заранее определенную глубину проходит якорная область 370. В одном варианте осуществления, изображенном на фиг.3, якорная область 370 содержит множество прутьев 375, введенных в радиально внешнюю поверхность якорной области 370 или находящихся на ней. Прутья 375 могут быть выполнены из нержавеющей стали или любого другого материала, твердость которого достаточна, чтобы выполнять желаемую функцию якорного крепления. Этот материал выбирают так, чтобы он был тверже, чем окружающая поверхность. Прутьям 375 обычно придают такую форму, что при контакте с окружающей поверхностью скважины, не закрепленной обсадными трубами, или с обсадной трубой, они осуществляют якорное крепление разбухающего элемента 140 к окружающей поверхности, сопротивляясь перемещению. В одном варианте осуществления якорная область 370 опорного узла 130А может иметь прутья 375, которые сопротивляются перемещению в одном направлении вдоль оси L, при этом якорная область 370 опорного узла 130B может иметь прутья, которые сопротивляются перемещению в другом направлении. В других вариантах осуществления, якорная область 370 обоих опорных узлов 130A, 130B может иметь прутья, которые сопротивляются перемещению в обоих осевых направлениях.
В других вариантах осуществления возможно использование других методов для обеспечения якорной области 370, таких, которые предусматривают создание шероховатой поверхности, наличие внедренных кусков материала, которые выступают наружу из якорной области, и т.д. Эти методы приведены лишь для иллюстрации в качестве примера, и в якорной области 370 можно использовать любой метод, известный в данной области техники, для формирования области якорного крепления к противолежащей поверхности, известной в данной области техники.
Разбухающий элемент 140 выполнен из разбухающего эластомерного материала, способного увеличивать его объем под воздействием предварительно определенной инициирующей среды. Такие материалы известны в данной области техники. В одном варианте осуществления, разбухающий эластомерный материал представляет собой каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, способный разбухать в углеводородных текучих средах, но альтернативные варианты осуществления могут использовать материалы, которые разбухают в водных текучих средах или разбухают и в углеводородных, и в водных текучих средах. На фиг.1 устройство показано в транспортной конфигурации. Разбухающий элемент 140 находится в не разбухшем состоянии, а его внешний диаметр находится приблизительно на одном уровне с внешним диаметром замыкающих колец 120A, 120B.
В стволе скважины разбухающий пакер 100 подвергается воздействию инициирующей текучей среды, которая может быть текучей средой, естественным образом присутствующей в скважине, или текучей средой, которую нагнетают в скважину или циркуляцию которой в скважине осуществляют принудительно. Эта текучая среда диффундирует в разбухающий элемент 140, вызывая его увеличение в объеме.
Опорные узлы 130A, 130B являются эластичными и имеют форму, соответствующую концам разбухающего элемента 140. Когда разбухающий элемент 140 разбухает в присутствии инициирующей текучей среды, он расширяется в радиальном направлении наружу для создания затвора вместе с окружающей поверхностью скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы (не показана), а также расширяется в осевом направлении в опорные узлы 130А, 130В. Это увеличение в объеме обуславливает приложение к опорным узлам 130A, 130B радиальной силы, направленной наружу и деформирующей опорные узлы 130A, 130B радиально наружу, когда в них упирается разбухающий элемент 140. Прорези 340 раскрываются, что и приводит к развертыванию опорного узла 130A, 130B. Лепестки 360 разделяются по мере продолжения этой деформации, а внешний край 350 и секция 370 с прутьями развертываются вокруг расширившегося разбухающего элемента 140. Эта деформация и разбухание разбухающего элемента 140 принудительно вжимают секцию 370 с прутками в окружающую поверхность скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы. Давление со стороны разбухающего элемента 140 поддерживает секцию 370 с прутками в контакте с окружающей скважинной, не закрепленной обсадными трубами, или с обсадной трубой, и эта находящаяся в контакте секция с прутьями обеспечивает дополнительную силу сопротивления, тем самым осуществляя якорное крепление и предотвращение перемещения разбухающего пакера 100.
Кольца 130A, 130B могут также служить в качестве препятствующего выдавливанию барьера, фиксируя продольный конец разбухающего элемента 140, когда тот, после введения в скважину, разбухает и расширяется в присутствии инициирующей текучей среды.
Опорные узлы 130A, 130B функционируют, смягчая воздействие на разбухающий материал сил, которые могут негативно повлиять на затвор. Опорные узлы 130A, 130B способны расширяться на все поперечное сечение ствола скважины и содержат и поддерживают расширившийся разбухающий элемент 140 по всему стволу скважины. Опорные узлы 130A, 130B могут также обеспечивать препятствующий выдавливанию барьер, смягчая или исключая выдавливание разбухающего материала, которое в противном случае могло бы вызываться силами сдвига в разбухающем материале из-за перепадов давления поперек затвора и осевыми силами, действующими на оправку 110.
Осевые силы, действующие на оправку 110 из-за перепадов давления или веса, склонны изменять направление через опорный узел 130А, 130В в якорные области 370, тем самым увеличивая удерживающую способность якорных областей 370. Вогнутая форма опорных узлов 130А, 130В способствует улавливанию продольных сил в эластомере разбухающего элемента 140 и обуславливает их использование для усиления затвора и якорного крепления якорных областей 370. Якорные области 370 также могут эластично деформироваться у окружающей поверхности при развертывании в скважине, не закрепленной обсадными трубами, приходя в соответствие с поверхностью скважины, не закрепленной обсадными трубами, и обеспечивают наличие объема разбухающего элемента 140, а также способность к удержанию и созданию затвора.
На фиг.2 представлен вид в разрезе разбухающего пакера 200 в соответствии с еще одним вариантом осуществления. Помимо признаков, описанных выше, вокруг разбухающего элемента 140 можно сформировать одну или более корпусных якорных областей 210, отдаленных от концов разбухающего элемента 140. Хотя на фиг.2 для ясности показана лишь одна корпусная якорная область 210, можно предусмотреть любое количество якорных областей 210. Корпусная якорная область 210 может быть выполнена так же, как якорная область 370 опорного узла, или с помощью других технологических методов или материалов.
Материалы, используемые для формирования компонентов опорного узла 130А, 130В, могут различаться в соответствии с требуемым приложением и эксплуатационными параметрами. Например, узел 130А, 130В может включать в себя компоненты, выполненные из материалов, выбранных из сталей, пластмасс, эпоксидных смол, эластомеров или натуральных каучуков разной твердости, алюминиевых сплавов, белой жести, разновидностей меди, латуни, других металлов, KEVLAR или других композиционных материалов, углеродного волокна и других волокон (KEVLAR - это зарегистрированная торговая марка E.I. du Pont de Nemours and Company). Можно использовать любое количество подходящих технологических методов, включая штамповку или обработку резанием.
Хотя, как показано на фиг.1, изображены два опорных узла 130A, 130B, в вариантах осуществления возможно развертывание лишь с одним опорным узлом на желаемом конце разбухающего элемента 140.
В одном варианте осуществления, изображенном на фиг.2, корпусные якорные области 210 выполнены в форме кольца с прутьями, изготовленными из такого материала, как нержавеющая сталь, хотя можно использовать и другие материалы, твердость которых достаточна для контакта с окружающей поверхностью скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы, а в типичном случае этот материал выбирают более твердым, чем окружающая поверхность. Корпусные якорные области 210 могут располагаться вокруг разбухающего элемента 140 таким образом, что радиальное разбухание разбухающего элемента 140 побуждает корпусные якорные области упираться в окружающую поверхность скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы, что приводит к якорному креплению разбухающего элемента 140 и росту удерживающей способности разбухающего пакера 200. Корпусные якорные области 210 в одном варианте осуществления могут быть выполнены из материала, который расширяется, приводя к радиальному расширению разбухающего элемента 140. В еще одном варианте осуществления, корпусные якорные области 210 можно изготавливать путем разделения на участки, проходящие аналогично лепесткам 360 опорных узлов 130A, 130B, описанных выше. В варианте осуществления любого типа, корпусные якорные области обеспечивают аналогичную силу захвата, когда они вжимаются в окружающую поверхность скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы за счет расширения разбухающего элемента 140, что приводит к якорному креплению разбухающего элемента 140 и сопротивлению перемещению разбухающего пакера 100.
В других вариантах осуществления, корпусные якорные области 210 могут быть выполнены как часть самого разбухающего элемента 140, например, за счет придания шероховатости области внешней поверхности разбухающего элемента 140, так что при контакте с окружающей поверхностью шероховатая область обеспечивает якорное крепление разбухающих элементов 140 и сопротивление перемещению разбухающего пакера 100.
В одном варианте осуществления, корпусные якорные области 210 могут быть предусмотрены вместо использования якорных областей 370 опорных узлов 130A, 130B, и эти корпусные якорные области 210 могут размещаться на одном или обоих концах разбухающего элемента 140 в дополнение к размещению, показанному на фиг.2, или вместо него. В таком варианте осуществления, функциональные возможности опорных узлов 130A, 130B по предотвращению выдавливания могут обеспечиваться запирающими кольцами 120A, 120B, или опорные узлы 130A, 130B могут не включать в себя якорную область 370, но при этом обеспечивать функциональные возможности по предотвращению выдавливания.
Хотя вышеизложенное описание касается колец, в вариантах осуществления возможно использование ребер или других отдельных элементов вместо колец, чтобы заменить кольца 130A, 130B или корпусные якорные области 210.
Корпусные якорные области 210, описанные выше, выполнены снаружи разбухающего элемента 140 и как отдельные от него элементы. В некоторых вариантах осуществления, корпусные якорные области 210 могут быть выполнены изнутри разбухающего элемента 140. В таком варианте осуществления, корпусные якорные области 210 могут быть выполнены близко к радиальной внешней поверхности разбухающего элемента 140 таким образом, что расширение разбухающего элемента 140 вызывает сдавливание материала разбухающего элемента 140 между выполненными внутри корпусными якорными областями 210 и поверхностью скважины, не закрепленной обсадными трубами, или обсадной трубы.
Чтобы обеспечить поверхность якорного крепления, подходящую для приложения, для которого надлежит развернуть разбухающий пакер 100 или 200, можно использовать любые желаемые конфигурации или образования в качестве части корпусных якорных областей 210 либо захватные кольца 130A, 130B. В некоторых вариантах осуществления, замыкающие кольца 120A, 120B могут быть исключены.
Хотя варианты осуществления, изображенные на фиг.1-3, иллюстрируют якорные области, проходящие в окружном направлении разбухающего элемента, другие варианты осуществления могут предусматривать якорные области, которые проходят продольно - как ребра - вдоль части или всего разбухающего элемента 140. Если это желательно, в окружном направлении вокруг разбухающего элемента 140 может быть разнесено множество этих продольных якорных областей.
Должно быть ясно, что вышеизложенное описание следует считать иллюстративным, а не ограничительным. Например, вышеописанные варианты осуществления можно использовать в сочетании друг с другом. Для специалистов в данной области техники, после рассмотрения вышеизложенного описания, будут очевидны и многие другие варианты осуществления. Поэтому объем притязаний изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.