СИСТЕМА ЕДИНСТВЕННОГО ПАКЕРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
SINGLE PACKER SYSTEM TO BE USED IN WELL SHAFT

ПРЕДПОСЫЛКИ
Различные пакеры используются в стволах скважин для изоляции конкретных зон ствола скважины. Пакер перемещается на забой скважины на спускоподъемном средстве и расширяется, прижимаясь к стенке ствола скважины для изоляции зоны ствола скважины. Часто два или больше пакеров можно использовать для изоляции одной или нескольких зон в различных скважинных вариантах применения, включающих в себя эксплуатационные варианты применения, сервисные варианты применения и испытательные варианты применения.
В некоторых вариантах применения пакеры используют для изоляции зон для отбора пластовых текучих сред. Например, сдвоенный пакер можно использовать для изоляции конкретной зоны ствола скважины для обеспечения отбора текучих сред. Сдвоенный пакер имеет конфигурацию с двумя пакерами, в которой текучую среду отбирают между двумя отдельными пакерами. Однако конфигурация с двумя пакерами является чувствительной к механическим напряжениям, которые ограничивают степень расширения и перепад давления депрессии, который можно использовать.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общем, настоящим изобретением создана система и способ отбора пластовых текучих сред через единственный пакер, имеющий, по меньшей мере, одно окно или дренажное отверстие, размещенное в пакере. Пакер имеет внешний слой, расширяющийся поперек зоны расширения, для создания уплотнения со стенкой окружающего ствола скважины. Дренажное отверстие размещено для отбора пластовой текучей среды во внешнем слое между его аксиальными концами. Отобранная текучая среда направляется от дренажных отверстий к аксиальным концам внешнего слоя через проход потока текучей среды. Кроме того, механические крепежные устройства установлены на аксиальных концах внешнего слоя, и, по меньшей мере, одно из механических крепежных устройств содержит один или несколько проточных элементов, соединенных с проходом потока для направления отобранных текучих сред из пакера. Один или несколько проточных элементов приспособлены для перемещения, обеспечивающего свободное радиальное расширение и сокращение внешнего слоя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые варианты осуществления изобретения описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы.
На фиг.1 схематично показан вид сбоку системы скважины с единственным пакером для отбора пластовых текучих сред согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 показан изометрический вид одного варианта пакера, показанного на фиг.1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показан изометрический вид одного варианта внешнего слоя, который можно использовать в единственном пакере согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 на виде, аналогичном фиг.3, показаны внутренние компоненты внешнего слоя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показан изометрический вид одного варианта эластичного надувного баллона, который можно использовать в единственном пакере согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 показано сечение участка эластичного надувного баллона фиг.5 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7 показан изометрический вид одного варианта шпинделя, который можно устанавливать в эластичном надувном баллоне согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8 показан изометрический вид одного варианта объединенных эластичного надувного баллона и внутреннего шпинделя с эластичным надувным баллоном в сокращенной конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.9 на виде, аналогичном фиг.8, показан эластичный надувной баллон в надутой конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.10 показан изометрический вид одного варианта механических крепежных устройств, которые можно использовать с единственным пакером согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.11 в разобранном виде показан один вариант пакера фиг.1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.12 показан изометрический вид одного варианта пакера с частично снятым внешним слоем согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.13 схематично показан вид сечения подвижных проточных элементов механического крепежного устройства согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.14 показан вид сбоку пакера в сокращенной конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.15 показан вид сечения пакера фиг.14 с проточными элементами, установленными в конфигурации, направленной радиально внутрь согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.16 показан вид сбоку пакера в расширенной конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.17 показан вид сечения пакера фиг.16 с проточными элементами, повернутыми в конфигурации радиально наружу согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.18 показан вид с частичным вырезом пакера и возможные пути потока отобранных пластовых текучих сред согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.19 показан единственный пакер, развернутый в стволе скважины и расширенный с уплотнением к окружающей стенке ствола скважины для отбора пластовых текучих сред через множество отдельных окон или дренажных отверстий согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В следующем описании многочисленные детали изложены для обеспечения понимания настоящего изобретения. Вместе с тем должно быть понятно специалистам в данной области техники, что настоящее изобретение можно реализовать без данных деталей и что многочисленные изменения или модификации описанных вариантов осуществления являются возможными.
Настоящее изобретение в общем относится к системе и способу отбора пластовых текучих сред через окно или дренажное отверстие в средней части одинарного пакера. Отобранные пластовые текучие среды транспортируются вдоль внешнего слоя пакера к выкидной линии инструмента и затем направляются к нужному месту сбора. Использование одинарного пакера обеспечивает увеличенные степени расширения и более высокие перепады давления депрессии. Кроме того, конфигурация одинарного пакера уменьшает напряжение, иначе вносимое шпинделем инструмента с пакером вследствие перепадов давления. Поскольку пакер использует единственный расширяющийся уплотнительный элемент, он способен лучше поддерживать пласт в зоне добычи, из которой отбирают пластовые текучие среды. Данное качество способствует относительно большой амплитуде депрессии даже в слабых, неконсолидированных пластах.
Пакер расширяется поперек зоны расширения, и пластовые текучие среды можно отбирать из средней части зоны расширения, т.e. между аксиальными концами внешнего слоя уплотнения. Отобранная пластовая текучая среда направляется по выкидным линиям, например, по проточным трубкам, имеющим достаточный внутренний диаметр для обеспечения работы на относительно тяжелом буровом растворе. Пластовую текучую среду можно отбирать через одно или несколько окон/дренажных отверстий. Например, отдельные дренажные отверстия можно расположить по длине пакера для установления интервалов отбора или зон, обеспечивающих сфокусированный отбор проб на множестве интервалов отбора, например двух или трех интервалах отбора. Отдельные выкидные линии можно соединять с различными дренажными отверстиями для обеспечения отбора индивидуальных проб пластовой текучей среды. В других вариантах применения нормальный отбор проб можно проводить с использованием одного дренажного отверстия, размещенного между аксиальными концами уплотнительного элемента пакера.
На фиг.1 показан один вариант осуществления скважинной системы 20, развернутой в стволе 22 скважины. Скважинная система 20 содержит спускоподъемное средство 24 для доставки, по меньшей мере, одного пакера 26 на забой скважины. Во многих вариантах применения пакер 26 используют на модульном динамическом испытателе пластов, развернутом посредством спускоподъемного средства 24 в форме троса. Вместе с тем спускоподъемное средство 24 может иметь другие формы, включающие в себя колонны насосно-компрессорных труб, для других вариантов применения. В показанном варианте осуществления пакер 26 имеет конфигурацию единственного пакера, используемого для отбора пластовых текучих сред из окружающего пласта 28. Пакер 26 селективно расширяется в направлении радиально наружу для уплотнения поперек зоны 30 расширения с окружающей его стенкой 32 ствола скважины, такой как окружающая обсадная колонна или стенка необсаженного ствола скважины. Когда пакер 26 расширяется для уплотнения на стенке 32 ствола скважины, пластовые текучие среды могут поступать в пакер 26, как указано стрелками 34. Пластовые текучие среды затем направляются к выкидной линии инструмента, как представлено стрелками 36, и подаются к месту сбора, такому как место на буровой площадке на поверхности 38.
На фиг.2 показан один вариант осуществления одинарного пакера 26. В данном варианте осуществления пакер 26 содержит внешний слой 40, расширяющийся в стволе скважины для образования уплотнения с окружающей стенкой 32 ствола скважины поперек зоны 30 расширения. Пакер 26 дополнительно содержит внутренний эластичный надувной баллон 42, расположенный во внутреннем пространстве за внешним слоем 40. В одном варианте внутренний эластичный баллон 42 селективно расширяется текучей средой, подаваемой через внутренний шпиндель 44. Пакер 26 содержит пару механических крепежных устройств 46, установленных вокруг внутреннего шпинделя 44 и соединенных с аксиальными концами 48 внешнего слоя 40.
Как дополнительно показано на фиг.3, внешний слой 40 может содержать одно или несколько окон или дренажных отверстий 50, используемых для отбора пластовой текучей среды, когда внешний слой 40 расширяется до окружающей стенки 32 ствола скважины. Дренажные отверстия 50 могут быть радиально введены в уплотнительный элемент 52 внешнего слоя 40. Например, уплотнительный элемент 52 может быть цилиндрическим и выполненным из эластомерного материала, выбранного для вариантов применения в углеводородной среде, такого как бутадиен-нитрильный каучук, гидрированный бутадиен-нитрильный каучук и фтор-каучук. Множество трубчатых элементов или трубок 54 могут функционально соединяться с дренажными отверстиями 50 для направления отобранной пластовой текучей среды в аксиальном направлении к одному или обоим механическим крепежным устройствам 46. В одном варианте трубки 54 попеременно соединены с индивидуальным центральным дренажным отверстием или с двумя дренажными отверстиями, размещенными равноудаленно от аксиально центральной области внешнего слоя 40. Как дополнительно показано на фиг.4, трубки 54 могут быть выставлены в общем параллельно оси 56 пакера, проходящей через аксиальные концы внешнего слоя 40. В показанном варианте трубки 54, по меньшей мере, частично введены в материал уплотнительного элемента 52 и, таким образом, перемещаются радиально наружу и радиально внутрь во время расширения и сокращения внешнего слоя 40.
На фиг.5 показан один вариант осуществления эластичного надувного баллона 42. В данном варианте осуществления эластичный надувной баллон 42 содержит надувную мембрану 58, удерживаемую между креплением 60 мембраны, размещенным на каждом из ее аксиальных концов. В качестве примера, каждое крепление 60 мембраны может содержать зону 62 ниппеля и юбку 64. Крепления 60 мембраны используют для соединения эластичного надувного баллона 42 с внутренним шпинделем 44. В некоторых вариантах применения крепления 60 также можно использовать для надежного удержания механической конструкции 66 надувной мембраны 58, показанной на фиг.6.
На фиг.6 показан один вариант осуществления надувной мембраны 58, содержащей внутренний эластомерный, например каучуковый, слой 68, окруженный механической конструкцией 66. Механическая конструкция 66 может содержать жесткие удлиненные несущие элементы 70, которые могут иметь форму металлических элементов, таких как стальные тросы или металлические рейки. Эластомерный, например каучуковый, внешний слой или покрытие 72 может быть установлен вокруг механической конструкции 66 для ее защиты от скважинной текучей среды и возможной коррозии, а также от перетока песка или бурового раствора через конструкцию. Дополнительно к этому материал внешнего покрытия 72 можно подбирать уменьшающим трение между надувной мембраной 58 и окружающим внешним слоем 40 во время расширения. Например, внешнее покрытие 72 можно выполнить с использованием состава, отличающегося от состава, использованного для внешнего слоя 40. Кроме того, некоторые наполнители можно добавлять в материалы для минимизирования коэффициента трения. В одном конкретном примере внешнее покрытие 72 может быть выполнено из фтор-каучука с наполнением из нанополитетрафторэтилена, и внешний слой 40 может быть выполнен из гидрированного бутадиеннитрильного каучука. Некоторые варианты применения могут требовать относительно низких уровней давления для расширения внешнего слоя 40, обеспечивающих использование других материалов и более простой конструкции, такой как конструкция складчатого мешка для надувной мембраны 58.
На фиг.7 показан один вариант внутреннего шпинделя 44. Внутренний шпиндель 44 можно конструировать с различными конфигурациями, подходящими для подачи текучей среды для расширения надувной мембраны 58 через надлежащие проходы (не показано). Внутренний шпиндель 44 содержит одну или несколько трубчатых секций 74, через которые текучую среду можно закачивать в эластичный надувной баллон 42. Трубчатые секции 74 имеют размеры для надежной посадки креплений 60 мембраны эластичного надувного баллона 42. Например, внутренний шпиндель 44 может являться частью модульного динамического испытателя пластов, соединенного с тросовым спускоподъемным средством 24. Данный испытатель обычно содержит связанные с ним насосы, фильтры и электронные блоки для проведения работ испытаний/отбора проб.
На фиг.8 внутренний шпиндель 44 показан соединенным в надувном эластичном баллоне 42, а эластичный надувной баллон 42 имеет сокращенную конфигурацию перед надуванием. Текучую среду можно закачивать через внутренний шпиндель 44 во внутренний объем надувной мембраны 58 через надлежащие проходы или отверстия. Непрерывно подаваемая текучая среда под давлением наполняет объем за надувной мембраной 58 и обуславливает ее радиальное расширение, как показано на фиг.9.
На фиг.10 показан один вариант осуществления механического крепежного устройства 46. В данном варианте осуществления каждое механическое крепежное устройство 46 содержит участок 76 отбора, имеющий внутреннюю гильзу 78 и внешнюю гильзу 80, герметично соединенные друг с другом. Каждый участок 76 отбора может быть снабжен отверстиями для подачи текучей среды, отобранной из окружающего пласта в установленную выкидную линию 36 (фиг.1). Один или несколько подвижных элементов 82 шарнирно соединены с каждым участком 76 отбора, и, по меньшей мере, некоторые из подвижных элементов 82 используют для передачи отобранной текучей среды из трубок 54 в участок 76 отбора и в выкидную линию 36. Например, каждый подвижный элемент 82 может быть соединен поворотным шарниром с соответствующим участком 76 отбора для поворота вокруг оси, в общем параллельной с осью 56 пакера.
В показанном варианте осуществления множество подвижных элементов 82 установлены поворотным образом на каждом участке 76 отбора. Подвижные элементы 82 могут содержать один или несколько проточных элементов 84 подвижно, например, поворотным образом, соединенных с одним или несколькими участками 76 отбора. Каждый проточный элемент 84 является полым и образует путь потока для прохождения текучей среды от трубки 54, с которой соединен. Подвижные элементы 82 также могут содержать один или несколько непроточных элементов 86, также соединенных с соответствующими трубками 54. Поскольку элементы 86 не обеспечивают проход потока, текучая среда проходит через соответствующие проточные элементы 84 на противоположном механическом крепежном устройстве 46. Например, на фиг.10 показано четыре проточных элемента 84, чередующихся с четырьмя непроточными элементами 86 на каждом механическом крепежном устройстве 46. В данном варианте проточные элементы 84 и непроточные элементы 86 имеют в общем S-образную форму и разработаны для соединения поворотным образом с обоими соответствующими участками 76 отбора и соответствующими трубками 54.
Во время сборки внутренний шпиндель 44 вставляется в эластичный надувной баллон 42, и одно из механических крепежных устройств 46 надевается на внутренний шпиндель 44 с упором в аксиальный конец эластичного надувного баллона 42, как показано на фиг.11. Затем внешний слой 40 можно надеть поверх мембраны 58 эластичного надувного баллона 42, и второе механическое крепежное устройство 46 можно переместить в соединение с внешним слоем 40 так, что внешний слой 40 заключается между механическими крепежными устройствами 46. После надлежащего совмещения подвижные элементы 82 каждого механического крепежного устройства 46 соединяются с соответствующими трубками 54 внешнего слоя 40, как показано на фиг.12. На фиг.12 не показан уплотнительный элемент 52 для лучшего отображения ориентации трубок 54 внешнего слоя и соответствующих подвижных элементов 82.
Как показано на фиг.13, проточные элементы 84 могут иметь в общем криволинейную форму, ориентированную для прохождения по кривой вокруг аксиальных концов эластичного надувного баллона 42. Каждый проточный элемент 84 имеет конец 88 прикрепления с проходом 90 потока, разработанным для соединения поворотным образом с соответствующей трубкой 54. Каждый проточный элемент 84 также проходит на заданный угол 92 поворота, такой как 102°, перед соединением поворотным образом с участком 76 отбора посредством соединительного ниппеля 94 или другого подходящего, подвижного соединения. Заданный угол 92 поворота может изменяться и может быть выбран согласно различным факторам, таким как размер пакера и заданная степень расширения. Конструктивное исполнение и ориентация элементов 84 и 86 обеспечивает их радиальное перемещение, такое как поворот, во время расширения внешнего слоя 40 без создания изгиба или иного напряжения в трубках 54.
После сборки единственного пакера 26 его можно перемещать в необходимую область отбора текучей среды ствола 22 скважины в сокращенной конфигурации, показанной на фиг.14. В данной конфигурации подвижные элементы 82 повернуты в положение сокращения или радиально внутрь на аксиальных концах эластичного надувного баллона 42, как показано на фиг.15. На нужном месте в стволе 22 скважины текучую среду расширения закачивают через внутренний шпиндель 44 для надувания эластичного баллона 42, который, в свою очередь, расширяет внешний слой 40 в направлении радиально наружу по всей зоне 30 расширения, как показано на фиг.16. Расширение внешнего слоя 40 обуславливает поворот подвижных элементов 82 в направлении радиально наружу, как лучше всего показано на фиг.17. Поворот подвижных элементов 82 также обуславливает поворот участков 76 отбора вокруг шпинделя 44 на некоторый угол, представленный стрелкой 96. Перемещение элементов 82 и участков 76 отбора обеспечивает расширение внешнего слоя 40 без влияния на угловое положение трубки 54 и без деформации трубки 54 или создания в ней напряжений.
Один вариант способа отбора проб текучей среды может быть описан для фиг.18. В данном варианте индивидуальные дренажные отверстия 50 расположены в общем в центральной зоне или интервале 98 и соединены с соответствующими индивидуальными трубками 54. Пластовая текучая среда, отобранная через индивидуальные дренажные отверстия 50 в центральном интервале 98, проходит через соответствующие трубки 54 в соответствующие проточные элементы 84 и через участок 76 отбора, как представлено стрелками 100. Чередующиеся трубки 54 содержат пары дренажных отверстий 50 с каждым дренажным отверстием пары, размещенным в удаленной зоне или интервале 102 или 104. Интервал 98 установлен аксиально между интервалами 102 и 104. Пластовая текучая среда, отобранная через дренажные отверстия 50 в аксиально удаленных интервалах 102, 104, проходит через соответствующие трубки 54 в соответствующие проточные элементы 84 и через участок 76 отбора, размещенный на противоположном конце пакера 26, как представлено стрелками 106.
Соответственно, пластовую текучую среду отбирают на трех различных интервалах. Текучую среду, отобранную на центральном интервале 98, направляют в одном направлении через пакер 26 в выкидную линию 36, и текучую среду, отобранную на удаленных интервалах 102, 104, направляют в другом направлении. Пакер 26 можно разработать с большим числом или меньшим числом интервалов отбора, включающих в себя одинарные интервалы отбора, в зависимости от необходимого отбора проб текучей среды для данного варианта применения.
На фиг.19 показан вариант пакера 26 с тремя зонами отбора, расширяемого в стволе 22 скважины. Одинарный пакер 26 расширяется внешним слоем 40 и уплотнительным элементом 52 к окружающей стенке 32 ствола скважины для образования уплотнения поперек всей зоны 30 расширения. Пластовая текучая среда отбирается через внутренние дренажные отверстия, установленные проходящими радиально во внешнем слое 40. Использование трех интервалов 98, 102 и 104 обеспечивают использование аксиально удаленных дренажных отверстий 50 для защиты дренажного отверстия 50, размещенного в центре интервала 98 от загрязнения.
Во время первоначального извлечения текучей среды из пласта 28 загрязненная текучая среда в некоторых случаях поглощается через все дренажные отверстия 50. При продолжении фазы отбора проб уровень загрязнения отобранной в качестве образца текучей среды уменьшается, особенно в текучей среде, проходящей в дренажные отверстия 50 центрального интервала 98. Постепенно дренажные отверстия 50 центрального интервала 98 начинают поглощать в основном чистую текучую среду, а загрязненная текучая среда направляется отдельно через аксиально удаленные дренажные отверстия 50 и соответствующие расходные трубки 54 удаленных интервалов 102, 104. Данный тип отбора проб можно именовать сфокусированным отбором проб, вместе с тем в других вариантах применения можно использовать нормальный отбор проб, в котором пластовую текучую среду отбирают через одну зону/интервал.
Как описано выше, скважинная система 20 может быть сконструирована в различных конфигурациях для использования во многих видах окружающей среды и вариантах применения. Единственный пакер 26 может быть сконструирован из различных материалов и компонентов для сбора пластовых текучих сред из одного или нескольких интервалов в одной зоне расширения. Способность расширения уплотнительного элемента поперек всей зоны расширения обеспечивает использование пакера 26 в различных типах скважин в окружающих средах, включающих в себя среды слабых неконсолидированных пластов. Подвижные элементы 82 могут быть разработаны с возможностью поворота вокруг оси в общем параллельно с продольной осью пакера или поворота вокруг других осей для приспособления к перемещению проточной трубки 54 без создания напряжения, изгиба или изменения ориентации проточной трубки. Подвижные элементы 82 также могут быть соединены с проточными трубками 54 и участками 76 отбора другими механизмами, обеспечивающими необходимую подвижность элементов 82 для приспособления к радиальным перемещениям проточной трубки 54. Кроме того, число дренажных отверстий и, соответственно, проточных трубок может отличаться в вариантах применения, и размещение проточных трубок относительно внешнего слоя можно изменять, как необходимо, для конкретного скважинного варианта применения.
Соответственно, хотя только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения подробно описаны выше, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможны многие модификации без существенного отхода от сущности данного изобретения. Такие модификации направлены на включение в объем данного изобретения, определенного в формуле изобретения.