УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТЕНКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ И СПОСОБЫ ИХ УСТАНОВКИ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
SEALING DEVICE FOR SEALING SURFACES OF WALL OF WELL SHAFT AND METHODS OF INSTALLATION THEREOF IN WELL SHAFT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Application No. 13/152346, выложена 3 июня 2012 г., полностью включена в данном документе в виде ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Изобретение относится к уплотнительным устройствам для герметизации пути утечки, проходящего через поверхность стенки ствола скважины, и, конкретно, к уплотнительным устройствам, имеющим форму деформирующегося элемента, который может меняться от формы спуска в скважину к форме затвердевания, в которой уплотнительное устройство крепится к поверхности стенки ствола скважины.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В подземных стволах скважин могут возникать нежелательные пути потока. Их возникновение может являться результатом присутствия в пласте трещин, существующих или возникающих после некоторого времени, или отверстий, или перфораций в скважинной обсадной колонне или трубной системе, которая пересекает пласт и отбирает текучую среду или получает нежелательную текучую среду (например, воду). Одним путем решения данных проблем является изоляция участков ствола скважины, содержащих нежелательные пути потока, например, с помощью установки пробок, пакеров или других уплотнительных элементов в стволе скважины над и под трещинами. Поскольку зона, содержащая трещину, изолируется пакерами или другими уплотнительными устройствами, доступ к зоне под изолированной секцией может прекращаться или геометрически ограничиваться каналом в пакере.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В общем, изобретены уплотнительные устройства для применения в стволе скважины для герметизации пути утечки, проходящего через поверхность стенки ствола скважины. В одном конкретном варианте осуществления уплотнительное устройство содержит трубный элемент, или шпиндель, расширяющийся элемент и деформирующийся уплотнительный элемент. Расширение или надувание расширяющегося элемента переводит деформирующийся уплотнительный элемент из его формы спуска в скважину в его форму затвердевания. Управляющее воздействие, например изменение температуры, действует на деформирующийся уплотнительный элемент, облегчая изменение формы деформирующегося уплотнительного элемента. При снятии управляющего воздействия обеспечивается сохранение формы затвердевшего деформированного уплотнительного элемента. После затвердевания шпиндель и расширяющийся элемент можно удалить, оставив только деформированный уплотнительный элемент в стволе скважины для герметизации пути утечки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] На Фиг. 1 показано сечение одного конкретного варианта осуществления уплотнительного устройства с расширяющимся элементом в сложенном положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме для спуска в скважину.
[0006] На Фиг. 2 показано сечение уплотнительного устройства Фиг. 1 с расширяющимся элементом в частично раздвинутом положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме после спуска в скважину.
[0007] На Фиг. 3 показано сечение уплотнительного устройства Фиг. 1 с расширяющимся элементом в раздвинутом положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме затвердевания.
[0008] На Фиг. 4 показано сечение уплотнительного устройства Фиг. 1 с расширяющимся элементом в сложенном положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме после затвердевания.
[0009] На Фиг. 5 показано сечение другого конкретного варианта осуществления уплотнительного устройства с расширяющимся элементом в сложенном положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме для спуска в скважину.
[0010] На Фиг. 6 показано сечение одного конкретного варианта осуществления уплотнительного устройства с расширяющимся элементом в раздвинутом положении и деформирующимся уплотнительным элементом в форме затвердевания.
[0011] Хотя изобретение описано ниже на примере предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что изобретение не ограничивается вариантами осуществления. Наоборот, изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые может включать в себя сущность и объем изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Показанный на Фиг. 1-4 ствол 10 скважины расположен в пласте 14. Ствол 10 скважины содержит поверхность 12 стенки. В поверхности 12 стенки расположен путь 16 утечки. Ствол 10 скважины может являться необсаженным стволом скважины или обсаженным стволом скважины. Таким образом, при использовании в данном документе термин "ствол скважины" дается в самом широком смысле, включающем в себя как необсаженные скважины или стволы скважин, так и обсаженные скважины или стволы скважин.
[0013] Один вариант осуществления уплотнительных устройств, раскрытых в данном документе, описан ниже и показан на Фиг. 1-4. Уплотнительное устройство 20 содержит трубный элемент, или шпиндель 22, имеющий наружную поверхность 24 стенки и внутреннюю поверхность 26 стенки, образующей канал 28. В шпинделе 22 расположены одно или несколько окон 29, создающих гидравлическую связь канала 28 с наружной поверхностью 24 стенки.
[0014] Вдоль наружной поверхности 24 стенки шпинделя 22 расположен расширяющийся элемент 30. Расширяющийся элемент 30 может выполняться из эластомерного материала или любого другого подходящего материала, обеспечивающего радиальное расширение расширяющегося элемента 30. В одном конкретном варианте осуществления расширяющийся элемент 30 является надувным элементом, например надувной камерой, имеющей внутреннюю область 38 для приема текучей среды, обеспечивающей расширение или надувание. В данных вариантах осуществления окна 29 поддерживают гидравлическую связь с внутренней областью 38, так что текучая среда, нагнетаемая в канал 28, может входить во внутреннюю область 38 и расширять расширяющийся элемент 30.
[0015] Расширяющийся элемент 30 содержит верхний конец 31, нижний конец 32, внутреннюю поверхность 34 стенки, наружную поверхность 36 стенки и внутреннюю область 38 (Фиг. 2-3). В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1-4, расширяющийся элемент 30 скреплен с наружной поверхностью 24 стенки шпинделя 20 на верхнем и нижнем концах 31, 32. Скрепление верхнего и нижнего концов 31, 32 со шпинделем 20 может выполняться с помощью любого устройства или способа, известного в технике. Как рассмотрено более подробно ниже, расширяющийся элемент 30 имеет первое или положение спуска в скважину (Фиг. 1), раздвинутое положение (показано на Фиг. 3), и одно или несколько промежуточных положений, одно из которых показано на Фиг. 2.
[0016] К наружной поверхности 36 стенки расширяющегося элемента 30 съемно прикреплен деформирующийся уплотнительный элемент 40. Деформирующийся уплотнительный элемент 40 содержит внутреннюю поверхность 42 стенки и наружную поверхность 44 стенки. Внутренняя поверхность 42 стенки функционально связана c наружной поверхностью 36 стенки расширяющегося элемента 30, так что после установки в положение затвердевания (рассмотрено более подробно ниже) деформирующийся уплотнительный элемент 40 должен освобождаться от наружной поверхности 36 стенки расширяющегося элемента 30, при этом деформирующийся уплотнительный элемент 40 можно оставить в стволе 10 скважины, когда шпиндель 20 убирается.
[0017] Наружная поверхность 44 деформирующегося уплотнительного элемента 40 выполнена с возможностью скрепления с поверхностью 12 стенки ствола 10 скважины, когда деформирующийся уплотнительный элемент 40 находится в затвердевшем положении, при этом путь 16 утечки должен герметизироваться.
[0018] В одном конкретном варианте осуществления деформирующийся уплотнительный элемент 40 содержит термостойкий полимер с памятью формы. Материалы данного типа изменяют форму при нагревании до температуры фазового перехода материала. После достижения температуры фазового перехода материалы деформируются автоматически или при содействии управляющих воздействий, например усилия, при котором материал принимает другую форму, например, возвращаясь к своей естественной или "сохраненной в памяти" форме. Подходящие термостойкие полимеры с памятью формы включают в себя полиуретан. Альтернативно, деформирующийся уплотнительный элемент 40 может содержать отверждаемые эластомеры, например нитрильный каучук, этилен-пропилен монодиен, и перфторэластомеры. Отверждаемые эластомеры можно деформировать, придавая другую форму и такую форму можно сохранять.
[0019] Как показано в варианте осуществления Фиг. 1-4, расширяющийся элемент 30 и деформирующийся уплотнительный элемент 40, оба, представляют собой муфты с переменными внутренними диаметрами.
[0020] Как показано на Фиг. 2-3, текучая среда (не показано) перекачивается по каналу 28 шпинделя 22 и проходит через окно 29 во внутреннюю область 38 расширяющегося элемента 30, обеспечивая радиальное расширение расширяющегося элемента 30. При этом деформирующийся уплотнительный элемент 40 также радиально расширяется до входа наружной поверхности 44 стенки во взаимодействие с поверхностью 12 стенки ствола 10 скважины (Фиг. 10). Дополнительная текучая среда перекачивается по каналу 28 шпинделя 22 и через окно 29 во внутреннюю область 38 расширяющегося элемента 30, обеспечивая дополнительное радиальное расширение расширяющегося элемента 30 и деформацию деформирующегося уплотнительного элемента 40 от формы спуска в скважину (показано на Фиг. 1-2) до формы затвердевания (показано на Фиг. 3-4). При этом путь 16 утечки герметизируется деформирующимся уплотнительным элементом 40. После этого давление текучей среды во внутренней области 38 расширяющегося элемента 30 сбрасывается, обуславливая складывание расширяющегося элемента 30 или возврат к его положению спуска в скважину. В данный момент уплотнительное устройство 20 можно убрать из ствола 10 скважины. При этом деформирующийся уплотнительный элемент 40 остается на месте в стволе 10 скважины, герметизируя путь 16 утечки, но обеспечивая дальнейшее выполнение работ забойными инструментами ниже деформирующегося уплотнительного элемента 40. Поскольку только деформирующийся уплотнительный элемент 40 остается в стволе скважины, увеличенная часть внутреннего диаметра ствола 10 скважины остается свободной, так что на забое можно провести больше операций. Например, дополнительные деформирующиеся уплотнительные элементы (не показано) можно спускать в ствол 10 скважины в точки ниже деформирующегося уплотнительного элемента 40 для дополнительной герметизации путей утечки (не показано).
[0021] В одном конкретном варианте осуществления способа герметизации пути 16 утечки с применением уплотнительного устройства 20, показанном на Фиг. 1-4, текучая среда, используемая для расширения расширяющегося элемента 30, является скважинной текучей средой, размещенной в стволе 10 скважины. В другом конкретном варианте осуществления текучая среда нагревается до температуры, при которой деформирующийся уплотнительный элемент 40 деформируется, переходя от формы спуска в скважину (Фиг. 1-2) в форму затвердевания (Фиг. 3-4). В другом варианте осуществления перед складыванием или сдуванием расширяющегося элемента 30 после установки деформирующегося уплотнительного элемента 40 в форму затвердевания текучая среда во внутренней области 38 может охлаждаться до температуры, обеспечивающей сохранение деформирующегося уплотнительного элемента 40 затвердевшим в нужной форме. Кроме того, расширяющийся элемент 30 может расширяться из сложенного положения в раздвинутое положение с применением известных способов надувания при подвеске на тросе или колонне насосно-компрессорных труб.
[0022] Показанное на Фиг. 5-6 в другом варианте осуществления уплотнительное устройство 120, имеющее компоненты, аналогичные варианту осуществления Фиг. 1-4 с одинаковыми позициями ссылки, дополнительно содержит поддерживающую муфту 50 и одно или несколько устройств 60 сброса давления, функционально связанных с внутренней областью 38 расширяющегося элемента 30. Как показано в варианте осуществления на Фиг. 5-6, установлены четыре устройства 60 сброса давления, гидравлически связанные с внутренней областью 38 расширяющегося элемента 30. Устройства 60 сброса давления показаны в виде односторонних обратных клапанов, хотя устройства 60 сброса давления могут являться любыми известными устройствами сброса давления. В варианте осуществления Фиг. 5-6 устройства 60 сброса давления включают в себя фланцевые части 62, которые обеспечивают прикрепление первого и второго концов 31, 32 к наружной поверхности 24 стенки шпинделя 22.
[0023] Поддерживающая муфта 50 содержит расширяющийся трубный элемент с внутренней поверхностью 52 стенки, функционально связанный c наружной поверхностью 36 стенки расширяющегося элемента 30, и наружную поверхность 54 стенки, функционально связанную с внутренней поверхностью 42 стенки деформирующегося уплотнительного элемента 40. Поддерживающая муфта 50 расширяется с деформирующимся уплотнительным элементом 40, и после установки деформирующегося уплотнительного элемента 40 в форме затвердевания поддерживающая муфта высвобождается из расширяющегося элемента 30, при этом деформирующийся уплотнительный элемент 40 и поддерживающая муфта 50 остаются в стволе 10 скважины. В результате поддерживающая муфта 50 создает механическую поддержку уплотнительному элементу 40 меняющейся формы, обеспечивая удержание деформирующегося уплотнительного элемента 40 в положении затвердевания и во взаимодействии с уплотнением с поверхностью 12 стенки ствола 10 скважины. В одном варианте осуществления поддерживающая муфта представляет собой щелевой трубный элемент, выполненный из термостойкого полимера или материала со свойствами металла.
[0024] Работа варианта осуществления, показанного на Фиг. 4-5, является аналогичной варианту осуществления Фиг. 1-2, вместе с тем, текучей среде, проходящей во внутреннюю область 38 для расширения или надувания расширяющегося элемента 30, обеспечен выход из внутренней области 38 через устройства 60 сброса давления. В результате, температуру текучей среды можно увеличивать или уменьшать, как требуется для перехода деформирующегося уплотнительного элемента 40 от формы спуска в скважину в форму затвердевания. Например, текучую среду с первой температурой можно вначале подавать насосом в канал 28 через окна 29 и во внутреннюю область 38 расширяющегося элемента 30, обеспечивая расширение или надувание расширяющегося элемента 30 в раздвинутое положение. По достижении пикового давления во внутренней области 38 устройство 60 (устройства) сброса давления приводятся в действие для сброса, например, текучей среды из внутренней области 38. При этом новую текучую среду второй отличающейся температурой можно подавать насосом во внутреннюю область 38.
[0025] В одном варианте осуществления температуру текучей среды, подаваемой насосом во внутреннюю область 38, можно увеличивать до температуры фазового перехода материала, образующего деформирующийся уплотнительный элемент 40. Когда текучая среда поступает в расширяющийся элемент 30 и достигается температура фазового перехода, деформирующийся уплотнительный элемент 40 начинает переходить от формы спуска в скважину в форму затвердевания. В результате расширяющийся элемент 30 продолжает расширяться до достижения деформирующимся уплотнительным элементом 40 положения затвердевания, перекрывает путь 16 утечки и входит во взаимодействие с внутренней поверхностью стенки 16 ствола 10 скважины. После этого текучую среду, имеющую более низкую температуру, можно подавать насосом во внутреннюю область 38. Данная более холодная текучая среда вытесняет текучую среду с более высокой температурой во внутреннюю область 38, выдавливая текучую среду с более высокой температурой из внутренней области 38 через устройства 60 сброса давления. Понижение температуры текучей среды во внутренней области 38 ниже температуры фазового перехода материала, образующего деформирующийся уплотнительный элемент 40, обеспечивает затвердевание деформирующегося уплотнительного элемента 40. Соответственно, деформирующийся уплотнительный элемент 40 уплотняется на и прикрепляется к внутренней поверхности стенки 16 ствола 10 скважин, при этом герметизируя путь 16 утечки.
[0026] Как рассмотрено выше, уплотнительные устройства 20, 120 можно устанавливать в стволе скважины, применяя обычную колонну насосно-компрессорных труб, через которую перекачивается текучая среда каротажный кабель, проходящий через насосно-компрессорную трубу. В варианте каротажного кабеля, проходящего через насосно-компрессорную трубу, установочный инструмент на каротажном кабеле может использовать текучую среду из ствола скважин для одновременного нагрева установочного инструмента и перекачки во внутреннюю область 38 расширяющегося элемента 30. Альтернативно, расширяющийся элемент может иметь нагревательный элемент с питанием от батареи или по каротажному кабелю, установленный во внутренней области 38 расширяющегося элемента 30 или имеющий гидравлическую связь с ней. В другом варианте осуществления нагревательный элемент может функционально связываться с деформирующимся уплотнительным элементом 40. Дополнительно, работающий от пружины шприцевой насос может соединяться со впуском расширяющегося элемента 30 для содействия в надувании или расширении расширяющегося элемента 30. Когда деформирующийся уплотнительный элемент 40 нагревается и начинает деформироваться, уменьшающийся модуль деформирующегося уплотнительного элемента 40 обеспечивает расширение расширяющегося элемента 40 с помощью накопленной энергии пружины.
[0027] Следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными деталями конструкции, работы, конкретными материалами или показанными и описанными вариантами осуществления, поскольку модификации и эквиваленты понятны специалисту в данной области техники. Например, устройства сброса давления могут не требоваться. Кроме того, если устройство сброса давления включено в состав, одного устройства может быть достаточно для вытеснения текучей среды во внутреннем пространстве расширяющегося элемента. Кроме того, один или несколько крепежных элементов могут быть включены в состав на наружной поверхности стенки деформирующегося уплотнительного элемента для содействия удержанию деформирующимся уплотнительным элементом соединения с поверхность стенки ствола скважины. Дополнительно, уплотнительные устройства можно устанавливать в стволе скважины, применяя трубные колонны, а также колонны с кабельными линиями. Кроме того, уплотнительные устройства можно применять в необсаженных или обсаженных стволах скважины. Соответственно, изобретение ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.