СКВАЖИННАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СКВАЖИННОГО КОМПОНЕНТА
BOREHOLE SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD OF USING BOREHOLE COMPONENT

В различных подземных средах, таких как среды буровых скважин, во многих случаях используют скважинные инструменты. Например, скважинными инструментами, используемыми для обеспечения завершений скважин, могут быть, например, пакеры, предохранительные клапаны, регуляторы потока, клапаны газлифта, скользящие муфты и другие инструменты. Скважинные инструменты часто имеют детали, которые уплотнены по отношению друг к другу посредством полимерных уплотняющих компонентов.
Известна скважинная система, содержащая уплотняющий элемент, включающий полимерный материал (см., например, авторское свидетельство СССР 1460198 A1, опубликованное 23.02.1989).
Однако буровая скважина или другая подземная зона может создать агрессивную среду для многих материалов, включая обычные полимерные материалы. Чрезмерный нагрев, высокие перепады давления, химическое воздействие и другие факторы могут привести к повреждению и разрушению таких материалов.
Целью настоящего изобретения является создание скважинных систем и способов усовершенствования и использования скважинных компонентов, обеспечивающих увеличение долговечности и улучшение функционирования скважинных инструментов.
Согласно изобретению создана скважинная система, содержащая скважинный инструмент, имеющий уплотняющий элемент, включающий полимерный материал с диспергированным в нем наноразмерным наполнителем, представляющим собой углеродные нанотрубки.
Скважинный инструмент может представлять собой пакер, клапан, скользящую муфту, насос.
Уплотняющий элемент может быть выполнен в виде О-образного кольца, может представлять собой Т-образное уплотнение, уплотняющий пакет, уплотнение, активируемое пружиной, мягкое седло или связанное уплотнение.
Согласно изобретению создана скважинная система, содержащая скважинный инструмент, имеющий полимерный компонент, содержащий пакет уплотнений, имеющий группу уплотнений, выполненных из эластомерного материала с диспергированным в нем наноразмерным наполнителем, и группу уплотнений, выполненных из термопластичного материала с диспергированным в нем наноразмерным наполнителем, для модифицирования свойств материала полимерного компонента.
Наноразмерный наполнитель может представлять собой углеродные нанотрубки, нановолокна, наноглину или наночастицы.
Согласно изобретению создан способ использования скважинного компонента, содержащий использование в скважинном компоненте уплотнения, имеющего наполнитель в виде нановолокна, и осуществление действия компонента в скважине.
В качестве уплотнения можно использовать уплотнение в пакере, О-образное кольцо, Т-образное уплотнение, пакет уплотнений, уплотнение, связанное с держателем, мягкое седло.
Действием скважинного компонента может являться расширение пакера, регулировка клапана, действие насоса или добыча текучей среды.
Некоторые варианты осуществления изобретения далее будут описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет вид спереди системы, расположенной в скважине и имеющей скважинные инструменты согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет схематический вид варианта осуществления модифицированного полимера с нанонаполнителем, который может быть использован совместно с системой, представленной на фиг.1;
фиг.3 представляет схематический вид еще одного варианта осуществления модифицированного полимера с нанонаполнителем, который может быть использован с системой, представленной на фиг.1;
фиг.4 представляет вид спереди скважинного инструмента, в котором использован модифицированный полимер с нанонаполнителем;
фиг.5 представляет вид спереди еще одного варианта осуществления скважинного инструмента, в котором использован модифицированный полимер с нанонаполнителем;
фиг.6 представляет вид в поперечном сечении части скважинного инструмента, имеющего уплотнение, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 представляет еще один вариант осуществления уплотнения, которое может быть использовано совместно со скважинным инструментом согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8 представляет еще один вариант осуществления уплотнения, которое может быть использовано совместно со скважинным инструментом согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 представляет еще один вариант осуществления уплотнения, которое может быть использовано совместно со скважинным инструментом согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.10 представляет еще один вариант осуществления уплотнения, которое может быть использовано совместно со скважинным инструментом согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.11 представляет еще один вариант осуществления уплотнения, которое может быть использовано совместно со скважинным инструментом согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.12 представляет схематический вид инструмента, содержащего уплотнение, согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.13 представляет еще один схематический вид инструмента, содержащего уплотнение, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В последующем описании приведены многочисленные детали для понимания настоящего изобретения. Однако квалифицированным специалистам в этой области будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих деталей и что возможны многие изменения или модификации по отношению к описанным вариантам осуществления конструкции.
Настоящее изобретение в общем относится к системе и к способу для увеличения долговечности и/или улучшения функционирования скважинных инструментов. Система и способ могут быть использованы, например, совместно с различным оборудованием для завершения нисходящих скважин и с другим производственным оборудованием. Однако устройства и способы согласно настоящему изобретению не ограничены их использованием в тех конкретных случаях, которые здесь описаны.
На фиг.1 показана скважинная система 20 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте система 20 расположена в подземной среде в скважине 22. Скважина 22 пробурена или образована иначе в геологической формации 24, содержащей, например, желаемые для добычи текучие среды, например текучие среды на основе углеводородов. Скважина 22 может быть облицована обсадной трубой 26, имеющей перфорации 28, через которые текучие среды протекают между геологической формацией 24 и внутренним пространством скважины 22.
В этом варианте скважинные инструменты 30 размещены в скважине 22 посредством системы 32 развертывания. Система 32 развертывания может представлять собой любую из разнообразных систем развертывания, например трубопровод для добычи, гибкий трубопровод, трос или другие приемлемые устройства для развертывания. Каждая из этих систем развертывания может перемещать скважинные инструменты 30 к желаемому месту в скважине 22. В зависимости от конкретного применения типы выбираемых скважинных инструментов 30 могут существенно изменяться. Часто скважинные инструменты собирают во взаимодействующем с ними устройстве и называют оборудованием для завершения.
Например, оборудование для завершения, представленное на фиг.1, содержит пакер 34, имеющий полимерный уплотняющий элемент 36. Уплотняющий элемент 36 может действовать между состояниями сжатия и расширения в радиальном направлении, чтобы обеспечить уплотнение с обсадной трубой 26, как это показано. Оборудование для завершения может дополнительно содержать устройство 38 для управления потоком, например клапан или скользящую муфту. Если это оборудование используют для подачи текучей среды вверх к устью 40 скважины, скважинные инструменты могут содержать газлифт или электрическую наружную нагнетательную систему, имеющую, например, погружной двигатель 44, предохранительное устройство 46 двигателя и погружной насос 48, питаемый энергией от погружного двигателя 44. Многие из этих скважинных инструментов могут быть приведены в действие для обеспечения добычи текучей среды, например клапан 38 может быть отрегулирован для управления потоком, либо погружной насос 48 может быть приведен в действие для создания потока текучей среды. Однако может быть использовано различное оборудование для завершения, включая оборудование для проведения испытаний скважин, оборудование для обслуживания скважин и оборудование для обработки скважин, и применяемые скважинные инструменты выбирают на основе типа этого оборудования.
В различном оборудовании для завершений, которые описаны выше, по меньшей мере, в некоторых из скважинных инструментов используют полимерные компоненты, например уплотняющий элемент 36. Ниже более подробно описано, что в полимерных компонентах используют модифицированные полимеры с наноразмерным наполнителем, чтобы улучшить свойства материала и таким образом обеспечить существенное преимущество, касающееся долговечности и/или функционирования скважинных инструментов 30. В случае модифицированных полимеров с нанонаполнителем, которые здесь использованы, составляющие наполнителя главным образом являются наноразмерными, обычно имея размер порядка нескольких нанометров. Модифицированные полимеры с нанонаполнителем могут обеспечить существенное улучшение эксплуатационных характеристик по сравнению с базовыми полимерами и с усиленными полимерами, в которых используют обычные наполнители, у которых усиливающие составляющие значительно больше, например с размером порядка микронов. Полимеры с наноразмерными наполнителями демонстрируют, например, улучшение в отношении прочности материала, модуля упругости и других свойств. Благодаря получаемому высокому относительному удлинению многие свойства материала модифицированных полимеров с нанонаполнителем существенно улучшены по сравнению со свойствами обычных полимеров или составляющих полимеров при значительно меньшем объеме фракции наполнителя по отношению к материалу, не являющемуся наполнителем.
На фиг.2 представлен вариант модифицированного полимерного материала 50 с нанонаполнителем. В этом варианте материал 50 содержит полимерный материал 52, образованный из полимерных цепей 54 и большого количества нанонаполнителей 56, служащих в качестве агентов для образования поперечных связей. В этом примере нанонаполнители 56 содержат нанотрубки и/или нановолокна. Нанотрубки могут быть образованы в виде многостенных нанотрубок, нанотрубок с одиночной стенкой или рядов нанотрубок. Кроме того, нанотрубки могут быть образованы из различных материалов, при этом одним из примеров используемого материала является углерод. Нанотрубки из углерода демонстрируют весьма желательные сочетания механических, термических и электрических свойств для многих случаев применения. Например, наполнители из углеродных нанотрубок могут быть использованы для значительного увеличения прочности модифицированного полимерного материала 50 на растяжение, для увеличения текущей несущей способности материала и для увеличения способности материала к переносу тепла. Улучшение таких свойств выгодно для различных компонентов нисходящих скважин, причем некоторые из них ниже обсуждены более подробно. С другой стороны, нановолокна могут быть изготовлены, например, из графита, углерода, стекла, целлюлозной основы и полимерных материалов.
Еще один вариант осуществления полимерного материала 50 с нанонаполнителем представлен на фиг.3. В этом варианте полимерный материал 52 имеет полимерные цепи 54, связанные нановолокнами 58, содержащими наночастицы или наноглину. Наночастицы могут быть изготовлены, например, из металлов, графита, углерода, алмаза, керамики, окислов металлов, других окислов и полимерных материалов. Наноглина может быть изготовлена, например, из монтмориллонита, бетонита, гекторита, аттапульгита, каолина, слюды и иллита. Некоторые типы наноглины могут быть использованы, например, в тех случаях, которые выгодны с точки зрения улучшения специальных свойств материала, например повышения прочности материала 50 на разрыв.

Полимерный материал 52 может быть изготовлен из различных типов простых или модифицированных эластомерных или термопластичных материалов. Примеры эластомеров включают нитрильный каучук, гидронитрильный каучук, карбоксилнитрильный каучук, кремнийорганический каучук, каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового полимера, эластомеры с основной насыщенной цепью и содержащие фтор и перфторэластомер. Примеры термопластов включают тефлон (Teflon), полиэфирэфиркетон, полипропилен, полиэтилен и полифениленсульфид.
Эти нанокомпозиты модифицированных полимеров могут быть использованы во многих случаях, касающихся нисходящих скважин, например в качестве уплотнений. Модифицированные полимеры с нанонаполнителями могут быть использованы, например, в качестве уплотняющего элемента 36 пакера, О-образных колец, опорных колец и других типов уплотнений. Нанонаполнители 56, 58 могут быть выбраны для улучшения свойств материалов, включая повышение прочности на растяжение, прочности на сжатие, прочности на разрыв/срез, модуля упругости, химической стойкости, теплостойкости и теплопроводности/электропроводности.
Модифицированные полимеры с нанонаполнителем могут быть подготовлены посредством выполнения различных процессов. Примеры таких процессов включают процессы растворения, мезофазные промежуточные процессы, полимеризацию по месту и физическое перемешивание или компаундирование. Кроме того, могут быть использованы разнообразные способы отверждения, включая термическое отверждение, отверждение посредством излучения микроволн и отверждение посредством излучения электронного пучка. Перед изготовлением полимерных нанокомпозитов нанонаполнители также могут быть модифицированы, чтобы обеспечить оптимальное диспергирование нанонаполнителей. Кроме того, функциональные нанонаполнители могут служить в качестве агентов для образования поперечных связей в полимерных смесях. Такие технологии могут быть использованы даже для получения термопластичных материалов с поперечными связями.
На фиг.4 схематически представлен один вариант скважинного инструмента 30 в виде пакера 34. Пакер 34 используют, например, для отделения нижней части 60 буровой скважины 22 от ее верхней части 62. В пакере 34 используют определенный тип уплотняющего элемента 36 для формирования уплотнения между телом 64 пакера и стенкой буровой скважины 22, например, обсадной трубой 26 в желаемой зоне уплотнения. Расширенный уплотняющий элемент также может быть использован в качестве анкера. Таким образом, уплотняющий элемент 36 пакера 34 может быть использован в буровой скважине как в качестве уплотнения, так и в качестве анкера. Скважинный инструмент 30 также может быть выполнен в виде мостиковой пробки с уплотняющим элементом 36.
Уплотняющий элемент 36 представляет собой пример компонента инструмента, который, по меньшей мере, частично образован из модифицированных полимеров с нанонаполнителем. Уплотняющий элемент 36 также может иметь разнообразные конфигурации, например представленный вариант имеет пару концевых колец 66 и центральный элемент 68. Концевые кольца 66 и центральный элемент 68 образованы из модифицированных полимеров с нанонаполнителем и могут содержать смесь материалов. Например, в одном из вариантов концевые кольца 66 и центральный элемент 68 могут быть образованы из модифицированных эластомеров с нанонаполнителем. Однако в другом варианте центральный элемент 68 образован из модифицированного эластомера с нанонаполнителем, в то время как концевые кольца 66 образованы из термопластичных материалов с нанонаполнителем.
На фиг.5 представлен еще один вариант осуществления скважинного инструмента 30. Скважинный инструмент может представлять собой, например, клапан, такой как предохранительный клапан, или скользящую муфту. В любом случае скважинный инструмент 30 содержит корпус 70, имеющий внутренний элемент 72, например ползун или клапанный элемент, который перемещается относительно корпуса 70. Между корпусом 70 и внутренним элементом 72 образовано уплотнение в виде уплотняющего элемента 74, расположенного в желаемой зоне обеспечения уплотнения. Уплотняющий элемент 74 образован из модифицированного полимера с наполнителем, чтобы улучшить свойства материала уплотняющего элемента 74 и таким образом увеличить долговечность и/или улучшить функциональность скважинного инструмента 30. Характерная форма уплотняющего элемента 74, используемого в данном инструменте 30, может значительно изменяться в зависимости от таких факторов, как выполняемая инструментом функция, тип инструмента или среда, в которой должен действовать скважинный инструмент. Примеры различных уплотнений, которые могут быть использованы в скважинных инструментах, представлены и описаны со ссылкой на фиг.6-11.
Как показано на фиг.6, уплотняющий элемент 74 расположен между первым компонентом 76 и вторым компонентом 78, который скользит относительно первого компонента 76. Компонентами, совершающими относительное скольжение, могут быть компоненты разнообразных скважинных инструментов, включая клапаны, скользящие муфты и насосы. В этом варианте осуществления конструкции уплотняющий элемент 74 содержит уплотнение в виде О-образного кольца 80. Уплотнения в виде О-образного кольца часто служат в качестве простых двунаправленных статических уплотнений. Уплотняющий элемент 74 также может содержать пару опорных колец 82, расположенных с противоположных сторон от О-образного кольца 80. О-образное кольцо 80 и опорные кольца 82 могут быть выполнены из модифицированных полимеров с наполнителем. Например, О-образное кольцо 80 может быть выполнено из модифицированного эластомера с наполнителем, а опорные кольца 82 могут быть выполнены из упрочненных термопластичных материалов с наполнителем.
Еще один пример уплотнения представлен на фиг.7. В этом варианте уплотняющий элемент 74 содержит Т-образное уплотнение, в общем имеющее Т-образную центральную часть 84 и пару упрочняющих колец 86. Т-образные уплотнения используют в скважинных инструментах, в которых требуется, например, обеспечение двунаправленного динамического уплотняющего действия между компонентами, совершающими относительное возвратно-поступательное движение. В зависимости от применения Т-образное уплотнение может быть изготовлено из модифицированных термопластиков с нанонаполнителем, из модифицированных эластомеров с нанонаполнителем или из сочетания двух типов полимеров.
На фиг.8 в общем представлен уплотняющий элемент 74 в виде V-образного пакета сальниковых или шевронных уплотнений. Пакет шевронных уплотнений содержит группы многокомпонентных уплотнений, имеющих большое количество уплотняющих выступов, которые активируют перепад давлений. Эти типы уплотнений применяют в разнообразных случаях использования нисходящих скважин, при этом они пригодны для их применения в качестве внутреннего динамического уплотнения. В представленном варианте конструкции пакет уплотнений содержит группы 88 и 90 уплотнений, образованные соответственно из более мягкого и относительно более твердого полимерных материалов. Например, группы 88 и 90 уплотнений могут формировать пакет уплотнений из чередующихся более мягкого и более твердого полимерных материалов. В этом примере группы 88 уплотнений образованы из модифицированных эластомерных материалов с нанонаполнителем, а группы 90 уплотнений образованы из модифицированных термопластичных материалов с нанонаполнителем.
Дополнительные примеры модифицированных полимерных уплотнений с нанонаполнителем представлены на фиг.9-11. В каждом из этих примеров уплотняющий элемент 74 содержит активируемое пружиной уплотнение, образованное в виде однонаправленного статического или динамического уплотнения. Например, согласно фиг.9 уплотняющий элемент 74 содержит тело 92 уплотнения с уплотняющими поверхностями 94 и углубленную внутреннюю часть 96. U-образная пружина 98 расположена в углубленной внутренней части 96, чтобы обеспечивать принудительную подачу уплотняющих поверхностей 94 в наружном направлении.
На фиг.10 представлен подобный вариант осуществления конструкции за исключением того, что U-образная пружина 98 заменена пружиной 100, имеющей в общем круглое или овальное поперечное сечение. Подобно варианту конструкции, описанному применительно к фиг.9, пружина 100 смещает уплотняющие поверхности 94 в наружном направлении. Еще один подобный вариант конструкции представлен на фиг.11. В этом примере тело 92 уплотнения содержит пару смежных углубленных внутренних частей 96, которые содержат пружинные элементы 102. Пружинные элементы 102 могут быть образованы с разнообразными конфигурациями, включая пару U-образных пружинных элементов, как показано на фиг.11. В любом из вариантов, представленных на фиг.9-11, используют модифицированные эластомеры или термопластики с наполнителем согласно конструктивным параметрам данного скважинного инструмента и/или окружающей среде.
Обсуждавшиеся выше модифицированные полимерные компоненты с нанонаполнителем представляют собой примеры некоторых компонентов, которые могут быть использованы в случае нисходящих скважин. Однако из таких материалов также могут быть образованы дополнительные типы уплотнений и другие компоненты для улучшения свойств материалов и создания скважинных инструментов, в большей степени способных противостоять шероховатым подземным средам, в которых они функционируют. Примеры других компонентов включают в себя мягкое седло 106, используемое совместно со скважинным инструментом 30, как показано на фиг.12. Мягкие седла 106 могут быть использованы на таком скважинном инструменте, как клапаны. Характерным примером являются предохранительные клапаны, имеющие мягкое седло 106, чтобы обеспечить начальное уплотнение между створкой 108 и твердым металлическим посадочным местом 110. Такие мягкие посадочные места могут быть образованы из модифицированных термопластичных или эластомерных материалов с нанонаполнителем.
Еще одним примером является инструмент 112, имеющий связанное уплотнение 114, образованное из модифицированного полимерного материала с нанонаполнителем, связанного с металлическим или композитным держателем 116 в зоне 118 связи. Такие связанные уплотнения используют в разнообразных инструментах 112, включая вспомогательные поршни, возвратно-поступательные муфты, силовые поршни и другие компоненты. Кроме того, из модифицированных полимеров с нанонаполнителем также могут быть образованы компоненты, не уплотняющие скважинный инструмент.
Хотя выше подробно описаны лишь несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, квалифицированные специалисты в этой области легко поймут, что без существенного отклонения от идей этого изобретения возможны многие модификации. Соответственно предполагается, что такие модификации должны быть включены в объем этого изобретения, который определен в пунктах формулы изобретения.