УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПАКЕРА С МАТЕРИАЛОМ, ОБЛАДАЮЩИМ ЭФФЕКТОМ ЗАПОМИНАНИЯ ФОРМЫ
SEALING ELEMENT OF PACKER WITH MATERIAL HAVING SHAPE MEMORY EFFECT

Область техники
Настоящее изобретение относится к пакерам и мостовым пробкам для использования в скважине, а более конкретно к тем, которые требуют большого увеличения в размерах для установки.
Уровень техники
Пакеры и мостовые пробки используются в скважинах для изолирования одной части буровой скважины от другой. В некоторых вариантах применения, таких как доставка через насосно-компрессорную трубу для установки в обсадной трубе ниже насосно-компрессорной трубы пакер или мостовая пробка должны первоначально пройти через сужение проходного сечения в насосно-компрессорной трубе, диаметр которого значительно меньше, чем диаметр обсадной трубы, где она должна быть установлена. Одна такая конструкция мостовой пробки с высоким коэффициентом расширения представлена в USP 4554973, права по который переуступлены компании Шлюмберже (Schlumberger). Например, эта конструкция может пройти через насосно-компрессорную трубу диаметром 2,25 дюйма (5,72 см) и может быть установлена в обсадной трубе, имеющей внутренний диаметр величиной 6,184 дюйма (15,707 см). Уплотнительный элемент деформируется путем сплющивания. Недостатком такой конструкции является то, что ее установка требует приложения силы большой величины и использования длинного хода.
Другая конструкция задействует использование надувного пакера, который доставляется в сжатом виде и надувается после помещения в должное место для установки. Недостатком такой конструкции является то, что надувной пакер может быть поврежден во время доставки в указанное место внутри ствола скважины. В этом случае он не будет надут или же он будет разорван во время надувания. В любом случае уплотнение не будет установлено. Дополнительно к этому, изменение температуры внутри ствола скважины может негативно повлиять на надутую пробку, что вызовет повышение ее внутреннего давления до уровня, при котором произойдет ее разрушение. С другой стороны резкое понижение температуры скважинных флюидов может привести к уменьшению внутреннего усилия при герметизации до момента, когда произойдет полная потеря уплотнения и расцепление мостовой пробки от внутреннего диаметра ствола скважины.
Традиционные конструкции пакеров, которые не задействуют большое увеличение размеров пакера, используют муфту, которая сжимается в продольном направлении для увеличения диаметра до момента образования уплотнения. В случае ситуаций с большим коэффициентом расширения требуется большой объем цельной муфты, чтобы уплотнить кольцевое пространство между оправкой, которая может иметь диаметр 1,75 дюйма (4,445 см), и окружающей полой трубой, величина диаметра которой может быть равной 6,184 дюйма (15,707 см). До настоящего времени для решения этой задачи использовались достаточно длинные муфты в качестве уплотнительных элементов. Проблема с продольным сжатием муфты с высоким значением отношения длины к диаметру состоит в том, что такое сжатие не обязательно ведет к линейному отклику в виде увеличения диаметра. Муфта коробится или скручивается и может оставить проходы на ее внешней поверхности, которые представляют собой потенциальные каналы для просачивания, даже если она контактирует с окружающей полой трубой.
Полимеры, обладающие эффектом запоминания формы (ПЭЗФ), известны благодаря их свойству вновь принимать прежнюю форму, если они подвергаются воздействию определенного изменения температуры. Эти материалы были протестированы в случаях, требующих применения высоких коэффициентов расширения, где их форма была изменена от начального вида до уменьшенного диаметра, при этом идея состояла в том, что при воздействии на них температур внутри ствола скважины они возвратятся в изначальную форму и по возможности уплотнят значительно более широкую окружающую трубу. Как было выяснено, возникающее в результате такого воздействия контактное усилие таких материалов было слишком мало, чтобы быть полезным, поскольку материал был слишком мягким, чтобы обеспечить приложение необходимой величины уплотняющей силы после изменения формы.
Публикация USP 5941313 иллюстрирует применение деформируемого материала внутри покрытия в качестве уплотнительного элемента при использовании пакера.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения по настоящему изобретению направлен на обеспечение пакера или мостовой пробки с высоким коэффициентом расширения посредством использования ПЭЗФ и использования их относительной мягкости при достижении температуры трансформации, когда ПЭЗФ стремится возвратиться к своей прежней форме. Мягкость такого материала, когда на него воздействует температура, уровень которой находится выше температуры его трансформации, используется в настоящем изобретении для сжатия материала, когда он является мягким, чтобы уменьшить величину силы, требуемой для установки пакера. ПЭЗФ ограничивается в момент изменения температуры, когда он становится тверже, сохраняя при этом свою ограниченную форму, и тем самым достигается осуществление эффективного уплотнения.
Специалистам будут более понятны различные особенности изобретения из последующего описания его предпочтительных вариантов осуществления и чертежей, как и полный объем изобретения из прилагаемой формулы изобретения.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении пакер или мостовая пробка использует уплотняющий элемент, изготовленный из полимера, обладающего эффектом запоминания формы (ПЭЗФ). Элемент пакера подвергается нагреванию, чтобы размягчить ПЭЗФ, в то время как сам этот элемент подвергается сжатию и удержанию. При удержании элемента воздействие температурой прекращается, чтобы позволить ПЭЗФ затвердеть, так чтобы он эффективным образом уплотнил бы окружающую полую трубу. Возможны высокие коэффициенты расширения, поскольку мягкость материала при температурном воздействии позволяет придать ему форму окружающей полой трубы из меньшего размера, необходимого во время помещения пакера внутрь ствола скважины, чтобы эффективным образом удержать уплотненную конструкцию после затвердевания при уменьшении внутренней температуры при сжатии в продольном направлении.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой местный разрез пакера в позиции установки (спуска); и
фиг.2 представляет собой местный разрез пакера в установленном состоянии.
Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления
Пакер или мостовая пробка 10 имеет оправку 12 и уплотнительный элемент (для краткости называемый далее "элемент 14") 14, который предпочтительно надет на оправку 12. Вспомогательные средства 16 и 18 устанавливаются на оправку 12 по обе стороны от элемента 14. Одно или два вспомогательных средства могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль оправки 12. Они могут иметь коническую форму или лепестковую конструкцию, такую как описана в публикации USP 4554973, или иные формы, чтобы действовать в качестве держателей для элемента 14 и чтобы действовать в качестве поверхностей передачи прилагаемых сил сжатия по отношению к элементу 14.
Они могут быть подведены ближе друг к другу, чтобы оказать сжимающее воздействие на элемент 14, благодаря множеству способов, включающих гидравлическое давление, приложение веса, использование газогенерирующего инструмента или иных эквивалентных устройств для генерирования силы сжатия, направленной в продольном направлении.
Является предпочтительным, чтобы элемент 14 изготавливался из ПЭЗФ или из иных материалов, которые могут становиться мягче и жестче в зависимости от температуры, воздействию которой они подвергаются. Как изображено на фиг.1, для упаковки элемента 14 может быть использована внешняя крышка 20. Является предпочтительным, чтобы крышка была тонкой и достаточно гибкой, чтобы минимизировать сопротивление изменению формы в элементе 14, возникающему благодаря относительному перемещению вспомогательных средств 16 и 18. Также предпочтительно, чтобы крышка 20 была бы гибкой для перемещения с содержащимся внутри элементом 14, в то время как его форма изменяется во время закрепления пакера. Это также обеспечивает защиту элемента 14 во время помещения пакера внутрь ствола скважины.
Фиг.1 далее, в общем, изображает источник 22 тепла, который может воздействовать на температуру элемента 14. Хотя он изображен, будучи встроенным в элемент 14, он может находиться на его внешней поверхности, контактируя с крышкой 20, или же он может, в общем, представлять собой источник тепла, который воздействует на элемент 14 со стороны окружающего скважинного флюида. Источник 22 может представлять собой нагревательный элемент, материалы, которые изначально являются разделенными, и лишь позднее они смешиваются при установке пакера, чтобы создать нагрев, или они могут представлять собой иные устройства, которые создают нагрев, необходимый для смягчения элемента 14 для целей установки пакера.
При осуществлении операций пакер или мостовую пробку опускают и располагают в стволе скважины. Он может быть доставлен через насосно-компрессорную трубу 24 в полую трубу 26 большего диаметра. Нагревание происходит в результате воздействия источника 22. Элемент 14, будучи предпочтительно изготовленным из ПЭЗФ, отвечает на воздействие температурной обработки и становится мягче, пытаясь возвратиться к своей изначальной форме. В то же самое время, в то время как на элемент 14 воздействует нагревание, чтобы сделать его мягче, вспомогательные средства 16 и 18 перемещаются относительно друг друга и оказывают продольное сжимающее воздействие на элемент 14, который в этот момент более легко подвержен реконфигурации, чем когда он помещался внутрь ствола скважины до воздействия тепла от источника 22. Во время приложения силы сжатия к элементу 14 источник 22 выключается, и это позволяет ПЭЗФ элемента 14 начать процесс затвердевания, будучи подверженным воздействию силы сжатия. Сила сжатия может быть увеличена во время периода, в течение которого элемент 14 становится тверже, чтобы компенсировать любое термическое сокращение элемента 14. Поскольку элемент 14 является размягченным, для его сжатия с целью помещения в уплотнительную позицию (фиг.2) требуется сила значительно меньшей величины. В настоящем изобретении жесткость рассматривается в качестве возможности элемента сопротивляться силе деформации при заданном уровне сжатия.
В качестве альтернативы нагрева от источника тепла, находящегося внутри элемента 14, для размягчения элемента 14 может быть использовано тепло от скважинного флюида, если условия внутри скважины могут быть изменены, чтобы обеспечить затвердевание элемента 14 после установки его в должное место. Например, если возникновение потока в скважине уменьшит температуру скважинного флюида, как это происходит в случае нагнетательных скважин, тогда лишь простая доставка пакера 10 внутрь ствола скважины приведет к размягчению элемента 14 для установки, в то время как изменения условий внутри скважины, которые ведут к уменьшению температуры скважинного флюида, располагающегося рядом с элементом 14, позволят ему стать тверже после установки в должном месте. И хотя ПЭЗФ материалы являются предпочтительными, другие материалы, которые могут быть сделаны мягче для установки, а позднее тверже после установки входят в объем изобретения, даже если они и не являются ПЭЗФ. Материалы, реагирующие на воздействие энергии, такой как электрическая энергия, в результате чего они становятся более мягкими для целей установки, или которые изначально являются мягкими, а потом могут отверждаться после установки в результате такого воздействия, являются возможными вариантами выполнения элемента 14. Аналогичным образом в объем изобретения входят материалы, чье состояние может быть изменено после того, как они будут установлены в должном месте, что обеспечивается в результате реакции при вводе другого материала или катализатора. Изобретение предполагает использование элемента, который может быть легко подвержен сжатию для целей установки, а также во время установки или после установки может начать затвердевать или в целом увеличить свою жесткость, чтобы лучше удерживать уплотнение. ПЭЗФ представляет собой предпочтительный вариант используемого материала по данному изобретению. Многокомпонентные материалы, которые в агрегированном состоянии имеют один уровень жесткости, изменяющийся во время или после сжатия до уровня большей жесткости, также рассматриваются в данном изобретении. Одним из примеров является эпоксидная смола, состоящая из двух элементов, которые смешиваются в результате расширения. В сущности, конструкция уплотнения претерпевает изменение физической характеристики во время или после сжатия помимо какого-либо увеличения се плотности.
Импульс на изменение физической характеристики может прийти не только от внутреннего источника энергии, как это изображено на чертежах. Чертежи предлагаются лишь в виде схематичной иллюстрации примера. Предусматривается возможность применения источников (средств подвода) энергии, которые будут внешними относительно элемента 14, и энергия может поступить от скважинных флюидов или добавок, которые помещаются в скважину с поверхности земли. Реализация изменения физической характеристики может иметь формы, отличные от подвода энергии, такие как ввод катализатора для запуска реакции или добавление ингредиента для осуществления реакции. Изобретение предусматривает облегчение сжатия элемента, что в случае пакеров или пакер-пробок с высоким коэффициентом расширения становится более важным элементом процесса ввиду необходимости применения длинного хода и неуверенности в поведении элемента при сжатии, когда значение отношения длины к начальному диаметру увеличивается. Применение ПЭЗФ с внутренним источником энергии является лишь одним из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Вышеприведенное описание является иллюстрацией предпочтительных вариантов осуществления изобретения, и множество модификаций может быть осуществлено специалистами без отхода от изобретения, чей объем должен определяться из буквального и эквивалентного толкования притязаний нижеприведенной формулы изобретения.