САМОУПЛОТНЯЮЩИЙСЯ ПАКЕР
SELF-SEALING PACKER

Область техники
Настоящее изобретение относится к пакерам и пробкам, используемым в скважинах, более конкретно к сборному узлу пакера, генерирующего увеличивающуюся по величине силу, приводящую к установке узла пакера/пробки внутри скважины в уплотняющее положение.
Уровень техники
Пакеры и пробки используются в скважинах для изолирования зон и герметизации части или полного объема буровой скважины. На рынке существуют множество разновидностей пакеров. Некоторые из них являются надувными, а другие закрепляются механическим образом при помощи посадочного инструмента, который создает относительное перемещение, служащее для сжатия уплотнительного элемента и осуществления его контакта с окружающей пустотелой трубой. Обычно длина таких элементов уменьшается при увеличении диаметра. Со стороны посадочного инструмента на такой уплотнительный элемент беспрерывно оказывается давление, чтобы в момент его контакта с окружающей пустотелой трубой он бы мог быть закреплен в ней под воздействием возникшего в результате этого давления внутреннего напряжения.
В последнее время стали применяться пакеры, которые используют элементы, реагирующие на окружающие пакер флюиды буровых скважин и разбухающие в результате такого контакта, что используется для образования уплотнения. Было открыто множество различных материалов, которые обладают указанной возможностью, а также были разработаны конструкции пакеров, которые предотвращают разбухание таких материалов до того момента, как пакер попадет в область, находящуюся радом с местом, где он будет установлен. Однако такие конструкции все же ограничены объемом увеличения разбухающего элемента, что зависит от образующейся силы контактного давления пакера, направленной на окружающую пустотелую трубу или ствол скважины. Величина силы контактного давления пакера является решающим фактором с точки зрения возможности контроля уровня дифференциального давления в скважине. В случае некоторых конструкций пакеров также рассматривались вопросы продавливания уплотнительного элемента в продольном направлении по мере его радиального разбухания. Относительно подробное обобщение существующего уровня техники, относящегося к разбухающим пакерам, приводится ниже:
I. Ссылки, касающиеся съемных покрытий, расположенных над разбухающими втулками пакеров
1) Заявка на патент US 2004/0055760 А1
Фиг.2а изображает слой изолирующего материала 110, расположенный над разбухающим материалом 102. Параграф 20 показывает, что материал 110 может быть убран механическим образом посредством срезания или химическим образом посредством растворения, либо посредством нагревания, выстаивания, применения нагрузок, или посредством иных методов известных согласно существующему уровню техники. Барьер 110 описывается в параграфе 21 как изолирующий материал, присутствующий до того момента, как потребуется активизация нижерасположенного материала. Механическое расширение нижерасположенной трубы также рассматривается в качестве возможного варианта множества методов описываемых в параграфе 24.
2) Заявка на патент US 2004/0194971 А1
В параграфе 49 описывается применение растворимого в воде или щелочи полимерного покрытия, лишь после растворения которого возбуждающее вещество сможет осуществить контакт с эластомерным материалом, находящимся под полимерным покрытием, что осуществляется с целью задержки разбухания. Один из способов добиться такой задержки требует впрыска в буровую скважину материала, который устранит такое покрытие. Задержка разбухания обеспечивает наличие времени, необходимого для размещения пустотелой трубы в предназначенном для этого месте до момента расширения эластомерного материала. В данной заявке описываются множественные полосы разбухающего материала, где нижняя и верхняя полосы применяются в качестве экструзионных барьеров противовыдавливания.
3) Заявка на патент US 2004/0118572 А1
В параграфе 37 констатируется, что защитный слой 145 позволяет избежать преждевременного разбухания до того момента, как достигается желаемое расположение пакера внутри скважины. Это покрытие по существу не разбухает при контакте с активизирующим веществом и является достаточно прочным, чтобы противодействовать износу или повреждению при доставке пакера в место расположения внутри скважины. После достижения заданного места расположения пакера внутри скважины расширение трубы разрывает защитный слой 145, чтобы обеспечить контакт разбухающих эластомерных материалов 140 с активизирующим веществом. Защитный слой может быть изготовлен из майларовой пленки или пластмассы.
4) Публикация USP 4862967
В данном случае уплотнительный элемент представляет собой эластомер, обернутый неперфорированным покрытием. Покрытие замедляет разбухание эластомера до момента активизации уплотнительного элемента, что происходит в момент “разрушения” покрытия, после чего может начаться разбухание нижерасположенного уплотнительного элемента, как это указывается в колонке 7.
5) Публикация USP 6854522
Данный патент имеет множество предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Один из них, изображенный на фиг.26, представляет собой пену, которая удерживается внутри пакера, при этом при достижении подходящей глубины расположения пакера внутри скважины расширение полой трубы разрывает фиксирующее приспособление 272, что позволяет пене осуществить разбухание до исходного габаритного размера.
6) Заявка на патент US 2004/0020662 А1
Негерметичный внешний слой 10 располагается сверху разбухающего слоя 12 и имеет большую сопротивляемость разбуханию, чем внутренний разбухающий слой 12. В параграфах 17 и 19 приводятся списки специфических материалов, пригодных для использования в данном случае. Что происходит с покрытием 10 во время разбухания не очень ясно, но предполагается, что оно разрывается, и его фрагменты остаются поблизости от разбухшего уплотнения.
7) Публикация USP 3918523
Разбухающий элемент покрыт обработанной грубой тканью, что призвано отсрочить его разбухание до того момента, как будет достигнуто желаемое местоположение пакера внутри ствола скважины. После этого покрытие из грубой ткани растворяется, позволяя флюиду проникнуть через него к разбухающему элементу 24, который в результате этого расширяется и прорывает покрытие 20, как это указано в верхней части колонки 8.
8) Публикация USP 4612985
Штабель из уплотнительных элементов, подлежащий помещению в отверстие для уплотнения скважинного инструмента, накрыт пакерной втулкой, предпочтительно установленной при помощи направляющих на оправке. Втулка останавливается перед отверстием для уплотнения, в то время как уплотнительные элементы более не удерживаются при продвижении внутрь отверстия для уплотнения.
II. Ссылки, касающиеся разбухающего материала, находящегося под непроницаемой пакерной втулкой
1) Заявка на патент US 2005/0110217
Надувной пакер заполняется материалом, который разбухает при попадании в него вещества, способствующего разбуханию.
2) Публикация USD 6073692
Пакер имеет ствол с желобками и покрыт уплотняющим элементом. Упрочняющие ингредиенты содержатся отдельно друг от друга до момента совместного использования. После этого ствол пакера расширяется до образования кольцеобразного поперечного сечения, а ингредиенты, находящиеся под внешней пакерной втулкой, смешиваются и затвердевают. Подобный процесс не обязательно приводит к разбуханию.
3) Публикация USP 6834725
Фиг.3b изображает разбухающий компонент 230, находящийся под уплотнительным элементом 220, где при расширении трубчатого элемента при помощи оправки 175, пробки 210 выбиваются наружу, позволяя активирующему флюиду вступить в контакт с разбухающим материалом 230, находящимся под покрытием из уплотнительного материала 220.
4) Публикация USP 5048605
Материал, разбухающий под воздействием воды, обернут перекрывающимися листами из Кевлара. Расширение, действующее снизу, частично разматывает Кевлар до момента его контакта со стенкой ствола скважины.
5) Публикация USP 5195583
Глина покрывается резиной, а проход, ведущий от затрубного пространства, позволяет скважинному флюиду, находящемуся позади резины, приводить к разбуханию глины под резиной.
6) Японская заявка на патент 07-334115
Вода хранится рядом с разбухающим материалом и может смешиваться с разбухающим материалом под оболочкой 16.
III. Ссылки, раскрывающие открытый уплотняющий элемент, разбухающий при вводе
1) Публикация USD 6848505
Открытая резиновая втулка разбухает при помещении внутрь ствола скважины. Полая труба или обсадная колонна также может быть расширена при помощи оправки.
2) Заявка WO 2004/018836 A1
Пористая втулка, расположенная над перфорированной трубой, разбухает при контакте со скважинными флюидами. Нижняя труба расширяется в скважине.
3) Публикация USP 4137970
Разбухающий материал 16, располагающийся вокруг трубы, помещается внутрь буровой скважины и разбухает, герметизируя ствол скважины.
4) Заявка на патент US 2004/0261990
Чередующиеся открытые кольца, на которые может воздействовать вода или скважинные флюиды, применяются для изолирования зоны вне зависимости от того, введена ли скважина в эксплуатацию или из нее поступает вода.
5) Японская заявка на патент 03-166459
Многослойная конструкция из более медленно разбухающих колец окружает быстро разбухающее кольцо. Процесс разбухания медленно разбухающих колец длится несколько часов, в то время как окружающие более быстро разбухающие кольца завершают процесс разбухания за несколько минут.
6) Японская заявка на патент 10-235996
Как можно понять, последовательное разбухание колец от нижерасположенных к вышерасположенным приводит к улавливанию воды между ними.
7) Публикации USP 4919989 и 9436386
В этих двух связанных патентах описываются кольца из глины с добавкой бентонита, которые бросаются в скважину и разбухают там, что приводит к герметизации затрубного пространства.
8) Заявка на патент US 2005/009363 A1
Отверстия нижней трубы запираются при помощи материала, который разрушается при контакте со скважинными флюидами и при воздействии скважинных температур, в результате чего образуется продукт, который убирает фильтрационный осадок с фильтра.
9) Публикация USP 6854522
Фиг.10 этого патента изображает два материала, которые могут смешиваться в результате расширения полых труб между уплотняющими элементами, которые содержат комбинируемые реагенты до их взаимодействия.
10) Заявка на патент US 2005/0067170 A1
Пена, обладающая свойством эффекта запоминания формы, будучи сконфигурирована для занимания малого объема, помещается внутрь устройства пакера, и при размещении пакера внутри ствола скважины принимает прежнюю форму благодаря воздействию определенной температуры внутри скважины.
IV. Ссылки, раскрывающие используемый для герметизации усилитель, приводимый в действие внутри скважины
1) Публикация USP 6854522
Этот патент задействует трубное расширение внутри ствола скважины, чтобы обеспечить высвобождение потенциальной энергии, которая устанавливает втулку или надувает полость пакера. Он также комбинирует установку уплотнения частично при помощи трубного расширения и частично при помощи вращения или сдвижения элементов, установленных с возможностью скольжения. Фиг.3, 4, 17-19, 21-25, 27 и 36-37 представляют собой иллюстрации этих общих принципов.
Различные принципы, описанные в публикации USD 6854522, зависят от наличия трубного расширения, которое необходимо для высвобождения накопленной силы, которая впоследствии приводит к разбуханию уплотнительного материала. Как отмечается в предпочтительном варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.10, именно концевые уплотнения, переводимые в “уплотняющий режим” при помощи трубного расширения и содержащие разбухающий материал между собой при формировании уплотнения, приводятся в действие при помощи первоначального расширения полой трубы. Что не показано в данном случае, как и в случае других приведенных ссылок, так это то устройство, которое усиливает уплотнение разбухающего уплотняющего элемента посредством другого элемента, который воздействует на него по мере расширения уплотнения. Различные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут иллюстрировать специалистам, как настоящее изобретение обеспечивает наличие увеличивающейся по интенсивности уплотняющей силы для разбухания или расширения уплотняющего элемента с целью повышения контактного давления и, следовательно, возможность образования уплотнения, способного противостоять более высоким значениям дифференциального давления. Эти и иные особенности настоящего изобретения станут понятными специалистам из анализа описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения и связанных с ними чертежей, равно как и из формулы изобретения, определяющей полный объем данного изобретения.
Сущность изобретения
Пакер или пробка представляют собой основной уплотнительный (разбухающий) элемент, который разбухает после довольно длительной задержки, достаточной для доставки этого уплотнительного элемента в нужное местоположение. В одном варианте осуществления имеется втулка, которая, в конечном счете, убирается, чтобы позволить скважинным флюидам, находящимся рядом с основным уплотнительным элементом, инициировать процесс разбухания до момента осуществления контакта уплотнительного элемента с окружающей полой трубой или стенкой буровой скважины. Другие втулки (усиливающие элементы), которые размещаются выше и ниже основного уплотнительного элемента, предпочтительно разбухают, но в основном в продольном направлении относительно основного уплотнительного элемента, чтобы увеличить величину давления в зоне контакта этого основного уплотнительного элемента со стенками окружающей полой трубы или буровой скважины. Разбухающие в продольном направлении элементы также могут быть закрыты сверху, чтобы их увеличение могло бы быть инициировано лишь после того, как основной уплотнительный элемент начнет разбухание, и даже после того, как он завершит процесс своего разбухания. Разбухающие в продольном направлении элементы могут быть ограничены от увеличения в радиальном направлении, чтобы направить большую часть их усилий по разбуханию в продольном направлении. Опциональным образом для этого могут быть использованы барьеры противовыдавливания, которые могут располагаться как сверху, так и снизу основного уплотнительного элемента.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой местный разрез предлагаемого в настоящем изобретении пакера в момент помещения его в должное место расположения внутри ствола скважины;
фиг.2 представляет собой альтернативный фиг.1 предпочтительный вариант осуществления изобретения, использующий усиливающее воздействие пружин, направленные в противоположных направлениях;
фиг.3 представляет собой другой альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором сила сжатия пружины освобождается благодаря разбуханию элемента конструкции;
фиг.4 изображает фиксатор, который освобождает силу сжатия пружины для оказания дополнительного воздействия на уплотнительный элемент.
Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.1 изображает ствол 10 пакера, который содержит закрепленный на нем основной уплотнительный (разбухающий) элемент 12. Элемент 12 предпочтительно разбухает при контакте со скважинными флюидами, в результате чего он увеличивается в радиальном направлении до момента контакта с окружающей полой трубой или стволом скважины, при этом не тот ни другой не изображены на чертеже для большей ясности. Разбухающий материал может представлять собой один из многих материалов, известных как способные разбухать при контакте со скважинными флюидами, которые, как предполагается, располагаются поблизости от предполагаемой глубины установки пакера или пробки внутри ствола скважины. Предохранительная втулка 14 окружает основной уплотнительный элемент 12, что осуществляется не только с целью защиты этого элемента по мере проникновения его внутрь ствола скважины, но также и с целью отсрочить начало процесса разбухания этого элемента до момента достижения им зоны расположения внутри ствола скважины. Втулка 14 может иметь металлическую конструкцию или может быть изготовлена из неметаллического материала. В любом случае после определенного периода времени скважинные флюиды войдут в контакт с втулкой 14, в результате чего после этого скважинные флюиды будут способны вступить в непосредственный контакт с основным уплотнительным элементом 12, чтобы инициировать процесс его разбухания в радиальном направлении. Специалистам будет понятно, что в данном случае могут присутствовать некоторое изменение размера уплотнительного элемента в продольном направлении, в то время как элемент 12 увеличивается в диаметре. Выбор разбухающего материала из множества материалов, пригодных для данной цели и известных из уровня техники, будет определять скорость разбухания и величину давления в плоскости контакта материала с окружающей поверхностью ствола скважины, которое будет оказывать элемент 12, если он будет осуществлять это своими силами. Настоящее изобретение обеспечивает увеличение величины внутреннего давления в уплотнительном элементе 12, что будет объяснено ниже.
В случае предпочтительного варианта осуществления изобретения вспомогательные (усиливающие или подпирающие) элементы 18 и 20 помещаются на противоположных сторонах элемента 12, хотя опционально такой вспомогательный элемент может присутствовать лишь на одной стороне уплотнительного элемента. Элементы 18 и 20 предпочтительно разбухают в продольном направлении на величину, большую, чем они осуществляют такое разбухание в радиальном направлении, благодаря чему они увеличивают внутреннее напряжение в элементе 12 при их разбухании вдоль ствола 10 пакера. Кольца 22 и 24 противовыдавливания располагаются рядом с противоположными концами уплотнительного элемента 12, но также опционально они могут располагаться лишь с одной стороны уплотнительного элемента или могут вовсе отсутствовать. Предпочтительным образом они не подвержены разбуханию при контакте со скважинным флюидом и могут свободно перемещаться вдоль ствола 10 пакера в ответ на разбухание уплотняющего элемента 12 или элементов 18 и 20. Элементы 18 и 20 могут быть закрыты покрытиями 26 и 28. Эти покрытия могут применяться для начала разбухания элементов 18 и 20 в продольном направлении предпочтительно в тот момент, когда элемент 12 уже начнет разбухание или даже предпочтительно в более поздний момент времени, когда элемент 12 уже будет полностью разбухшим. Одной из причин такой задержки во времени является то, что величина силы разбухания элемента 12 в начале процесса разбухания превышает величину такой силы почти или полностью разбухшего элемента. По этой причине является предпочтительным задерживать увеличение размера элементов 18 и 20 в продольном направлении так, что когда они начнут увеличиваться в продольном направлении, им бы противодействовала меньшая сила сопротивления со стороны уплотнительного элемента 12. Покрытия 26 и 28 могут служить и для другой цели. Они могут быть достаточно жесткими, чтобы воспрепятствовать любой тенденции к увеличению элементов 18 и 20 в радиальном направлении и чтобы направить такое увеличение в продольном направлении. Они могут использоваться для обеих целей как замедления начала увеличения в продольном направлении, так и для подавления любой тенденции к радиальному расширению, одновременно перенаправив такое расширение в предпочтительном продольном направлении вдоль ствола 10 пакера. В виде одного примера покрытия 26 и 28 могут представлять собой перфорированные металлические структуры с непроницаемым покрытием, которое разрушается со временем благодаря контакту со скважинными флюидами. После разрушения покрытия перфорированное строение таких структур позволяет скважинному флюиду инициировать процесс увеличения элементов 18 и 20, в то время как покрытия 26 и 28 остаются достаточно прочными для направления такого увеличения в предпочтительном продольном направлении.
Кольца 22 и 24 функционируют как кольца противовыдавливания, известные из уровня техники. Необходимо также отметить, что элементы 18 и 20 могут быть изготовлены из материалов, обладающих свойствами эффекта запоминания формы, так что в результате воздействия на них соответствующего стимула при нахождении их внутри скважины, они могут принять свою исходную форму, что будет осуществлено посредством их увеличения в продольном направлении с целью автоматического увеличения дополнительного внутреннего напряжения элемента 12, что является частью процесса установки пакера.
Процедура разбухания может быть завершена посредством изготовления покрытия 16 из более тонкого, но все же идентичного использованному при изготовлении покрытий 26 и 28 материала. Альтернативным образом покрытия могут быть изготовлены из иных материалов, выбираемых для обеспечения начала разбухания элемента 12, а также возможно и завершения разбухания, прежде чем элементы 18 и 20 начнут увеличиваться в продольном направлении с целью увеличения внутреннего напряжения элемента 12 относительно окружающей полой трубы или буровой скважины. Альтернативным образом также предусматривается возможность разбухания или продольного увеличения элементов 18 и 20 до начала разбухания или увеличения элемента 12.
Предусматриваются и другие альтернативы. Например, элементы 18 или 20, или оба этих элемента могут быть закреплены на стволе 10 пакера в позиции, где они накапливают энергию, но при этом эта энергия не высвобождается для приложения силы по отношению к элементу 12 до того, как элемент 12 разбухнет сам и высвободит накопленную силу, или же альтернативным образом скважинные флюиды со временем преодолеют фиксатор накопленной силой и высвободят ее, чтобы она могла воздействовать в продольном направлении и повысить внутреннее напряжение основного элемента 12. Некоторые примеры этого представляют собой срезной штифт, который подвергается воздействию со стороны скважинных флюидов после того, как элемент 12 получит возможность начать и даже завершить разбухание в радиальном направлении. Другой альтернативой будет использование радиального увеличения элемента 12 с целью простого разрывания удерживающего хомута, благодаря чему сила накопленной энергии будет высвобождена в продольном направлении. В виде некоторых вариантов накопленная сила может представлять собой сжатую пружину, находящуюся под давлением камеру, воздействующие на поршень или на упругий материал, прикрепленный к стволу 10 пакера в сжатом состоянии.
Различные втулки, которые могут вызывать временные задержки, могут быть изготовлены из полимеров или металлов, которые растворяются в скважинных флюидах. Варианты разбухающих материалов анализируются в вышеупомянутых патентах, содержание которых включено в данное описание в качестве ссылки. Некоторые из примеров представляют собой резину, разбухающую глину или полимеры, известные как увеличивающиеся в объеме при контакте с углеводородами, водой или материалами, находящимися в буровой скважине.
Радиальное расширение ствола 10 пакера также может комбинироваться с расширением узлов конструкции, описанных выше, чтобы еще более увеличить уровень уплотнения и/или, чтобы выступить в качестве запускающего механизма, который освобождает элементы 18 и 20, которые в свою очередь высвобождают продольную силу, воздействующую на элемент 12. Например, штабель бельвилевских пружинных шайб может удерживаться кольцом, которое разрывается радиальным расширением для высвобождения радиально направленной силы, воздействующей на разбухающий элемент 12.
Фиг.2 изображает альтернативную технологию, где кольца 22 и 24 располагаются на противоположных сторонах элемента 12, как это было описано ранее. Фиксатор 33 первоначально находится в выемке 37 и удерживает пружину 36 в сжатом состоянии. На другой стороне располагается зеркально-противоположная конструкция, использующая сжатую пружину 31, удерживаемую фиксатором 32. После помещения в ствол скважины, контакта со скважинными флюидами и воздействия на них скважинных температур фиксаторы 32 и 33 ослабляются и высвобождают накопленную силу соответствующих пружин 31 и 36. В результате этого на элемент 12 с двух сторон начинают воздействовать противоположно направленные силы.
Фиг.3 изображает пружину 31, упирающуюся в кольцо 22А противовыдавливания, которое в свою очередь удерживается на месте пружинным стопорным кольцом 41, находящимся в выемке 47. По мере разбухания элемента 12 он становится мягче, что осуществляется до того момента, как накопленная сила пружины 31 оказывается достаточно большой для выдавливания пружинного стопорного кольца 41 из выемки 47, чтобы оказать дополнительное давление на элемент 12.
Фиг.4 представляет собой варианцию конструкции, изображенной на фиг.3. В данном случае пружинное стопорное кольцо 42 удерживается в выемке 10А при помощи удерживающего кольца 43. Опционально пружинная шайба 41 может принимать на себя силу сжатой пружины. Удерживающее кольцо 43 предпочтительно изготавливается из биополимера, такого, чтобы температуры в нижней части ствола скважины приводили бы к его ослаблению или растворению, позволяя, таким образом, пружинному стопорному кольцу 42 расшириться так, чтобы сила пружины могла бы воздействовать на элемент 12. Альтернативным образом, даже если удерживающее кольцо 43 не будет растворено, с большой долей вероятности оно окажется достаточно хрупким в результате воздействия условий внутри ствола скважины, чтобы высвободить пружинное стопорное кольцо 42.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что в данном случае могут быть использованы различные виды пружин, включая бельвилевские пружинные шайбы или находящиеся под давлением уловленные сжимаемые флюиды. Дополнительно к этому, помимо колец могут быть использованы различные варианты временных фиксаторов устройства пружины, которые размягчают или разделяют временно удерживающиеся кольца. Целью всего этого является создание запаса силы, которая может автоматически воздействовать на элемент 12 после значительной задержки, что необходимо для обеспечения расположения пакера в должном месте внутри ствола скважины.
Вышеприведенное описание является иллюстрацией предпочтительных вариантов осуществления изобретения, и множество модификаций могут быть осуществлены специалистами в данной области техники без отхода от данного изобретения, чей объем определяется буквальным и эквивалентным объемом нижеприведенной формулы изобретения.