Настоящее изобретение касается оборудования, которое можно использовать при бурении и завершении буровой скважины в подземной формации и при добыче текучих сред из таких скважин, и, в частности устройства, расширяемого трубчатого компонента и способа их использования в буровой скважине.
Из подземной геологической формации ("коллектора") добывают такие текучие среды, как нефть, природный газ и вода, посредством бурения скважины, проникающей сквозь несущую текучую среду формацию. После бурения скважины до определенной глубины стенку ствола скважины следует поддерживать с целью предотвращения разрушения. Обычные способы бурения скважин содержат установку колонны обсадных труб и цементирование между обсадной трубой и стволом скважины для обеспечения поддержания конструкции ствола скважины. После цементирования колонны обсадных труб на месте можно начинать бурение до больших глубин. После установки каждой последующей колонны обсадных труб через внутренний диаметр обсадных труб необходимо пропускать следующее буровое долото. Таким образом, каждая смена обсадной трубы требует уменьшения диаметра ствола скважины. Это повторяемое уменьшение диаметра ствола скважины создает необходимость выполнения очень больших начальных диаметров стволов скважин для обеспечения установки трубы с приемлемым диаметром на глубине, на которой буровая скважина проникает в добывающую формацию. Необходимость использования больших стволов скважин и множества колонн обсадных труб приводит к затратам большего количества времени, материала и ресурсов, чем при бурении ствола скважин с одинаковым размером от поверхности до добывающей формации.
Проблема, с которой иногда сталкиваются во время бурения скважины, состоит в потере бурового раствора в подземные зоны. Потеря бурового раствора обычно ведет к увеличенным финансовым расходам, но может приводить к разрушению буровой скважины и дорогостоящим "ловильным работам" с целью восстановления бурильной колонны или других инструментов, которые были в скважине. Обычно используют различные добавки в буровом растворе, чтобы помогать изолировать зоны циркулирования потерь типа кожицы хлопкового семени или синтетических волокон.
После ввода скважины в эксплуатацию приток песка из продуктивного пласта может привести к нежелательному заполнению внутри буровой скважины и может повредить клапаны и другое оборудование, связанное с производством. Предпринимали много способов для управления песком.
В патенте США №5348095, выданном 20.09.1994 Уоррэллу и др., раскрыт способ, содержащий радиальное расширение колонны обсадных труб в буровой скважине до конфигурации с большим диаметром. При этом способе требуются очень большие усилия для сообщения радиальной деформации.
С целью уменьшения усилий, необходимых для расширения колонн обсадных труб, предложены способы, включающие расширение вкладыша с выполненными в нем продольными прорезями (патенты США №№5366012, выданный 22.11.1994 на имя Лохбела, и 5667011, выданный 16.09.1997 на имя Джилле и др.). Эти способы включают радиальное деформирование вкладыша с прорезями в конфигурацию с увеличенным диаметром посредством продвижения расширительной оправки через вкладыш с прорезями. Эти способы все еще требуют приложения значительных величин усилий по всей длине вкладыша с прорезями.
В патенте США №5901789 от 11.05.1995, выданном на имя Донелли, описан деформируемый песчаный фильтр, объединяющий расширяемый скважинный фильтр с фильтрующим слоем. Расширяемый фильтр может быть выполнен с прорезями. Однако и в этом случае требуются значительные усилия для осуществления радиальной деформации фильтра.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение усилий, требуемых для расширения трубы из радиально сжатого состояния до радиально расширенного состояния.
Этот технический результат достигается тем, что в расширяемом приспособлении для использования в буровой скважине, содержащем расширяемую трубу, имеющую стенку с множеством проходящих через нее прорезей, согласно изобретению, по меньшей мере часть множества прорезей расширяемой трубы, имеющей стенку с множеством проходящих через нее прорезей, образована из изогнутых сжатых элементов.
Расширяемое приспособление может дополнительно содержать линию связи, проходящую по расширяемой трубе. Расширяемая труба может содержать канал, в котором проходит линия связи.
Расширяемое приспособление может дополнительно содержать приспособление, подсоединенное к линии связи и предназначенное для получения или передачи информации по линии связи.
Расширяемое приспособление может дополнительно содержать деформируемый материал, окружающий внешнюю поверхность расширяемого трубопровода. Деформируемым материалом может быть эластомер.
Расширяемый трубопровод может содержать песчаный экран.
Множество прорезей может быть образовано, по меньшей мере, частично посредством изогнутых сжатых элементов различной толщины.
Указанный результат достигается и тем, что в способе формирования расширяемой трубы, включающем вырезание узора из прорезей через стенку трубы, согласно изобретению, вырезание узора из прорезей через стенку трубопровода осуществляют для образования изогнутых сжатых элементов и ориентируют изогнутые сжатые элементы для образования расширяемых ячеек.
Можно образовывать изогнутые сжатые элементы с различной толщиной.
Указанное вырезание может содержать ориентирование узора из прорезей в по существу продольному направлении вдоль трубы, вырезание узора из прорезей в песчаном экране или формирование узора из прорезей для создания множества бистабильных ячеек.
Указанный технический результат достигается и тем, что в устройстве для использования в буровой скважине, имеющем расширяемую трубу, способную перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, средство перемещения, способное перемещать расширяемую трубу к требуемому месторасположению в буровой скважине, и приспособление развертывания, способное вызывать расширение расширяемой трубы из ее сжатой конфигурации в ее расширенную конфигурацию, согласно изобретению, расширяемая труба имеет множество расширяемых ячеек, способных трансформироваться между сжатым состоянием и расширенным состоянием при приложении усилия, направленного радиально наружу, при этом во время расширения каждая расширяемая ячейка приобретает определенную геометрическую форму при сохранении постоянной осевой длины трубы, что позволяет уменьшить усилие во время трансформирования трубы в расширенное состояние.
Расширяемая труба может содержать песчаный экран или вкладыш буровой скважины.
Каждая расширяемая ячейка может содержать продольный толстый сжатый элемент и гибкий тонкий сжатый элемент, при этом каждый гибкий тонкий сжатый элемент до расширения расширяемой трубы может быть изогнутым.
Указанный результат достигается и тем, что устройство для использования в буровой скважине содержит расширяемое приспособление, развертываемое в буровой скважине и имеющее множество расширяемых ячеек, каждая из которых содержит тонкий сжатый элемент, сгибаемый между сжатым состоянием и расширенным состоянием без пластической деформации, при этом расширяемое приспособление способно сохранять по существу постоянную осевую длину во время его трансформации из сжатого состояния в расширенное состояние.
Каждый тонкий сжатый элемент может быть соединен с, по меньшей мере, одним толстым сжатым элементом, который остается несгибаемым во время трансформации тонкого сжатого элемента из сжатого состояния в расширенное состояние.
Отношение толщины толстого сжатого элемента к толщине тонкого сжатого элемента может составлять, по меньшей мере, 2:1.
Расширяемая в радиальном направлении труба может представлять собой песчаный экран.
Одним из объектов настоящего изобретения является способ приложения радиального усилия к поверхности буровой скважины с помощью расширяемого приспособления, включающий формирование расширяемого приспособления в виде трубы множеством ячеек, расширяемых из сжатого состояния в расширенное состояние, и которых, согласно изобретению, содержит следующие операции:
выбор геометрической формы ячеек так, чтобы ячейки расширялись автономно после прохождения определенной геометрической формы,
расширение в радиальном направлении расширяемого приспособления после прохождения определенной геометрической формы и по отношению к поверхности суровой скважины, не достигая расширенного состояния,
формирование расширяемого приспособления, содержащего расширение множества ячеек без уменьшения осевой длины расширяемого приспособления,
формирование расширяемого приспособления может содержать его формирование в виде песчаного экрана или в виде вкладыша буровой скважины.
Выбор геометрической формы ячеек может содержать выбор такой формы, в которой используется комбинация толстых сжатых элементов, соединенных с тонкими сжатыми элементами.
Еще одним объектом настоящего изобретения является расширяемая система, содержащая трубчатый элемент с ячейками, предназначенный для использования в буровой скважине, который, согласно изобретению, имеет, по меньшей мере, один толстый сжатый элемент, проходящий по длине трубчатого элемента, и ячейки расположены вдоль двух сторон, по меньшей мере, одного толстого сжатого элемента так, что расширение трубчатого элемента расширяет ячейки без деформации, по меньшей мере, одного толстого сжатого элемента, при этом трубчатый элемент способен сохранять постоянную осевую длину при расширении.
Трубчатый элемент может содержать песчаный экран или вкладыш.
Трубчатый элемент может содержать бистабильные ячейки, подвергающиеся пластической деформации при расширении трубчатого элемента.
Расширяемая система может дополнительно содержать линию связи, проходящую по трубчатому элементу. Трубчатый элемент может содержать канал, в котором проходит линия связи.
Расширяемая система может дополнительно содержать приспособление, подсоединенное к линии связи и предназначенное для получения или передачи информации по линии связи.
Расширяемая система может дополнительная содержать деформируемый материал, окружающий внешнюю поверхность трубчатого элемента. Деформируемым материалом может быть эластомер.
Трубчатый элемент может иметь множество различных диаметров в его расширенном состоянии.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ использования трубы в буровой скважине, включающий расширение в радиальном направлении внутри буровой скважины трубы с ячейками, образованными в стенке трубы, в котором, согласно изобретению, расширение в радиальном направлении трубы внутри буровой скважины осуществляют расширением ячеек, образованных и расположенных в стенке трубы так, что соевая длина трубы поддерживается по существу постоянной.
Поддержанием постоянной осевой длины трубы можно осуществить комбинацию множества толстых сжатых элементов и тонких сжатых элементов.
Расширение в радиальном направлении может содержать расширение песчаного экрана.
Еще одним объектом настоящего изобретения является расширяемое приспособление для использования в буровой скважине, содержащее трубопровод буровой скважины, имеющий множество расширяемых ячеек, в котором, согласно изобретению, каждая расширяемая ячейка имеет толстый сжатый элемент и изогнутое податливое звено, способное трансформироваться из сжатого состояния в расширенное состояние для расширения в радиальном направлении трубопровода буровой скважины, осевая длина которого поддерживается по существу постоянной во время его расширения.
Толстый сжатый элемент может иметь толщину, по меньшей мере, в два раза превышающую толщину податливого звена.
Трубопровод буровой скважины может содержать канал, в котором проходит линия связи.
Трубопровод буровой скважины может содержать песчаный экран.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ формирования расширяемого трубопровода, содержащий формирование стенки трубопровода с множеством расширяемых ячеек, в котором, согласно изобретению, выполняют каждую расширяемую ячейку с, по меньшей мере, одной недеформируемой продольной секцией и с, по меньшей мере, одним тонким сжатым элементом, способным трансформироваться для перемещения стенки трубопровода между сжатым состоянием и расширенным состоянием.
Способ может дополнительно содержать определение характеристики силы отклонения стенки трубопровода посредством выбора отношения толщины, по меньшей мере, одной недеформируемой продольной секции к толщине, по меньшей мере, одного тонкого сжатого элемента.
Выбор содержит выбор отношения толщин, составляющего, по меньшей мере, 2:1, предпочтительно 3:1, наиболее предпочтительно 6:1.
Способ может дополнительно содержать определение характеристики отклонения силы посредством выбора формы ячейки. Выбор может содержать выбор кривизны тонкого сжатого элемента при нахождении стенки трубопровода в сжатом состоянии.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1А и 1В иллюстрируют усилия, прилагаемые для создания бистабильной структуры;
фиг.2А и 2В иллюстрируют кривые прогиба сил двух бистабильных структур;
фиг.3A-3F иллюстрируют расширенное и сжатое состояния трех бистабильных ячеек с различными соотношениями толщин;
фиг.4А и 4В иллюстрируют бистабильную расширяемую трубу в ее расширенном и сжатом состояниях;
фиг.4С и 4D иллюстрируют бистабильную расширяемую трубу в сжатом и расширенном состояниях внутри буровой скважины;
фиг.5А и 5В иллюстрируют расширяемый тип пакера приспособления развертывания;
фиг.6А и 6В иллюстрируют механический тип пакера приспособления развертывания;
фиг.7A-7D иллюстрируют расширяемый тип оправки приспособления развертывания;
фиг.8A-8D иллюстрируют поршневой тип приспособления развертывания;
фиг.9А и 9В иллюстрируют пробочный тип приспособления развертывания;
фиг.10А и 10В иллюстрируют шаровой тип приспособления развертывания;
фиг. 11 представляет схематический вид буровой скважины с использованием расширяемой бистабильной трубы;
фиг.12 иллюстрирует приводимое в действие двигателем приспособление развертывания радиальных роликов;
фиг.13 иллюстрирует приводимое в действие гидравлическим путем приспособление развертывания радиальных роликов;
фиг.14 иллюстрирует бистабильную расширяемую трубу, имеющую обертку;
фиг.14А представляет вид, подобный фиг 14, в котором обертка включает в себя экран;
фиг.14В представляет вид, подобный фиг.14, иллюстрирующий другой альтернативный вариант осуществления;
фиг.14С представляет вид, подобный фиг.14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;
фиг.14D представляет вид, подобный фиг.14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;
фиг.14Е представляет вид, подобный фиг.14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;
фиг.15 представляет изображение в перспективе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.15А представляет вид в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.16 представляет частичное изображение в перспективе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.17А-В представляют частичное изображение в перспективе и частичный вид с торца в поперечном разрезе соответственно альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.18 представляет частичный вид с торца в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения.
Хотя изобретение допускает различные изменения и альтернативные формы, на чертежах в качестве примера показаны и ниже подробно описаны его определенные варианты осуществления.
Однако следует понимать, что приведенное здесь описание определенных вариантов осуществления предназначено не для ограничения изобретения конкретными раскрытыми формами, а наоборот, целью его является охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, определяемые формулой изобретения.
Используемые в настоящем изобретении бистабильные приспособления могут иметь преимущество принципа, иллюстрируемого на фиг.1А и 1В. На фиг.1А показан стержень 10, каждый конец которого прикреплен к жестким опорам 12. Если стержень 10 подвергается воздействию осевого усилия, он начинает деформироваться, как показано на фиг. 1В. При увеличении осевого усилия стержень 10 в конечном счете достигает своего предела продольного изгиба Эйлера и отклоняется к одному из двух устойчивых положений, показанных позициями 14 и 15. Если имеющий продольный изгиб стержень теперь закрепить в изогнутом положении, сила под прямым углом к длинной оси может вызывать перемещение стержня в одно из устойчивых положений, но не в другое положение. Когда стержень подвергается воздействию боковой силы, он должен переместиться на угол β, прежде чем отклониться к его новому устойчивому положению.
Бистабильные системы характеризуются кривой отклонения под действие силы, как показано на фиг.2А и 2B. Приложенная с внешней сверены сила 16 вызывает перемещение стержня 10 фиг.1B в направлении оси Х и достигает максимума 18 в начале сдвига от одной устойчивой конфигурации к другой. Дальнейший прогиб требует меньшую силу, потому что система теперь имеет отрицательную пружинящую скорость и, когда сила становится нулевой, происходит самопроизвольный прогиб ко второму устойчивому положению.
Кривая прогиба под действием силы для этого варианта симметрична и иллюстрируется на фиг.2А. Посредством приложения любого предварительного изгиба к стержню или асимметричному поперечному сечению кривую силового прогиба можно делать асимметричной, как показано на фиг.2В. В этой системе сила 19, требуемая для того, чтобы стержень принял одно устойчивое положение, больше силы 20, требуемой для создания обратного прогиба. Сила 20 должна быть больше нуля, чтобы система имела бистабильные характеристики.
Бистабильные структуры, иногда называемые рычажными приспособлениями, использовали в промышленности для таких приспособлений, как гибкие диски, зажимы через центр, удерживающие приспособления и системы быстрого освобождения для натяжных тросов (например, в оттяжках оснастки парусных судов).
Вместо использования жестких опор, как показано на фиг.1А и 1В, можно сконструировать ячейку, где обеспечивается ограничение посредством изогнутых сжатых элементов, соединенных на каждом конце, как показано на фиг.3A-3F. Если оба сжатых элемента 21 и 22 имеют одинаковую толщину, как показано на фиг.3А и 3B, кривая прогиба под действием силы является линейной, и ячейка удлиняется при ее сжатии из разомкнутого положения (фиг.3В) в ее сомкнутое положение (фиг.3А). Если сжатые элементы ячейка имеют различные толщины, как показано на фиг.3C-3F, ячейка имеет характеристики прогиба под действием силы, показанные на фиг.2В, и не изменяет длину при перемещении между ее двумя устойчивыми положениями. Таким образом, расширяемую бистабильную трубу можно сконструировать так, чтобы при увеличении радиального размера осевая длина оставалась постоянной. В одном варианте, если отношение толщин составляет более приблизительно 2:1, более тяжелый сжатый элемент противостоит продольным изменениям. Изменяя соотношение размеров толстого и тонкого сжатых элементов, можно изменять силы их разведения и сведения. Например, фиг.3С и 3D иллюстрируют соотношение толщин приблизительно 3:1, а фиг.3Е и 3F иллюстрируют соотношение толщин приблизительно 6:1.
Расширяемую бистабильную трубу типа обсадной трубы, ремонтной муфты или скважинной колонны труб можно конструировать с рядом окружающих бистабильных соединенных ячеек 23, как показано на фиг.4А, 4В, где каждой тонкий сжимаемый элемент 21 соединен с толстым сжимаемым элементом 22. Продольную гибкость такой трубы можно изменять посредством изменения длины ячеек и посредством соединения каждого ряда ячеек с податливым звеном. Далее, характеристики прогиба под действием силы и продельную гибкость можно также изменять посредством конструирования формы ячейки. Фиг.4А иллюстрирует расширяемую бистабильную трубу 24 в ее расширенной конфигураций, в то время как на фиг.4В показана расширяемая бистабильная труба 24 в ее сжатой или сложенной конфигурации. В этом применении термин "сжатый" используется для определения конфигураций бистабильного элемента или приспособления в стабильном состоянии с самым маленьким диаметром, и это не означает, что элемент или приспособление каким-то образом повреждены. В сжатом состоянии бистабильную трубу 24 легко устанавливать в буровую скважину 29, как показано на фиг.4С. После установки бистабильной трубы 24 в требуемом местоположении в буровой скважине ее расширяют, как показано на фиг.4D.
Геометрическая форма бистабильных ячеек такова, что поперечное сечение трубы можно расширять в радиальном направлении с целью увеличения полного диаметра трубы. При радиальном расширении трубы бистабильные ячейки эластично деформируются до достижения определенной геометрической формы. В этот момент бистабильные ячейки перемещаются, например обжимаются до конечной расширенной геометрической формы. При некоторых материалах и/или конструкциях бистабильных ячеек можно высвободить достаточно энергии во время упругой деформации ячейки, когда каждая бистабильная ячейка сжимается после определенных геометрических размеров, чтобы расширяющиеся ячейки были способны начать расширение смежных бистабильных ячеек после критической бистабильной геометрической нормы ячейки. В зависимости от кривых прогиба, часть или даже полную длину бистабильной расширяемой трубы можно расширять от одной точки.
Аналогичным образом, если радиальные сжимающие усилия приложить к расширенной бистабильной трубе, она снимается в радиальном направлении и бистабильные ячейки эластично деформируются до достижения критической геометрического формы. В этот момент бистабильные ячейки сжимаются до конечной сжатой структуры. Таким образом, расширение бистабильных труб является реверсным и повторимым. Следовательно, бистабильная труба может быть повторно используемым инструментом, который по выбору трансформируется между расширенным состоянием, как показано на фиг.4А, и сжатым состоянием, как показано на фиг.4В.
В сжатом состоянии, как показано на фиг.4В, бистабильную расширяемую трубу легко устанавливать в буровую скважину и перемещать в требуемое местоположение. Затем используют приспособление развертывания, чтобы изменить конфигурацию из сжатого состояния в расширенное состояние.
В расширенном состоянии, как показано на фиг.4А, структурное управление эластичными свойствами материала каждой бистабильной ячейки может быть таким, что стенкой трубы можно прилагать постоянное радиальное усилие для сдерживания поверхности буровой скважины. Свойства материала и геометрическую форму бистабильных ячеек можно конструировать так, чтобы получать определенные желательные результаты.
Одним вариантом конструкции для достижения желательных результатов является колонна расширяемых бистабильных труб больше чем с одним диаметром по всей длине колонны. Она может быть полезна в стволах буровых скважин с изменяющимися диаметрами, независимо от того, сконструированы ли они таким способом или получены в результате незапланированных событий типа размыва формации или уступов внутри ствола скважины. Это может быть также выгодно, когда желательно иметь часть бистабильного растяжимого приспособления, расположенную внутри укрепленной обсадной трубой секций скважины, в то время как другую часть располагают в неукрепленной обсадной трубой секции скважины. Фиг.11 иллюстрирует один вариант этого условия. Буровую скважину 40 бурят от поверхности 46, и она включает укрепленную обсадной трубой секцию 44 и не укрепленную обсадной трубой секцию 46. Расширяемое бистабильное приспособление 48, имеющее сегменты 50, 52 с различными диаметрами, размещают в скважине. Секция 50 с большим диаметром используется для стабилизирования неукрепленной обсадной трубой секции 46 скважины, в то время как секцию 52, имеющую уменьшенный диаметр, располагают внутри укрепленной обсадной трубой секции 44 скважины.
Бистабильные втулки или соединители 24А (фиг.4С) можно сконструировать так, чтобы обеспечить выполнение соединения между собой секций бистабильных расширяемых труб в колонну пригодных длин, используя такой принцип, как показано на фиг.4А и 4В. Этот бистабильный соединитель 24А также включает бистабильную конструкцию ячеек, которая позволяет расширять его в радиальном отношении, используя тот же механизм, как в случае расширяемой бистабильной трубы. Примерные бистабильные соединители имеют диаметр немного больше, чем у секций расширяемой трубы, которые подлежат соединению. Бистабильный соединитель в этом случае размещает поверх концов двух секций и механически крепят к секциям расширяемой трубы. Механические крепежные детали типа винтов, заклепок или лент можно использовать для соединения соединителя с секциями труб. Бистабильный соединитель обычно конструируют так, чтобы он имел скорость расширения, которая совместима со скоростью расширяемых секции труб, так, чтобы он продолжал соединять две секции после расширения двух сегментов и соединителя.
В качестве альтернативы бистабильный соединитель может иметь диаметр меньше, чем две соединяемые расширяемые секции труб. В этом случае соединитель вставляют внутрь концов труб и механически закрепляют, как описано выше. Другой вариант осуществления включает механическую обработку концов секций трубы либо на их внутренних, либо наружных поверхностях для образования кольцевых вырезов, в которых располагают соединитель. Соединитель, сконструированный для подгонки в вырезы, размещают в вырезах. Затем соединитель механически крепят к концам, как описано выше. Таким образом соединитель образует соединение относительно утопленного типа с секциями труб.
Средство 31 перемещения перемещает отрезки бистабильных расширяемых труб и бистабильные соединители в буровую скважину и к требуемому местоположению (фиг.4С и 4D). В средстве перемещения можно использовать один или несколько механизмов типа талевого троса, спирально свернутой трубы, спирально свернутой трубы с проволочной жилой, бурильной трубы, трубы для эксплуатации скважины или обсадной трубы.
Для расширения бистабильных расширяемых груб и соединителей скважины в нижний узел можно вводить приспособления 33 развертывания (фиг.4С, 4D). Приспособления развертывания могут быть различных типов: типа элемента надувного пакера, элемента механического пакера, расширяемой оправки, поршневого прибора, механического исполнительного механизма электрического соленоида, прибора пробочного типа, например, приспособления конической формы, протянутого или продвинутого через трубу, прибора шарового типа или расширителя вращательного типа, как дополнительно описано ниже.
Элемент надувного пакера показан на фиг.5А и 5В и является приспособлением с надувным вкладышем гидроциклона, элементом или сильфоном, включенным в нижний узел скважины системы бистабильной расширяемой трубы. Как показано на фиг.5А, надуваемый пакер 25 располагают внутри полной длины или части бистабильной трубы 24 начального сжатого состояния и любых бистабильных расширяемых соединителей (не показанных). После расположения бистабильной расширяемой трубы на надлежащей глубине развертывания надуваемый пакер 25 расширяют в радиальном отношении посредством нагнетания текучей среды в приспособление, как показано на фиг.5В. Надуваемую текучую среду можно нагнетать с поверхности через трубы или бурильную трубу механическим насосом или с помощью электрического насоса наклонной скважины, который питается электроэнергией по проворному кабелю. По мере расширения надуваемого пакера 25 он вызывает также расширение в радиальном направлении бистабильной расширяемой трубы 24. При определенном диаметре расширения надуваемый пакер 25 заставляет бистабильные ячейки в трубе достигать критической геометрической формы, когда начинается бистабильный эффект "защелкивания" и система бистабильных расширяемых труб расширяется до ее заключительного диаметра. В заключение из надуваемого пакера 25 выпускают воздух и его удаляют из бистабильной расширяемой трубы 24.
Механический пакер, изображенный на фиг.6А и 6B, представляет собой приспособление с деформируемым пластиковым элементом 26, который расширяется в радиальном направлении при сжатии в осевом направлении. Силу для сжатия элемента можно обеспечивать посредством механизма 27 сжатия типа винтового механизма, кулачка или гидравлического поршня. Механический пакер развертывает бистабильные расширяемые трубы и соединители таким же образом, как элемент надуваемого пакера. Деформируемый пластиковый элемент 26 прикладывает радиальное усилие, направленное наружу, к внутренней периферии бистабильных расширяемых труб и соединителей, позволяя им, в свою очередь, расшириться из сжатого положения (фиг.6А) до окончательного развернутого диаметра (фиг.6В).
Расширяемая оправка показана на фиг.7A-7D и содержит ряд пальцев 28, которые расположены радиального вокруг конической оправки 30. На фиг.7А, 7С показаны виды сбоку и сверху соответственно. При проталкивании или протягивании оправки 30 через пальцы 28 они расходятся радиально наружу, как показано на фиг.7B, 7D. Расширяемую оправку используют таким же способом, как элемент механического пакера для развертывания бистабильной расширяемой трубы и соединителя.
Приспособление поршневого типа показано на фиг.8A-8D и содержит ряд поршней 32, направленных радиально во внешние стороны и используемых в качестве механизма для расширения бистабильных расширяемых труб и соединителей. При подведении энергий поршни 32 прилагают радиально направленную силу, чтобы развернуть узел бистабильных расширяемых тру6, как в случае надувного пакера. Фиг.8А и 8С иллюстрируют втянутые поршни, в то время как на фиг.8В и 8D показаны выдвинутые поршни. Устройство поршневого типа можно приводить в действие гидравлическим, механическим или электрическим способом.
Исполнительный механизм пробочного типа иллюстрируется на фиг.9А и 9В и содержит пробку 34, которую проталкивают или протягивают через бистабильные расширяемые трубы 24 или соединители, как показано на фиг.9А. Пробку применяют такого размера, чтобы расширить бистабильные ячейки за пределы их критической точки, когда они защелкиваются в конечном расширенном диаметре, как показано на фиг.9В.
Исполнительный механизм шарового типа показан на фиг.10А и 10В и действует, когда шар 36 с увеличенные размером нагнетают через середину бистабильных расширяемых труб 24 и соединителей. Для предотвращения потери текучей среды через прорези ячеек основанный на расширяемом эластомере вкладыш 38 движется внутри системы бистабильных расширяемых труб. Вкладыш 33 действует как изолятор и позволяет шару 36 гидравлически нагнетаться через бистабильную трубу 24 и соединители. Действие нагнетания шара 36 через бистабильные расширяемые трубы 24 и соединители состоит в расширении геометрических форм ячейки за пределы критической бистабильной точки, позволяя осуществлять полное расширение, как показано на фиг.10В. После расширения бистабильных расширяемых труб и соединителей эластомерный вкладыш 38 и шар 36 извлекают.
Исполнительные механизмы типа радиальных роликов можно использовать для расширения секций бистабильных труб. Фиг.12 иллюстрирует приводимый двигателем инструмент расширяемого радиального ролика. Инструмент содержит один или несколько комплектов рычагов 58, которые расширяются до установленного диаметра посредством механизма и шарнира. На конце каждого комплекта рычагов находится ролик 60. Можно прикреплять к инструменту приспособления 62 для центровки с целью правильного его расположения внутри буровой скважины и бистабильной трубы 24. Двигатель 64 создает усилие для поворачивания всего узла, таким образом поворачивая ролик (ролики) по периферии внутри буровой скважины. Ось ролика (роликов) расположена так, чтобы позволять ролику (роликам) свободно поворачиваться при контакте с внутренней поверхностью трубы. Каждый ролик может иметь сечение конической формы для увеличения площади соприкосновения поверхности ролика с внутренней стенкой трубы. Вначале ролики втягивают и инструмент продвигают внутри сжатой бистабильной трубы. Затем инструмент вращают посредством двигателя 64, и ролики 60 перемещаются во внешнюю сторону, чтобы войти в соприкосновение с внутренней поверхностью бистабильной трубы. После вхождения в соприкосновение с трубой ролики поворачиваются во внешние стороны на большее расстояние для приложения направленного во внешние стороны радиального усилия к бистабильной трубе. Направленное наружу перемещение роликов можно выполнять посредством центробежной силы или соответствующего исполнительного механизма, подсоединенного между двигателем 64 и роликами 60.
Конечное положение поворота регулируют в точке, где бистабильная труба может быть расширена до конечного диаметра. Затем инструмент перемещают в продольном направлении по сжатой бистабильной трубе, в то время как двигатель продолжает вращать шарнир и ролики. Ролики следуют по неглубокому спиральному пути 66 внутри бистабильной трубы, расширяя бистабильные ячейки на своем пути. После развертывания бистабильной трубы вращение инструмента прекращается и ролики втягиваются. Затем инструмент извлекают из бистабильной трубы средством 68 перемещения, которое можно также использовать для вставления инструмента.
Фиг.13 иллюстрирует приводимое гидравлическим способом приспособление развертывания радиальными роликами. Инструмент содержит один или несколько роликов 60, которые приводятся в соприкосновение с внутренней поверхностью бистабильной трубы посредством гидравлического поршня 70. Внешнее радиальное усилие, прикладываемое роликами, можно увеличивать до точки, когда бистабильная труба расширяется до ее конечного диаметра. Приспособление 62 для центровки можно крепить к инструменту с целью правильного расположения его внутри буровой скважины и бистабильной трубы 24. Ролики 60 первоначально втягиваются, и инструмент продвигают в сжатую бистабильную трубу 24. Затем ролики 60 развертывают и проталкивают относительно внутренней стенки бистабильной трубы 24 с целью расширения части трубы до ее конечного диаметра. Затем весь инструмент проталкивают или протягивают в продольном направлении по бистабильной трубе 24, расширяя весь отрезок бистабильных ячеек 23. После развертывания бистабильной трубы 24 в ее расширенном состоянии ролики 60 втягиваются и инструмент извлекают из буровой скважины средством 68 перемещения, используемым для его вставления. Изменяя ось роликов 60, инструмент можно вращать посредством мотора при его следовании в продольном направлении по бистабильной трубе 24.
Энергию для работы устройства развертывания можно подвести от одного или комбинации источников типа электроэнергии, подаваемой или с поверхности, или накопленной в аккумуляторной батарее, расположенной вместе с приспособлением развертывания, гидравлической энергии, обеспечиваемой насосами на поверхности или в нисходящей скважине турбинами или накопителем текучей среды, и механической энергии, прикладываемой через соответствующее соединение, приводимое в действие движением, обеспечиваемым с поверхности или запасенным в нисходящей скважине, например в пружинном механизме.
Систему бистабильных расширяемых труб конструируют так, что внутренний диаметр развернутой трубы расширяется, чтобы сохранять максимальную площадь поперечного сечения вдоль расширяемой трубы. Эта особенность позволяет строить буровые моно-скважины и облегчает устранение проблем, связанных с традиционными системами обсадных труб буровых скважин, где наружный диаметр обсадной трубы должен многократно ступенчато уменьшаться, ограничивая доступ в длинных буровых скважинах.
Систему бистабильных расширяемых труб можно использовать в многочисленных применениях типа расширяемого вкладыша части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами (фиг.14), где бистабильная расширяемая труба 24 используется для поддержания формации части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами, посредством приложения внешнего радиального усилия на поверхности буровой скважины. Когда бистабильная труба 24 радиально расширяется в направлении стрелок 71, труба перемещается в соприкосновении с поверхностью, образующей ствол 29 скважины. Эти радиальные усилия помогают стабилизировать формации и позволяют бурить скважины с меньшим количеством обычных колонн обсадных труб. Вкладыш буровой скважины, не закрепленный обсадными трубами, также может содержать материал, например обертку 72, который уменьшает темп потерь текучей среды из буровой скважины в формации. Обертку 72 можно делать из ряда материалов, включая расширяемые материалы и/или эластомерные материалы. Благодаря уменьшению потерь текучей среды в формации можно снизить расход бурового раствора и можно минимизировать риск потери циркуляции и/или сжатия ствола скважины.
Вкладыши также можно использовать внутри труб буровой скважины для целей защиты от коррозии. Одним примером коррозионной окружающей среды является окружающая среда, которая появляется, когда диоксид углерода используется для увеличения извлечения нефти из продуктивного пласта. Диоксид углерода (СО2) легко реагирует с любой водой (Н2О), которая используется для образования угольной кислоты (Н2СО3). Могут также вырабатываться другие кислоты, особенно, если присутствуют серосодержащие компоненты. Трубы, используемые для введения диоксида углерода, а также трубы, используемые в добывающих скважинах, подвергаются значительно повышенным скоростям коррозии. Настоящее изобретение можно использовать для размещения защитных вкладышей бистабильных труб 24, внутри существующей трубы (например, трубы 73, показанной пунктирными линиями на фиг.14), чтобы минимизировать коррозионные действия и увеличить эксплуатационную долговечность буровой скважины.
Другое применение включает использование бистабильной трубы 24, показанной на фиг.14, в качестве расширяемого перфорированного вкладыша. Разомкнутые бистабильные ячейки в бистабильной расширяемой трубе допускают неограниченный поток из формации при обеспечении структуры для стабилизирования ствола скважины.
Еще одно применение бистабильной трубы 24 включает использование расширяемого песчаного экрана, где бистабильные ячейки располагают так, чтобы они действовали в качестве экрана управления песком, или расширяемый элемент 74 экрана можно прикреплять к бистабильной расширяемой трубе, как показано на фиг.14А, в его сжатом состоянии. Расширяемый элемент 74 экрана может быть образован в виде обертки вокруг бистабильной трубы 24. Обнаружено, что приложение сил растягивающего напряжения к стене ствола скважины само по себе помогает стабилизировать формацию и ослабляет или устраняет приток песка из продуктивных зон, даже если не используется элемент дополнительного экрана.
Другое применение бистабильной трубы 24 включает использование укрепленного расширяемого вкладыша, где структура ячейки бистабильной расширяемой трубы укреплена цементом или смолой 75, как показано на фиг.14В. Цемент или смола 75 обеспечивают усиленную структурную поддержку или гидравлическую изоляцию от формации.
Бистабильную расширяемую трубу 24 также можно использовать как расширяемую систему связи для соединения традиционных отрезков обсадной трубы 76а или 76b различных диаметров, как показано на фиг.14С. Трубу 24 также можно использовать в качестве структурного восстановительного соединения для обеспечения увеличенной прочности для существующих секций обсадной трубы.
Другое применение включает в себя использование бистабильной расширяемой трубы 24 в качестве анкера внутри буровой скважины, к которому можно крепить другие инструментальные средства или обсадные трубы, или в качестве "ловильного" инструмента, в котором бистабильные характеристики используются для возврата предметов, потерянных или застрявших в буровой скважине. Бистабильную расширяемую трубу 24 в ее сжатой конфигурации вводят в потерянную деталь 77 и затем расширяют, как показано стрелками 78 на фиг.14D. В расширенной конфигурации бистабильная труба создает радиальные усилия, которые помогают возвращать потерянную деталь. Бистабильную трубу также можно вводить в скважину в ее расширенной конфигурации, располагать поверх и сжимать в направлении стрелок 79 вокруг потерянной детали 77 в попытке прикрепить и возвратить ее, как показано на фиг.14Е. После захвата потерянной детали 77 бистабильной трубой 24 ее можно возвращать через буровую скважину 29.
Описанные выше бистабильные расширяемые трубы можно изготавливать различными способами, например прорезая пути соответствующих форм через стенку цилиндрической трубы, создавая тем самым расширяемое бистабильное устройство в его сжатом состоянии; вырезая узоры в цилиндрической трубе, создавая тем самым расширяемое бистабильное устройство в его расширенном состоянии и затем сжимая устройство в его сжатое состояние; прорезая соответствующие пути через лист материала, скручивая материал в трубчатую форму и соединяя концы для образования расширяемого бистабильного устройства в его сжатом состоянии; или вырезая узоры в листе материала, скручивая материал в трубчатую форму, соединяя смежные концы для образования расширяемого бистабильного устройства в его расширенном состоянии и затем сжимая устройство в его сжатое состояние.
Материалы конструкции для бистабильных расширяемых труб могут включать в себя материалы, обычно используемые в нефтегазовой промышленности, типа углеродистой стали. Их можно также изготавливать из специальных сплавов (типа монеля, инконеля, хастеллоя или сплавов, основанных на вольфраме), если требуется их применение.
Конфигурации, показанные для бистабильной трубы 24, иллюстрирует работу основной бистабильной ячейки. Могут также подходить другие конфигурации, но представленная концепция также имеет силу для этих других конфигураций.
Фиг.15 иллюстрирует расширяемую трубу 80, образованную бистабильными ячейками 82. Труба 80 определяет прореженную часть 84 (лучше видимую на фиг.15А), которая может иметь форму прорези, как показано, уплощение или иное прореживание части трубы 80. Прореженная часть 84 расширяется обычно в продольном направлении и может быть линейной, спиральной или следовать по некоторому другому извилистому пути. В одном варианте осуществления прореженная часть 84 проходит от одного конца трубы к другому с целью обеспечения канала линии связи для трубы 80. В таком варианте осуществления линия 86 связи может проходить по каналу линии связи вдоль трубы 80. При таком способе линия 86 связи остается в обычном наружном диаметре трубы 80 или выходит только немного из наружной части этого диаметра. Хотя труба показана с одной прореживаемой частью 84, она может включать множество таких частей, которые рассредоточиваются по периферии трубы 80. Прореженная часть 84 может быть использована для размещения канала (не показанного), по которому проходят линии 86 связи, или который используется для пропускания текучих сред или других материалов типа смесей текучих сред и твердых веществ.
Используемый здесь термин "линия связи" откосится к любому типу линии связи, например электрической, гидравлической, волоконно-оптической, их комбинации и т.п.
Фиг.15А иллюстрирует вариант прореженной части 84, сконструированной для размещения приспособления 88. Как и в случае размещения кабеля, приспособление 88, по меньшей мере, частично размещено в прореженной части трубы 80, так что степень, до которой оно проходит за пределы наружного диаметра трубы 80, уменьшается. Примерами некоторых альтернативных вариантов осуществления приспособлений 88 являются электрические приспособления, измерительные приспособления, счетчики, манометры, датчики. Более конкретные приспособления содержат клапаны, приборы для отбора проб, средство, используемое в разумном завершении скважины, термочувствительные элементы, датчики давления, регуляторы потока, средства измерения скорости потока, средства для измерения соотношения нефть/вода/газ, указатели масштаба, датчики оборудования (например, датчики вибрации, датчики обнаружения песка, датчики, обнаружения воды, регистрации данных, датчики вязкости, датчики плотности, датчики появления первых пузырьков перед кипением, датчики состава, приспособления и датчики матрицы удельного сопротивления, акустические средства и датчики, другие телеметрические приспособления, датчики ближней инфракрасной области, детекторы гамма-излучений, детекторы H2S, детекторы СО2, блоки памяти наклонной скважины, контроллеры наклонной скважины. Примерами измерений, которые могут выполнять такие приспособления, являются скорость потока, давление, температура, разностное давление, плотность, относительные количества жидкости, газа и твердых веществ, водная выемка, отношение нефти и воды и другие измерения.
Как показано на фигуре, приспособление 88 может открываться для текучей среды внутри и снаружи трубы 80 через отверстия, образованные ячейками 82. Таким образом, прореженная часть 84 может соединять отверстия, а также соединения 21, 22 ячеек 82. Линия 86 связи и прореженная часть 84, образующая канал линии связи, в некоторых вариантах конструкции может проходить по части отрезка трубы 80. Например, если приспособление 88 размещено между концами трубы 80, канал линии связи может оказаться необходимым только для прохождения от конца трубы до местоположения устройства 80.
Фиг.16 иллюстрирует расширенную трубу 80, образованную из бистабильных ячеек 82, имеющих тонкие сжатые элементы 21 и толстые сжатые элементы 22. По меньшей мере, один из толстых сжатых элементов 90 оказывается относительно более широким, чем другие сжатые элементы трубы 80. Более широкий сжатый элемент 90 можно использовать для различных целей, например для направления линий связи, включая кабели или устройства типа матриц датчиков.
Фиг.17А и 17В иллюстрируют трубу 80, имеющую сжатый элемент 90, который относительно более широкий, чем другие толстые сжатые элементы 22. Канал 92, образованный в сжатом элементе 90, облегчает размещение линии связи в скважине и проходит по трубе 80 и может использоваться для других целей. Фиг.17В представляет собой вид в поперечном разрезе, показывающий канал 92. Канал 92 представляет альтернативный вариант осуществления вышеописанного канала линии связи. Канал 94 может быть образован для обычного следования кривизне сжатого элемента, например одного из толстых сжатых элементов 22, как далее показано на фиг.17А и 17 В.
Фиг.18 иллюстрирует прореживаемую часть 84, имеющую конструкцию в виде "ласточкина хвоста" с относительно более узким отверстием. Линия 86 связи проходит через относительно узкое отверстие в более широкую нижних часть, например, посредством введения одной боковой кромки, а затем - другой. Линия 86 связи удерживается на месте благодаря конструкции в виде "ласточкина хвоста", как очевидно из фигур. Ширина линии 86 связи больше ширины отверстия. Линия 86 связи может содержать пучок линий, которые могут иметь одинаковые или различные формы (например, гидравлическую, электрическую и волоконно-оптическую линию, связанные вместе). Кроме того, разъемы для соединения смежных труб могут включать в себя разъем для линий связи.
Вышеописанный канал линии связи можно использовать вместе с другими типами расширяемых труб, например с трубами типа расширяемого вкладыша с прорезями, раскрытого в патенте США №5366012, выданном 22 ноября 1994 г. Лобеку (Lohbeck), сложенными типами труб, раскрытыми в патенте США №3489220, выданном 13 января 1970 г. Кинли (Kinley), патенте США №5337823, выданном 16 августа 1994 г. Нобилю (Nobileau), патенте США №3203451, выданном 31 августа 1965 г. Винсенту (Vincent).
Раскрытые здесь конкретные варианты осуществления изобретения являются только иллюстративными, поскольку изобретение можно изменять и осуществлять на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники. Кроме того, никакие ограничения не предполагаются в отношении деталей конструкции или показанных здесь решений, кроме описанных в формуле изобретения. Следовательно, очевидно, что конкретные раскрытые выше варианты осуществления можно изменять или модифицировать, и все такие видоизменения рассматриваются не выходящими за рамки сущности и объема изобретения. В соответствии с этим найденная здесь защита такова, как изложено в формуле изобретения.
Группа изобретений может быть использована при бурении и завершении скважины. Устройство содержит расширяемую трубу. Труба имеет стенку с множеством проходящих через нее прорезей. Часть прорезей образована из изогнутых сжатых элементов и способна расширяться в радиальном направлении. Вариант приспособления имеет множество бистабильных ячеек, сформированных в трубчатую конфигурацию. Каждая раширяемая ячейка имеет толстый сжатый элемент и изогнутое податливое звено, способное трансформироваться в расширенное состояние. Осевая длина трубы поддерживается постоянной во время ее расширения. Расширяемая система содержит приспособление, подсоединенное к линии связи для получения информации. Уменьшаются усилия, требуемые для расширения трубы из радиально сжатого состояния. 9 н. и 40 з.п. ф-лы, 45 ил.
| US 5901789 A, 11.05.1999.SU 1754884 A1, 15.08.1992.RU 2154149 C2, 10.08.2000.RU 2123571 C1, 20.12.1998.FR 2662207 A1, 22.11.1991.US 5667011 A, 16.09.1997.US 5494106 A, 27.02.1996.US 4830109 A, 16.05.1989. |
