УПЛОТНЯЮЩАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК E21B33/12 

Настоящее изобретение в общем касается системы и способа уплотнения, использующих разбухающие материалы. Более конкретно изобретение касается уплотняющей системы типа анкера или пакера, содержащей разбухающий материал, который разбухает и поэтому создает уплотнение, когда материал входит в контакт с инициирующей текучей средой.

В нефтяном промысле обычно используют уплотняющие системы типа пакеров или анкеров. Пакеры, например, используют для уплотнения кольцевого зазора между колонной насосно-компрессорных труб и внешней поверхностью относительно колонны насосно-компрессорных труб типа обсадной трубы или необсаженной скважины. Обычно пакеры приводят в действие гидравлическим давлением, передаваемым либо через ствол трубы скважины, кольцевой зазор, либо через линию управления. Другие пакеры приводят в действие через электрическую линию, развернутую от поверхности ствола скважины.

Поэтому для приведения в действие большинства пакеров требуется либо отпирающая контрольно-измерительная аппаратура, расположенная в стволе скважины, либо вмешательство в ствол скважины, необходимое для подготовки ствола скважины к приведению в действие (типа сбрасывания шара для создания уплотнения, относительно которого поднимается давление, активизируя механизм пакера). Однако развертывание дополнительной отпирающей контрольно-измерительной аппаратуры в стволе скважины усложняет развертывание системы завершения и может привести к проблемам надежности в активизировании пакера. Кроме того, проведение вмешательства с целью подготовки ствола скважины для приведения в действие добавляет издержки для оператора, например, увеличивая время монтажа, необходимое для завершения соответствующего действия.

Помимо этого, большинство пакеров сконструировано так, что они могут обеспечить уплотнение по существу круглой конфигурации. Однако в необсаженной скважине (или в неровной обсадной трубе или насосно-компрессорных трубах) требуется пакер для уплотнения в конфигурации, которая может быть по существу не круглой.

Из патента России 2186196 от 27.07.2002 известен уплотнительный элемент пакера для использования в подземном стволе скважины, заполненный буровым раствором на водной основе, гидрофобным полимерным тампонажным раствором и водонабухающим полимером. Гидрофобный полимерный тампонажный раствор при контакте с водной средой бурового раствора отверждается, при этом образуется каркас для сохранения формы раздутого уплотнительного рукава, а водонабухающий полимер отбирает всю оставшуюся воду из закачанного в пакер объема бурового раствора. В результате вся закачанная жидкостная масса состава превращается в гелеобразную резиноподобную смесь.

После заполнения частично раздутого уплотнительного элемента указанными растворами пакер, встроенный в обсадную колонну труб, спускается в скважину на заранее запланированную глубину и проводится пакеровка затрубного пространства, т.е. под давлением открывается отверстие для входа бурового раствора на водной основе из обсадной колонны в пространство между корпусом пакера и уплотнительным элементом, раствор продавливается под давлением, не превышающим давления прессовки обсадной колонны после окончания цементажа и отверждения цементного раствора.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение недостатков известных уплотнительных систем.

Согласно изобретению создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая надувной баллон, расположенный на транспортирующем устройстве, разбухающий материал и наполняющий материал, размещенные в надувном баллоне, при этом разбухающий материал разбухает при контакте с инициирующей текучей средой, являющейся текучей средой, окружающей надувной баллон так, что при наличии утечки в надувном баллоне текучая среда контактирует с разбухающим материалом, вызывая его разбухание.

Разбухание разбухающего материала может вызывать расширение надувного баллона.

Согласно изобретению создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве, линию управления, отдельную от транспортирующего устройства и содержащую отверстие вблизи разбухающего материала для доставки инициирующей текучей среды к разбухающему материалу, при этом разбухающий материал разбухает при контакте с инициирующей текучей средой, которая течет от линии управления.

Линия управления может быть внешней относительно разбухающего материала, или может быть введена в разбухающий материал, или может проходить вдоль длины разбухающего материала.

Линия управления может содержать множество отверстий для равномерного распределения инициирующей текучей среды по длине.

Линия управления может быть введена через внутреннюю поверхность разбухающего материала.

Транспортирующее устройство может содержать трубопровод, а линия управления расположена внутри трубопровода.

Система может содержать фланцы, расположенные на каждом конце разбухающего материала, и линия управления проходит сквозь верхний фланец.

Линия управления может проходить от размещенного в скважине контейнера.

Согласно изобретению создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, размещенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и твердое каучуковое уплотнение, расположенное на транспортирующем устройстве в непосредственной близости от разбухающего материала и активируемое поршнем.

Разбухающий материал при разбухании и твердое каучуковое уплотнение при его активации могут совместно действовать для создания уплотнения.

Твердое каучуковое уплотнение может быть расположено на одном конце разбухающего материала, а другое твердое каучуковое уплотнение может быть расположено на другом конце разбухающего материала.

Разбухающий материал может быть введен в твердое каучуковое уплотнение.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и муфту, предназначенную для защиты разбухающего материала от преждевременного контакта с инициирующей текучей средой.

Муфта может перемещаться для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и защитное покрытие, размещенное на разбухающем материале для защиты разбухающего материала от преждевременного контакта с инициирующей текучей средой.

Защитное покрытие может быть удалено для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.

Защитное покрытие может быть проницаемым для инициирующей текучей среды для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.

Защитное покрытие может содержать покрытие с выдержкой времени, или термоусаживающееся покрытие, или термопластический материал.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, которая расположена в контейнере внутри разбухающего материала.

Контейнер может открываться избирательно.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве, разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой и вытягиваемый в длину перед развертыванием в стволе скважины.

Разбухающий материал может быть избирательно вытянут в длину.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и систему мониторинга, функционально соединенную с разбухающим материалом для контроля процесса разбухания разбухающего материала.

Система мониторинга может содержать по меньшей мере один датчик.

Датчик может быть введен в разбухающий материал.

Датчик может содержать оптическое волокно.

Датчик может содержать датчик распределенной температуры.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий под воздействием электрической поляризации.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий под воздействием световой энергии.

Создана уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и цемент, расположенный вблизи разбухающего материала.

Транспортирующее устройство может содержать обсадную трубу, и разбухающий материал разбухает для контакта со стеной ствола скважины.

Транспортирующее устройство может содержать хвостовик, и разбухающий материал разбухает для контакта со стеной ствола скважины.

Разбухающий материал может быть расположен в двух местоположениях на транспортирующем устройстве, а цемент расположен между этими двумя местоположениями.

Разбухающий материал может изолировать проницаемую формацию от непроницаемой формации.

Согласно изобретению создан способ уплотнения в подземном стволе скважины, содержащий развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающий материал текучей средой для разбухания разбухающего материала и вытягивание в длину разбухающего материала перед развертыванием в стволе скважины.

Способ может дополнительно содержать поддерживание разбухающего материала в вытянутом состоянии.

Способ может дополнительно содержать избирательное освобождение разбухающего материала из вытянутого состояния.

Согласно другому варианту выполнения способ уплотнения для использования в подземном стволе скважины содержит развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающим материал текучей средой для разбухания разбухающего материала и мониторинг процесса разбухания разбухающего материала.

Мониторинг может содержать развертывание по меньшей мере одного датчика вблизи разбухающего материала.

Развертывание может содержать введение датчика в разбухающий материал.

Согласно еще одному варианту выполнения способ уплотнения в подземном стволе скважины содержит развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающий материал текучей средой для разбухания разбухающего материала и растворение разбухающего материала.

Преимущества и другие признаки изобретения станут очевидными из описания со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 изображает уплотняющую систему в нерасширенном состоянии;

фиг.2 изображает уплотняющую систему в расширенном состоянии;

фиг.3 изображает вариант осуществления уплотняющей системы в нерасширенном состоянии, включающей расширяемый баллон;

фиг.4 изображает вариант осуществления фиг.3 в расширенном состоянии;

фиг.5-10 изображают различные технологии, посредством которых инициирующую текучую среду можно вводить в контакт с разбухающим материалом;

фиг.11 изображает вариант осуществления уплотняющей системы, включающей разбухающий материал и традиционное уплотнение из твердого каучука;

фиг.12 изображает вариант осуществления уплотняющей системы, содержащей по выбору скользящую предохранительную муфту;

фиг.13 изображает вариант осуществления уплотняющей системы с растворимым покрытием;

фиг.14 изображает вариант осуществления уплотняющей системы в растянутом состоянии;

фиг.15 изображает вариант осуществления в соответствии с фиг.14 в нерасширенном состоянии;

фиг.16 изображает вариант осуществления в соответствии с фиг.14 в расширенном состоянии;

фиг.17 изображает вариант осуществления уплотняющей системы, содержащей систему мониторинга;

фиг.18 изображает вариант осуществления уплотняющей системы, содержащей цемент, расположенный между уплотнениями из разбухающего материала;

фиг.19 изображает другой вариант осуществления уплотняющей системы в расширенном состоянии, содержащей расширяемый баллон;

фиг.20 изображает другой вариант осуществления уплотняющей системы в расширенном состоянии, содержащей расширяемый баллон;

фиг.21 изображает другой вариант осуществления уплотняющей системы, в которой инициирующая текучая среда содержится внутри разбухающего материала;

фиг.22 изображает другой вариант осуществления уплотняющей системы, включающей разбухающий материал и традиционное твердое каучуковое уплотнение;

фиг.23 изображает другой вариант осуществления уплотняющей системы, включающей разбухающий материал и традиционное твердое каучуковое уплотнение.

Фиг.1 и 2 изображают вариант осуществления системы 10, которая является предметом данного изобретения. Система 10 расположена в стволе 6 скважины, который проходит от поверхности 7 и пересекает по меньшей мере одну формацию 8. Формация 8 может содержать углеводороды, которые добывают через ствол 6 скважины на поверхность 7. В качестве альтернативы, через ствол 6 скважины и в формацию 8 можно вводить текучие среды типа очищенной текучей среды или воды.

Система 10 содержит уплотнение 12, оперативно прикрепленное к транспортирующему устройству 14. Уплотнение 12 состоит из разбухающего материала, который может разбухать от нерасширенного состояния 16, как показано на фиг.1, до расширенного состояния 18, как показано на фиг.2. Разбухающий материал расширяется от нерасширенного состояния 16 до расширенного состояния 18, когда он входит в контакт с инициирующей текучей средой или поглощает ее, как здесь будет описано. Транспортирующее устройство 14 может содержать любое устройство, насосно-компрессорную трубу или инструмент, от которого уплотнение 12 может смещаться от нерасширенного состояния 16 до расширенного состояния 18. Транспортирующее устройство 14, показанное на чертежах, является насосно-компрессорной трубой 20. Транспортирующее устройство 14 также может содержать спирально свернутые трубы или инструмент, развернутый на гладкой линии или талевом канате.

В одном варианте осуществления разбухающий материал расположен вокруг трубопровода 20 в нерасширенном состоянии 16. Фланцы 22 прикреплены к трубопроводу 20 на каждом продольном конце разбухающего материала, чтобы направлять расширение разбухающего материала в радиальном направлении.

Ствол 6 скважины может содержать или не содержать обсадную трубу. На показанных чертежах ствол 6 скважины не содержит обсадную трубу. В любом случае уплотнение 12 расширяется до образования уплотнения в достаточной мере по отношению к стволу скважины или обсадной трубе, независимо от формы или конфигурации ствола скважины или обсадной трубы. Например, если обсадной трубы не имеется, то необсаженная скважина, вероятно, не будет совершенно круглой. Однако, даже если необсаженная скважина не круглая, уплотнение 12 расширяется (утолщения разбухающего материала), чтобы производить в достаточной мере уплотнение до фактической формы или конфигурации необсаженной скважины.

Выбор инициирующей текучей среды зависит от выбора разбухающего материала (и наоборот), а также окружающей среды ствола скважины и работы. Подходящие разбухающие материалы и соответствующие им инициирующие текучие среды содержат следующее:

Разбухающий материалИнициирующая текучая средакаучук из сополимера этилена-пропиленауглеводородное маслокаучук из тройного сополимера этилена-пропилена-диенауглеводородное маслобутилкаучукуглеводородное маслогалогенизированный бутилкаучукуглеводородное маслобромированный бутилкаучукуглеводородное маслохлорированный бутилкаучукуглеводородное маслохлорированный полиэтиленуглеводородное маслопривитый сополимер крахмала-полиакрилатной кислотывода привитый сополимер ангидрида циклическойводакислоты и поливинилового спирта изобутилен-малеиновый ангидридводаполимеры типа акриловой кислотыводасополимер винилацетата-акрилатаводаполимеры оксида полиэтиленаводаполимеры типа карбоксиметиловой целлюлозыводапривитые сополимеры крахмала-полиакрилонитрилавода сильно разбухающие глиняные минералы (то есть бентонит натрия)вода стирол бутадиенуглеводородкаучук из мономера этилена-пропиленауглеводороднатуральный каучукуглеводородмономерный каучук из этилена-пропилена-углеводороддиена каучук из этиленвинилацетатауглеводородкаучук из гидрогенизированногоуглеводородакрилонитрилбутадиена каучук из акрилонитрилбутадиенауглеводородизопреновый каучукуглеводородхлоропреновый каучукуглеводородполинарборненуглеводород

Отметим, что инициирующая текучая среда может присутствовать естественно в стволе 6 скважины, может присутствовать в формации 8 и затем выходить в ствол 6 скважины, или ее можно использовать или вводить в ствол 6 скважины (например, с поверхности 7).

Можно сделать, чтобы инициирующая текучая среда входила в контакт с разбухающим материалом, используя множество различных методов. Например, если инициирующая текучая среда находится в кольцевом зазоре (посредством введения в кольцевой зазор из формации 8, посредством использования в кольцевом зазоре или посредством естественного нахождения в кольцевом зазоре), тогда инициирующая текучая среда может войти в контакт с разбухающим материалом непосредственно, когда инициирующая текучая среда протекает внутри кольцевого зазора вблизи от уплотнения 12.

Фиг.5 изображает линию 32 управления, которая заканчивается непосредственно над разбухающим материалом 24 уплотнения 12, где инициирующую текучую среду могут подавать через линию 32 управления (обычно с поверхности 7) в кольцевой зазор и в контакт с разбухающим материалом 24.

Аналогично фиг.6 изображает линию 32 управления, однако конец линии 32 управления введен внутрь разбухающего материала 24, чтобы инициирующую текучую среду можно было вводить непосредственно из линии 32 управления и в разбухающий материал 24.

Фиг.7 изображает вариант осуществления, в котором линия 32 управления развернута внутри трубопровода 20 и введена в разбухающий материал 24 с его внутренней поверхности.

В варианте осуществления фиг.8 линия 32 управления введена в разбухающий материал 24, как на фиг.6, однако линия 32 управления в этом варианте осуществления продолжается по меньшей мере вдоль длины разбухающего материала 24 и содержит отверстия 36 для обеспечения более равномерного распределения инициирующей текучей среды по длине разбухающего материала 24.

Фиг.9 изображает другой вариант осуществления, подобный варианту осуществления фиг.6, за исключением того, что линия 32 управления введена через фланец 22, а не в разбухающий материал 24 (хотя линия 32 управления находится в связи по текучей среде с разбухающим материалом 24 через фланец 12).

Кроме того и как показано на фиг.10, любой из вариантов осуществления фиг.5-9 можно использовать с контейнером 38, который удерживает инициирующую текучую среду и который, при соответствующем сигнале, выпускает инициирующую текучую среду через линию 32 управления и к разбухающему материалу 24. Соответствующий сигнал можно обеспечить с помощью любого телеметрического механизма, например, другой линии управления, беспроводной телеметрии (типа электрического, электромагнитного, сейсмического, акустического сигнала или сигналов импульсов давления), посредством устройства выдержки времени, сформированного для активизации после прохождения некоторого времени в стволе скважины, подачи гидравлического давления, или после возникновения определенного условия, которое обнаруживается датчиком.

Определенные показанные и описанные варианты осуществления, типа представленных на фиг.6, 7, 8 и 9, особенно касаются контакта инициирующей текучей среды с разбухающим материалом во внутренней части (в противоположность внешней поверхности) разбухающего материала. Такие варианты осуществления позволяют оператору лучше управлять выбором времени, продолжительностью и степенью расширения разбухающего материала.

В некоторых вариантах осуществления разбухающий материал уплотнения 12 объединен с другими традиционными уплотняющими механизмами для обеспечения уплотняющей системы. Например, как показано на фиг.3 и 4, разбухающий материал 24 можно объединить с расширяемым баллоном 26 (типа баллона надувного пакера), в котором разбухающий материал 24 расположен внутри баллона 26. В нерасширенном состоянии 28, как показано на фиг.3, баллон 26 и разбухающий материал 24 не расширены и не уплотнены относительно ствола 6 скважины. Когда разбухающий материал 24 подвергают воздействию соответствующей инициирующей текучей среды, разбухающий материал 24 расширяется, заставляя расширяться расширяемый баллон 26, и в конечном счете производит уплотнение относительно ствола 6 скважины в расширенном состоянии 30. Так как разбухающий материал 24 имеет тенденцию сохранять свое расширенное состояние через некоторое время, внедрение разбухающего материала 24 внутрь расширяемого баллона 26 обеспечивает пакер, уплотняющий открытое отверстие, который сохраняет свою энергию в течение какого-то времени. Разбухающий материал 24 можно подвергнуть воздействию инициирующей текучей среды, например, используя вариант осуществления, показанный на фиг.7.

В другом варианте осуществления, как показано на фиг.19, разбухающий материал 24 включен во внешнюю часть баллона 26. Баллон 26 заполнен подходящим наполнителем 25 (типа цемента), как обычно, и разбухающий материал 24 разбухает, поглощая любое различие или промежуток между баллоном 26 и стволом 6 скважины.

В другом варианте осуществления, как показано на фиг.20, разбухающий материал 24 расположен внутри баллона 26 и диспергирован с материалом 25 наполнителя. Если происходит утечка через баллон 26, разбухающий материал 24 активизируется, компенсируя утечку и поддерживая объем баллона 26 постоянным. В этом варианте осуществления разбухающий материал 24 следует выбирать так, чтобы он разбухал, когда находится в контакте с текучими средами, которые просачиваются в баллон 26.

В другом варианте осуществления (не показанном) уплотнение 12, содержащее разбухающий материал 24, расположено с обеих сторон надувного пакера известного уровня техники. Уплотнения 12 служат вторичными уплотнениями для надувного пакера и могут быть активизированы, как описано выше.

Фиг.11 изображает уплотняющую систему, которая объединяет разбухающий материал 40 уплотнения 12 с традиционным твердым каучуковым уплотнением 42, используемым в нефтяном промысле. Твердое каучуковое уплотнение 42 можно активировать активизирующим поршнем 44 (как известно в технике) так, чтобы он прижал твердое каучуковое уплотнение 42 к фланцу 46, расширяющему твердое каучуковое уплотнение 42 в радиальном направлении. Разбухающий материал 40 может разбухать под воздействием инициирующей текучей среды посредством одного из предварительно раскрытых механизмов. Использование и уплотнения 40 из разбухающего материала и твердого каучукового уплотнения 42 может обеспечить улучшенную уплотняющую систему, в которой твердый материал дополнительно поддерживает разбухающий материал. В другом варианте осуществления (не показан) множество уплотнений 40 из разбухающего материала и твердое каучуковое уплотнение 42 можно чередовать или использовать последовательно, чтобы обеспечить требуемые характеристики уплотнения.

Фиг.22 изображает комбинацию уплотнения 12 из разбухающего материала 24 вместе с двумя каучуковыми уплотнениями 42 с каждой стороны и антиэкструзионное или замыкающее кольцо 41 с каждой стороны. Общая конфигурация, без уплотнения 12, является обычной в пакерах известного уровня техники. Преимущество включения уплотнения 12 из разбухающего материала 24 состоит в том, что текучая среда, которая просачивается через кольца 41 и каучуковые уплотнения 42, может инициировать разбухающий материал 24 и, таким образом, обеспечить дублирование для всей системы. Разбухающий материал 24 можно выбирать на основании текучей среды, которая может просачиваться. Фиг.23 является подобной, за исключением того, что разбухающий материал 24 включен в одно из каучуковых уплотнений 42.

Фиг.12 изображает предохранительную муфту 48, покрывающую разбухающий материал 24 уплотнения 12. Этот вариант осуществления особенно полезен, когда инициирующая текучая среда присутствует в кольцевом зазоре, но оператор хочет предотвратить начало процесса разбухания на предварительно определенное время (например, до тех пор, пока уплотнение 12 не окажется на надлежащей глубине). Предохранительная муфта 48 предотвращает контакт между разбухающим материалом 24 и текучими средами, находящимися в кольцевом зазоре ствола скважины. Когда оператор готов начать действие уплотнения, он может заставить предохранительную муфту 48 соскользнуть так, чтобы подвергнуть разбухающий материал 24 воздействию текучей среды кольцевого зазора, которая содержит (или будет содержать) инициирующую текучую среду. Скользящее движение предохранительной муфты 48 можно инициировать с помощью линии управления, беспроводной телеметрии (типа электрического, электромагнитного, сейсмического, акустического сигнала или сигнала импульсов давления) с помощью устройства выбора времени, сформированного для активизации после прохождения некоторого времени в стволе скважины, или прикладывая гидравлическое давление, или после возникновения некоторого условия, которое обнаруживается датчиком.

Фиг.13 изображает разбухающий материал 24 уплотнения 12, покрытый защитным покрытием 54. Защитное покрытие 54 предотвращает контакт между разбухающим материалом 24 и текучими средами, находящимися в кольцевом зазоре ствола скважины. Когда оператор готов начать действие уплотнения, он может заставить защитное покрытие 54 разрушиться, чтобы подвергнуть разбухающий материал 24 воздействию текучей среды кольцевого зазора, которая содержит (или будет содержать) инициирующую текучую среду. Защитное покрытие 54 можно разрушить химикатом, который можно ввести в ствол скважины, например, в форме таблетки или через линию управления.

В другом варианте осуществления защитное покрытие 54 является покрытием с выдержкой времени, которое разрушается или растворяется через предварительно определенное время, таким образом предоставляя возможность разбухающему материалу 24 войти в контакт с инициирующей текучей средой. В другом варианте осуществления защитное покрытие 54 содержит термоусаживающееся покрытие, которое рассеивается при прикладывании к нему внешней энергии или силы. В другом варианте осуществления защитное покрытие 54 содержит термопластический материал типа термопластической ленты или термопластического эластомера, который рассеивается, когда окружающая температура поднимается до определенного уровня (например, под действием нагревательного инструмента). В любом из вариантов осуществления, содержащих защитное покрытие 54, вместо разрушения или растворения, необходимо только, чтобы защитное покрытие 54 стало проницаемым для инициирующей текучей среды, таким образом позволяя активизировать механизм разбухания.

Фиг.21 изображает инициирующую текучую среду, хранящуюся внутри разбухающего материала 24, например, в контейнере 34. Когда оператор готов начать действие уплотнения, он может заставить контейнер 34 открыться и подвергнуть разбухающий материал 24 воздействию инициирующей текучей среды. Открывание контейнера 34 можно инициировать с помощью линии управления, беспроводной телеметрии (типа электрического, электромагнитного, сейсмического, акустического сигнала или сигнала импульсов давления), посредством устройства выбора времени, сформированного для активизации после прохождения некоторого времени в стволе скважины, или при приложении гидравлического давления, при возникновении некоторого условия, которое обнаруживается датчиком, посредством использования разрушающихся дисков во взаимодействии с контейнером 34 и стволом трубы скважины или кольцевым зазором, или некоторого типа относительного движения (типа линейного движения).

В другом варианте осуществления, как показано на фиг.14-16, разбухающий материал 56 вытягивают в длину до развертывания в стволе скважины. В этом вытянутом состоянии 58 концы разбухающего материала 56 прикрепляют к трубопроводу 20, например, штифтами 62. Когда оператор готов начать действие уплотнения, он освобождает штифты 62, предоставляя возможность разбухающему материалу 56 сокращаться в продольном направлении до нерасширенного состояния 16. Затем разбухающий материал 56 подвергают воздействию подходящей инициирующей текучей среды, как предварительно было раскрыто, вызывая разбухание разбухающего материала 56 до расширенного состояния 18. Преимущество варианта осуществления, показанного на фиг.14-16, заключается в том, что разбухающий материал 56 имеет меньший внешний диаметр в вытянутом состоянии 58 (чем в нерасширенном состоянии 16), предоставляя ему возможность легко проходить через внутреннюю часть трубопровода 20 (и любые другие ограничения), в то же время обеспечивая возможность вводить в уплотнение 12 больший объем разбухающего материала, чтобы обеспечить более уплотняющую систему с большей степенью расширения или с возможностью уплотнения в большем внутреннем диаметре, таким образом приводя к улучшенному действию уплотнения относительно ствола 6 скважины.

В некоторых вариантах осуществления оператор может пожелать избавиться от уплотнения, обеспеченного разбухающим материалом в расширенном состоянии 18. В этом случае оператор может подвергнуть разбухающий материал воздействию растворяющей текучей среды, которая растворяет разбухающий материал и уплотнение. Растворяющую текучую среду можно передавать к разбухающему материалу с помощью средств и систем, подобных средствам и системам, используемым для подвергания действию инициирующей текучей среды разбухающего материала. Фактически, в варианте осуществления, использующем контейнер 38 (фиг.10), растворяющая текучая среда может содержаться в том же самом контейнере 38, что и инициирующая текучая среда.

В зависимости от вещества, используемого для разбухающего материала, разбухание материала от нерасширенного состояния 16 до расширенного состояния 18 можно активизировать другим механизмом, отличающимся от инициирующей текучей среды. Например, разбухание разбухающего материала можно активизировать электрической поляризацией, в этом случае разбухание может быть или постоянным, или обратимым, когда поляризацию удаляют. Активизирование разбухающего материала электрической поляризацией особенно полезно в случаях, когда электрические компоненты скважины, типа электрических погружаемых в воду насосов, уже включены в ствол 6 скважины. В этом случае, когда необходимо, электричество можно просто подвести к разбухающему материалу. Другой формой механизма активизирования является активизирование светом, при котором разбухающий материал подвергают воздействию светового сигнала (переданного через оптическое волокно), который вызывает разбухание материала.

Фиг.17 изображает вариант осуществления изобретения, в котором используют систему 63 мониторинга, чтобы контролировать начало, процесс и качество разбухания, а следовательно, уплотнение, обеспеченное разбухающим материалом 62 уплотнения 12. Система 63 мониторинга может содержать по меньшей мере один датчик 64 и блок 66 управления. Блок 66 управления можно расположить на поверхности 7 и принимать им данные от датчика 64. Датчик 64 можно вложить внутрь разбухающего материала, и он может быть любым типом датчика, определяющим параметр, который некоторым образом зависит от разбухания или реакции разбухания разбухающего материала. Например, если разбухание разбухающего материала является результатом эндотермической или экзотермической реакции, то датчик 64 может содержать температурный датчик, который может определять температурное изменение, вызванное реакцией. Подходящим и особенно выгодным датчиком может быть датчик распределенной температуры типа оптического датчика изменения коэффициента отражения методом совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов. Альтернативно датчик 64 может быть датчиком давления или тензодатчиком, который обнаруживает изменения давления или механического напряжения в разбухающем материале, вызванные реакцией разбухания. Кроме того, если установлено, что действие разбухания должно произойти, когда присутствует определенное условие (типа разбухания при поступлении воды), факт, что действие разбухания началось, также информирует оператора о том, что присутствует это условие.

Оператор может наблюдать измерения датчика 64 через блок 66 управления. В некоторых вариантах осуществления и на основании этих наблюдений оператор способен управлять реакцией разбухания, например, добавляя больше или меньше текучей среды (например, через линии управления 32 или в кольцевой зазор). В одном варианте осуществления (не показан) блок 66 управления функционально связан с подающим отсеком для линии 32 управления так, что блок 66 управления автоматически контролирует нагнетание инициирующей текучей среды в линию 32 управления на основании измерений датчика 64, с целью гарантирования, что действие разбухания поддерживается в пределах некоторых предварительно определенных параметров. Параметры могут включать скорость разбухания, время разбухания, начальную точку и конечную точку. Передачу информации от датчика 64 к блоку 66 управления можно осуществлять по кабелю или радиосвязью, например, при помощи электромагнитного, акустического сигнала или сигнала давления.

Фиг.18 изображает уплотняющую систему, которая содержит уплотнение 12 из разбухающего материала 99 и в которой транспортирующее устройство 14 содержит обсадную трубу 100. После инициирования текучей средой с помощью одного из предварительно раскрытых способов разбухающий материал 99 расширяется для уплотнения относительно стенки ствола скважины и может изолировать соседние проницаемые формации типа формаций 102 и 104. Непроницаемые зоны 103 могут создавать промежутки в проницаемых зонах. Между уплотнениями 12 можно нагнетать цемент 107 так, чтобы зацементировать обсадную трубу 100 внутри ствола скважины. Включение уплотнения 12 из разбухающего материала 99 обеспечивает изоляцию проницаемых зон, даже если цемент 107 не достигает этой изоляции или теряет свою способность обеспечивать такую изоляцию в течение времени. Например, зональная изоляция, созданная цементом 107, может разрушиться, если буровой раствор остается на поверхности раздела между цементом и обсадной трубой и/или формацией, целостность цементного покрытия подвергается нарушению из-за дополнительных напряжений, создаваемых различными условиями внутри скважины или тектоническими напряжениями, цемент 107 дает усадку, и если действия завершения скважины (типа перфорирования и гидравлического разрыва пласта) отрицательно воздействуют на цемент 107. В любом из этих случаев уплотнение 12 обеспечивает изоляцию проницаемых зон.

Дополнительно внутри обсадной трубы 100 можно развернуть хвостовик или вторую обсадную трубу 106. Хвостовик или вторая обсадная труба 106 также может содержать уплотнения 12 из разбухающего материала 99, которые также обеспечивают необходимое уплотнение относительно необсаженной скважины ниже обсадной трубы 100. Разбухающий материал 99 также можно использовать для уплотнения хвостовика или второй обсадной трубы 106 относительно обсадной трубы 100, где такое уплотнение 12 проходит между внешней поверхностью хвостовика или второй обсадной трубой 106 и внутренней поверхностью обсадной трубы 100. Цемент 107 также можно нагнетать между уплотнениями 12, уплотняя хвостовик 106 относительно стенки ствола скважины, и/или между уплотнениями 12, уплотняя хвостовик 106 относительно обсадной трубы 100. Внутри изображенной конструкции также можно разворачивать дополнительные обсадные трубы или хвостовики.

Как показано относительно проницаемой формации 104, скважинными перфораторами (не показаны) можно выполнять перфорации 108, чтобы обеспечить связь по текучей среде между внутренней частью хвостовика или второй обсадной трубы 106 и проницаемой формацией 104. Хотя не показано, перфорации также можно делать через хвостовик или вторую обсадную трубу 106, обсадную трубу 100 и в проницаемую формацию 102.

Дополнительно в варианте осуществления фиг.18 уплотнения 12 можно поместить на конце обсадной колонны около башмака обсадной трубы (не показан). Поскольку большинство обсадных труб устанавливают с башмаком в непроницаемой зоне, размещение уплотнения в этих местоположениях должно предотвращать утечку текучих сред снизу в соответствующий кольцевой зазор.

В других вариантах осуществления изобретения транспортирующее устройство 14 может содержать твердый растяжимый трубопровод, растяжимый трубопровод со щелью, растяжимый перфорированный трубопровод или любой другой тип растяжимой трубы. Уплотнения из разбухающего материала можно располагать на нерасширяющихся секциях между секциями растяжимого трубопровода или можно располагать на расширяющихся секциях (см. патенты США 20030089496 и США 20030075323, оба полностью переуступлены и оба включены здесь посредством ссылки). Также уплотнения из разбухающего материала можно использовать с песочными фильтрами (растяжимыми или нет), чтобы изолировать секции фильтра от других, для обеспечения зональной изоляции, требуемой оператором.

Хотя настоящее изобретение было описано относительно ограниченного количества вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, понимающие выгоду этого раскрытия, должны оценить их многочисленные модификации и видоизменения. Подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и видоизменения, которые попадают в пределы истинного объема и сущности настоящего изобретения.

Изобретение относится к горному делу и представляет уплотняющую систему типа пакера, которую используют в стволе скважины для уплотнения относительно внешней поверхности обсадной трубы или необсаженной скважины. Обеспечивает уплотнение скважин с неровным сечением, упрощение работ по изоляции скважины. Уплотняющая система содержит разбухающий материал, который разбухает от нерасширенного состояния до расширенного состояния, таким образом создавая уплотнение, когда разбухающий материал входит в контакт с инициирующей текучей средой. 14 н. и 30 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая надувной баллон, расположенный на транспортирующем устройстве, разбухающий материал и наполняющий материал, размещенные в надувном баллоне, при этом разбухающий материал разбухает при контакте с инициирующей текучей средой, являющейся текучей средой, окружающей надувной баллон так, что при наличии утечки в надувном баллоне текучая среда контактирует с разбухающим материалом, вызывая его разбухание.2. Система по п.1, в которой разбухание разбухающего материала вызывает расширение надувного баллона.3. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве, линию управления, отдельную от транспортирующего устройства и содержащую отверстие вблизи разбухающего материала для доставки инициирующей текучей среды к разбухающему материалу, при этом разбухающий материал разбухает при контакте с инициирующей текучей средой.4. Система по п.3, в которой линия управления является внешней относительно разбухающего материала.5. Система по п.3, в которой линия управления введена в разбухающий материал.6. Система по п.5, в которой линия управления проходит вдоль длины разбухающего материала.7. Система по п.6, в которой линия управления содержит множество отверстий для равномерного распределения инициирующей текучей среды по длине.8. Система по п.3, в которой линия управления введена через внутреннюю поверхность разбухающего материала.9. Система по п.3, в которой транспортирующее устройство содержит трубопровод, а линия управления расположена внутри трубопровода.10. Система по п.3, содержащая фланцы, расположенные на каждом конце разбухающего материала, и линия управления проходит сквозь верхний фланец.11. Система по п.3, в которой линия управления проходит от размещенного в скважине контейнера.12. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, размещенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и твердое каучуковое уплотнение, расположенное на транспортирующем устройстве в непосредственной близости от разбухающего материала и активируемое поршнем.13. Система по п.12, в которой разбухающий материал при разбухании и твердое каучуковое уплотнение при его активации действуют совместно для создания уплотнения.14. Система по п.12, в которой твердое каучуковое уплотнение расположено на одном конце разбухающего материала, а другое твердое каучуковое уплотнение расположено на другом конце разбухающего материала.15. Система по п.12, в которой разбухающий материал введен в твердое каучуковое уплотнение.16. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и муфту, предназначенную для защиты разбухающего материала от преждевременного контакта с инициирующей текучей средой.17. Система по п.16, в которой муфта способна перемещаться для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.18. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и защитное покрытие, размещенное на разбухающем материале для защиты разбухающего материала от преждевременного контакта с инициирующей текучей средой.19. Система по п.18, в которой защитное покрытие удалено для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.20. Система по п.18, в которой защитное покрытие является проницаемым для инициирующей текучей среды для обеспечения связи по текучей среде между разбухающим материалом и инициирующей текучей средой.21. Система по п.18, в которой защитное покрытие является покрытием с выдержкой времени или термоусаживающимся покрытием или термопластическим материалом.22. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, расположенной в контейнере внутри разбухающего материала.23. Система по п.22, в которой контейнер способен открываться избирательно.24. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве, разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой и вытягиваемый в длину перед развертыванием в стволе скважины.25. Система по п.24, в которой разбухающий материал избирательно вытянут в длину.26. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и систему мониторинга, функционально соединенную с разбухающим материалом для контроля процесса разбухания разбухающего материала.27. Система по п.26, в которой система мониторинга содержит по меньшей мере один датчик.28. Система по п.27, в которой датчик введен в разбухающий материал.29. Система по п.28, в которой датчик содержит оптическое волокно.30. Система по п.29, в которой датчик содержит датчик распределенной температуры.31. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий под воздействием электрической поляризации.32. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий под воздействием световой энергии.33. Уплотняющая система для использования в подземном стволе скважины, содержащая разбухающий материал, расположенный на транспортирующем устройстве и разбухающий при контакте с инициирующей текучей средой, и цемент, расположенный вблизи разбухающего материала.34. Уплотняющая система по п.33, в которой транспортирующее устройство содержит обсадную трубу, и разбухающий материал разбухает для контакта со стеной ствола скважины.35. Уплотняющая система по п.33, в которой транспортирующее устройство содержит хвостовик, и разбухающий материал разбухает для контакта со стеной ствола скважины.36. Уплотняющая система по п.33, в которой разбухающий материал расположен в двух местоположениях на транспортирующем устройстве, а цемент расположен между этими двумя местоположениями.37. Уплотняющая система по п.33, в которой разбухающий материал предназначен изолировать проницаемую формацию от непроницаемой формации.38. Способ уплотнения в подземном стволе скважины, содержащий развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающий материал текучей среды для разбухания разбухающего материала и вытягивание в длину разбухающего материала перед развертыванием в стволе скважины.39. Способ по п.38, дополнительно содержащий поддерживание разбухающего материала в вытянутом состоянии.40. Способ по п.39, дополнительно содержащий избирательное освобождение разбухающего материала из вытянутого состояния.41. Способ уплотнения для использования в подземном стволе скважины, содержащий развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающий материал текучей среды для разбухания разбухающего материала и мониторинг процесса разбухания разбухающего материала.42. Способ по п.41, в котором мониторинг содержит развертывание по меньшей мере одного датчика вблизи разбухающего материала.43. Способ по п.42, в котором развертывание содержит введение датчика в разбухающий материал.44. Способ уплотнения в подземном стволе скважины, содержащий развертывание разбухающего материала на транспортирующем устройстве в стволе скважины, воздействие на разбухающий материал текучей среды для разбухания разбухающего материала и растворение разбухающего материала.

Приоритет по пунктам: