УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ НАДУВНЫЕ ПАКЕРЫ Российский патент 2012 года по МПК E21B33/12 E21B33/127 

Предпосылки изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к скважинному нефтепромысловому оборудованию и более конкретно к усовершенствованным надувным пакерам.

Описание предшествующего уровня техники

Известно, что существуют главным образом два типа надувных пакеров, а именно пластинчатого и витого или канатного типа. Надувные пакеры пластинчатого типа обычно имеют высокое номинальное значение давления и большой коэффициент расширения. Однако надувные пакеры пластинчатого типа обычно не рекомендуются для применения с необсаженными стволами скважин, поскольку пластины не имеют достаточной гибкости для соответствия профилям необсаженных стволов скважин с возможными неровностями. В результате внутренняя труба или эластичный баллон надувного пакера пластинчатого типа может выдавливаться сквозь отверстия между пластинами. С другой стороны, конструкции витого типа будут придавать пакерному элементу достаточную податливость для соответствия геометрии ствола скважины, но они имеют низкое номинальное значение давления и небольшой коэффициент расширения. В дополнение к конструкции надувных пакеров механические характеристики и надежность надувных пакеров частично зависят от механических свойств используемых материалов.

Известна пластина для использования в надувном пакере, содержащая корпусной элемент, имеющий длину, ширину и толщину и содержащий, по меньшей мере, одну канавку, выполненную в нем, и, по меньшей мере, один выступ, проходящий от него, приспособленные для взаимодействия с корпусными элементами смежных пластин надувного пакера, и множество усиливающих элементов, расположенных в корпусном элементе (см., публикация WO 2006/103630 А1 от 05.10.2006).

Как будет понятно из нижеследующего описания и обсуждения, настоящее изобретение преодолевает недостатки известных пакеров и представляет усовершенствованный пакер. Согласно одному объекту настоящего изобретения это достигнуто посредством разработки гибридных конструкций для спускаемых в трубу многократно используемых сильно расширяемых элементов надувных пакеров, в которых используются уникальные признаки структур пластинчатого типа и витого типа для достижения значительно улучшенных характеристик и податливости элементов пакеров в средах необсаженных стволов скважин, а также в средах обсаженных скважин. Согласно другому объекту настоящего изобретения усовершенствование в области пакеров может быть достигнуто посредством разработки элементов надувного пакера с высокими коэффициентами расширения, высокими номинальными значениями давления, высоким сопротивлением выдавливанию и хорошим восстановлением формы после сдувания благодаря использованию материалов из области армированных волокном композитов и нанотехнологии, включая, например, различные армированные волокном эластомеры, полимеры и/или металлы, и модифицированные нановолокном, нанотрубками, наночастицами эластомеры, полимеры и/или металлы. Детали, относящиеся к этим типам материалов, можно обнаружить, например, в документе WO 0106087, патенте США №6102120 и публикации A.B.Dalton и др. "Сверхпрочные волокна из углерода-нанотрубок" ("Super-Tough Carbon-Nanotube Fibres") в Nature, номер 423 от 12 июня 2003 г., стр.703 ("Dalton"). Авторы описывают в Dalton их способ синтезирования волокон из одностенной нанотрубки в пучках длиной 100 м. Эти волокна можно затем формировать в сетку или свивать в другие волокна как армирование резины. Материалы нанотехнологии демонстрируют качества, превосходящие качества традиционных материалов, включая большую прочность, гибкость, удлинение и податливость к неровным поверхностям, таким как поверхности, встречаемые в необсаженном стволе скважины.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создана пластина для использования в надувном пакере, содержащая корпусной элемент, имеющий длину, ширину и толщину и содержащий, по меньшей мере, одну канавку, выполненную в нем, и, по меньшей мере, один выступ, проходящий от него, приспособленные для взаимодействия с корпусными элементами смежных пластин надувного пакера, и множество усиливающих элементов, расположенных в корпусном элементе и сформированных в плетеной структуре или витой структуре.

Корпусной элемент может дополнительно содержать, по меньшей мере, один материал из эластомера, термопластического эластомера, упругопластического материала и полимера.

Ширина корпусного элемента может изменяться вдоль, по меньшей мере, части длины корпусного элемента.

Толщина корпусного элемента может изменяться вдоль, по меньшей мере, части его длины и образует треугольное сечение или изогнутое сечение.

Корпусной элемент может иметь градиент трения по его длине.

Жесткость корпусного элемента может изменяться по его ширине и по его длине.

Толщина корпусного элемента может изменяться вдоль, по меньшей мере, части его длины и образует треугольное сечение или изогнутое сечение.

Пластина может использоваться в надувном пакере, содержащем эластичный баллон и покрытие, содержащее множество усиливающих элементов, сформированных в плетеной структуре или в витой структуре, при этом множество пластин расположено между эластичным баллоном и покрытием.

Пластина может использоваться в надувном пакере, содержащем эластичный баллон, включающий множество пластин и множество усиливающих элементов, сформированных в плетеной структуре или в витой структуре.

Пластина может использоваться в надувном пакере, содержащем эластичный баллон, имеющий множество усиливающих элементов, по меньшей мере, частично открытых для облегчения закрепления надувного пакера относительно окружающей стенки ствола скважины и сформированных в плетеной структуре или витой структуре. Усиливающие элементы могут быть сформированы из металлического материала.

Пластина может использоваться в надувном пакере, содержащем эластичный баллон и множество пластин, расположенных вдоль эластичного баллона и имеющих усиливающие пластину элементы, по меньшей мере, частично открытые для облегчения закрепления надувного пакера относительно окружающей стенки ствола скважины и сформированные в плетеную или витую структуру. Усиливающие пластину элементы могут быть сформированы из металлического материала. Эластичный баллон может содержать множество усиливающих элементов.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает вид сбоку конкретного варианта выполнения пакера, сконструированного согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - вид сбоку другого конкретного варианта выполнения пакера, сконструированного согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 - вид сечения, выполненного по линии 3-3 на фиг.2.

Фиг.4 - вид в перспективе конкретного варианта выполнения пластины для использования в пакере, изготовленном согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - вид в перспективе другого конкретного варианта выполнения пластины для использования в пакере, изготовленном согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 - вид в перспективе другого конкретного варианта выполнения пластины для использования в пакере, изготовленном согласно настоящему изобретению.

Фиг.7 - вид в перспективе другого конкретного варианта выполнения пластины для использования в пакере, изготовленном согласно настоящему изобретению.

Фиг.8 - вид сечения другого конкретного варианта выполнения элемента пакера, изготовленного согласно настоящему изобретению и включающего гибридную резиновую структуру.

Фиг.9 - вид в перспективе конца элемента пакера, изготовленного согласно настоящему изобретению.

Фиг.10 - иллюстрация типичного вращения волокон или кордов в элементе пакера витого типа, когда он расширен.

Фиг.11 - вид сбоку суживающейся пластины, изготовленной согласно настоящему изобретению и имеющей расположенные в ней продольные усиливающие элементы.

Фиг.12 - вид в перспективе каркаса пакера, который включает суживающиеся пластины типа, показанного на фиг.11.

Фиг.13 - вид сечения элемента пакера, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.14 - вид сечения элемента пакера, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.15 - вид сечения другого элемента пакера, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.16 - вид сечения другого элемента пакера, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.17 - вид сбоку пластины, выполненной согласно настоящему изобретению.

Фиг.18 - вид сечения другого элемента пакера, выполненного согласно настоящему изобретению.

Фиг.19 - вид сбоку другой пластины, выполненной согласно настоящему изобретению.

Фиг.20 - вид сбоку, показывающий пластину, имеющую треугольное сечение, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.21 - вид сбоку, подобный показанному на фиг.20 и показывающий другую пластину, имеющую треугольное сечение, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.22 - вид сбоку, показывающий пластину, имеющую изогнутое сечение, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.23 - вид сбоку, показывающий пластину, имеющую признак шпоночного блокирования, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.24 - вид сбоку, показывающий пластину, имеющую градиент коэффициента трения вдоль ее поперечного направления, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.25 - вид сбоку частично в сечении, показывающий манжету пакера, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.26 - вид сбоку частично в сечении, показывающий другую манжету пакера, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.27 - вид сбоку частично в сечении, показывающий другую манжету пакера, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.28 - вид сбоку частично в сечении, показывающий другую манжету пакера, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.29 - вид в перспективе плетеной структуры усиливающих элементов, выполненной согласно настоящему изобретению.

Фиг.30 - вид в перспективе части композитного компонента пакера, включающего плетеную структуру усиливающих элементов, выполненную согласно настоящему изобретению.

Фиг.31 - вид в перспективе, подобный показанному на фиг.30, но показывающий открытый район для облегчения закрепления компонента в стволе скважины, выполненный согласно настоящему изобретению.

Фиг.32 - вид в перспективе множества пластин, имеющих усиливающую структуру, выполненную согласно настоящему изобретению.

Хотя изобретение будет описано в связи с предпочтительными вариантами его осуществления, будет понятно, что не предполагается ограничивать изобретение этими вариантами. Напротив, предполагается, что изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут соответствовать сущности и объему изобретения, определенному прилагаемой формулой изобретения.

Подробное описание изобретения

Как подробно показано на чертежах, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают идентичные элементы на всех видах, на фиг.1 схематически показана "гибридная" конструкция надувного пакерного элемента 10, имеющего структуры 12 пластинчатого типа на обоих концах и структуру 14 витого типа, расположенную между ними. Хорошо известно, что надувной пакерный элемент более уязвим в отношении разрыва на этапе накачивания, чем впоследствии. Также известно, что наиболее уязвимым местом элемента в отношении повреждения является его переходная область. Использование структур 12 пластинчатого типа в этих областях будет создавать отличный противодействующий выдавливанию слой для уменьшения уязвимости в отношении разрыва в этих районах. Структура 14 витого типа делает элемент 10 достаточно податливым для соответствия форме ствола скважины.

В другом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения на фиг.2 показана другая "гибридная" конструкция надувного пакерного элемента 16, в которой пластины могут быть расположены по всей длине пакерного элемента 16, при этом пакерный элемент 16 полностью покрыт структурой (структурами) 14 витого типа. Этот аспект настоящего изобретения также показан на фиг.3, которая представляет вид сечения структуры "гибридного" типа, показанной на фиг.2. Как показано на фиг.3, в конкретном варианте осуществления изобретения пакерный элемент 16 может включать эластичный баллон 18, одну или несколько пластин 20, покрытие 22 витого типа и множество анкеров 24. Эластичный баллон 18 может быть выполнен из эластомерного материала в форме полого цилиндра для удерживания накачиваемых жидкостей. Эластичный баллон 18 может иметь анизотропные свойства для регулирования характеристик и/или процесса его расширения. Пластины 20 предпочтительно служат для выполнения, по меньшей мере, двух функций. Одной функцией может быть формирование барьера против выдавливания и другой функцией может быть удерживание механической нагрузки. Пластины 20 могут быть выполнены из высокопрочных сплавов, материалов, армированных волокном, включая армированные волокном эластомеры, армированные нановолокном и/или нанотрубками эластомеры или другие передовые материалы. Пластины 20 предпочтительно будут иметь их максимальную прочность в направлении их длины и будут тонкими настолько, насколько позволяет конструкция, для обеспечения достаточного пространства для размещения покрытия. Покрытие 22 предпочтительно выполнено из структур витого типа и предпочтительно выполнено из эластомерного материала с заделанными усиливающими элементами 23. Усиливающие элементы 23 могут быть выполнены в определенных конфигурациях для облегчения и контроля их расширения. Например, усиливающие элементы 23 могут быть расположены в осевом направлении пакера для минимизации любых изменений длины в ходе накачивания и потенциальной проблемы износа резины. Покрытие 22 предпочтительно является настолько толстым, насколько позволяет конструкция для получения достаточной податливости для соответствия возможным неровностям в среде необсаженного ствола скважины. В конкретном варианте осуществления изобретения анкеры могут представлять собой частично открытые тросы и выполнять функцию обеспечения большего трения между пакерным элементом 10/16 и стволом скважины.

Для получения достаточного соответствия возможным неровным профилям необсаженного ствола скважины пакерный элемент предпочтительно будет обладать определенной степенью гибкости. Поскольку эластичный баллон 18 и покрытие 22 должны иметь хорошую податливость относительно ствола скважины, конструкция пластин может быть довольно важной для достижения этой цели. В конкретном варианте осуществления изобретения пластины 20 могут быть очень тонкими для уменьшения их жесткости. В другом конкретном варианте осуществления изобретения пластины 20 также могут быть выполнены из "гибких" композитных материалов. Усиливающие элементы 25 (фиг.4) могут быть расположены в осевом направлении для удерживания механических нагрузок, и основной материал может быть выполнен из материалов с очень низким модулем изгиба, который близок к этому показателю резин, используемых для изготовления эластичного баллона 18. В специализированных конструкциях пластина 20, изготовленная из гибких композитных материалов, может иметь значительно меньшую жесткость, чем выполненная из металлических материалов. Волоконные материалы, используемые для выполнения различных компонентов пакерных элементов 10/16, могут представлять собой углеродное волокно, стекловолокно, арамидное волокно, керамическое волокно, металлическое волокно, синтетическое волокно и/или их нановолокна, нанотрубки, наночастицы и могут также включать другие обычные материалы. Волоконные материалы могут быть заделаны в формате одного волокна или пучков волокон (кордов). Основные материалы в пластинах могут быть выполнены из резин, плавких резин, термопластов, термопластических эластомеров и/или других материалов, имеющих подобные свойства.

Конкретный вариант конструкции гибкой пластины 20 показан на фиг.4. В этом варианте осуществления изобретения все усиливающие элементы 25 расположены в продольном направлении и, таким образом, жесткость пластин 20 в поперечном направлении будет уступать жесткости основного материала или элемента 21 корпуса пластины, который является очень гибким материалом, выполненным из любого пригодного материала, такого как резина. Продольная жесткость пластины 20 в этом конкретном варианте осуществления изобретения предпочтительно будет составлять часть жесткости металлической пластины.

Другой конкретный вариант выполнения пластины 20 показан на фиг.5, и в нем большая часть усиливающих элементов 25 расположена в продольном направлении, и небольшая часть усиливающих элементов 27 будет расположена в поперечном направлении. Как показано на фиг.5, пластина 20 включает первый усиливающий лист 26, второй усиливающий лист 28 и третий усиливающий лист 30. Первый и третий листы 26, 30 могут быть пластинами типа, показанного на фиг.4 (то есть с усиливающими элементами 25, расположенными в длину вдоль продольной оси листа 26). Первый и третий листы 26, 30 показаны с расположенным между ними вторым листом 28. Второй лист 28 может быть снабжен усиливающими элементами 27, расположенными в поперечном направлении (то есть, в целом под прямым углом к усиливающим элементам 25 в первом и третьем листах 26, 30). Эта конструкция будет давать пластину 20 с увеличенной прочностью в поперечном направлении.

Другой конкретный вариант выполнения пластины 20 показан на фиг.6. В этом варианте пластинчатый лист 28, имеющий усиливающие элементы 25, расположенные по длине вдоль продольной оси листа 28, расположен между пленками 26, 30, содержащими основные материалы с очень низким модулем изгиба, который близок к модулю изгиба резин, используемых для изготовления эластичного баллона. Эта конструкция обеспечивает пластину 20 с увеличенной прочностью в поперечном направлении.

Другой конкретный вариант выполнения пластины 20 показан на фиг.7. В этом варианте пластинчатый лист 28, имеющий усиливающие элементы 25, расположенные по длине вдоль продольной оси листа 28, расположен между волоконными матами 26, 30, содержащими основные материалы с очень низким модулем изгиба, который близок к модулю изгиба резин, используемых для изготовления эластичного баллона. Основные материалы волоконных матов 26, 30 имеют произвольно распределенные усиливающие элементы. Эта конструкция обеспечивает пластину 20 с увеличенной прочностью в поперечном направлении.

Другой подход для предотвращения износа резины, показанный на фиг.8, предусматривает получение гибридной резиновой конструкции для приспособления к разным требованиям к резине при ее расширении. В конкретном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.8, пакерный элемент 32 может содержать эластичный баллон 34, выполненный из мягкой резины, пластины 36, структуру 38 витого типа, выполненную из мягкой резины, и внешнее покрытие 40, выполненное из жесткой резины. Под "мягкой" резиной подразумевается резина, которая способна сильно удлиняться или расширяться в поперечном направлении. Под "жесткой" резиной подразумевается резина, которая имеет высокую упругость восстановления и низкую остаточную деформацию сжатия и растяжения. Использование мягкой резины предпочтительно, поскольку эластичный баллон 34 испытывает сильное растяжение и поскольку создаются сильные деформации сдвига в слое 38 структуры витого типа. "Твердая" резина используется во внешнем покрытии 40 для содействия восстановлению его формы, когда пакер 32 освобождается.

Как показано на фиг.9, конкретный вариант выполнения пакера 33 может включать концевое соединение 35 и переходную секцию 37, проходящую от концевого соединения 35 к секции 39 основного корпуса. Форма переходной секции 37, где пакер 33 расширяется от его сдутого положения до полного расширения, может контролироваться конструкцией, приспособленной по назначению, в которой углы волокон и/или конфигурации волокон приспособлены так, что максимальное радиальное расширение изменяется по ее длине. Например, переходная секция 37 может включать усиливающий элемент 41, расположенный под разными углами относительно осевого направления.

Как показано на фиг.10, существует фиксированный или критический угол волокон для витого из волокна цилиндра с закрытыми концами в ходе расширения под внутренним давлением. Вычисление для механики композита показывает угол 54°44^' относительно осевого направления, как показано на фиг.10а. В ходе расширения волокна вращаются. Когда волокна вращаются до критического угла, волокна больше не будут вращаться, и, таким образом, цилиндр не будет расширяться. Посредством расположения волокон под разными первоначальными углами вдоль осевого направления в переходной секции, форму переходной секции можно контролировать. Чем меньше первоначальный угол волокна, тем больше цилиндр может расширяться. Например, первоначальный угол α на фиг.10b больше угла α^' на фиг.10с, и, таким образом, цилиндр на фиг.10b будет расширяться меньше, чем цилиндр на фиг.10с.

Другой объект настоящего изобретения относится к усовершенствованной каркасной структуре для использования в надувных пакерах, и она может быть особенно полезна в вариантах применения, где от пакера требуется большое расширение и высокое номинальное значение давления. В конкретном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.11, этот объект может быть осуществлен при помощи суживающихся пластин 42. Пластины 42 могут быть снабжены усиливающими элементами 44, заделанными в продольном направлении. Пластины 42 также могут быть снабжены усиливающими элементами, заделанными в поперечном направлении, если это требуется (не показаны). К конкретном варианте осуществления изобретения суживающиеся пластины 42 могут быть выполнены из композитных материалов, в которых усиливающие элементы 44 могут представлять собой волокно, проволоку, тросы, нанотрубки, нановолокна или наночастицы, и основным материалом могут быть эластомеры, термопластические эластомеры, упругопластические материалы или другие полимеры. Композитные пластины 42 должны быть достаточно гибкими для соответствия профилю необсаженного ствола скважины и все же достаточно прочными для удерживания осевой нагрузки, создаваемой давлением пакера.

Как показано на фиг.12, в конкретном варианте осуществления изобретения суживающиеся пластины могут быть изготовлены совместно с концевым соединением 46 для формирования цельной каркасной структуры 48 пакера. Соединение 46 может использоваться для прикрепления других компонентов надувного пакерного элемента и передачи нагрузки другим несущим компонентам, как здесь описано. В одном варианте осуществления изобретения усиливающие элементы 44 в пластинах 42 могут непрерывно проходить в концевое соединение 46, таким образом, облегчая передачу нагрузки от пластин 42 концевому соединению 46. Концевое соединение 46 может быть выполнено из высокопрочных композитных материалов с использованием одинаковых усиливающих элементов 44 с пластинами 42. Основной материал в концевом соединении 46 может отличаться от материала, используемого в пластинах 42, поскольку его гибкость не требуется. Однако его изготовление может быть близким к изготовлению пластин 42 или таким же. Концевое соединение 46 может иметь разные формы для эффективной передачи нагрузки от концевого соединения 46 другим несущим компонентам в пакере.

Как указано выше, другой объект настоящего изобретения относится к механическим свойствам материалов, используемых для изготовления пакера, которые будут влиять на механические характеристики пакера. Представляется, что нанотехнология дает некоторые материалы с качествами, превосходящими традиционные материалы. Например, было обнаружено, что модифицированные нановолокном и/или наночастицами эластомеры будут снабжать надувные пакеры компонентами высокой прочности и с сильным удлинением. Согласно одному объекту настоящее изобретение может включать надувной пакерный элемент, который имеет высокий коэффициент удлинения, высокое номинальное значение давления, высокое сопротивление выдавливанию и хорошее восстановление формы после выкачивания, что достигается благодаря использованию модифицированных нановолокном и/или наночастицами эластомеров и/или металлов.

Как будет описано более подробно ниже, настоящее изобретение относится к надувному пакерному элементу, в котором используется волокно, модифицированные нановолокном и/или наночастицами эластомеры для получения эластичного баллона, противостоящего выдуванию слоя, каркаса и/или уплотнения покрытия. Нановолокна и/или наночастицы в эластомерном эластичном баллоне могут быть расположены так, что эластичный баллон имеет высокую упругость, растягиваемость и сопротивление износу; волокна, нановолокна и/или наночастицы в эластомерном каркасе, эластомерных пластинах или металлических пластинах могут быть расположены таким образом, что каркас имеет высокую упругость и прочность на растяжение вдоль осевого направления; и волокна, нановолокна и/или наночастицы в эластомерном покрытии могут располагаться таким образом, что уплотнение из эластомерного покрытия имеет высокое удлинение, упругость и сопротивление задиранию и износу. Расположения волокон, нановолокон и/или наночастиц также могут быть такими, что форма пакера после накачивания может контролироваться для оптимизации его механических характеристик и облегчения восстановления после сдувания для обеспечения многократного использования пакерного элемента. Толщина и ширина пластин каркаса может изменяться в пределах одной пластины или от одной к другой для оптимизации развертывания и механических характеристик пакера. Для дополнительного предотвращения разрывания, задирания или выдавливания эластичного баллона, между эластичным баллоном и каркасом могут быть расположены витки волокон и/или нановолокон. Индивидуальная толщина эластичного баллона, противодействующего выдавливанию слоя, каркаса и уплотнительного покрытия может быть приспособлена для разных условий в скважине.

Как показано на фиг.13, конкретный вариант выполнения надувного пакерного элемента 50 может включать эластичный баллон 52, каркас 54 и уплотнительное покрытие 56. В этом конкретном варианте осуществления изобретения эластичный баллон 52 может состоять из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала, и уплотнительное покрытие 56 может быть изготовлено из модифицированного волокном, нановолокном, нанотрубками и/или наночастицами эластомерного материала.

Другой конкретный вариант выполнения надувного пакерного элемента показан на фиг.14. В этом варианте осуществления изобретения эластичный баллон 52 (или внутренняя резиновая труба), каркас 54 и внешний резиновый рукав 56 выполнены из одного материала. Однако каркас 54 усилен кордами, проволокой, волокнами, нановолокном, нанотрубками и/или наночастицами.

Другой конкретный вариант выполнения надувного пакерного элемента 58 показан на фиг.15. В этом варианте осуществления изобретения пакерный элемент 58 может включать эластичный баллон 60, противодействующий выдавливанию слой 62, каркас 64 и уплотнительное покрытие 66. В данном варианте осуществления изобретения эластичный баллон 60 может быть выполнен из модифицированного нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала, противодействующий выдавливанию слой 62 может быть выполнен из витого волокна и/или нановолокна, каркас 64 может быть выполнен из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала, и уплотнительное покрытие 66 может быть выполнено из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала.

Другой конкретный вариант выполнения надувного пакерного элемента 68 показан на фиг.16, и в нем пакерный элемент 68 может включать эластичный баллон 70, множество пластин 72 и уплотнительное покрытие 74. В этом конкретном варианте осуществления изобретения эластичный баллон 70 может быть выполнен из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала или из высокопрочных металлических материалов; и уплотнительное покрытие 74 может быть выполнено из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала.

Другой конкретный вариант выполнения надувного пакерного элемента 76 показан на фиг.18. Пакерный элемент 76 может включать эластичный баллон 78, противодействующий выдавливанию слой 80, множество пластин 82 и уплотнительное покрытие 84. В этом конкретном варианте осуществления изобретения эластичный баллон 78 может быть выполнен из модифицированного нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала, противодействующий выдавливанию слой 80 может быть выполнен из витого волокна и/или нановолокна, пластины 82 могут быть выполнены из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала или из высокопрочных металлических материалов, как пластины 72, показанные на фиг.17, и уплотнительное покрытие 84 может быть выполнено из модифицированного волокном, нановолокном и/или наночастицами эластомерного материала.

В конкретном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.19, вариант осуществления настоящего изобретения может включать пластину 86, имеющую ширину, которая может изменяться по ее длине. Таким образом, степень перекрытия между соседними пластинами может максимизироваться после накачивания пакера. В других вариантах осуществления изобретения, как показано на фиг.20-22, пластины могут иметь треугольное поперечное сечение (фиг.20 и 21) или изогнутое поперечное сечение (фиг.22). Эти сечения могут содействовать контролю размещения пластин.

На фиг.23 показан типичный вариант осуществления изобретения, в котором развертывание пластин 87 контролируется. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.23, каждая из смежных пластин 87 имеет одну или более выемок или канавок 87а и одну или более шпонок или выступов 87b. Выемки 87а и шпонки 87b смежных пластин 87 взаимодействуют для контроля величины расширения. Как показано на фиг.23а, перед расширением пакерного элемента, пластины 87 способны перемещаться относительно друг друга. При расширении пакерного элемента, в конечном итоге, дальнейшее перемещение пластин 87 ограничивается, когда взаимодействие между выемками 87а и шпонками 87b блокирует относительное движение, как показано на фиг.23b.

На фиг.24 показан другой типичный вариант осуществления изобретения, в котором развертывание пластин 89 контролируется. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.24, каждая из смежных пластин 89 выполнена так, что они имеют градиент коэффициента трения, посредством чего коэффициент трения возрастает вдоль поперечного направления пластин 89. Как показано на фиг.24а, до расширения пакерного элемента пластины 89 способны перемещаться относительно друг друга с минимальным фрикционным сопротивлением. При расширении пакерного элемента, в конечном итоге, дальнейшее движение пластин 89 ограничивается благодаря фрикционному сопротивлению между смежными пластинами 89.

Другой объект настоящего изобретения относится к использованию материалов из области нанотехнологии при изготовлении манжет пакеров. Манжеты пакеров обычно используют для охвата с двух сторон зоны в стволе скважины и отвода обрабатывающей жидкости в пласт за обсадную колонну. Манжеты пакеров используют благодаря тому, что они просты, и охватывающий инструмент, в котором используют элементы типа манжет, не требует сложных механизмов или движущихся частей. Манжеты пакеров входят в легкое номинальное взаимодействие с обсадной колонной, в которой их используют. Это взаимодействие создает уплотнение относительно внутреннего диаметра обсадной колонны и вытесняет жидкость в пласт, который охвачен с двух сторон двумя или более манжет пакеров. Манжеты пакеров должны создавать уплотнение относительно сильного перепада давлений. Как таковые, манжеты пакеров исторически изготовляли из прочных и износостойких резиновых материалов. Примеры материалов, которые использовались в прошлом, включают нитрил, витон, гидрированный нитрил, натуральный каучук, афлас и уретан. Манжета пакера должна быть гибкой для прохождения в скважину без прихватывания и должна также быть прочной и долговечной таким образом, чтобы высокий перепад давлений мог сдерживаться без выдавливания и разрыва. Типичный эластомер был менее гибок, когда предпринимались шаги для улучшения его прочности на разрыв. Например, более сшитый нитриловый каучук может иметь более высокую твердость по дюромеру и прочность на разрыв, но он более вероятно испытывает высокие силы трения и может быть поврежден, когда каучук должен изгибаться вокруг препятствия в стволе скважины. Материал, который обладает гибкостью мягкого нитрилового каучука, но имеет прочность на разрыв и прочность на растяжение более жесткого каучука, может повышать легкость, с которой манжета может спускаться в ствол скважины, а также улучшать способность манжеты выдерживать высокий перепад давлений.

Каждая из фиг.25-28 иллюстрирует манжету 88 пакера, изготовленную согласно настоящему изобретению. Манжета 88 пакера включает корпусной элемент 90 и несущий элемент 92, прикрепленный к металлическому основанию 94. Несущие элементы 92 в манжетах 88 пакеров, показанных на фиг.25-27, представляют собой проволоку, и несущий элемент 92 в манжете 88 пакера, показанной на фиг.28, представляет собой пластину. Корпусные элементы 90 могут быть изготовлены из резины или других пригодных материалов, и они усилены усиливающими элементами 96, такими как нанотрубки или очень малыми, высокопрочными трубками, которые могут быть заделаны при формовании в резину или другой материал корпуса. Благодаря включению усиливающих элементов 96 в корпусной элемент 90, прочность на разрыв резины повышается, и выдавливание резины под высоким давлением минимизируется.

Следует отметить, что компоненты надувного пакера могут быть сформированы как композитные компоненты с другими типами усиливающих элементов. Такие усиливающие элементы могут использоваться, например, для снабжения эластомерных эластичных баллонов и эластомерных покрытий высокой упругостью, хорошими характеристиками растяжения и прочностью на разрыв. Усиливающие элементы также могут использоваться с пластинами для обеспечения желательных характеристик прочности и гибкости.

Как показано на фиг.29, множество усиливающих элементов сформированы в плетеной структуре 102. Усиливающие элементы 100 сплетены для создания прочной, но упругой структуры. Эта плетеная структура 102 может быть включена во множество различных компонентов надувного пакера, например, в эластомерные эластичные баллоны, эластомерные покрытия и пластины, для обеспечения улучшенных характеристик компонентов, некоторые из которых описаны в предшествующем абзаце. Плетеная структура 102 может использоваться со многими из вариантов выполнения надувного пакера, описанных в этом документе. Например, плетеная структура легко включается в варианты осуществления изобретения, показанные на фиг.3-8 и 13-24В и описанные выше, а также в другие варианты. В каждом из этих вариантов осуществления изобретения плетеная структура 102 полезна для различных вариантов применения пакера в одном или более конкретных компонентов надувного пакера, включая эластичные баллоны, уплотнительные покрытия и пластины.

Во многих вариантах применения плетеная структура 102 используется для формирования композита с эластомерным материалом 104, как показано на фиг.30. Эластомерный материал 104 может быть материалом описанного выше типа для формирования, например, эластомерных эластичных баллонов и эластомерных уплотнительных покрытий. Во многих вариантах применения усиливающие элементы 100 являются волокнами или кордами, сформированными из металла, и металлические волокна или корды сплетают друг с другом. Однако усиливающие элементы 100 могут быть сформированы из других материалов, если материалы имеют свойства, которые обеспечивают упругость, удлинение, сопротивление разрыву и/или другие характеристики, необходимые для компонентов надувного пакера.

Как показано на фиг.31, некоторые варианты выполнения надувного пакера с использованием плетеной структуры 102 имеют компоненты с усиливающими элементами 100, открытыми для формирования секции 106 с открытым усиливающим элементом, способным закреплять или содействовать закреплению надувного пакера внутри ствола скважины. Секция 106 с открытым усиливающим элементом прижимается к окружающей стенке ствола скважины, например, к окружающей обсадной колонне скважины, и открытые усиливающие элементы входят в контакт и закрепляют пакер относительно окружающей стенки. Например, плетеные усиливающие элементы 100 могут быть сформированы из металла, который создает существенное трение и, таким образом, существенную закрепляющую способность, когда он прижат к окружающей стенке. Часть компонента, показанного на фиг.31, представительна, например, для пластины или надувного баллона, таких как применяемые в вариантах осуществления изобретения, описанных выше.

В другом варианте осуществления изобретения усиливающие элементы 100 содержат волокна или корды, которые свиты в витую опорную структуру 108, показанную на фиг.32. Витая опорная структура 108 также обеспечивает много желательных механических характеристик и полезна в некоторых из компонентов надувного пакера. На фиг.32, например, витая опорная структура 108 включена во множество пластин 110, которые могут использоваться во множестве разных вариантов выполнения надувного пакера, таких как описанные выше. Является ли опорная структура витой опорной структурой или плетеной опорной структурой, пластины 110 также могут содержать открытые усиливающие элементы для создания секций 112 с усиливающими элементами. Секции 112 с усиливающими элементами прижимаются к окружающей стенке ствола скважины таким образом, что открытые усиливающие элементы входят в контакт и закрепляют пакер относительно окружающей стенки. Плетеные или витые усиливающие элементы 100 могут быть сформированы из металла, который создает существенную закрепляющую способность, когда он прижат к окружающей стенке.

Хотя выше было подробно описано только несколько типичных вариантов осуществления этого изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможно много модификаций типичных вариантов осуществления изобретения без принципиального отхода от идеи и преимуществ этого изобретения. Соответственно, все такие модификации считаются включенными в объем этого изобретения, определенный нижеследующей формулой изобретения. В формуле изобретения пункты "средство плюс функция" предназначены для охвата описанных здесь структур, как выполняющих изложенную функцию, и не только структурные эквиваленты, но также эквивалентные структуры. Таким образом, хотя гвоздь и винт могут не быть структурными эквивалентами в том, что в гвозде используют цилиндрическую поверхность для прикрепления друг к другу деревянных частей, тогда как в винте используют спиральную поверхность, в области скрепления деревянных частей гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами. Выраженное намерение заявителя - не ссылаться на Раздел 35 Кодекса Соединенных Штатов, параграф 112, пункт 6 для любых ограничений любого из указанных здесь пунктов, за исключением тех, в которых явно использованы слова "средство для" вместе с выполняемой функцией.

Изобретение относится к скважинному нефтепромысловому оборудованию и более конкретно к элементам надувных пакеров. Обеспечивает формирование против выдавливания, удерживание механической нагрузки, контроль величины нагрузки пакерных элементов и их улучшенные характеристики, увеличивает закрепляющую способность относительно стенки ствола скважины. Пластина для использования в надувном пакере содержит корпусной элемент, имеющий длину, ширину и толщину и содержащий, по меньшей мере, одну канавку, выполненную в нем, и, по меньшей мере, один выступ, проходящий от него, приспособленные для взаимодействия с корпусными элементами смежных пластин надувного пакера, и множество усиливающих элементов, расположенных в корпусном элементе и сформированных в плетеной структуре или витой структуре, при этом надувной пакер содержит эластичный баллон и множество пластин, расположенных вдоль эластичного баллона и имеющих усиливающие пластину элементы, по меньшей мере, частично открытые для облегчения закрепления надувного пакера относительно окружающей стенки ствола скважины. 6 з.п. ф-лы, 32 ил.

1. Пластина для использования в надувном пакере, содержащая корпусной элемент, имеющий длину, ширину и толщину и содержащий, по меньшей мере, одну канавку, выполненную в нем, и, по меньшей мере, один выступ, проходящий от него, приспособленные для взаимодействия с корпусными элементами смежных пластин надувного пакера, и множество усиливающих элементов, расположенных в корпусном элементе и сформированных в плетеной структуре или витой структуре, при этом надувной пакер содержит эластичный баллон и множество пластин, расположенных вдоль эластичного баллона и имеющих усиливающие пластину элементы, по меньшей мере, частично открытые для облегчения закрепления надувного пакера относительно окружающей стенки ствола скважины.

2. Пластина по п.1, в которой корпусной элемент дополнительно содержит, по меньшей мере, один материал из эластомера, термопластического эластомера, упругопластического материала и полимера.

3. Пластина по п.1, в которой ширина корпусного элемента изменяется вдоль, по меньшей мере, части длины корпусного элемента.

4. Пластина по п.1, в которой толщина корпусного элемента изменяется вдоль, по меньшей мере, части его длины и образует треугольное сечение или изогнутое сечение.

5. Пластина по п.1, в которой корпусной элемент имеет градиент трения по его длине.

6. Пластина по п.1, в которой жесткость корпусного элемента изменяется по его ширине и по его длине.

7. Пластина по п.1, в которой усиливающие элементы сформированы из металлического материала.