КОЛЬЦЕВОЙ БАРЬЕР Российский патент 2016 года по МПК E21B33/127 

Область изобретения

Заявляемое изобретение относится к кольцевому барьеру, который подвергается расширению в кольцевом пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола буровой скважины. Кольцевой барьер содержит трубчатый элемент для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины, расширяемую манжету, изготовленную из первого металла, охватывающую указанный трубчатый элемент и ограничивающую пространство, гидравлически соединенное с внутренней полостью трубчатого элемента, причем расширяемая манжета вытянута в продольном направлении и имеет внутреннюю поверхность, обращенную к трубчатому элементу, и два конца.

Уровень техники

Кольцевые барьеры используются в стволах скважин для различных целей, например препятствуют прохождению текучей среды между внутренней и внешней трубчатой конструкцией или между внутренней трубчатой конструкцией и внутренней стенкой ствола скважины. Кольцевые барьеры устанавливаются в качестве части трубчатой конструкции скважины. При этом внутренняя стенка кольцевого барьера охвачена кольцевой расширяемой манжетой. Расширяемая манжета изготавливается, как правило, из эластомерного материала, но может также изготавливаться из металла. На концах указанной манжеты обычно предусмотрены средства крепления к внутренней стенке кольцевого барьера.

Для того чтобы герметически изолировать интервал ствола скважины между внутренней и внешней трубчатой конструкцией или между трубчатой конструкцией скважины и стволом, используется второй кольцевой барьер. Первый кольцевой барьер расширяется с одной стороны герметически изолируемого интервала ствола скважины, а второй кольцевой барьер расширяется с другой стороны указанного интервала и, таким образом, герметически изолируется весь указанный интервал.

Рабочие параметры давления в скважине обуславливаются допустимым пределом прочности на разрыв труб и другого оборудования, установленного внутри скважины. В некоторых обстоятельствах расширяемая манжета кольцевого барьера может быть расширена путем увеличения давления в скважине, что является наиболее экономически эффективным способом. Допустимый предел прочности на разрыв определяет максимальное давление, которое может быть приложено к скважине для расширения манжеты. При этом желательно минимизировать давление расширения, необходимое для расширения манжеты , для того чтобы минимизировать время, в течение которого скважина подвергается воздействию давления расширения.

После расширения кольцевые барьеры могут быть подвергнуты непрерывному давлению или периодическому высокому давлению извне, а именно гидравлическому давлению внутри скважинной среды или пластовому давлению. В некоторых обстоятельствах такое давление может вызвать смятие кольцевого барьера, что может иметь серьезные последствия для той области, которую герметически изолирует указанный барьер. Это связано с утратой способности герметически изолировать вследствие смятия.

Таким образом, способность расширенной манжеты кольцевого барьера выдерживать давление смятия определяется такими многими переменными, как прочность материала, толщина стенки, профиль расширенной манжеты, площадь поверхности, подвергаемой давлению смятия, температура, текучие среды, находящиеся в скважине, - и другими подобными факторами.

Тот допустимый предел смятия, который в настоящее время достижим для расширенной манжеты в некоторых скважинных средах, оказывается недостаточным для всех применений. Таким образом, желательно увеличить допустимый предел смятия, чтобы обеспечить возможность использования кольцевых барьеров во всех скважинах, в частности, в скважинах, которые подвергаются высокому перепаду забойного давления при эксплуатации и выработке. Допустимый предел смятия может быть увеличен путем увеличения толщины стенки или прочности материала. Однако это потребует увеличения давления расширения, что, как было упомянуто, является нежелательным.

Таким образом, требуется найти решение, позволяющее повысить допустимый предел смятия расширенных манжет.

Раскрытие изобретения

Одной из задач заявляемого изобретения является полное или по меньшей мере частичное устранение вышеуказанных недостатков уровня техники.

В частности, одна из задач состоит в том, чтобы предложить улучшенный кольцевой барьер с повышенным допустимым пределом смятия расширяемой манжеты.

Другая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы предложить кольцевой барьер, имеющий повышенный допустимый предел смятия, без увеличения прочности материала и/или толщины стенки манжеты.

Вышеуказанные задачи, в сочетании со многими другими задачами, преимуществами и признаками, которые станут очевидными из нижеследующего описания, достигаются за счет решения, предлагаемого в данном изобретении и предусматривающего кольцевой барьер, расширяемый в кольцевом пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины и содержащий:

- трубчатый элемент для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины;

- расширяемую манжету, изготовленную из первого металла, охватывающую трубчатый элемент и ограничивающую пространство, гидравлически соединенное с внутренней полостью трубчатого элемента, причем расширяемая манжета вытянута в продольном направлении и имеет внутреннюю поверхность, обращенную к трубчатому элементу, и два конца;

- соединительный элемент, изготовленный из второго металла и соединяющий расширяемую манжету с трубчатым элементом;

- отверстие для обеспечения возможности прохождения текучей среды в указанное пространство для расширения манжеты;

- переходную область, содержащую соединение манжеты с соединительным элементом,

отличающийся тем, что первый металл является более гибким, чем второй металл.

Указанный трубчатый элемент может иметь внутренний нерасширенный диаметр равный внутреннему диаметру трубчатой конструкции скважины.

Таким образом, кольцевой барьер не препятствует прохождению инструментов, погружаемых в трубчатый элемент скважины для осуществления операций на более глубоких участках скважины. Кольцевые барьеры могут быть приведены в действие спустя несколько лет после вставки для обеспечения изоляции первого интервала ствола скважины от второго интервала ствола скважины, например, для оптимизации выработки. За время от вставки до приведения в действие кольцевые барьеры функционируют просто как часть трубчатой конструкции скважины и не уменьшают внутренний диаметр трубчатой конструкции скважины, поскольку это является неприемлемым при осуществлении других операций.

Указанный трубчатый элемент может иметь внутренний диаметр, который остается по существу постоянным как до расширения расширяемой манжеты, так и после.

Под большей гибкостью первого металла по сравнению со вторым металлом понимается, что металл расширяемой манжеты имеет большее относительное удлинение, чем металл соединительного элемента.

Благодаря изготовлению соединительного элемента и указанной манжеты из двух различных металлов можно механически обработать указанный соединительный элемент таким образом, чтобы идеально подогнать его к трубчатому элементу, не подвергая изменению материал манжеты и способность манжеты к расширению.

В одном из вариантов изобретения, в переходной области кольцевой барьер содержит ограничительный элемент, ограничивающий свободное расширение манжеты в указанной области.

Благодаря изготовлению соединительного элемента и манжеты из двух различных металлов, также как ограничительного элемента, повышается допустимый предел смятия расширяемой манжеты без увеличения толщины стенки расширяемой манжеты или внешнего диаметра кольцевого барьера. Кроме того, в предлагаемом изобретении не увеличено или даже может быть снижено давление расширения, необходимое для расширения расширяемой манжеты.

В одном из вариантов изобретения, соединительный элемент и манжета могут быть сварены друг с другом.

Кроме того, переходная область может проходить вдоль расширяемой манжеты от первой точки на соединении до заданной второй точки на расширяемой манжете.

Притом вторая точка может быть расположена на неограниченной части расширяемой манжеты.

Расширение расширяемой манжеты может быть ограничено в первой точке больше, чем во второй точке.

Указанный ограничительный элемент может также представлять собой выступающий участок соединительной части.

Кроме того, расширение расширяемой манжеты в переходной области может быть ограничено посредством указанного выступающего участка соединительного элемента.

Более того, выступающий участок может сужаться по направлению к расширяемой манжете.

Кроме того, каждый конец расширяемой манжеты может иметь коническую форму, соответствующую форме указанного выступающего участка.

При этом указанный ограничительный элемент может представлять собой дополнительное кольцо, охватывающее расширяемую манжету, соединенное с соединительным элементом и сужающееся от соединительного элемента по направлению к расширяемой манжете.

Кроме того, расширение расширяемой манжеты в переходной области может быть ограничено посредством дополнительного кольца, охватывающего расширяемую манжету, соединенного с соединительным элементом и сужающегося от соединительного элемента по направлению к расширяемой манжете.

Более того, указанный ограничительный элемент может представлять собой увеличенную толщину расширяемой манжеты, обеспеченную путем добавления дополнительного материала по меньшей мере на ее внешней стороне, причем указанный материал сужается от соединительного элемента по направлению к манжете.

Притом расширение расширяемой манжеты в переходной области может быть ограничено посредством увеличенной толщины расширяемой манжеты, обеспеченной путем добавления дополнительного материала по меньшей мере на ее внешней стороне, причем указанный материал сужается от соединительного элемента по направлению к манжете.

Кроме того, указанный дополнительный материал может быть добавлен посредством сварки.

В одном из вариантов изобретения, толщина расширяемой манжеты может уменьшаться от толщины соединительного элемента до толщины, составляющей менее 95%, предпочтительно менее 90% и наиболее предпочтительно менее 80% от толщины соединительного элемента.

Кроме того, первый металл может иметь относительное удлинение 35-70%, по меньшей мере 40%, предпочтительно 40-50%.

Первый металл может иметь предел текучести (после слабого отжига) 200-400 МПа, предпочтительно 200-300 МПа.

Более того, второй металл может иметь относительное удлинение 10-35% предпочтительно 25-35%.

Второй металл может иметь предел текучести (после холодной деформации) 500-1000 МПа, предпочтительно 500-700 МПа.

Кроме того, металл расширяемой манжеты может иметь относительное удлинение, превышающее относительное удлинение металла соединительного элемента по меньшей мере на 5%, предпочтительно по меньшей мере на 10%.

При этом некоторые секции расширенной манжеты могут иметь увеличенную толщину стенки, что приводит к образованию гофр на расширенной манжете. Указанные гофры являются кольцевыми и придают дополнительную прочность расширенной манжете.

В результате, предлагаемый кольцевой барьер способен выдерживать большее давление смятия, чем существующие кольцевые барьеры и также обеспечивает более высокую герметичность.

Кроме того, на внешней стороне манжеты могут быть предусмотрены герметизирующие элементы.

Указанные герметизирующие элементы могут иметь коническое сужение или поперечное сечение в форме треугольника.

Более того, расширяемая манжета может быть выполнена с возможностью расширения до диаметра, превышающего диаметр нерасширенной манжеты по меньшей мере на 10%, предпочтительно по меньшей мере на 15%, и наиболее предпочтительно по меньшей мере на 30%. При этом расширяемая манжета может иметь толщину стенки, которая меньше длины расширяемой манжеты, причем толщина расширяемой манжеты предпочтительно составляет менее 25% от ее длины, более предпочтительно менее 15% от ее длины, и наиболее предпочтительно менее 15% от е длины.

В одном из вариантов изобретения, расширяемая манжета может иметь толщину, изменяющуюся по периферии и/или по длине.

Притом по меньшей мере один из соединительных элементов может быть установлен с возможностью скольжения относительно трубчатого элемента кольцевого барьера, и по меньшей мере один герметизирующий элемент, например, кольцевое уплотнение, может быть размещен между скользящим соединительным элементом и трубчатым элементом. В одном из вариантов изобретения, между указанными скользящими крепежными средствами и трубчатым элементом может быть предусмотрено более одного герметизирующего элемента.

По меньшей мере один из указанных соединительных элементов может быть неподвижно закреплен на трубчатом элементе или являться частью трубчатого элемента.

Кроме того, соединительный элемент может иметь выступающий краевой участок, который выступает из трубчатого элемента наружу.

Более того, трубчатый элемент может содержать две секции на противоположных сторонах промежуточной части трубчатого элемента и на определенном расстоянии от отверстия в трубчатой конструкции, причем трубчатый элемент в указанных секциях имеет увеличенный внешний диаметр и увеличенную толщину стенки по сравнению с внешним диаметром и толщиной стенки промежуточной части трубчатого элемента.

Помимо этого, соединительные элементы могут быть расположены напротив указанных двух секций.

Кроме того, один из соединительных элементов может быть установлен с возможностью скольжения относительно указанной секции трубчатого элемента, и другой соединительный элемент может быть закреплен на трубчатом элементе посредством герметичного соединения.

При этом герметичное соединение может герметизировать пространство в сочетании с герметизирующими средствами, расположенными в скользящем соединительном элементе.

Каждый соединительный элемент может иметь выступающий участок, расположенный внахлест с расширяемой манжетой.

Указанный выступающий участок соединительного элемента может быть сварен с расширяемой манжетой.

Предлагаемое изобретение относится также к кольцевой барьерной системе, содержащей расширяющий инструмент и кольцевой барьер, соответствующий вышеприведенному описанию.

Расширяющий инструмент может содержать взрывчатые вещества, находящуюся под давлением текучую среду, цемент или комбинацию указанных признаков.

В одном из вариантов изобретения, кольцевая барьерная система может содержать по меньшей мере два кольцевых барьера, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль трубчатой конструкции скважины.

Предлагаемое изобретение относится также к системе ствола скважины, содержащей трубчатую конструкцию скважины и по меньшей мере один кольцевой барьер, соответствующий вышеприведенному описанию.

В одном из вариантов изобретения, в системе ствола скважины может быть предусмотрена группа кольцевых барьеров, расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль трубчатой конструкции скважины.

Краткое описание чертежей

Далее приводится подробное описание изобретения и его преимуществ со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, иллюстрирующие некоторые варианты изобретения и не ограничивающие объем правовой охраны заявляемого изобретения.

На фиг.1 показан один из вариантов заявляемого кольцевого барьера.

На фиг.2 показан другой вариант кольцевого барьера.

На фиг.3 показан еще один вариант кольцевого барьера.

На фиг.4 показан еще один вариант кольцевого барьера.

На фиг.5 показана заявляемая система.

На фиг.6 показан еще один вариант кольцевого барьера.

На фиг.7 показан кольцевой барьер с фиг.6 в расширенном состоянии.

Фиг.8 представляет собой частичный увеличенный вид фиг.6.

На фиг.9 изображен еще один вариант кольцевого барьера в расширенном состоянии.

Все фигуры носят крайне схематичный характер и не обязательно выполнены в масштабе. На фигурах показаны только те элементы, которые необходимы для описания изобретения, при этом другие элементы не показаны или представлены только в качестве рекомендации.

Подробное описание изобретения

Обычно предлагаемые кольцевые барьеры 1 устанавливаются как часть колонны трубчатой конструкции скважины до погружения трубчатой конструкции 3 скважины в ствол скважины 5. Трубчатая конструкция 3 скважины выполнена из элементов трубчатой конструкции скважины, собранных в виде длинной колонны трубчатой конструкции. Зачастую кольцевые барьеры 1 устанавливаются между частями трубчатой конструкции скважины после установки колонны трубчатой конструкции скважины.

Кольцевой барьер 1 имеет множество применений, причем для всех применений требуется такое расширение расширяемой манжеты 7 кольцевого барьера 1, при котором манжета упирается во внутреннюю стенку 4 скважины 5. Кольцевой барьер 1 содержит трубчатый элемент 6, который соединен с трубчатой конструкцией 3 скважины, как показано на фиг.1, например, при помощи резьбового соединения 38.

На фиг.1 показан разрез кольцевого барьера 1 вдоль его продольной оси. Кольцевой барьер 1 показан в нерасширенном, то есть ненапряженном состоянии, из которого барьер расширяется в кольцевом пространстве 2 между трубчатой конструкцией 3 скважины и внутренней стенкой 4 ствола скважины 5. Кольцевой барьер 1 содержит трубчатый элемент 6, предназначенный для установки в качестве части трубчатой конструкции 3, и расширяемую манжету 7. Расширяемая манжета 7 охватывает трубчатый элемент 6 и имеет внутреннюю поверхность 8, обращенную к трубчатому элементу 6. Каждый конец 9, 10 расширяемой манжеты 7 соединен с соединительным элементом 12, который в свою очередь соединен с трубчатым элементом 6. Расширяемая манжета 7 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент 12 изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав. Соединительный элемент 12 содержит выступающий участок 18, расположенный внахлест с расширяемой манжетой 7. Соединительный элемент 12 сварен с расширяемой манжетой 7 посредством соединения 14. Внутреннее кольцо 24 расположено между расширяемой манжетой 7 и трубчатым элементом 6 и приварено посредством того же соединения 14. Выступающий участок 18 соединительного элемента 12 сужается все сильнее по направлению к расширяемой манжете 7 до того места, где выступающий участок 18 перестает перекрывать расширяемую манжету 7 и расширяемая манжета 7 может свободно расширяться.

Выступающий участок 18 и соединение 14 образуют часть переходной области 11, проходящей вдоль расширяемой манжеты 7 от первой точки на соединении до заданной второй точки на неограниченной части расширяемой манжеты 7. Выступающий участок 18 предназначен для ограничения расширения расширяемой манжеты 7 таким образом, чтобы расширяемая манжета 7 имела искривленную форму (обозначенную пунктиром на фиг. 1), приближенную к букве "S". Таким образом, расширяемая манжета 7 не разрушается при расширении, и поперечное сечение расширяемой манжеты 7 способно выдержать большее давление смятия по сравнению с известными из уровня техники кольцевыми барьерами. В результате, расширение расширяемой манжеты 7 ограничено в первой точке больше, чем на второй точке. Кроме того, благодаря тому факту, что выступающий участок 18 изготовлен из менее гибкого металлического сплава и сужается от указанного соединения по направлению к указанной второй точке, расширение расширяемой манжеты 7 менее ограничено по мере уменьшения толщины выступающего участка.

На фиг. 2 показан разрез кольцевого барьера 1, в котором соединительный элемент 12 соединен с внешним кольцом, расширяемой манжетой 7 и внутренним кольцом 24. Расширяемая манжета 7 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав. Соединение 14 является сварным соединением. Внешнее кольцо образует часть переходной области 11, в которой свободное расширение расширяемой манжеты 7 ограничено. Внешнее кольцо имеет толщину, которая уменьшается от соединения 14 по направлению к неограниченной части расширяемой манжеты 7. Внешнее кольцо изготовлено из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем металлический сплав манжеты. При этом внешнее кольцо предназначено для ограничения расширения расширяемой манжеты 7 таким образом, чтобы линия изгиба (обозначенная пунктиром на фиг.1) расширяемой манжеты 7 была по форме более приближена к букве "S". Благодаря этому расширяемая манжета 7 не разрушается при расширении, и такой профиль поперечного сечения расширяемой манжеты 7 позволяет выдерживать большее давление смятия по сравнению с известными из уровня техники кольцевыми барьерами.

На фиг. 3 показан разрез кольцевого барьера 1, в котором расширяемая манжета 7 сужается по направлению к соединительному элементу 12, причем соединительный элемент имеет соответствующую форму. Сужающийся участок 33 расширяемой манжеты 7 и сужающийся участок соединительного элемента 12 расположены внахлест и сварены друг с другом. Сварное соединение 14 и сужающийся участок соединительного элемента 12, проходящий от соединения 12 внахлест с расширяемой манжетой 7, образуют часть переходной области 11. Расширяемая манжета 7 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав. Сужающийся участок соединительного элемента 12, расположенный внахлест с манжетой, ограничивает свободное расширение расширяемой манжеты 7 таким образом, что линия изгиба (обозначенная пунктиром на фиг.1) расширяемой манжеты 7 по форме более приближена к букве “S”. Благодаря этому расширяемая манжета 7 не разрушается при расширении, и такой профиль поперечного сечения расширяемой манжеты 7 позволяет выдерживать большее давление смятия по сравнению с известными кольцевыми барьерами.

На фиг.4 показан разрез кольцевого барьера 1, на котором расширяемая манжета 7 сварена с соединительным элементом 12, с образованием между ними соединения 14. Расширяемая манжета 7 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент 12 изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав. Кроме того, в переходной области 11 от соединения 14 вдоль первой части расширяемой манжеты 7 добавлен дополнительный материал 30. Толщина дополнительного материала 30 уменьшается от соединения 14 вдоль расширяемой манжеты 7. Дополнительный материал 30 представляет собой тот же материал, из которого изготовлен соединительный элемент 12, или металлический сплав, который является даже еще менее гибким, чем металлический сплав соединительного элемента 12. Соединение 14 и дополнительный материал 30 образуют часть переходной области 11. При этом дополнительный материал 30 препятствует чрезмерному расширению расширяемой манжеты 7 в переходной области, и, таким образом, манжета после расширения имеет более S-образный профиль. Благодаря этому удается повысить давление смятия по сравнению с известными кольцевыми барьерами.

Если расширяемая манжета 7 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав, то металлический сплав соединительного элемента 12 может представлять собой металлический сплав, который легче поддается механической обработке, чем металлический сплав манжеты 7. При изготовлении соединительного элемента 12 важна возможность его механической обработки таким образом, чтобы более точно подогнать его к трубчатому элементу для обеспечения более высокой герметичности и даже создания уплотнения “металл к металлу”. Как видно из чертежей, пространство или полость 13 образовано между внутренней поверхностью 8 манжеты 7 и трубчатым элементом 6. Для того чтобы расширить расширяемую манжету 7, в полость 13 через расширяющий инструмент 15, например отверстие 19 или клапан 19, впрыскивается находящаяся под давлением текучая среда до тех пор, пока расширяемая манжета 7 не упрется во внутреннюю стенку 4 скважины 5. Для того чтобы расширить манжету 7, полость 13 может быть также заполнена цементом или другим подобным веществом. Расширяющий инструмент 15 может также представлять собой взрывчатое вещество.

Когда кольцевые барьеры 1 расширяются, они подвергаются воздействию определенного давления. Однако в процессе эксплуатации давление может меняться. Поскольку давление может возрастать, кольцевой барьер 1 должен выдерживать повешенное давление, называемое также “давлением смятия”, в том числе и в расширенном состоянии, когда внешний диаметр кольцевого барьера 1 максимально увеличен, и, таким образом, толщина его стенки минимальна. Для того чтобы выдерживать подобное повышенное давление, расширяемая манжета 7 может быть снабжена по меньшей мере одним элементом 14.

Когда расширяемая манжета 7 кольцевого барьера 1 расширяется, диаметр манжеты увеличивается от своего первоначального нерасширенного значения до большего диаметра. Расширяемая манжета 7 имеет внешний диаметр D и выполнена с возможностью расширения до диаметра, превышающего диаметр нерасширенной манжеты 7 по меньше мере на 10%, предпочтительно по меньшей мере на 15%, более предпочтительно по меньшей мере на 30%.

Кроме того, нерасширенная манжета 7 имеет толщину t стенки, которая меньше, чем длина L расширяемой манжеты, причем данная толщина предпочтительно составляет менее 25% от указанной длины, более предпочтительно менее 15% от указанной длины и наиболее предпочтительно менее 10% от указанной длины

Расширяемая манжета 7 кольцевого барьера 1 изготовлена из первого металла, относительное удлинение которого составляет 35-70%, по меньшей мере 40%, предпочтительно 40-50%. При этом соединительный элемент изготовлен из второго металла, имеющего относительное удлинение 10-35%, предпочтительно 25-35%. Относительное удлинение металла соединительного элемента превышает относительное удлинение металла расширяемой манжеты по меньшей мере на 5%, предпочтительно по меньшей мере на 10%. Предел текучести (после слабого отжига) металла расширяемой манжеты составляет 200-400 МПа, предпочтительно 200-300 МПа. Предел текучести (после холодной деформации) металла соединительного элемента составляет 500-1000 МПа, предпочтительно 500-700 МПа. Таким образом, первый металл является более гибким, чем второй металл.

Оснащение кольцевого барьера 1 клапаном 19 дает возможность использовать для расширения расширяемой манжеты 7 кольцевого барьера другие текучие среды, отличные от цемента, например текучую среду, присутствующую в скважине, или морскую воду.

Как показано на чертежах, расширяемая манжета 7 представляет собой тонкостенную трубчатую конструкцию, концы 9, 10 которой вставлены в соединительный элемент 12. После этого на соединительном элементе 12 выполнено рифление, изменяющее конструкцию крепежных средств и концов 9, 10 расширяемой манжеты и осуществляющее, таким образом, их механическое закрепление относительно друг друга. Для герметизации соединения между расширяемой манжетой 7 и соединительным элементом 12 между ними может быть размещен герметизирующий элемент.

На фиг.6 показан другой вариант кольцевого барьера, в котором расширяемая манжета 7 кольцевого барьера 1 покрыта слоем дополнительного материала в заданных областях, то есть в тех областях, где расширенная манжета подвержена максимальному гидравлическому давлению. Использование дополнительного материала 30, более прочного, чем материал, из которого изготовлена остальная часть расширяемой манжеты, является преимуществом этого варианта заявляемого изобретения.

Как правило, более прочный материал является менее пластичным. Если нанести покрытие из более прочного дополнительного материала 30 на расширяемую манжету 7 только в определенных областях, то можно достичь повышения допустимого предела смятия расширяемой манжеты без ущерба характеристикам расширения манжеты.

Покрытие расширяемой манжеты 7 может быть нанесено многими различными методами, например лазерной сваркой разнородных металлов, плакированием и другими подобными методами.

В результате нанесения покрытия из более прочного, но менее пластичного материала 30 на расширяемую манжету 7, материал которой не столь прочный, но более пластичный, расширяемая манжета остается достаточно пластичной, при этом ее допустимый предел смятия повышается. Таким образом, в расширенном состоянии манжета 7 способна выдерживать большее давление вблизи или в самом месте нанесения покрытия.

При нанесении покрытия из дополнительного материала 30 на определенные области расширяемой манжеты 7 в этих областях увеличивается толщина стенки манжеты. Более наглядно это увеличение толщины стенки показано на фиг.8.

На фиг.7 показан разрез кольцевого барьера 1 с фиг.6 в расширенном состоянии. В этом варианте изобретения, нанесенный на манжету 7 дополнительный материал 30 обеспечивает повышение допустимого предела смятия расширяемой манжеты и, таким образом, кольцевого барьера 1.

На фиг.9 показано, что трубчатый элемент 6 имеет две секции 36 с увеличенным внешним диаметром. Таким образом, на противоположных сторонах и на определенном расстоянии от отверстия в трубчатой конструкции трубчатый элемент имеет увеличенную толщину в двух секциях 36. Между указанными секциями трубчатого элемента расположена промежуточная секция 37. Напротив двух секций 36 предусмотрены соединительные элементы 12, причем один из соединительных элементов 12 установлен с возможностью скольжения относительно секции 36 трубчатого элемента. Другой соединительный элемент 12 приварен к трубчатому элементу в соединении 35 и, таким образом, неподвижно закреплен относительно трубчатого элемента. При этом сварное соединение 35 обеспечивает герметичное соединение, которое герметизирует пространство 13 в сочетании с герметизирующими средствами 20, предусмотренными в скользящем соединительном элементе 12.

Расширяемая манжета 7 с фиг.9 изготовлена из первого металлического сплава, а соединительный элемент 12 изготовлен из второго металлического сплава, который является менее гибким, чем первый металлический сплав. Указанные две секции могут представлять собой материал, приваренный на внешней стороне трубчатого элемента 6, после чего указанные две секции механически обработаны и отшлифованы для обеспечения точности внешнего диаметра указанных секций до установки соединительных элементов 12. Таким образом, обеспечена очень гладкая поверхность для создания герметичного уплотнения между герметизирующими средствами 20 и трубчатым элементом.

Соединительный элемент 12 имеет выступающий участок 18, расположенный внахлест с расширяемой манжетой 7. Соединительный элемент 12 сварен с расширяемой манжетой 7 посредством соединения 14. Выступающий участок 18 соединительного элемента 12 выступает таким образом, чтобы располагаться внахлест с частью расширяемой манжеты. Конец выступающего участка 18 может быть закреплен на расширяемой манжете, например, при помощи сварки посредством сварного соединения 34. В другом варианте заявляемого изобретения, выступающий участок не закреплен на расширяемой манжете 7. Однако, поскольку выступающий участок расположен внахлест с расширяемой манжетой 7, манжета 7 не может расширяться абсолютно свободно.

Между указанными двумя секциями расширяемая манжета 7 и трубчатый элемент 6 образуют пространство 13, в которое через отверстие впрыскивается текучая среда для расширения манжеты с целью изолировать первый интервал 40 ствола скважины от второго интервала 41 ствола скважины. Указанные интервалы 40, 41 показаны на фиг. 2.

В другом варианте заявляемого изобретения, расширяемая манжета 7 может содержать по меньшей мере два различных материала, причем один материал имеет повышенную прочность и, соответственно, пониженную пластичность по сравнению с другим материалом, имеющим пониженную прочность, но повышенную пластичность. Таким образом, расширяемая манжета 7 может содержать материал, имеющий повышенную прочность в тех областях манжеты, которые подвержены высокому гидравлическому давлению смятия при расширении манжеты, а также материал, имеющий пониженную прочность в остальных областях манжеты. Когда расширяемая манжета 7 содержит материал с повышенной прочностью и низкой пластичностью в определенных областях, причем в остальных областях материал имеет пониженную прочность, но высокую пластичность, то расширяемая манжета сохраняет достаточную пластичность, в то время как материал расширяемой манжеты, обладающий пониженной прочностью, дает выигрыш в сопротивлении смятию. Технический результат заключается в том, что при расширении расширяемая манжета 7 имеет повышенное сопротивление смятию вблизи или в тех областях, где манжета содержит материал, обладающий повышенной прочностью.

В другом варианте заявляемого изобретения, оба конца 9, 10 расширяемой манжеты 7 прикреплены к трубчатой конструкции 3 скважины. Как правило, при расширении расширяемой манжеты 7 диаметрально наружу увеличение расширяемой манжеты в диаметре вызывает сокращение длины манжеты, а также некоторое уменьшение толщины стенки манжеты.

Если два конца 9, 10 манжеты 7 закреплены, и при этом в конструкцию известных из уровня техники кольцевых барьеров не внесены другие изменения, то увеличится степень утонения стенки, необходимая для достижения значительного диаметрального расширения, что приводит к снижению допустимого предела смятия и возможному разрыву материала.

В еще одном варианте заявляемого изобретения, расширяемая манжета 7 снабжена группой кольцевых гофр по длине расширяемой манжеты. Указанная группа кольцевых гофр позволяет увеличить длину расширяемой манжеты 7 между двумя неподвижными концами 9, 10 без увеличения расстояния между двумя неподвижными концами 9, 10.

После образования вышеупомянутых гофр расширяемая манжета 7 может быть подвергнута обработке, например температурной обработке, для возвращения материала манжеты 7 в первоначальное металлургическое состояние.

В переходной области собственно манжета 7 или дополнительный материал 30 могут быть механически обработаны для получения несколько меньшей толщины стенки на внутренней поверхности 8 манжеты, что позволяет управлять расположением зоны, где будет начинаться изгиб манжеты при ее расширении.

При расширении расширяемой манжеты 7 гофры выпрямляются, обеспечивая наличие дополнительного материала 30, необходимого для значительного диаметрального расширения (например, 40% в диаметре) без чрезмерного уменьшения толщины стенки при одновременном сохранении неподвижности двух концов 9, 10. Предотвращение чрезмерного уменьшения толщины стенки способствует поддержанию надлежащего допустимого предела смятия расширяемой манжеты 7, что очевидно для специалиста области техники.

Закрепление двух концов 9, 10 при одновременном достижении максимальной способности к диаметральному расширению (например, 40% в диаметре) является преимуществом, в частности, поскольку позволяет отказаться от использования движущихся частей и необходимых им соответствующих дорогостоящих и ненадежных уплотнений для высокого давления. Это важно, в частности, для высокотемпературных или коррозионных скважинных сред, например кислоты, H2S и других подобных сред.

В другом варианте заявляемого изобретения, стенка расширяемой манжеты 7 вдоль длины манжеты может быть выполнена профилированной по толщине, что позволяет управлять расширением, в частности управлять, в каком месте произойдет утонение стенки расширяемой манжеты. Профилирование расширяемой манжеты 7 может быть выполнено путем нанесения слоя одинаковых или различных материалов на поверхность расширяемой манжеты или путем механической обработки или раскатки расширяемой манжеты до различных толщин.

При управлении расширением посредством изменения толщины стенки можно изменять допустимый предел смятия в определенных точках по длине расширяемой манжеты 7.

На фиг.1 один конец кольцевого барьера 1 установлен с возможностью скольжения, что означает, что соединительный элемент 12, в котором закреплена манжета 7, соединен с трубчатым элементом 6 с возможностью скольжения. При расширении расширяемой манжеты 7 в направлении, перпендикулярном продольной оси кольцевого барьера, указанная манжета, как упоминалось выше, стремится по возможности ужаться в продольном направлении. Когда один ее конец установлен с возможностью скольжения, длина манжеты 7 имеет возможность сократиться, что позволяет еще больше расширить указанную манжету, поскольку она не растянута так сильно, как при неподвижном соединении с трубчатым элементом 6.

Однако выполнение одного конца с возможностью скольжения увеличивает риск того, что с течением времени уплотнения 20 будут давать утечку. В связи с этим, на скользящем соединительном элементе 12 могут быть закреплены гофры, причем указанные гофры могут быть неподвижно закреплены на третьем соединительном элементе. Таким образом, первый и третий соединительные элементы могут быть неподвижно соединены с трубчатым элементом 6. Расширяемая манжета 7 жестко прикреплена к первому соединительному элементу 12 и к скользящему соединительному элементу 12. При этом указанные гофры жестко прикреплены к скользящему соединительному элементу 12 и третьему соединительному элементу. Соответственно, соединительные элементы 12, расширяемая манжета 7 и гофры вместе образуют герметичное соединение, предотвращающее поступление скважинной текучей среды в трубчатую конструкцию 3.

Выполнение двух концов 9, 10 встроенными и закрепленными с возможностью максимального диаметрального расширения является преимуществом, поскольку позволяет отказаться от использования движущихся частей и необходимых им соответствующих дорогостоящих и ненадежных уплотнений для высокого давления. Это важно, в частности, для высокотемпературных или коррозионных скважинных сред, например кислоты, H₂S и других подобных сред.

Если кольцевой барьер 1 содержит скользящий соединительный элемент 12 между манжетой 7 и трубчатым элементом 6, то способность манжеты к расширению возрастает вплоть до 100% по сравнению с кольцевым барьером без подобного скользящего соединительного элемента 12.

В другом варианте изобретения, манжета 7 имеет внешнюю поверхность с двумя герметизирующими элементами, расположенными напротив увеличенной толщины манжеты. При расширении герметизирующие элементы плотно прилегают к канавке, образованной увеличенной толщиной, и обеспечивают герметичность относительно внутренней стенки скважины 5.

Герметизирующие элементы имеют внешнюю гофрированную поверхность для увеличения герметизирующей способности. Герметизирующие элементы имеют треугольное поперечное сечение, что обеспечивает возможность их установки в канавке, образуемой в манжете 7 при расширении.

Герметизирующие элементы изготовлены из эластомера или подобного гибкого и способного обеспечить надлежащую герметичность материала.

Под давлением смятия понимается давление, при котором внешнее давление может смять расширенную манжету 7. Чем выше давление смятия, тем более высокое пластовое давление или давление кольцевого пространства может выдержать манжета 7 прежде, чем смяться.

Заявляемое изобретение также относится к системе 50 ствола скважины, содержащей трубчатую конструкцию 3 скважины и кольцевой барьер 1 или группу кольцевых барьеров, как показано на фиг. 5. В другом варианте изобретения, заявляемая система содержит двойной кольцевой барьер. Двойной кольцевой барьер 1 содержит два концевых соединительных элемента 12 и средний соединительный элемент. Две расширяемые манжеты 7 закреплены на одном концевом соединительном элементе и на указанном среднем элементе. Указанный средний соединительный элемент установлен с возможностью скольжения, как и один из концевых соединительных элементов 12. Другой концевой соединительный элемент 12 жестко прикреплен к трубчатому элементу 6. Кольцевой барьер 1 имеет два отверстия для впрыска находящейся под давлением текучей среды для расширения манжет 7.

В другом варианте изобретения, двойной кольцевой барьер 1 имеет только одно отверстие для впрыска находящейся под давлением текучей среды для расширения манжет 7. Кольцевой барьер 1 имеет две полости, а средний соединительный элемент 12 содержит канал, гидравлически соединяющий указанные две полости таким образом, что текучая среда для расширения полости, имеющей отверстие, может перетекать через канал для расширения также и другой манжеты 7.

Заявляемое изобретение относится также к кольцевой барьерной системе 40а, которая, как показано на фиг. 5, содержит кольцевой барьер 1, описанный выше. Кольцевая барьерная система 40а дополнительно содержит расширяющий инструмент 15, предназначенный для расширения расширяемой манжеты 7 кольцевого барьера 1. Инструмент 15 расширяет расширяемую манжету 7 посредством подачи находящейся под давлением текучей среды через канал 19 трубчатого элемента 6 в полость 13 между расширяемой манжетой 7 и трубчатым элементом 6.

Расширяющий инструмент 15 может содержать изолирующее устройство 17, предназначенное для изоляции первой секции снаружи прохода или клапана 19 между внешней стенкой инструмента и внутренней стенкой трубчатой конструкции 3 скважины. Находящуюся под давлением текучую среду получают путем увеличения давления текучей среды в изолирующем устройстве 17. Когда секция между трубчатой конструкцией 3 скважины снаружи прохода 19 трубчатой конструкции изолирована, то нет необходимости повышать давление текучей среды во всей трубчатой конструкции 3 скважины, также как нет необходимости в дополнительной пробке, что присуще существующим техническим решениям. Когда текучая среда впрыснута в полость 13, проход или клапан 19 закрывается.

В случае если инструмент 15 не может перемещаться вперед в трубчатой конструкции скважины, то инструмент может содержать скважинный трактор, например Well Tractor®.

В инструменте 15 могут также использоваться гибкие насосно-компрессорные трубы (НКТ) малого диаметра, для расширения расширяемой манжеты 7 кольцевого барьера 1 или двух кольцевых барьеров одновременно. Инструмент 15 с гибкими НКТ малого диаметра может повышать давление текучей среды в трубчатой конструкции 3 без необходимости обеспечения изоляции секции трубчатой конструкции скважины. Однако для эксплуатации инструмента может потребоваться закупорить трубчатую конструкцию 3 скважины ниже по скважине 5, после кольцевых барьеров 1. Заявляемая кольцевая барьерная система 40а может также содержать буровую колонну или инструмент, спускаемый в скважину на тросе, для расширения манжеты 7.

В одном варианте изобретения, инструмент 15 содержит резервуар с текучей средой под давлением, например, в том случае, если текучая среда, используемая для расширения манжеты 7, представляет собой цемент, газ или двухкомпонентную смесь.

Кольцевой барьер 1 может быть также назван пакером или аналогичным расширяемым средством. Трубчатая конструкция 3 скважины может представлять собой насосно-компрессорную колонну или обсадную колонну или трубопровод аналогичного типа, размещаемый в скважине или в стволе скважины. Кольцевой барьер 1 может быть использован как между внутренней насосно-компрессорной колонной и внешней эксплуатационной колонной в скважине, так и между эксплуатационной колонной и внутренней стенкой скважины 5. Скважина может содержать колонны нескольких типов, и предлагаемый кольцевой барьер 1 может быть установлен для использования во всех таких колоннах.

Клапан 19 может представлять собой клапан любого типа с возможностью регулирования потока, например шаровой клапан, створчатый клапан, штуцерный клапан, контрольный клапан, односторонний клапан, диафрагмовый клапан, отсечной клапан, шиберную задвижку, шаровой вентиль, ножевую задвижку, игольчатый клапан, поршневой клапан, запорный клапан, пробковый клапан.

Расширяемая цилиндрическая металлическая манжета 7 может представлять собой холоднокатаную и горячекатаную трубчатую конструкцию.

Текучая среда, используемая для расширения расширяемой манжеты 7, может представлять собой текучую среду любого типа, присутствующую в скважине 5 и окружающую инструмент 15 и/или трубчатую конструкцию 3 скважины. Кроме того, текучая среда может представлять собой цемент, газ, воду, полимеры или двухкомпонентную смесь, например порошок или частицы, смешиваемые или реагирующие со связующим или отвердителем.

Часть текучей среды, например отвердитель, может присутствовать в полости 13 до впрыска последующий текучей среды в полость.

Хотя выше описаны предпочтительные варианты заявляемого изобретения, для специалиста области техники очевидна возможность внесения в заявляемое изобретение различных модификаций без выхода за рамки его объема и сущности, определяемых нижеследующими пунктами формулы изобретения.

Группа изобретений относится к кольцевым барьерам, расширяемым в кольцевом пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины, а также к кольцевым барьерным системам и системам ствола скважины, содержащим указанный кольцевой барьер. Технический результат заключается в обеспечении более высокой герметичности между манжетой и трубчатым элементом, а также в обеспечении возможности механически обработать соединительный элемент так, чтобы идеально подогнать его к трубчатому элементу, не подвергая изменению материал манжеты и способность манжеты к расширению. Кольцевой барьер содержит трубчатый элемент для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины, расширяемую манжету, изготовленную из первого металла, охватывающую трубчатый элемент и ограничивающую пространство, гидравлически соединенное с внутренней полостью трубчатого элемента, причем расширяемая манжета вытянута в продольном направлении и имеет внутреннюю поверхность, обращенную к трубчатому элементу, и два конца. Кольцевой барьер также содержит два соединительных элемента, изготовленных из второго металла и соединяющих расширяемую манжету с трубчатым элементом на каждом из концов расширяемой манжеты соответственно, отверстие в трубчатом элементе для обеспечения возможности прохождения текучей среды в указанное пространство для расширения манжеты и переходную область, содержащую соединение манжеты с соединительным элементом, при этом первый металл является более гибким, чем второй металл. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Кольцевой барьер (1), расширяемый в кольцевом пространстве (2) между трубчатой конструкцией (3) скважины и внутренней стенкой (4) ствола скважины (5), содержащий:
трубчатый элемент (6) для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины;
расширяемую манжету (7), изготовленную из первого металла, охватывающую трубчатый элемент и ограничивающую пространство (13), гидравлически соединенное с внутренней полостью (64) трубчатого элемента, причем расширяемая манжета вытянута в продольном направлении и имеет внутреннюю поверхность (8), обращенную к трубчатому элементу, и два конца (9, 10);
два соединительных элемента (12), изготовленных из второго металла и соединяющих расширяемую манжету с трубчатым элементом на каждом из концов расширяемой манжеты соответственно;
отверстие в трубчатом элементе для обеспечения возможности прохождения текучей среды в указанное пространство для расширения манжеты; и
переходную область (11), содержащую соединение (14) манжеты с соединительным элементом,
отличающийся тем, что первый металл является более гибким, чем второй металл.

2. Кольцевой барьер по п.1, отличающийся тем, что кольцевой барьер содержит ограничительный элемент в переходной области, ограничивающий свободное расширение манжеты в указанной области.

3. Кольцевой барьер по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что переходная область проходит вдоль продольного направления расширяемой манжеты от первой точки (21) на указанном соединении до заданной второй точки (22) на расширяемой манжете.

4. Кольцевой барьер по п.3, отличающийся тем, что расширение расширяемой манжеты ограничено в первой точке больше, чем во второй точке.

5. Кольцевой барьер по п.4, отличающийся тем, что указанный ограничительный элемент представляет собой выступающий участок (18) указанного соединительного элемента.

6. Кольцевой барьер по п.5, отличающийся тем, что выступающий участок сужается по направлению к расширяемой манжете.

7. Кольцевой барьер по п.6, отличающийся тем, что каждый конец расширяемой манжеты имеет коническую форму, соответствующую форме указанного выступающего участка.

8. Кольцевой барьер по любому из пп.2 или 4, отличающийся тем, что указанный ограничительный элемент представляет собой дополнительное кольцо (24), охватывающее расширяемую манжету, причем указанное дополнительное кольцо соединено с указанным соединительным элементом и сужается от соединительного элемента по направлению к расширяемой манжете.

9. Кольцевой барьер по любому из пп.2 или 4, отличающийся тем, что указанный ограничительный элемент представляет собой увеличенную толщину расширяемой манжеты, обеспеченную путем добавления дополнительного материала (30) по меньшей мере на его внешней стороне, причем указанный материал сужается от указанного соединительного элемента по направлению к указанной манжете.

10. Кольцевой барьер по п.7, отличающийся тем, что толщина расширяемой манжеты уменьшается от толщины указанного соединительного элемента до толщины, составляющей менее 95% толщины соединительного элемента, предпочтительно менее 90% толщины соединительного элемента и наиболее предпочтительно менее 80% толщины соединительного элемента.

11. Кольцевой барьер по любому из пп.1-2, 4-7, 10, отличающийся тем, что первый металл имеет относительное удлинение 35-70%, по меньшей мере 40%, предпочтительно 40-50%.

12. Кольцевой барьер по любому из пп.1-2, 4-7, 10, отличающийся тем, что второй металл имеет относительное удлинение 10-35%, предпочтительно 25-35%.

13. Кольцевой барьер по любому из пп.1-2, 4-7, 10, отличающийся тем, что трубчатый элемент содержит две секции (36) на противоположных сторонах промежуточной части (37) и на определенном расстоянии от отверстия в трубчатой конструкции, причем трубчатый элемент в указанных секциях имеет увеличенный внешний диаметр и увеличенную толщину стенки по сравнению с внешним диаметром и толщиной стенки промежуточной части трубчатого элемента.

14. Кольцевой барьер по п.13, отличающийся тем, что один из указанных соединительных элементов установлен с возможностью скольжения относительно указанной секции трубчатого элемента, и другой соединительный элемент закреплен на трубчатом элементе посредством герметичного соединения (35).

15. Кольцевой барьер по п.14, отличающийся тем, что герметичное соединение (35) герметизирует указанное пространство в сочетании с герметизирующими средствами (20), расположенными в скользящем соединительном элементе.

16. Кольцевой барьер по любому из пп.14-15, отличающийся тем, что каждый соединительный элемент имеет выступающий участок (18), расположенный внахлест с расширяемой манжетой (7).

17. Кольцевой барьер по п.16, отличающийся тем, что выступающий участок (18) соединительного элемента сварен с расширяемой манжетой.

18. Кольцевая барьерная система (40а), содержащая расширяющий инструмент (15) и кольцевой барьер по любому из пп.1-12.

19. Кольцевая барьерная система по п.18, отличающаяся тем, что указанный расширяющий инструмент содержит взрывчатые вещества, находящуюся под давлением текучую среду, цемент или комбинацию указанных признаков.

20. Система (50) ствола скважины, содержащая трубчатую конструкцию скважины и по меньшей мере один кольцевой барьер по любому из пп.1-17.