КОЛЬЦЕВАЯ ПЕРЕГОРОДКА С УСИЛЕНИЕМ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК E21B33/124 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к кольцевой перегородке, размещаемой в стволе скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе с использованием кольцевых перегородок, а также к способу размещения кольцевой перегородки в затрубном пространстве и к способу использования кольцевых перегородок в затрубном пространстве для герметизации секции контроля притока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В стволах скважин кольцевые перегородки используют для различных целей, например для обеспечения изоляционной перегородки. Кольцевая перегородка имеет трубчатую часть, установленную как часть трубчатой скважинной конструкции, например обсадной эксплуатационной колонны, окруженной кольцевой расширяемой манжетой. Расширяемую манжету обычно изготавливают из эластомерного материала, но возможно также ее изготовление из металла. Манжета закреплена на концах на трубчатой части кольцевой перегородки.

Для герметизации зоны между трубчатой скважинной конструкцией и стволом скважины или внутренней и наружной трубчатой конструкциями используют вторую кольцевую перегородку. Первую кольцевую перегородку расширяют с одной стороны зоны, а вторую кольцевую перегородку - с другой стороны зоны, получая тем самым герметизацию зоны.

Свод равновесия скважины определяется прочностью на разрыв трубы, оборудования скважины и других подобный компонентов, используемых внутри скважинной конструкции. В некоторых случаях расширяемая манжета кольцевой перегородки может быть расширена за счет увеличения давления внутри скважины, что является наиболее экономичным способом расширения манжеты. Прочностью на разрыв скважины определяется максимальное давление, которое можно приложить к скважине при расширении манжеты, и чтобы свести к минимуму воздействие давления расширения на скважину желательно минимизировать давление расширения, необходимое для расширения манжеты.

При расширении на кольцевые перегородки могут воздействовать постоянное или периодическое внешнее высокое давление либо в виде гидравлического давления внутри скважинной среды, либо в виде давления формации. В некоторых случаях такое давление может вызывать разрушение кольцевой перегородки, приводящее к серьезным последствиям для области, которую надо герметизировать перегородкой, поскольку при разрушении теряется герметизирующая способность.

Современные требования к прочностным характеристикам привели к использованию существенно более высоких давлений расширения. Однако высокие давления расширения влияют не только на величину прочности на разрыв; при высоких давлениях могут потерять эффективность или перестать работать множество различных скважинных инструментов. По этой причине в скважинах иногда ограничивают допустимое давление расширения для защиты инструментов и приборов, находящихся в скважине. Эту проблему можно обойти путем уменьшения толщины или прочности расширяемой манжеты. Однако это уменьшит прочностные характеристики.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на полное или частичное преодоление описанных выше недостатков и дефектов известного уровня техники. В частности, поставлена задача создания кольцевой перегородки, расширяемой без повреждения других компонентов в оборудованной скважине, причем без снижения прочностных характеристик кольцевой перегородки.

На достижение указанной выше и различных других задач и преимуществ направлено изобретение, признаки которого раскрыты в приведенном ниже описании и которое представляет собой кольцевую перегородку, развертываемую в затрубном пространстве между трубчатой скважинной конструкцией и внутренней стенкой ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой и второй зонами ствола скважины и содержащую:

- трубчатую часть для установки в качестве части трубчатой конструкции скважинной конструкции, имеющую отверстие расширения,

- расширяемую манжету, окружающую указанную трубчатую часть, причем каждый конец расширяемой манжеты соединен с трубчатой частью, и

- пространство кольцевой перегородки между трубчатой частью и расширяемой манжетой,

причем кольцевая перегородка дополнительно содержит средство усиления давления, снабженное входом на первом конце, имеющим жидкостное соединение с отверстием расширения, и выходом на втором конце, имеющим жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки, причем средство усиления давления содержит поршень, имеющий первый конец и второй конец и установленный с возможностью скольжения в корпусе, причем корпус поршня содержит первый цилиндр, имеющий первый внутренний диаметр, который соответствует наружному диаметру первого конца поршня и имеет площадь поверхности первого конца, и второй цилиндр, имеющий второй диаметр, который соответствует наружному диаметру второго конца поршня и имеет площадь поверхности второго конца, причем площадь поверхности первого конца больше площади поверхности второго конца, при этом средство усиления давления дополнительно содержит канал подачи текучей среды для пропускания текучей среды во второй цилиндр, при этом средство усиления давления дополнительно содержит первый односторонний обратный клапан, размещенный в канале подачи текучей среды для предотвращения выхода текучей среды из второго цилиндра при сжатии текучей среды поршнем и для пропускания текучей среды во второй цилиндр при уменьшении сжатия текучей среды посредством поршня.

Средство усиления давления может дополнительно содержать второй односторонний обратный клапан, размещенный между каналом подачи текучей среды и выходом средства усиления давления для предотвращения попадания текучей среды повышенного давления во второй цилиндр при уменьшении сжатия текучей среды посредством поршня и для выпускания текучей среды повышенного давления из средства усиления давления через выход при сжатии текучей среды поршнем.

В одном варианте осуществления изобретения средство усиления давления может содержать поршень, имеющий первый конец и второй конец и установленный с возможностью скольжения в корпусе поршня, причем первый конец поршня может иметь площадь поверхности, которая больше площади, которую имеет второй конец поршня.

В другом варианте осуществления изобретения средство усиления давления может содержать поршень, имеющий первый конец и второй конец, установленный с возможностью скольжения в корпусе поршня, причем первый конец поршня может иметь площадь поверхности, которая больше площади поверхности второго конца поршня, а корпус поршня может содержать два цилиндра, из которых первый цилиндр имеет первый диаметр, соответствующий первому концу поршня, а второй цилиндр имеет второй диаметр, который меньше первого диаметра и соответствует второму концу поршня.

Кроме того, средство усиления давления может содержать множество средств усиления давления.

Средство усиления давления может содержать множество поршней.

Дополнительно выход средства усиления давления может содержать камеру накопления давления, имеющую жидкостное соединение с множеством вторых концов множества поршней и жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки.

Кроме того, можно предусмотреть канал избытка текучей среды между средством усиления давления и стволом скважины, позволяющий текучей среде протекать из средства усиления давления в ствол скважины.

В одном варианте осуществления изобретения средств усиления давления может содержать полость внутри корпуса поршня между первым и вторым концами поршня.

Перед использованием атмосферного давления можно поднять давление в указанной полости.

Описанная выше кольцевая перегородка может также содержать клапан одностороннего действия, который имеет жидкостное соединение с выходом средства усиления давления и с пространством кольцевой перегородки и не дает текучей среде протекать из пространства кольцевой перегородки к средству усиления давления.

Описанная выше кольцевая перегородка может также содержать клапан одностороннего действия, который имеет жидкостное соединение со стволом скважины и пространством кольцевой перегородки и пропускает текучую среду из ствола скважины в пространство кольцевой перегородки.

Кроме того, предлагаемая кольцевая перегородка может содержать первое и второе средства усиления давления, установленные последовательно, причем первое средство усиления давления содержит первый вход и первый выход, из которых первый вход имеет жидкостное соединение с отверстием расширения, и второе средство усиления давления содержит второй вход и второй выход, из которых второй выход имеет жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки.

Кроме того, кольцевая перегородка может содержать первое и второе средства усиления давления, а также по меньшей мере одно промежуточное средство усиления давления, установленное последовательно, причем первое средство усиления давления содержит первый вход и первый выход, при этом первый вход имеет жидкостное соединение с отверстием расширения, и второе средство усиления давления содержит второй вход и второй выход, при этом второй выход имеет жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки; указанное по меньшей мере одно промежуточное средство усиления давления может содержать промежуточный вход, имеющий жидкостное соединение с первым выходом, и промежуточный выход, имеющий жидкостное соединение со вторым входом.

Предусмотрено наличие группы промежуточных средств усиления давления, которые могут быть установлены последовательно, причем соседние промежуточные средства усиления давления могут содержать промежуточные выходы, имеющие жидкостное соединение с промежуточными входами.

В одном варианте осуществления изобретения средство усиления давления может содержать гидравлический усилитель давления.

При этом гидравлический усилитель давления может содержать первый цилиндр, имеющий первую площадь внутреннего поперечного сечения на первом конце средства усиления давления, и второй цилиндр, имеющий вторую площадь внутреннего поперечного сечения на втором конце средства усиления давления.

Гидравлический усилитель давления может содержать управляющий распределитель для управления жидкостным соединением между первым цилиндром, входом средства усиления давления и каналом избытка текучей среды, обеспечивающим жидкостное соединение от средства усиления давления к стволу скважины; управляющий распределитель имеет два положения: в первом положении обеспечивается жидкостное соединение между первым цилиндром и входом средства усиления давления для подачи расширяющей текучей среды в первый цилиндр при повышении давления, тогда как во втором положении обеспечивается жидкостное соединение между первым цилиндром и каналом избытка текучей среды при отводе поршня, что позволяет расширяющей текучей среде выйти из первого цилиндра; причем управляющий распределитель выполнен с возможностью переключения между упомянутыми первым и вторым положениями посредством управляющего устройства.

Гидравлический усилитель давления, кроме того, может содержать первый и второй односторонние обратные клапаны, при этом первый односторонний обратный клапан пропускает расширяющую текучую среду с входа средства усиления давления во второй цилиндр и не дает текучей среде повышенного давления течь обратно со второго цилиндра к входу средства усиления давления, при этом второй односторонний обратный клапан пропускает расширяющую текучую среду повышенного давления из второго цилиндра к выходу средства усиления давления и в пространство кольцевой перегородки, не давая текучей среде повышенного давления течь обратно из пространства кольцевой перегородки ко второму цилиндру.

В одном из вариантов осуществления изобретения канал избытка текучей среды может содержать фильтр.

Кроме того, средство усиления давления может содержать поршень двустороннего действия.

Средство усиления давления может содержать поршень двустороннего действия, дополнительно содержащий первый и второй управляющие распределители для управления жидкостным соединением между первым и вторым концом первого цилиндра, клапан управления направлением текучей среды, а также первый и второй канал избытка текучей среды, обеспечивающие жидкостное соединение от средства усиления давления в ствол скважины, причем первый управляющий распределитель имеет два положения: в первом положении обеспечивается жидкостное соединение между первым концом первого цилиндра и клапаном управления направлением текучей среды для подачи расширяющей текучей среды в первый конец цилиндра при повышении давления на втором конце второго цилиндра, тогда как во втором положении обеспечивается жидкостное соединение между первым цилиндром и первым каналом избытка текучей среды; и второй управляющий распределитель имеет два положения: в первом положении обеспечивается жидкостное соединение между вторым концом первого цилиндра и клапаном управления направлением текучей среды для подачи расширяющей текучей среды во второй конец первого цилиндра при повышении давления на первом конце второго цилиндра, при этом во втором положении обеспечивается жидкостное соединение между вторым концом первого цилиндра и вторым каналом избытка текучей среды.

Упомянутый клапан управления направлением текучей среды можно регулировать с помощью первого и второго управляющих устройств, из которых первое управляющее устройство определяет, когда поршень достигает положения упора на первом конце первого цилиндра, а второе управляющее устройство определяет, когда поршень достигает положения упора на втором конце первого цилиндра.

Кроме того, средство усиления давления может содержать гидравлический усилитель давления с поршнем двустороннего действия.

В одном из вариантов осуществления изобретения средство усиления давления может содержать сжатый газ, причем сжатый газ может выпускаться в кольцевую перегородку путем разблокировки расширяющей текучей средой клапана управления газом.

На конце кольцевой перегородки, с противоположной стороны от средства усиления давления, можно установить второе средство усиления давления.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к системе с использованием кольцевых перегородок, которая содержит:

- трубчатую скважинную конструкцию; и

- по меньшей мере одну кольцевую перегородку по любому из предыдущих пунктов, установленную как часть трубчатой скважинной конструкции.

Настоящее изобретение относится также к способу установки описанной выше кольцевой перегородки в затрубном пространстве, который содержит следующие этапы:

- соединяют кольцевую перегородку с трубчатой скважинной конструкцией;

- размещают нерасширенную кольцевую перегородку в заданном местоположении скважины;

- повышают давление текучей среды внутри трубчатой части;

- усиливают давление в пространстве кольцевой перегородки с помощью средства усиления давления; и

- расширяют расширяемую манжету.

Наконец, настоящее изобретение относится к способу использования описанной выше кольцевой перегородки в затрубном пространстве для герметизации секции контроля притока, который содержит следующие этапы:

- соединяют две кольцевые перегородки с трубчатой скважинной конструкцией и между ними с секцией контроля притока;

- размещают две кольцевые перегородки и секцию контроля притока в заданном местоположении скважины;

- повышают давление в трубчатой части и расширяют кольцевые перегородки посредством текучей среды повышенного давления изнутри трубчатой части для обеспечения изоляции зоны между первой и второй зонами ствола скважины, причем первая зона имеет первое давление текучей среды, причем вторая зона имеет второе давление текучей среды;

- прекращают повышать давление в трубчатой части; и

- активируют секцию контроля притока, чтобы начать выпуск текучей среды в трубчатую скважинную конструкцию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение и многие его преимущества более подробно описаны ниже со ссылками на прилагаемые упрощенные чертежи, на которых с целью иллюстрации показаны лишь некоторые варианты осуществления, которые не ограничивают патентных притязаний изобретения.

На фиг. 1 показана крупным планом кольцевая перегородка в нерасширеном состоянии.

На фиг. 2 показано поперечное сечение вдоль продольной оси кольцевой перегородки в нерасширенном состоянии.

На фиг. 3 показана схема гидравлического усилителя давления.

На фиг. 4 показана кольцевая перегородка с фиг. 1 в расширенном состоянии.

На фиг. 5 показана схема гидравлического усилителя давления с поршнем одностороннего действия.

На фиг. 6 показана схема гидравлического средства усиления давления с поршнем двустороннего действия.

На фиг. 7 показано множество установленных последовательно средств усиления давления.

На фиг. 8 показана система с использованием кольцевых перегородок.

Все фигуры выполнены весьма схематично и не обязательно с соблюдением масштаба, при этом показаны лишь те детали, которые необходимы для пояснения изобретения, другие же детали опущены или только предполагаются.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 2 показана кольцевая перегородка 1, размещенная в стволе шахты 100 и содержащая трубчатую часть 2 для установки в качестве части трубчатой конструкции 300. Трубчатая часть окружена расширяемой манжетой 3, соединенной с трубчатой частью на обоих концах 31, 32 с помощью средств 50 соединения, с образованием тем самым пространства 30 кольцевой перегородки между трубчатой частью 2 и расширяемой манжетой 3. Трубчатая часть имеет отверстие 13 расширения, позволяющее текучей среде F1 расширения попадать в кольцевую перегородку для расширения расширяемой манжеты 3. Кроме того, кольцевая перегородка содержит средство 10 усиления давления, которое на первом своем конце 10а имеет вход 11, имеющий жидкостное соединение с отверстием расширения, и которое на втором своем конце 10b имеет выход 12, имеющий жидкостное соединение с пространством 30 кольцевой перегородки. Линия 22 на фиг. 1 является средней линией кольцевой перегородки 1.

За счет того, что средство усиления давления размещено между отверстием расширения и пространством кольцевой перегородки, давление внутри скважины можно поддерживать на определенном уровне, который могут выдерживать другие компоненты или устройства оборудованной скважины, в то же время значительно увеличивая давление расширения внутри пространства кольцевой перегородки. За счет того, что давление расширения увеличивается только в кольцевой перегородке, при установке предлагаемой кольцевой перегородки давление в остальной части скважины можно повышать до значения много меньшего, чем давление расширения в пространстве кольцевой перегородки, необходимое для расширения расширяемой манжеты. Низкое давление в скважине предпочтительно по соображениям безопасности, поскольку некоторые устройства или компоненты скважины будут повреждены при превышении определенного давления, а в некоторых типах скважин высокое давление вообще недопустимо. Таким образом, возможность расширения кольцевой перегородки при низком давлении позволяет создать более универсальную кольцевую перегородку, подходящую для большего числа различных типов скважин, и кольцевые перегородки могут использоваться с большим числом различных типов скважин. При этом кольцевая перегородка может использоваться и в скважинах, способных выдерживать высокое давление, поскольку кольцевую перегородку можно существенно усилить без необходимости увеличения прочности на разрыв скважины, поскольку расширяющая текучая среда F2 с повышенным давлением может расширять и значительно более прочную кольцевую перегородку. Более прочная кольцевая перегородка будет, соответственно, более стойкой к разрушению, потере герметичности и коррозии.

На фиг. 1 представлен односторонний клапан 64, который имеет жидкостную связь со стволом скважины и пространством кольцевой перегородки 30, что позволяет текучей среде течь из ствола скважины в пространство 30 кольцевой перегородки. Для безопасности при резком повышении давления в стволе скважины, например, при взрыве газа, текучей среде из ствола скважины можно позволить поступать в пространство 30 кольцевой перегородки через клапан 64 одностороннего действия, что предотвращает разрушение перегородки из-за внешнего давления. Кроме того, на другом конце кольцевой перегородки (не показан) можно установить дополнительный клапан одностороннего действия, что позволит текучей среде поступать в перегородку как из первой зоны 102, так и из второй зоны 103 ствола скважины.

В различных вариантах осуществления изобретения могут использоваться как поршни, так и плунжеры. Однако в дальнейшем для описания подвижного элемента, установленного в цилиндре для смещения текучей среды будет использоваться лишь термин «поршень». Преимущества и недостатки применения поршней и плунжеров известны специалистам в данной области техники.

Кольцевые перегородки 1 в соответствии с настоящим изобретением устанавливают в общем случае в качестве части трубчатой скважинной конструкции, например эксплуатационной обсадной колонны, перед опусканием трубчатой конструкции 300 в буровую скважину. Трубчатая скважинная конструкция 300 образована частями трубчатой скважинной конструкции, собранными в виде длинной трубчатой скважинной колонны. При установке трубчатой скважинной колонны кольцевые перегородки 1 устанавливают между другими частями трубчатой скважинной конструкции, такими как секции контроля притока, секция отверстия гидроразрыва и т.д. Трубчатая часть 2 может соединяться с частями трубчатой скважинной конструкции, например, с помощью резьбового соединения (не показано).

Кольцевая перегородка 1 имеет ряд различных назначений, каждое из которых требует расширения расширяемой манжеты 3 кольцевой перегородки 1 так, чтобы манжета упиралась во внутреннюю стенку 200 ствола скважины. Нерасширенная манжета имеет цилиндрическую форму, и ее концы соединены с трубчатой частью с помощью средств 50 соединения. Расширяемую манжету 3 расширяют путем подачи текучей среды с повышенным давлением через отверстие 9 расширения трубчатой части, через средство усиления давления и в пространство 30 кольцевой перегородки между расширяемой манжетой 3 и трубчатой частью 2.

На фиг. 2 показано поперечное сечение по продольному направлению кольцевой перегородки в нерасширенном состоянии. Как показывает разрез в середине кольцевой перегородки, длина кольцевых перегородок в продольном направлении значительно больше диаметра перегородки. Длина перегородки может доходить до нескольких метров, например, по меньшей менее 5 или 10 м, в то время как диаметр перегородки ограничен весьма небольшим свободным пространством в стволе скважины.

На фиг. 3 показано сечение части средства 10 усиления давления, причем средство 10 усиления давления содержит накопительную камеру 72, установленную как часть выхода 12, имеющего жидкостное соединение с множеством вторых концов множества поршней и жидкостное соединение с пространством 30 кольцевой перегородки. Использование ряда поршней, каждый из которых позволяет текучей среде поступать в накопительную камеру, предотвращает закупоривание, поскольку вероятность механического повреждения в средстве усиления давления распределяется по множеству поршней. Если происходит закупоривание одного или более поршней крупными частицами в текучей среде, оставшиеся поршни также могут обеспечивать требуемое давление.

На фиг. 4 показано поперечное сечение по продольному направлению кольцевой перегородки в расширенном состоянии. Кольцевая перегородка 1 дополнительно содержит второе средство 10е усиления давления. По конструктивным соображениям второе средство 10е усиления давления можно разместить на конце кольцевой перегородки 1, с противоположной стороны от средства 10 усиления давления. Наличие средств 10, 10е усиления давления на обоих концах кольцевой перегородки не приводит к увеличению давления, которое может достигаться внутри пространства 30 кольцевой перегородки. Однако это позволяет увеличить скорость расширения кольцевой перегородки.

Как уже отмечено, это пространство сильно ограничено при работе в скважине. Однако скорость также является важным фактором, который позволяет снизить продолжительность работ в скважине и тем самым уменьшить расходы на проведение скважинных работ.

На фиг. 5 показано сечение варианта осуществления гидравлического усилителя давления. Гидравлический усилитель 10 давления содержит поршень 60, имеющий первый конец 601 и второй конец 602, при этом поршень установлен с возможностью скольжения внутри корпуса 61 поршня. Первый конец 601 поршня имеет площадь поверхности А1, которая больше площади поверхности А2 второго конца 602, что обеспечивает повышение давления на площадь поверхности А1 первого конца до более высокого давления, прикладываемого площадью поверхности А2 второго конца к текучей среде внутри пространства 30 кольцевой перегородки.

Корпус поршня может содержать два цилиндра: первый цилиндр 65 с первым диаметром, соответствующим первому концу поршня, и второй цилиндр 66 со вторым диаметром, который меньше первого диаметра, соответствующий второму концу поршня.

Средство усиления давления с фиг. 5 содержит управляющий распределитель 67 для управления жидкостным соединением между первым цилиндром 65, входом средства 10 усиления давления и каналом 13 избытка текучей среды, который обеспечивает жидкостное соединение средства усиления давления со стволом скважины 100, когда поршень втянут для впуска нового количества текучей среды во второй цилиндр 66 меньшего диаметра. Управляющий распределитель имеет два положения. Первое положение обеспечивает возможность жидкостного соединения между первым цилиндром и входом средства усиления давления для подачи расширяющей текучей среды F1 в первый цилиндр в процессе повышения давления, а второе положение обеспечивает возможность жидкостного соединения между первым цилиндром и каналом избытка текучей среды при втягивании поршня, позволяя расширяющей текучей среде F1 выходить из первого цилиндра. Управляющий распределитель выполнен с возможностью автоматического переключения между упомянутыми первым и вторым положениями с помощью управляющего устройства 68, когда поршень достигает своих крайних положений на одном или другом конце корпуса поршня. Кроме того, средство усиления давления может содержать первый односторонний обратный клапан 69 и второй односторонний обратный клапан 63. Первый односторонний обратный клапан 69 позволяет расширяющей текучей среде F1 поступать с входа средства 10 усиления давления во второй цилиндр 66 и предотвращает обратное протекание текучей среды F2 повышенного давления из второго цилиндра 66 к входу 11 средства усиления давления. Таким образом, в процессе отвода поршня на сторону высокого давления может поступать расширяющая текучая среда со входа. Второй односторонний обратный клапан 63 позволяет расширяющей текучей среде F2 с повышенным давлением протекать из второго цилиндра к выходу 12 средства усиления давления и в пространство 30 кольцевой перегородки, но предотвращает обратное протекание текучей среды F2 из пространства кольцевой перегородки во второй цилиндр. Таким образом, расширяющая текучая среда F2 может всегда поступать в пространство 30 кольцевой перегородки, однако при отводе поршня, когда второй цилиндр заполнен расширяющим текучим средством низкого давления, расширяющая текучая среда высокого давления не потечет обратно из пространства 30 кольцевой перегородки.

Для предотвращения попадания текучей среды, содержащего частицы грязи в средство усиления давления через канал 13 избытка текучей среды, в указанном канале избытка текучей среды во время нормальной работы средства усиления давления в общем случае устанавливается фильтр 70. При этом в ствол скважины из канала избытка текучей среды будет выходить только избыточная текучая среда. В особых же условиях, например при значительных флуктуациях давления в стволе скважины, фильтр может приобрести важное значение для среды внутри средства усиления давления.

Как показано на фиг. 5, в корпусе поршня предусмотрена полость 62 между первым и вторым концами поршня, причем полость 62 может соединяться с наружной стороной средства 10 усиления давления посредством второго канала 13с избытка текучей среды, при этом в общем случае во второе соединение 13с также помещается второй фильтр 70b, чтобы исключить попадание грязи вблизи движущегося поршня 60.

Средство 10 усиления давления с фиг. 6 содержит поршень двустороннего действия. Для увеличения скорости/объемного расхода средства усиления давления по сравнению со средством усиления давления с фиг. 5 в усилителе можно использовать принцип поршня двустороннего действия. При отводе поршня с фиг. 5 средство усиления давления переходит в неактивное состояние с точки зрения повышения давления. При использовании поршня двустороннего действия для повышения давления можно использовать как прямое, так и обратное перемещение возвратно-поступательного движения поршня, полностью исключая тем самым неактивные периоды и снова увеличивая скорость/объемный расход средства усиления давления, что позволяет сократить время для расширения кольцевой перегородки. Поскольку, как было указано выше, системы с поршнем двустороннего действия требуют использования дополнительных технических средств, эти системы обычно менее надежны, поэтому выбор между поршнем двустороннего или одностороннего действия является компромиссом между скоростью и надежностью.

Средство усиления давления, содержащее поршень двустороннего действия, может дополнительно содержать первый и второй управляющий распределитель 67а, 67b для управления жидкостным соединением между первым и вторым концами 65а, 65b первого цилиндра, клапан 71 управления направлением текучей среды, а также первый и второй каналы 13а, 13b избытка текучей среды, обеспечивающие жидкостное соединение от средства усиления давления к стволу 100 скважины. Как и в случае средства усиления давления с фиг. 5, управление текучим средством, поступающим в первый цилиндр, обеспечивается управляющим распределителем. Однако при использовании поршня двустороннего действия можно повышать давление на обеих сторонах поршня, поэтому могут потребоваться два управляющих распределителя, при этом дополнительный клапан управления направлением текучей среды определяет, будет ли расширяющая текучая среда направлена с входа 11 на первый или на второй управляющий распределитель 67а, 67b. Первый управляющий распределитель 67а имеет два положения, из которых первое положение обеспечивает жидкостное соединение между первым концом 65а первого цилиндра и клапаном 71 направления текучей среды для подачи расширяющей текучей среды F1 в первый конец 65а цилиндра при повышении давлении на втором конце цилиндра, при этом второе его положение обеспечивает жидкостное соединение между первым цилиндром и первым каналом 13а избытка текучей среды; второй управляющий распределитель имеет два положения аналогичным образом. Кроме того, средство усиления давления, содержащее поршень двустороннего действия, может содержать клапан 71 управления направлением текучей среды, который в этом случае управляется первым и вторым управляющими устройствами 68а, 68b, из которых первое управляющее устройство 68а определяет, когда поршень 60 достигает положения упора на первом конце 65а первого цилиндра, а второе управляющее устройство определяет, когда поршень 60 достигает положения упора на втором конце 65b первого цилиндра, причем по достижении поршнем положения упора происходит смена направления текучей среды с одного управляющего распределителя на другой посредством клапана 71 управления направлением текучей среды, с включением при этом первого или второго управляющего устройства 68а, 68b. В обеих линиях предусмотрены также первый и второй обратные клапаны 63а, 63b, 69а, 69b, обеспечивающие давление на каждой стороне поршня 60 двустороннего действия, с теми же функциями, как в усилителе давления с фиг. 5.

В некоторых вариантах осуществления изобретения (не показаны), средство усиления давления может содержать сжатый газ, который может выпускаться в кольцевую перегородку путем разблокировки расширяющей текучей средой клапана управления газом.

На фиг. 7 изображена кольцевая перегородка, содержащая последовательно установленные первое и второе средство 10с, 10d усиления давления, из которых первое средство 10с усиления давления содержит первый вход 11а и первый выход 12с, причем первый вход 11а имеет жидкостное соединение с отверстием 9 расширения, а второе средство 10d усиления давления содержит второй вход 11d и второй выход 12d, причем второй выход 12d имеет жидкостное соединение с пространством 30 кольцевой перегородки. Как показано, кольцевая перегородка дополнительно содержит установленное последовательно промежуточное средство 10f усиления давления, которое имеет промежуточный вход 11f, имеющий жидкостное соединение с первым выходом 12с, и промежуточный выход 12f, имеющий жидкостное соединение со вторым входом 11d.

За счет последовательной установки средств усиления давления достигается возможность получения более высокого давления текучей среды F2 повышенного давления, которая используется для расширения расширяемой манжеты.

На фиг. 8 изображены две кольцевые перегородки, герметизирующие секцию 600 контроля притока в скважинной среде.

Система с использованием кольцевых перегородок согласно изобретению содержит трубчатую скважинную конструкцию и по меньшей мере одну кольцевую перегородку, установленную в качестве части трубчатой конструкции. Как часть трубчатой скважинной конструкции в процессе оборудования скважины устанавливается множество кольцевых перегородок, например, для крепления трубчатой конструкции в стволе скважины и обеспечения изоляции зоны. Другие кольцевые перегородки могут устанавливаться для герметизации специальных пространств в стволе скважины, например, зоны 600 контроля притока, как показано на фиг. 8.

Предлагается способ размещения кольцевой перегородки 1 в затрубном пространстве, который содержит следующие этапы: соединение кольцевой перегородки с трубчатой скважинной конструкцией 300, затем размещение нерасширенной трубчатой перегородки в заданное местоположение в скважине. Когда перегородка установлена в нужное положение, можно увеличить давление расширяющей текучей среды в трубчатой части, принуждая тем самым текучую среду поступать в отверстие расширения. При поступлении расширяющей текучей среды в отверстие 9 для расширения и затем в усилитель 10 давления, усилитель давления обеспечивает увеличение давления в пространстве 30 кольцевой перегородки, вызывая тем самым расширение расширяемой манжеты.

Кроме того, предлагается способ использования кольцевых перегородок в затрубном пространстве для герметизации секции контроля притока, который содержит следующие этапы: соединение двух перегородок с другими частями трубчатой скважинной конструкции и между ними с секцией 600 контроля притока, затем размещение двух кольцевых перегородок и секции контроля притока в заданном местоположении в скважине. Когда две перегородки и секция контроля притока установлены в нужное местоположение, в трубчатой части создают повышенное давление расширяющим текучим средством, и кольцевые перегородки расширяются за счет расширяющей текучей среды F2 с повышенным давлением изнутри трубчатой части с помощью средств усиления давления, что обеспечивает изоляцию зоны между первой зоной 102 и второй зоной 103 ствола скважины. Теперь в первой зоне имеется первое давление текучей среды, а во второй зоне - второе давление текучей среды, причем давление трубчатой части можно остановить и может быть активирована секция контроля притока, чтобы начать выпуск текучей среды в трубчатую скважинную конструкцию.

Текучая среда повышенного давления, используемая для расширения кольцевой перегородки, может либо доводиться до повышенного давления сверху ствола скважины 100 и подаваться через трубчатую скважинную конструкцию 300, либо доводиться до повышенного давления в локально герметизированной зоне в трубчатой скважинной конструкции. Расширяющая текучая среда подается до тех пор, пока расширяемая манжета 3 не упрется во внутреннюю стенку 200 ствола скважины, как показано на фиг. 4. После того, как кольцевая перегородка была расширена с помощью текучей среды повышенного давления и уперлась во внутреннюю стенку 200 ствола скважины, кольцевая перегородка обеспечивает герметичное уплотнение между первой зоной 102 и второй зоной 103 ствола скважины. При этом первая зона 102 находится с одной стороны кольцевой перегородки 1, а вторая зона 103 - с другой стороны кольцевой перегородки 1.

Когда расширяемая манжета 3 кольцевой перегородки 1 расширена, диаметра манжеты увеличен относительно исходного значения в нерасширенном состоянии. Расширяемая манжета 3 имеет наружный диаметр D и может при расширении иметь диаметр, который по меньшей мере на 10%, предпочтительно по меньшей мере на 15%, еще более предпочтительно по меньшей мере на 30% превышает диаметр нерасширенной манжеты.

При этом расширяемая манжета 3 имеет толщину стенки t меньше длины L расширяемой манжеты; предпочтительно, чтобы толщина составляла менее 25%, более предпочтительно менее 15%, еще более предпочтительно менее 10% длины.

Расширяемая манжета 3 кольцевой перегородки может быть изготовлена из металла, полимеров, эластомера, силикона или натуральной или синтетической резины.

Для увеличения толщины манжеты 3 может использоваться дополнительный материал (не показан), наносимый на расширяемую манжету, например, привариваемый к ее наружной поверхности.

В еще одном варианте осуществления изобретения толщина манжеты 3 увеличивается путем закрепления на манжете кольцеобразной части (не показана).

В другом варианте осуществления изобретения увеличение толщины манжеты 3 достигается за счет того, что используется манжета 3 с изменяющейся толщиной (не показана). Для получения манжеты с изменяющейся толщиной могут использоваться такие технологии как прокатка, экструзионное прессования или литье под давлением.

Для расширения кольцевой перегородки можно использовать расширяющий инструмент, который может содержать изолирующее устройство для изоляции первой секции снаружи прохода или клапан между наружной стенкой инструмента и внутренней стенкой трубчатой скважинной конструкции. Текучую среду повышенного давления получают путем увеличения давления текучей среды в изолирующем устройстве. Если секция трубчатой скважинной конструкции снаружи прохода трубчатой части изолирована, то нет необходимости повышать давление текучей среды во всей трубчатой конструкции, точно так же, как нет нужды в дополнительной заглушке, используемой в технических решениях, которые известны из уровня техники. Когда текучая среда закачана в пространство кольцевой перегородки, проход или клапан закрывают.

Указанный инструмент может использоваться также для расширения расширяемой манжеты 3 кольцевой перегородки 1 или двух кольцевых перегородок одновременно. Инструмент с колтюбингом может повышать давление текучей среды в трубчатой скважинной конструкции без необходимости изолирования секции трубчатой конструкции. Однако такой инструмент может потребовать закупоривания трубчатой скважинной конструкции ниже по стволу скважины от указанных двух кольцевых перегородок или перегородок 1, предназначенных для ввода в действие. Для расширения манжеты в системе с использованием кольцевых перегородок согласно изобретению может также использоваться буровая труба или спускаемый на тросе инструмент.

В одном варианте осуществления изобретения инструмент включает в себя резервуар, содержащий текучую среду повышенного давления, например, когда текучая среда, используемая для расширения манжеты 3, представляет собой цемент, газ или двухкомпонентный компаунд.

Трубчатая скважинная конструкция может представлять собой эксплуатационную насосно-компрессорную колонну, обсадную колонну или подобный трубопровод в скважине или в стволе скважины. Кольцевая перегородка 1 может использоваться между внутренней насосно-компрессорной колонной и наружной трубой в стволе скважины или между трубой и внутренней стенкой ствола скважины. В скважине могут находиться несколько видов труб, и предлагаемая кольцевая перегородка 1 может устанавливаться для использования со всеми видами труб.

В качестве клапана возможно применение любого клапана регулировки расход, например, это может быть шаровой клапан, клапан с поворотной заслонкой, дроссельный клапан, запорный или невозвратный клапан, мембранный клапан, отсечной клапан, клапан с задвижкой, запорно-регулирующий клапан, клапан ножевого типа, игольчатый клапан, поршневой клапан, шланговый пережимной клапан, пробковый клапан.

Расширяемая трубчатая манжета 3 может иметь холоднокатаную и горячекатаную трубчатую конструкцию. Манжета может быть бесшовной или сварной.

Расширяемая трубчатая металлическая манжета 3 можно изготовить экструдированием, литьем под давлением или прокаткой, например горячей прокаткой, холодной прокаткой, гибкой и т.д., и затем сварена.

В качестве текучей среды, используемой для расширения расширяемой манжеты 3, может использоваться любого рода текучая среда, присутствующая в стволе скважины, окружающей инструмент и/или трубчатую скважинную конструкцию. В качестве текучей среды возможны также цемент, газ, вода, полимеры или двухкомпонентный компаунд, например, порошок или частицы, смешиваемые или вступающие в реакцию со связующим или отверждающим агентом. Часть текучей среды, например, отверждающий агент может быть помещена в пространство кольцевой перегородки перед вводом в это пространство еще одной текучей среды.

Выше приведено описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения, и специалисту в данной области будет очевидна возможность различных изменений и модификация изобретения в пределах объема притязаний, определяемых прилагаемой формулой изобретения.

Группа изобретений относится к кольцевым перегородкам, системам с использованием кольцевых перегородок, способам размещения и использования кольцевых перегородок. Техническим результатом является создание кольцевой перегородки, расширяемой без повреждения других компонентов в скважине. Кольцевая перегородка, расширяемая в затрубном пространстве между трубчатой скважинной конструкцией и внутренней стенкой ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной ствола скважины, содержащая: трубчатую часть, предназначенную для установки в качестве части трубчатой конструкции скважинной конструкции и имеющую отверстие расширения; расширяемую манжету, окружающую указанную трубчатую часть, причем каждый конец расширяемой манжеты соединен с трубчатой частью; и пространство кольцевой перегородки между трубчатой частью и расширяемой манжетой, причем кольцевая перегородка дополнительно содержит средство усиления давления, снабженное входом на первом конце, имеющим жидкостное соединение с отверстием расширения, и выходом на втором конце, имеющим жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки, причем средство усиления давления содержит поршень, имеющий первый конец и второй конец и установленный с возможностью скольжения в корпусе поршня, причем корпус поршня содержит первый цилиндр, имеющий первый внутренний диаметр, который соответствует наружному диаметру первого конца поршня и имеет площадь поверхности первого конца, и второй цилиндр, имеющий второй диаметр, который соответствует наружному диаметру второго конца поршня и имеет площадь поверхности второго конца, причем площадь поверхности первого конца больше площади поверхности второго конца. Средство усиления давления дополнительно содержит канал подачи текучей среды, имеющий жидкостное соединение с указанным входом и отверстием расширения для пропускания текучей среды во второй цилиндр, причем средство усиления давления дополнительно содержит первый односторонний обратный клапан, размещенный в канале подачи текучей среды для предотвращения выхода текучей среды из второго цилиндра при сжатии текучей среды поршнем и для пропускания текучей среды во второй цилиндр при уменьшении сжатия текучей среды посредством поршня. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кольцевая перегородка (1), расширяемая в затрубном пространстве (101) между трубчатой скважинной конструкцией (300) и внутренней стенкой (4) ствола (100) скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной (102) и второй зоной (103) ствола скважины, содержащая:
- трубчатую часть (2), предназначенную для установки в качестве части трубчатой конструкции скважинной конструкции (300) и имеющую отверстие (9) расширения;
- расширяемую манжету (3), окружающую указанную трубчатую часть, причем каждый конец (31, 32) расширяемой манжеты соединен с трубчатой частью; и
- пространство (30) кольцевой перегородки между трубчатой частью (2) и расширяемой манжетой (3),
причем кольцевая перегородка дополнительно содержит средство (10) усиления давления, снабженное входом (11) на первом конце (10a), имеющим жидкостное соединение с отверстием (9) расширения, и выходом (12) на втором конце (10b), имеющим жидкостное соединение с пространством кольцевой перегородки, причем средство (10) усиления давления содержит поршень (60), имеющий первый конец (601) и второй конец (602) и установленный с возможностью скольжения в корпусе (61) поршня, причем корпус поршня содержит первый цилиндр (65), имеющий первый внутренний диаметр, который соответствует наружному диаметру первого конца поршня и имеет площадь (A1) поверхности первого конца, и второй цилиндр (66), имеющий второй диаметр, который соответствует наружному диаметру второго конца поршня и имеет площадь (A2) поверхности второго конца, причем площадь (A1) поверхности первого конца больше площади (A2) поверхности второго конца,
отличающаяся тем, что средство (10) усиления давления дополнительно содержит канал (75) подачи текучей среды, имеющий жидкостное соединение с указанным входом и отверстием расширения для пропускания текучей среды во второй цилиндр (66), причем средство усиления давления дополнительно содержит первый односторонний обратный клапан (69), размещенный в канале (75) подачи текучей среды для предотвращения выхода текучей среды из второго цилиндра (66) при сжатии текучей среды поршнем (60) и для пропускания текучей среды во второй цилиндр (66) при уменьшении сжатия текучей среды посредством поршня (60).

2. Кольцевая перегородка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что средство (10) усиления давления дополнительно содержит второй односторонний обратный клапан (63), размещенный между каналом (75) подачи текучей среды и выходом (12) средства (10) усиления давления для предотвращения попадания текучей среды повышенного давления во второй цилиндр (66) при уменьшении сжатия текучей среды посредством поршня (60) и для выпускания текучей среды повышенного давления из средства (10) усиления давления через выход (12) при сжатии текучей среды поршнем (60).

3. Кольцевая перегородка (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что средство (10) усиления давления содержит множество средств (10c, 10d, 10e, 10f) усиления давления.

4. Кольцевая перегородка (1) по п. 3, отличающаяся тем, что выход (12) средства (10) усиления давления содержит камеру (72) накопления давления, имеющую жидкостное соединение с множеством вторых концов (601) множества поршней (60) и жидкостное соединение с пространством (30) кольцевой перегородки.

5. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что между средством усиления давления и стволом скважины имеется канал (13) избытка текучей среды, пропускающий текучую среду из средства усиления давления в ствол скважины.

6. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что средство усиления давления содержит полость (62) внутри указанного корпуса поршня между первым концом и вторым концом поршня.

7. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, дополнительно содержащая односторонний клапан (64), имеющий жидкостное соединение со стволом скважины и пространством (30) кольцевой перегородки и пропускающий текучую среду из ствола скважины в пространство (30) кольцевой перегородки.

8. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что кольцевая перегородка содержит первое и второе средства (10c, 10d) усиления давления, установленные последовательно, причем первое средство (10c) усиления давления содержит первый вход (11a) и первый выход (12c), причем первый вход (11a) имеет жидкостное соединение с отверстием (9) расширения, причем второе средство (10d) усиления давления содержит второй вход (11d) и второй выход (12d), причем второй выход (12d) имеет жидкостное соединение с пространством (30) кольцевой перегородки.

9. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что кольцевая перегородка (1) содержит первое и второе средства (10c, 10d) усиления давления, а также по меньшей мере одно промежуточное средство (10f) усиления давления, установленные последовательно, причем первое средство усиления давления содержит первый вход (11a) и первый выход (12c), причем первый вход имеет жидкостное соединение с отверстием (9) расширения, причем второе средство (10d) усиления давления содержит второй вход (11d) и второй выход (12d), причем второй выход имеет жидкостное соединение с пространством (30) кольцевой перегородки, причем указанное по меньшей мере одно промежуточное средство (10f) усиления давления содержит промежуточный вход (11f), имеющий жидкостное соединение с первым выходом (12c), и промежуточный выход (12f), имеющий жидкостное соединение со вторым входом (11d).

10. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что средство усиления давления содержит гидравлический усилитель давления.

11. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что средство усиления давления содержит гидравлический усилитель давления с поршнем двустороннего действия.

12. Кольцевая перегородка (1) по любому из пп. 1, 2 или 4, отличающаяся тем, что второе средство (10e) усиления давления установлено на конце кольцевой перегородки на противоположной стороне от средства (10) усиления давления.

13. Система (500) с использованием кольцевых перегородок, содержащая:
- трубчатую скважинную конструкцию (300) и
- по меньшей мере одну кольцевую перегородку (1) по любому из пп. 1-12, установленную как часть указанной трубчатой скважинной конструкции.

14. Способ размещения кольцевой перегородки (1) по любому из пп. 1-12 в затрубном пространстве, содержащий следующие этапы:
- соединяют кольцевую перегородку с трубчатой скважинной конструкцией (300),
- размещают нерасширенную кольцевую перегородку в заданном местоположении в скважине,
- повышают давление текучей среды внутри трубчатой части,
- усиливают давление в пространстве (30) кольцевой перегородки с помощью средства усиления давления и
- расширяют расширяемую манжету.

15. Способ использования кольцевых перегородок по п. 1 в затрубном пространстве для герметизации секции контроля притока, содержащий следующие этапы:
- соединяют две кольцевые перегородки с трубчатой скважинной конструкцией (300) и между ними с секцией (600) контроля притока,
- размещают две кольцевые перегородки и секцию контроля притока в заданном местоположении скважины,
- повышают давление в трубчатой части (2) и расширяют кольцевые перегородки посредством текучей среды повышенного давления изнутри трубчатой части для обеспечения изоляции зоны между первой зоной (102) и второй зоной (103) ствола скважины, причем первая зона имеет первое давление текучей среды, а вторая зона имеет второе давление текучей среды,
- прекращают повышать давление в трубчатой части и
- активируют секцию контроля притока, чтобы начать выпуск текучей среды в трубчатую скважинную конструкцию.