ЗАТРУБНЫЙ БАРЬЕР С ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МУФТОЙ Российский патент 2017 года по МПК E21B33/127 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к затрубному барьеру, предназначенному для разжимания в затрубном пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной ствола скважины.

Уровень техники

Затрубные барьеры используют в стволах скважин для различных задач, например для обеспечения изолирующего барьера. Затрубный барьер имеет трубчатую часть, установленную в качестве части трубчатой конструкции скважины, например эксплуатационной обсадной трубы, окруженной кольцевой разжимной муфтой. Разжимная муфта обычно выполнена из эластомерного материала или металла. Муфта прикреплена со своих концов к трубчатой части затрубного барьера.

Для того чтобы герметизировать зону между трубчатой конструкцией скважины и стволом скважины или внутренней и наружной трубчатой конструкцией, используют второй затрубный барьер. Первый затрубный барьер разжимают с одной стороны подлежащей герметизации зоны, а второй затрубный барьер разжимают с другой стороны данной зоны, обеспечивая, таким образом, герметизацию зоны.

Диапазон давлений скважины определяется характеристиками устойчивости к разрыву трубного и скважинного оборудования и так далее, используемых в конструкции скважины. В некоторых ситуациях разжимная муфта затрубного барьера может быть разжата путем увеличения давления внутри скважины, что является наиболее эффективным способом разжимания муфты с точки зрения затрат.

Для разжимания разжимной муфты путем повышения давления внутри скважины требуется наличие высокого давления разжимания. Использование такого высокого давления разжимания вызывает воздействие на разжимную муфту значительных сил напряжения, и разжимная муфта во время разжимания может разрываться. Разрыв разжимной муфты является очень нежелательным, поскольку наружная часть скважинной обсадной трубы, то есть пространство ствола скважины, становится соединенным с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью скважинной обсадной трубы, тем самым загрязняя буровые текучие среды, например сырую нефть, текучими средами, содержащими меньшее количество нефти, например, буровым раствором.

Разжатые затрубные барьеры могут быть подвергнуты постоянному давлению или периодическому высокому давлению снаружи, либо в виде гидравлического давления в среде скважины, либо в виде пластового давление. В некоторых ситуациях, такое давление может вызывать сжатие затрубного барьера, что может иметь серьезные последствия для области, которая должна быть герметизирована барьером, поскольку герметизирующие свойства утрачиваются в результате сжатия. Следовательно, затрубные барьеры предназначены для того, чтобы выдерживать большое давление с тем, чтобы избежать сжатия. Способность разжатой муфты затрубного барьера выдерживать давление сжатия называется устойчивостью к сжатию.

Таким образом, на способность разжатой муфты затрубного барьера выдерживать как давление разжимания во время разжимания затрубного барьера, так и давление сжатия в течение срока службы затрубного барьера, который может легко превышать 20 лет, влияет большое количество параметров, например прочность материала, толщина стенки, площадь поверхности, подвергающейся воздействию давления сжатия, температура, скважинные текучие среды и так далее. Таким образом, для повышения сопротивления разрыву и сжатию затрубного барьера разжимные муфты обычно выполняют более толстыми и даже укрепляют укрепляющими элементами для того, чтобы избежать сжатия. Однако разрыв разжимной муфты обычно обусловлен имеющимися в материале неоднородностями, приводящими к наличию «слабой области» на разжимной муфте, и, следовательно, даже наиболее прочные разжимные муфты при разжимании посредством имеющегося в скважине давления разжимания могут разрываться по причине наличия данных «слабых областей». Изготовление «совершенной» разжимной муфты без каких-либо «слабых областей» практически невозможно даже при использовании современных технологий синтеза материалов высокого стандарта, по меньшей мере в условиях крупномасштабного производства при изготовлении затрубных барьеров для нефтедобывающей промышленности в больших количествах.

Следовательно, существует потребность в создании решения, в котором затрубный барьер усовершенствован таким образом, что он не разрывается во время разжимания или сжатия из разжатого состояния, и в котором нет необходимости увеличения толщины разжимной муфты до той степени, когда разжимная муфта не может быть увеличена в объеме имеющимся в скважине давлением разжимания.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является полное или частичное преодоление упомянутых выше недостатков известных из уровня техники решений. Более конкретно, задача состоит в создании решения для усовершенствованного затрубного барьера, который не разрывается во время разжимания и сохраняет при этом необходимую устойчивость к сжатию.

Упомянутые выше задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и признаки, очевидные из приведенного ниже описания, выполнены посредством решения согласно данному изобретению с помощью затрубного барьера, предназначенного для разжимания в затрубном пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной ствола скважины, содержащего:

- трубчатую часть для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины;

- разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть и имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность, обращенную к внутренней стенке ствола скважины, причем каждый конец разжимной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью;

- пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью; и

- отверстие разжимания в трубчатой части, через которое в пространство может поступать текучая среда для того, чтобы разжимать разжимную металлическую муфту;

причем затрубный барьер дополнительно содержит первую предохранительную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть и упирающуюся в разжимную металлическую муфту, при этом упомянутая первая предохранительная металлическая муфта имеет первую внутреннюю поверхность, упирающуюся в поверхность разжимной металлической муфты, причем каждый конец первой предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью.

В одном варианте осуществления изобретения муфты могут иметь длину, причем первая поверхность первой предохранительной металлической муфты может упираться в поверхность разжимной металлической муфты по всей длине разжимной металлической муфты.

Помимо этого, первая предохранительная металлическая муфта может иметь первую внутреннюю поверхность, упирающуюся в наружную поверхность разжимной металлической муфты.

Затрубный барьер, описанный выше, может дополнительно содержать вторую предохранительную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть, причем разжимная металлическая муфта и упомянутая вторая предохранительная металлическая муфта имеют вторую внутреннюю поверхность, обращенную к предохранительной металлической муфте, при этом каждый конец второй предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью.

Также, затрубный барьер, описанный выше, может содержать третью предохранительную металлическую муфту, причем упомянутая третья предохранительная металлическая муфта имеет третью внутреннюю поверхность, обращенную ко второй наружной поверхности второй предохранительной металлической муфты, при этом каждый конец третьей предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью.

Дополнительно, затрубный барьер, описанный выше, может содержать множество дополнительных предохранительных металлических муфт, окружающих трубчатую часть и предохранительные металлические муфты, представляющие собой первую и вторую предохранительную металлическую муфту, и соединенных с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью.

Дополнительно, разжимная металлическая муфта и предохранительная металлическая муфта могут иметь различные требуемые давления разжимания, то есть давление, требуемое для разжимания одной муфты, может отличаться от муфты к муфте.

Помимо этого, разжимная металлическая муфта и предохранительная металлическая муфта могут быть выполнены из различных материалов.

Упомянутые муфты могут иметь толщину, причем толщина разжимной металлической муфты может быть больше, чем толщина предохранительной металлической муфты.

Также, муфты могут иметь толщину, причем толщина первой предохранительной металлической муфты меньше, чем толщина разжимной металлической муфты, и больше, чем толщина второй предохранительной муфты.

Кроме того, муфты могут иметь толщину, причем толщина первой предохранительной металлической муфты меньше, чем толщина разжимной металлической муфты, и меньше, чем толщина второй предохранительной муфты.

Кроме того, предохранительная металлическая муфта может иметь более высокую способность к деформации, чем разжимная металлическая муфта.

Разжимная металлическая муфта может иметь более высокий предел прочности, чем предохранительная металлическая муфта.

Более конкретно, толщина разжимной металлической муфты может быть по меньшей мере на 10% больше, чем толщина предохранительной металлической муфты (муфт), предпочтительно по меньшей мере на 15% больше, чем толщина предохранительной металлической муфты (муфт), более предпочтительно по меньшей мере на 20% больше, чем толщина предохранительной металлической муфты (муфт).

В варианте осуществления изобретения первая предохранительная металлическая муфта может быть выполнена из материала, имеющего относительное удлинение, составляющее более чем 10% относительного удлинения материала разжимной металлической муфты.

Также, одна из предохранительных металлических муфт может быть выполнена из материала, более способного к деформации, чем материал разжимной металлической муфты.

Упомянутая разжимная металлическая муфта может иметь длину, по существу равную длине первой и второй муфты в неразжатом состоянии затрубного барьера.

Дополнительно, разжимная металлическая муфта может быть выполнена из материала, имеющего более высокий предел прочности, чем предел прочности материала первой и/или второй предохранительной металлической муфты.

Дополнительно, разжимная металлическая муфта может быть выполнена из материала, имеющего предел прочности, который по меньшей мере на 10% выше, чем предел прочности материала первой и/или второй муфты, предпочтительно по меньшей мере на 15% выше, более предпочтительно по меньшей мере на 20% выше, чем предел прочности материала первой и/или второй муфты.

Помимо этого, разжимная металлическая муфта может иметь неразжатый наружный диаметр и разжатый наружный диаметр, причем разжатый диаметр разжимной металлической муфты по меньшей мере на 10% больше, чем неразжатый диаметр, предпочтительно по меньшей мере на 15% больше, чем неразжатый диаметр, более предпочтительно по меньшей мере на 30% больше, чем неразжатый диаметр.

Вторая муфта может иметь окружающие элементы, ограничивающие свободное разжимание по меньшей мере второй предохранительной муфты.

В варианте осуществления изобретения дополнительный герметизирующий элемент, окружающий ближайшую к наружному краю предохранительную муфту, может содержать промежуточный слой эластомера, резины или полимера, расположенный между ближайшей к наружному краю предохранительной металлической муфтой и муфтой герметизирующего элемента.

Кроме того, предохранительная металлическая муфта, ближайшая к внутренней стенке ствола скважины, может быть выполнена из герметизирующего металлического материала.

Также, предохранительная металлическая муфта, ближайшая к внутренней стенке ствола скважины, может содержать по меньшей мере один герметизирующий элемент.

Наконец, затрубный барьер согласно данному изобретению может дополнительно содержать защитный слой из тонких пластин на наружной поверхности предохранительной металлической муфты, ближайшей к внутренней стенке ствола скважины.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его многочисленные преимущества описаны ниже более подробно со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых с иллюстративной целью показаны некоторые не ограничивающие варианты осуществления изобретения, и на которых:

на фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления затрубного барьера в неразжатом состоянии;

на фиг. 2 изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 1, в разжатом состоянии;

на фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления другого варианта осуществления затрубного барьера в неразжатом состоянии, содержащего вторую предохранительную металлическую муфту;

на фиг. 4 изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 3, в разжатом состоянии;

на фиг. 5 показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления другого варианта осуществления затрубного барьера в неразжатом состоянии, дополнительно содержащего третью предохранительную металлическую муфту;

на фиг. 6а изображен вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления известного варианта затрубного барьера, содержащего одну разжимную металлическую муфту в неразжатом состоянии;

на фиг. 6b показан известный затрубный барьер, изображенный на фиг. 6а, в промежуточном состоянии во время разжимания затрубного барьера;

на фиг. 6с изображен известный затрубный барьер, показанный на фиг. 6а и 6b, в разжатом состоянии, содержащий разорванную разжимную металлическую муфту;

на фиг. 7а показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления другого варианта осуществления затрубного барьера, содержащего разжимную металлическую муфту и первую предохранительную муфту в неразжатом состоянии;

на фиг. 7b изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 7а, в промежуточном состоянии во время разжимания затрубного барьера;

на фиг. 7с показан затрубный барьер, изображенный на фиг. 7а и 7b, в разжатом состоянии;

на фиг. 8а изображен вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления другого варианта осуществления затрубного барьера, содержащего разжимную металлическую муфту, первую предохранительную муфту и вторую предохранительную металлическую муфту в неразжатом состоянии;

на фиг. 8b показан затрубный барьер, изображенный на фиг. 8а, в промежуточном состоянии во время разжимания затрубного барьера;

на фиг. 8с изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 8а и 8b, в разжатом состоянии; и

на фиг. 9 показан известный затрубный барьер, содержащий герметизирующий элемент.

Все чертежи являются очень схематическими и не обязательно выполнены в масштабе, при этом на них показаны только те части, которые необходимы для пояснения изобретения, при этом другие части не показаны или показаны без объяснения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления затрубного барьера 1 в неразжатом состоянии. Затрубный барьер 1 обладает вращательной симметрией вокруг центральной оси вращения 18. Затрубный барьер предназначен для разжимания в затрубном пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины. На фиг. 2 изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 1, в разжатом состоянии, обеспечивающий при этом изоляцию зоны между первой зоной 200 и второй зоной 300 ствола 5 скважины. Затрубный барьер 1 содержит трубчатую часть 6 для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины и разжимную металлическую муфту 7, окружающую трубчатую часть 6. Разжимная металлическая муфта имеет внутреннюю поверхность 7а, обращенную к трубчатой части, причем каждый конец 71, 72 разжимной металлической муфты соединен с соединительной частью 12, соединенной с трубчатой частью, тем самым ограничивая пространство 13 между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты 7 и трубчатой частью. Пространство 13 ограничено разжимной металлической муфтой, соединительными частями 12 и трубчатой частью 6. Затрубный барьер дополнительно содержит первую предохранительную металлическую муфту 8, окружающую трубчатую часть и упирающуюся в разжимную металлическую муфту 7. Первая предохранительная металлическая муфта имеет первую внутреннюю поверхность 8а, упирающуюся в наружную поверхность 7b разжимной металлической муфты, причем каждый конец 81, 82 первой предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью 12, соединенной с трубчатой частью. Трубчатая часть 6 содержит отверстие 11 разжимания, обеспечивающее поступление текучей среды в пространство 13 во время разжимания затрубного барьера 1. Внутренняя поверхность первой предохранительной металлической муфты 8 упирается и находится в контакте с поверхностью разжимной металлической муфты по всей длине разжимной металлической муфты в ее неразжатом состоянии. В разжатом состоянии и неразжатом состоянии наружная поверхность 8b первой предохранительной металлической муфты упирается во внутреннюю стенку ствола скважины, и во время разжимания предохранительная металлическая муфта ограничивает свободное перемещение разжимной металлической муфты. Кроме того, усилие, приложенное к разжимной металлической муфте 7, передается к предохранительной металлической муфте 8 посредством разжимной металлической муфты, что приводит к более равномерному распределению усилия, приложенного к предохранительной металлической муфте, чем когда оно приложено к разжимной металлической муфте.

На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе вдоль продольного направления затрубного барьера 1, дополнительно содержащего вторую предохранительную металлическую муфту 9, окружающую трубчатую часть, разжимную металлическую муфту 7 и первую предохранительную металлическую муфту 8. Вторая предохранительная металлическая муфта 9 имеет вторую внутреннюю поверхность 9а, обращенную к первой предохранительной металлической муфте 8, причем каждый конец 91, 92 второй предохранительной металлической муфты 9 соединен с соединительной частью 12, которая, в свою очередь, соединена с трубчатой частью. Трубчатая часть 6 содержит отверстие 11 разжимания, обеспечивающее поступление текучей среды в пространство 13 во время разжимания затрубного барьера 1. На фиг. 4 изображен затрубный барьер, показанный на фиг. 3, в разжатом состоянии, обеспечивающий при этом изоляцию зоны между первой зоной 200 и второй зоной 300 ствола 5 скважины.

На фиг. 5 показан затрубный барьер, дополнительно содержащий дополнительную предохранительную металлическую муфту 10. Затрубный барьер 1, показанный на фиг. 5, содержит одну дополнительную предохранительную металлическую муфту 10, первую и вторую предохранительную металлическую муфту 8, 9 и разжимную металлическую муфту 7, но может быть добавлено еще больше дополнительных предохранительных металлических муфт, позволяющих избежать разрыва затрубного барьера.

При использовании нескольких дополнительных предохранительных металлических муфт, подобных показанной на фиг. 5, затрубный барьер может быть оптимизирован путем использования предохранительных металлических муфт с различным требуемым давлением разжимания так, что находящиеся на периферии муфты имеют более низкое требуемое давление разжимания, чем более центральные муфты. Если предохранительные металлические муфты имеют более низкое требуемое давление разжимания, например, поскольку они тоньше, чем разжимная металлическая муфта, подобная показанной на фиг. 1 и 2, давление, требуемое для разжимания затрубного барьера, может быть снижено. Вместо изменения толщины предохранительных металлических муфт и разжимной металлической муфты, муфты могут быть выполнены из различных материалов для того, чтобы обеспечить разницу в требуемом давлении разжимания, например, одна муфта может быть адаптирована так, что для нее требуется меньшее давление разжимания, чем для другой муфты, по причине использования двух различных материалов. Кроме того, различные материалы могут быть использованы для того, чтобы обеспечить материал, обладающий очень высокой способностью к деформации, в ближайших к наружному краю муфтах, чтобы предотвратить сужение ближайших к наружному краю муфт во время разжимания. С другой стороны, ближайшие к центру муфты, например разжимная металлическая муфта и первая предохранительная металлическая муфта, могут быть выполнены из материала, обладающего более низкой способностью к деформации, который может противостоять более высокому наружному давлению снаружи затрубного барьера, например, внезапным изменениям давления в стволе скважины. Поскольку при приложении давления снаружи ближайшие к наружному краю муфты поддерживаются ближайшими к центру муфтами, важна способность ближайших к центру муфт противостоять такому давлению, когда необходимо наличие затрубного барьера с высоким давлением сжатия.

Толщина разжимной металлической муфты, показанной на фиг. 5, по существу уменьшена по сравнению с разжимными металлическими муфтами, показанными на фиг. 1-4. Когда количество предохранительных металлических муфт увеличивается, суммарная прочность затрубного барьера увеличивается, а толщина разжимной металлической муфты 7 может быть уменьшена для того, чтобы уменьшить общую толщину муфт.

Затрубный барьер может содержать несколько дополнительных предохранительных металлических муфт 10, например, три дополнительные предохранительные металлические муфты 10, например, четыре дополнительные предохранительные металлические муфты 10, например, пять дополнительных предохранительных металлических муфт 10, или даже большее количество дополнительных предохранительных металлических муфт.

На фиг. 6а-6с показан известный затрубный барьер, содержащий разжимную металлическую муфту 7 без предохранительных металлических муфт. Разжимная металлическая муфта 7 имеет слабую область 17а, например, утончение, область с одной или большим количеством трещин, область со сниженной прочностью, обусловленной составом материала и/или область с примесями. Когда затрубный барьер, имеющий данную слабую область, разжимают, разжимная металлическая муфта начинает деформироваться более быстрым образом вокруг слабой области 17а и вспучивается по причине пониженной прочности данной слабой области, как изображено на фиг. 6b. Более быстрое разжимание материала вокруг слабой области приводит к созданию "пузыря" на разжимной металлической муфте 7 вблизи слабой области. Поскольку материал вокруг слабой области разжимается более быстрым образом, чем остальной материал разжимной металлической муфты, разжимная металлическая муфта утончается в данной области, и вблизи слабой области 17а более вероятно возникновение трещины 20, приводящей по меньшей мере к локальному разрыву, или круговому разрыву затрубного барьера, как показано на фиг. 6а. На фиг. 7а-7с показан затрубный барьер, содержащий разжимную металлическую муфту 7 и первую предохранительную металлическую муфту 8. Как изображено на фиг. 7а, разжимная металлическая муфта 7 имеет слабую область 17а, возникновение которой наиболее вероятно во время процесса изготовления разжимной металлической муфты. Даже если первая предохранительная металлическая муфта также имеет слабую область 17b, маловероятно, что она расположена напротив слабой области разжимной металлической муфты. Когда затрубный барьер, изображенный на фиг. 7а, разжат, как показано на фиг. 7b, предохранительная металлическая муфта 8 скрепляет и поддерживает слабую область 17а разжимной металлической муфты, так что она не может вспучиться и сформировать пузырь 21, например, как показано на фиг. 6b. Таким образом, предохранительная металлическая муфта препятствует свободному перемещению разжимной металлической муфты, но управляет процессом разжимания разжимной металлической муфты так, чтобы он происходил более равномерно. Кроме того, усилие со стороны текучей среды разжимания в пространстве 13 будет приложено к внутренней поверхности 7а разжимной металлической муфты 7, и поскольку предохранительная металлическая муфта упирается в разжимную металлическую муфту, усилие, действующее на предохранительную металлическую муфту, будет приложено непосредственно разжимной металлической муфтой. Следовательно, если предохранительная металлическая муфта 8 содержит слабую область 17b, часть разжимной металлической муфты, близкая к слабой области, будет скреплять слабую область 17b предохранительной металлической муфты так, что пузырь на предохранительной металлической муфте также не сформируется. Усилие, действующее на предохранительную металлическую муфту, распределено равномерно по предохранительной металлической муфте посредством разжимной металлической муфты, и, следовательно, к части предохранительной металлической муфты, которая не находится в контакте с разжимной металлической муфтой, не будет приложено усилие до тех пор, пока разжимная металлическая муфта не будет находиться снова в контакте с данной частью предохранительной металлической муфты. Следовательно, никакого вспучивания предохранительной металлической муфты происходить не может, поскольку никакого усилия, приводящего к последующему разрыву предохранительной металлической муфты, не будет приложено к немного вспучившейся части.

Предохранительная металлическая муфта, показанная на фиг. 7а-7b, тоньше, чем разжимная металлическая муфта, например, предохранительная металлическая муфта может иметь толщину 0,5-1,0 мм, а разжимная металлическая муфта может иметь толщину 5-10 мм и, следовательно, посредством добавления только одной тонкой наружной муфты вероятность растрескивания разжимной металлической муфты во время разжимания значительно сокращается без значительного увеличения суммарной толщины затрубного барьера.

На фиг. 8а-8с показан затрубный барьер, содержащий разжимную металлическую муфту 7, первую предохранительную металлическую муфту 8 и вторую предохранительную металлическую муфту 9. Как изображено на фиг. 8а, разжимная металлическая муфта 7 имеет слабую область 17а, а первая предохранительная металлическая муфта 8 имеет слабую область 17b и вторая предохранительная металлическая муфта 9 имеет слабую область 17с. Увеличение количества предохранительных металлических муфт снижает вероятность того, что все муфты будут иметь слабую область вблизи друг друга. Если все муфты имеют слабые области, близкие друг к другу, ситуация напоминает ситуацию, изображенную на фиг. 6а, когда только одна муфта, содержащая слабую область, составляет разжимаемый участок затрубного барьера. Следовательно, обеспечение наличия предохранительной металлической муфты значительно снижает вероятность разрывания разжимной металлической муфты во время разжимания, а добавление большего количества предохранительных металлических муфт еще больше минимизирует данную вероятность. При наличии затрубного барьера, в котором разжимная металлическая муфта 7 имеет слабую область 17а, близкую или даже точно совпадающую со слабой областью 17b на первой предохранительной металлической муфте, две внутренние муфты, то есть разжимная металлическая муфта и первая предохранительная металлическая муфта, все же укреплены посредством второй предохранительной металлической муфты, что обеспечивает ситуацию, в которой не происходит образования «пузыря». Поскольку затрубный барьер имеет большую площадь поверхности, и слабые области муфт при современных технологиях изготовления обычно очень небольшие и распространены на этой большой площади поверхности, вероятность того, что две слабые области перекрываются, очень мала. Однако добавление еще одной предохранительной металлической муфты, как изображено на фиг. 8а-8с, или даже третьей предохранительной металлической муфты, как показано на фиг. 5, практически исключает вероятность того, что слабые области перекрываются, поскольку данная возможность обычно может быть снижена на несколько порядков для каждой дополнительной предохранительной металлической муфты.

На фиг. 9 показан затрубный барьер 400, содержащий элемент 40 разжимной металлической муфты, окружающий трубчатую секцию 41, и дополнительный элемент 42 наружной муфты, частично окружающий элемент 40 разжимной металлической муфты и образующий пространство 43, заполненное герметизирующим материалом 44, например полимерным материалом. Данное известное решение, как считается, обеспечивает лучшую герметизацию между внутренней стенкой 4 ствола скважины и внутренним пространством эксплуатационной обсадной трубы 46. Однако, как показано на фиг. 9, если элемент разжимной металлической муфты содержит слабую область 45, элемент 40 разжимной металлической муфты может все же разрываться во время разжимания, поскольку внутри пространства 43 может начать формироваться пузырь или вспучивание и сместить полимерный материал и, в конечном счете, привести к возникновению трещины в герметизирующем элементе 40 разжимной металлической муфты. Следовательно, сопротивление сжатию элемента разжимной металлической муфты значительно снижено. Когда полимерный материал уходит из пространства 43 через отверстие в дополнительном элементе наружной муфты, барьер начинает протекать, поскольку текучая среда под давлением, которая разжимает элемент разжимной металлической муфты, выталкивается через полимерный материал и наружу через отверстие, и герметизация никогда не сформируется.

Затрубный барьер согласно данному изобретению может быть усовершенствован в отношении его герметизирующих свойств в направлении к внутренней стенке 4 ствола скважины путем добавления дополнительного герметизирующего элемента, окружающего ближайшую к наружному краю предохранительную муфту и содержащего промежуточный слой эластомера, резины или полимера, расположенный между ближайшей к наружному краю предохранительной металлической муфтой и муфтой герметизирующего элемента. Также, к затрубному барьеру могут быть добавлены другие известные герметизирующие элементы, окружающие ближайшую к наружному краю предохранительную муфту, для улучшения герметизирующих свойств затрубного барьера.

Также, ближайшая к наружному краю предохранительная металлическая муфта может быть выполнена из герметизирующего металлического материала или содержать его. Если дополнительные герметизирующие элементы, окружающие ближайшую к наружному краю предохранительную металлическую муфту, являются неподходящими по другим причинам, например, при ограниченном пространстве в затрубном пространстве, ближайшая к наружному краю предохранительная металлическая муфта может быть выполнена из материала, имеющего хорошие герметизирующие свойства, например высокую способность к деформации.

Также, затрубный барьер может содержать ограничение свободного разжимания муфт.

Разжимная металлическая муфта 7 и дополнительные предохранительные металлические муфты 8, 9, 10 могут быть выполнены из различных материалов, одни из которых имеют более высокую прочность и тем самым более низкую способность к деформации, чем другие материалы, имеющие более низкую прочность, но более высокую способность к деформации. Таким образом, затрубный барьер может содержать материал, адаптированный для обеспечения высокой прочности или высокой способности к деформации в предпочтительном сочетании. После разжимания суммарный эффект состоит в том, что затрубный барьер обладает более высоким сопротивлением сжатия и более высоким сопротивлением к разрыву во время разжимания.

Также, металл, используемый для муфты, может иметь относительное удлинение 10-35%, предпочтительно 25-35%. Металл может иметь предел прочности (при холодной деформации) 500-1000 МПа, предпочтительно 500-700 МПа. Муфты могут представлять собой холоднотянутые или горячетянутые трубные конструкции.

Толщина разжимной металлической муфты может быть предпочтительно по меньшей мере на 10% больше, чем толщина предохранительных металлических муфт, более предпочтительно по меньшей мере на 15% больше, чем толщина предохранительных металлических муфт, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20% больше, чем толщина предохранительных металлических муфт.

Толщина предохранительной металлической муфты может составлять от 0,5 мм до 5 мм, а толщина разжимной металлической муфты может составлять от 5 мм до 20 мм.

Кроме того, предохранительные металлические муфты могут предпочтительно быть выполнены из материала, имеющего относительное удлинение, составляющее более чем 10% относительного удлинения материала разжимной металлической муфты.

Затрубный барьер может предпочтительно содержать разжимную металлическую муфту, выполненную из материала, имеющего предел прочности, который по меньшей мере на 10% выше, чем предел прочности материала первой и/или второй предохранительной металлической муфты, более предпочтительно по меньшей мере на 15% выше, еще более предпочтительно по меньшей мере на 20% выше, чем предел прочности материала первой и/или второй предохранительной металлической муфты.

Также, разжимная металлическая муфта может иметь неразжатый наружный диаметр и разжатый наружный диаметр, причем разжатый диаметр разжимной металлической муфты по меньшей мере на 10% больше, чем неразжатый диаметр, предпочтительно по меньшей мере на 15% больше, чем неразжатый диаметр, более предпочтительно по меньшей мере на 30% больше, чем неразжатый диаметр.

Хотя изобретение описано выше применительно к предпочтительным вариантам осуществления изобретения, специалисту в области техники очевидно, что возможно несколько модификаций, не выходящих за пределы объема правовой охраны данного изобретения, определенного нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к затрубным барьерам. Техническим результатом является сокращение вероятности растрескивания разжимной металлической муфты во время разжимания без значительного увеличения суммарной толщины затрубного барьера. Затрубный барьер предназначен для разжимания в затрубном пространстве между трубчатой конструкцией скважины и внутренней стенкой ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной ствола скважины и содержит трубчатую часть для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины, разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть и имеющую внутреннюю поверхность, обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность, обращенную к внутренней стенке ствола скважины. Каждый конец разжимной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью. Затрубный барьер содержит пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью и отверстие разжимания в трубчатой части, через которое в пространство может поступать текучая среда для того, чтобы разжимать разжимную металлическую муфту. Затрубный барьер содержит первую предохранительную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть для обеспечения устойчивости к воздействию давления в случае наличия отверстия в разжимной металлической муфте. Первая предохранительная металлическая муфта имеет первую внутреннюю поверхность, упирающуюся в поверхность разжимной металлической муфты. Каждый конец первой предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью, соединенной с трубчатой частью. 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Затрубный барьер (1), предназначенный для разжимания в затрубном пространстве (2) между трубчатой конструкцией (3) скважины и внутренней стенкой (4) ствола (5) скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной (200) и второй зоной (300) ствола скважины, содержащий:

- трубчатую часть (6) для установки в качестве части трубчатой конструкции скважины;

- разжимную металлическую муфту (7), окружающую трубчатую часть и имеющую внутреннюю поверхность (7а), обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность (7b), обращенную к внутренней стенке ствола скважины, причем каждый конец (71, 72) разжимной металлической муфты соединен с соединительной частью (12), соединенной с трубчатой частью;

- пространство (13) между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью; и

- отверстие (11) разжимания в трубчатой части (6), через которое в пространство (13) может поступать текучая среда для того, чтобы разжимать разжимную металлическую муфту (7);

причем затрубный барьер дополнительно содержит первую предохранительную металлическую муфту (8), окружающую трубчатую часть для обеспечения устойчивости к воздействию давления в случае наличия отверстия в разжимной металлической муфте, при этом упомянутая первая предохранительная металлическая муфта имеет первую внутреннюю поверхность (8а), упирающуюся в поверхность разжимной металлической муфты, причем каждый конец (81, 82) первой предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью (12), соединенной с трубчатой частью.

2. Затрубный барьер по п. 1, в котором первая предохранительная металлическая муфта имеет первую внутреннюю поверхность (8а), упирающуюся в наружную поверхность разжимной металлической муфты.

3. Затрубный барьер по п. 1 или 2, дополнительно содержащий вторую предохранительную металлическую муфту (9), окружающую трубчатую часть, причем разжимная металлическая муфта и упомянутая вторая предохранительная металлическая муфта имеют вторую внутреннюю поверхность (9а), обращенную к предохранительной металлической муфте, при этом каждый конец (91, 92) второй предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью (12), соединенной с трубчатой частью.

4. Затрубный барьер по п. 3, дополнительно содержащий третью предохранительную металлическую муфту (10), причем упомянутая третья предохранительная металлическая муфта имеет третью внутреннюю поверхность (10а), обращенную ко второй наружной поверхности (9b) второй предохранительной металлической муфты, при этом каждый конец (101, 102) третьей предохранительной металлической муфты соединен с соединительной частью (12), соединенной с трубчатой частью.

5. Затрубный барьер по п. 1, дополнительно содержащий множество дополнительных предохранительных металлических муфт, окружающих трубчатую часть и предохранительные металлические муфты, представляющие собой первую и вторую предохранительную металлическую муфту, и соединенных с соединительной частью (12), соединенной с трубчатой частью.

6. Затрубный барьер по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в котором разжимная металлическая муфта и предохранительная металлическая муфта имеют различные требуемые давления разжимания.

7. Затрубный барьер по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в котором разжимная металлическая муфта и предохранительная металлическая муфта выполнены из различных материалов.

8. Затрубный барьер по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в котором муфты имеют толщину, причем толщина разжимной металлической муфты больше, чем толщина предохранительной металлической муфты.

9. Затрубный барьер по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в котором предохранительная металлическая муфта имеет более высокую способность к деформации, чем разжимная металлическая муфта.

10. Затрубный барьер по любому из пп. 1, 2, 4 или 5, в котором разжимная металлическая муфта имеет более высокий предел прочности, чем предохранительная металлическая муфта.

11. Затрубный барьер по п. 9, в котором первая предохранительная металлическая муфта выполнена из материала, имеющего относительное удлинение, составляющее более чем 10% относительного удлинения материала разжимной металлической муфты.

12. Затрубный барьер по п. 5, в котором дополнительный герметизирующий элемент, окружающий ближайшую к наружному краю предохранительную муфту, содержит промежуточный слой эластомера, резины или полимера, расположенный между ближайшей к наружному краю предохранительной металлической муфтой и муфтой герметизирующего элемента.

13. Затрубный барьер по п. 5, в котором предохранительная металлическая муфта, ближайшая к внутренней стенке (4) ствола скважины, выполнена из герметизирующего металлического материала.

14. Затрубный барьер по п. 5, в котором предохранительная металлическая муфта, ближайшая к внутренней стенке (4) ствола скважины, содержит по меньшей мере один герметизирующий элемент.