НАБУХАЮЩИЙ УПЛОТНИТЕЛЬ С ОПОРОЙ Российский патент 2017 года по МПК E21B33/12 

Уровень техники

[0001] Настоящее изобретение относится к скважинным инструментам, в которых используют набухающие уплотнители.

[0002] Условия в забое скважины обуславливают множество сложностей уплотнения. Например, уплотнители в скважине часто должны выдерживать продолжительное воздействие высоких давлений и температуры. В таких условиях обычно используемые эластомерные уплотнители имеют склонность к вытеснению в зазор между компонентом, несущим уплотнение, и поверхностью, к которой они примыкают с образованием уплотнения, и, в конечном итоге, перестают действовать. Были разработаны опорные кольца сложных конструкций для решения этой проблемы путем перекрывания зазора и удерживания уплотнителя от выталкивания. Однако конструкции опорного кольца приведены в действие только при воздействии давления на уплотнители. Также, в контексте стингера или удлинителя, в котором один скважинный компонент уплотнен в стволе другого скважинного компонента, используют несколько уплотнителей и, следовательно, несколько опорных колец. Для размещения нескольких уплотнителей в малом пространстве используют О-образные кольца или шевронные уплотнители. Однако эффективность таких уплотнителей зависит от чистоты и отделки поверхности, к которой они примыкают с образованием уплотнения.

Краткое описание чертежей

[0003] На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку скважины, содержащей насосно-компрессорную колонну.

[0004] На фиг. 2 представлен вид в поперечном сечении примера двух скважинных компонентов, содержащих уплотняющий узел.

[0005] На фиг. 3A и 3B представлены подробные виды примерных скважинных компонентов, изображающие конец уплотняющего узла перед набуханием уплотнителя и после набухания уплотнителя.

[0006] На фиг. 4 представлен перспективный вид примерного опорного элемента, изображающий неровности поверхности.

[0007] Одинаковые ссылочные символы на различных чертежах обозначают одинаковые элементы.

Осуществление изобретения

[0008] Со ссылкой на фиг. 1, скважина содержит по существу цилиндрический ствол 10 скважины, проходящий от устья 22 скважины на поверхности 12 вниз в землю в одну или большее количество подземных областей 14, представляющих интерес (показана одна область). Подземная область 14 может соответствовать одной формации, части формации или более чем одной формации, доступной через скважину, и одна скважина может обеспечивать доступ к одной или более подземных областей 14. В некоторых случаях формации подземной области являются углеводородосодержащими - такими как залежи нефти и/или газа - и скважина используется для добычи из неё углеводородов и/или для увеличения добычи углеводородов из другой скважины (например, в качестве нагнетательной или наблюдательной скважины). Однако изложенные здесь идеи применимы к скважине практически любого типа. Часть ствола 10 скважины, проходящего от устья 22 скважины в подземную область 14, укрепляют отрезками трубы, именуемыми обсадной колонной 16.

[0009] Изображенная скважина представляет собой вертикальную скважину, отходящую практически перпендикулярно от поверхности 12 в подземную область 14. Однако изложенные здесь идеи применимы к множеству других различных конфигураций скважин, включая горизонтальные, наклонные или другие отклоняющиеся от вертикали скважины и многоствольные скважины.

[0010] Показана насосно-компрессорная колонна 18, опускаемая с поверхности 12 вовнутрь ствола 10 скважины. Насосно-компрессорная колонна 18 представляет собой серию состыкованных между собой отрезков трубы, образующих последовательность из конца в конец, и/или цельную (то есть не содержащую стыков) длинномерную трубу, и содержит один или более скважинных инструментов (для примера показан один скважинный инструмент 20). В колонне 18 имеется внутреннее центральное отверстие, по которому возможно сообщение текучей среды между устьем 22 скважины и участками ниже по скважине (например, подземной областью 14 и/или другими участками). В некоторых случаях колонна 18 может быть сконструирована так, что она не отходит от поверхности 12, а вводится вовнутрь скважины на проволоке, например на тросовой проволоке, на каротажном кабеле, электрическом кабеле и/или на другой проволоке.

[0011] Идеи в настоящем описании применимы к уплотняющей конструкции, которая может быть использована в нескольких различных применениях, для уплотнения между скважинными компонентами в скважине. Например, уплотняющая конструкция может быть использована в скважинном инструменте 20. В некоторых случаях, скважинный инструмент 20 относится к типу, содержащему внутренний трубчатый компонент, расположенный в наружном трубчатом компоненте, при этом уплотняющая конструкция, описанная в настоящем описании, выполнена с возможностью уплотнения между трубчатыми элементами. Однако уплотняющая конструкция требует ограничения уплотняющими компонентами одного и того же инструмента или устройства. Например, в некоторых случаях скважинный инструмент 20 представлен инструментом пакерного типа (например, пакером, мост-пробкой, гидроразрывной пробкой и/или другими инструментами), содержащими уплотняющую конструкцию, выполненную с возможностью уплотнения инструмента 20 к внутренней поверхности обсадной трубы 16, потайной обсадной трубы или других компонентов в скважине для уплотнения кольцевого пространства вокруг насосно-компрессорной колонны 18. В другом примере насосно-компрессорная колонна 18 может быть расположена в скважине в двух частях с верхним компонентом, содержащим удлинитель или стингер, принимаемый соответствующим отверстием скважинного компонента. В этом случае уплотняющая конструкция выполнена с возможностью образования уплотнения с отверстием другого компонента и, следовательно, уплотнения между двумя трубчатыми элементами. В другом примере инструмент для спуска или инструмент для приведения в действие может быть использован для управления скважинным инструментом 20 или другим компонентом в скважине. В этих примерах инструмент для спуска или инструмент для приведения в действие содержит стингер или удлинитель, принимаемый соответствующим отверстием инструмента или устройства, приводимого в действие, а уплотняющая конструкция выполнена с возможностью образования уплотнения между стингером/удлинителем и отверстием. Существуют и другие примеры, находящиеся в пределах изложенных в настоящем описании идей.

[0012] Со ссылкой на фиг. 2, два скважинных компонента 30, 32 изображены на виде в поперечном сечении сбоку. В настоящем примере скважинные компоненты 30, 32 представлены двумя удлиненными трубами (например, трубами скважинного инструмента, пакером и обсадной трубой, стингером и отверстием или пр.), концентрично расположенными друг в друге. Внутренняя труба (компонент 32) содержит канавку 24 уплотнителя, выполненную с таким размером, чтобы принимать удлиненный набухающий эластомерный уплотнитель 26 и опорные элементы 28.Каждое из канавки 24 уплотнителя, набухающего уплотнителя 26 и опорных элементов 28 выполнено в круглой или кольцеобразной форме для окружения трубчатых скважинных компонентов 30, 32. Круглый зазор 34 образован между скважинными компонентами 30, 32. Несмотря на то, что идеи раскрыты в настоящем описании относительно трубчатых скважинных компонентов, эти идеи могут быть применены к нецилиндрическим, плоским или другим формам. Таким образом, круглая форма уплотнителя 26, опорных элементов 28 и других элементов не требуется.

[0013] Удлиненный набухающий эластомерный уплотнитель 26 изготовлен из набухающего эластомера, выполненного с возможностью набухания или расширения при контакте с определенной жидкостью, например нефтью, водой и/или другой жидкостью. Следует отметить, что набухающий эластомер набухает во всех направлениях однородно при отсутствии ограничений. Следовательно, в примере с круглым набухающим эластомерным уплотнителем 26 в канавке 24 уплотнителя, уплотнитель 26 набухает радиально наружу, а также в осевом направлении внутри канавки 24, параллельно центральной линии скважинных компонентов 30, 32. Уплотнитель 26 имеет удлиненную форму, то есть его размер в осевом направлении больше его размера в радиальном направлении, однако другие конфигурации уплотнителя 26 могут быть предоставлены. В некоторых случаях размер уплотнителя 26 в радиальном направлении выбирают для образования зазора с компонентом 30 для обеспечения возможности введения уплотнителя 26 (и компонента 32) в компонент 30 и выведения из него.

[0014] Опорный элемент 28 выполнен на каждом конце уплотнителя 26 в осевом направлении между уплотнителем 26 и противоположными осевыми концами канавки 24 уплотнителя. В других случаях предоставлен только один опорный элемент 28. Опорный элемент 28 представлен волнообразным опорным элементом, изготовленным в качестве волнистой пружины, или сконфигурированным подобно волнистой пружине, в котором один или более осевых неровностей 36 поверхности распределены по опорному элементу 28. В некоторых случаях неровности поверхности могут быть распределены равномерно по опорному элементу28, например, как на фиг. 4, изображающей четыре неровности 36 поверхности, распределенные под углом 90° друг от друга. Хотя изображены гладкими, извилистыми синусоидальными волнами, наподобие неровностей 36 поверхности, неровности поверхности могут быть более крутыми и/или иметь другую форму. Опорный элемент 28 изготовлен из тонкого, плоского материала с параллельными поверхностями боковых стенок, а неровности 36 поверхности сконфигурированы таким образом, чтобы расширять опорный элемент 28 по окружности и, соответственно, радиально наружу при сжатии элемента 28 в осевом направлении по направлению к плоскому состоянию. В некоторых случаях опорный элемент 28 может быть выполнен с таким размером, чтобы слегка контактировать с компонентом 30 или образовывать зазор с ним в нерасширенном (не сжатом в осевом направлении) свободном состоянии. Такая конфигурация обеспечивает возможность скольжения опорного элемента 28 в осевом направлении через компонент 30 без существенного сопротивления или без сопротивления, позволяя вводить компонент 32 в компонент 30 и выводить из него. Количество и амплитуда A неровностей 36 поверхности может быть выбрано таким образом, чтобы перекрывать зазор 34, примыкать и воздействовать на компонент 30 при сжатии опорного элемента 28. Количество неровностей 36 поверхности и амплитуда A неровностей поверхности могут быть выбраны для образования давления в зоне контакта по направлению к компоненту 30 для обеспечения надлежащей степени опоры, предотвращающей выталкивание набухающего уплотнителя 26 через зазор 34. В некоторых случаях опорный элемент 28 содержит фаску 38 на своем внутреннем диаметре, направленном к уплотнителю 26, для способствования расширению элемента 28 и его центрированию на уплотнителе 26.

[0015] Опорный элемент 28 может быть изготовлен из множества различных материалов. В некоторых случаях элемент 28 может быть изготовлен из материала, характеризующегося более высокой твердостью и/или пределом текучести, чем эластомер набухающего уплотнителя 26, для способствования обеспечению опорным элементом 28 эффективной опоры. В некоторых случаях материал выбирают на основании его способности выдерживать высокие скважинные температуры. Некоторые приведенные в качестве примера материалы для опорного элемента включают металл, полимер, композитный материал и/или другие материалы или сочетания материалов.

[0016] При эксплуатации, при расположении компонентов 30, 32 в скважине и при расположении опорных элементов 28 и уплотнителя 26 в канавке 24 уплотнителя, обеспечивается контакт определенной жидкости с набухающим уплотнителем 26. В ответ уплотнитель 26 набухает и контактирует с образованием уплотнения с компонентом 30. В некоторых случаях уплотнение, образованное уплотнителем 26, является газонепроницаемым. На фиг. 3A представлен подробный вид с осевого конца канавки 24 уплотнителя, изображающий набухающий эластомерный уплотнитель 26 перед набуханием и расширенный опорный элемент 28. При контакте набухающего эластомерного уплотнителя 26 с указанной жидкостью обеспечивается его набухание и расширение в радиальном и осевом направлении. При расширении в осевом направлении набухающий эластомерный уплотнитель 26 прижимает опорные элементы 28 к осевой концевой стенке канавки 24 уплотнителя. Неровности поверхности опорного элемента 28 сжимаются в осевом направлении и обуславливают радиальное расширение опорных элементов 28 в примыкающий контакт с компонентом 30, как показано на фиг. 3B. Затем, когда уплотнитель 26 начинает удерживать разность давлений, обеспечивается опора уплотнителя 26, предотвращающая выталкивание через зазор 34, боковым опорным элементом 28 низкого давления, воздействующим давлением на компонент 30. Путем предоставления двух опорных элементов 28 разность давлений может быть обращена, а противоположный опорный элемент 28 будет поддерживать уплотнитель 26, предотвращая выталкивание через зазор 34.

[0017] Следует отметить, что путем использования набухающего эластомерного уплотнителя 26 строгий контроль отделки поверхности, с которой компонент 30 образует уплотнение, не требуется, так как набухающий уплотнитель 26 образует давление в зоне контакта, способствующее уплотнению более неровных поверхностей, чем ненабухающие уплотнители. В контексте стингера или удлинителя, образование полированного приемного гнезда отверстия компонента 30 не требуется. Также уплотнитель 26 может предоставлять большую площадь поверхности для уплотнения, чем обычное О-образное кольцо или шевронный уплотнитель. В некоторых случаях большая площадь поверхности и/или давление в зоне контакта от набухания обеспечит образование набухающим уплотнителем 26 уплотнения даже в случае повреждения. Так как уплотнитель 26 набухает при контакте с жидкостью, разность давлений не требуется для достижения уплотнения или для приведения опорных элементов 28 в действие для удерживания уплотнителя 26. Набухание также способствует введению компонента 32 в компонент 30, так как не требуется контакт уплотнителя 26 с компонентом 30 до контакта с определенной жидкостью. После образования уплотнения уплотнитель 26 противодействует выведению компонента 32 из компонента 30. В некоторых случаях, вследствие простоты опорных элементов 28 стоимость производства может быть более низкой по сравнению с более сложными опорными элементами и шевронными уплотнителями.

[0018] Описано несколько вариантов реализации изобретения. Тем не менее, следует понимать, что возможно внесение различных изменений. Соответственно, другие варианты реализации изобретения входят в объем прилагаемой формулы изобретения.

Группа изобретений относится к узлу уплотнителя скважины для использования в канавке уплотнителя скважинного компонента, способу герметизации скважины и скважинному устройству для использования в скважине. Техническим результатом является повышение эффективности уплотнения скважины. Узел уплотнителя скважины для использования в канавке уплотнителя скважинного компонента содержит набухающий эластомерный уплотнитель, расположенный в канавке уплотнителя и выполненный с возможностью расширения при контакте с определенной жидкостью, и опорный элемент, расположенный в канавке уплотнителя в осевом направлении между набухающим эластомерным уплотнителем и осевой концевой стенкой канавки уплотнителя. Опорный элемент содержит неровности поверхности, расширяющие опорный элемент в радиальном направлении наружу при сжатии посредством набухающего эластомерного уплотнителя в осевом направлении. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Узел уплотнителя скважины для использования в канавке уплотнителя скважинного компонента, содержащий:

набухающий эластомерный уплотнитель, расположенный в канавке уплотнителя и выполненный с возможностью расширения при контакте с определенной жидкостью; и

опорный элемент, расположенный в канавке уплотнителя в осевом направлении между набухающим эластомерным уплотнителем и осевой концевой стенкой канавки уплотнителя, опорный элемент содержит неровности поверхности, расширяющие опорный элемент в радиальном направлении наружу при сжатии посредством набухающего эластомерного уплотнителя в осевом направлении.

2. Узел уплотнителя скважины по п. 1, в котором опорный элемент содержит множество осевых неровностей поверхности, распределенных равномерно по опорному элементу.

3. Узел уплотнителя скважины по п. 1, в котором опорный элемент содержит волнистую пружину.

4. Узел уплотнителя скважины по п. 1, в котором скважинный компонент содержит

первый трубчатый элемент, а канавка уплотнителя выполнена круглой для окружения первого трубчатого элемента, а первый трубчатый элемент скважинного компонента выполнен с возможностью введения в определенный второй трубчатый элемент; и

в котором набухающий эластомерный уплотнитель выполнен круглым для окружения первого трубчатого элемента и выполнен с возможностью набухания для примыкания ко второму трубчатому элементу и образования уплотнения с ним.

5. Узел уплотнителя скважины по п. 4, в котором опорный элемент выполнен круглым для окружения первого трубчатого элемента и выполнен с возможностью расширения в радиальном направлении при сжатии в осевом направлении для воздействия давлением на второй трубчатый элемент.

6. Узел уплотнителя скважины по п. 1, содержащий второй опорный элемент, расположенный в канавке уплотнителя в осевом направлении между набухающим эластомерным уплотнителем и противоположной осевой концевой стенкой канавки уплотнителя.

7. Узел уплотнителя скважины по п. 1, в котором опорный элемент содержит фаску, обращенную по направлению к набухающему эластомерному уплотнителю.

8. Узел уплотнителя скважины по п. 7, в котором опорный элемент содержит параллельные противоположные осевые боковые стенки.

9. Узел уплотнителя скважины по п. 1, в котором опорный элемент выполнен из другого, более твердого материала, чем набухающий эластомерный уплотнитель.

10. Способ герметизации скважины, содержащий:

расширение, в ответ на контакт с определенной жидкостью, набухающего эластомерного уплотнителя в канавке уплотнителя скважинного компонента; и

сжатие в осевом направлении неровности поверхности опорного элемента в канавке уплотнителя набухающим эластомерным уплотнителем с расширением опорного элемента в радиальном направлении наружу.

11. Способ по п. 10, в котором сжатие в осевом направлении неровности поверхности опорного элемента содержит сжатие в осевом направлении множества осевых неровностей поверхности опорного элемента, при этом указанные неровности поверхности распределены равномерно по опорному элементу.

12. Способ по п. 10, в котором сжатие в осевом направлении неровности поверхности опорного элемента содержит сжатие в осевом направлении неровности поверхности между уплотнителем и осевой концевой стенкой канавки уплотнителя.

13. Способ по п. 10, содержащий образование набухающим эластомерным уплотнителем уплотнения с поверхностью второго скважинного компонента; и

удерживание набухающего эластомерного уплотнителя от выталкивания через зазор между первым указанным скважинным компонентом и вторым скважинным компонентом посредством опорного элемента.

14. Способ по п. 10, содержащий сжатие в осевом направлении неровности поверхности второго опорного элемента в канавке уплотнителя посредством набухающего эластомерного уплотнителя с расширением второго опорного элемента по направлению наружу.

15. Способ по п. 14, содержащий образование набухающим эластомерным уплотнителем уплотнения с поверхностью второго скважинного компонента; и

удерживание набухающего эластомерного уплотнителя от выталкивания через зазоры между первым указанным скважинным компонентом и вторым скважинным компонентом посредством первого указанного опорного элемента и второго опорного элемента.

16. Скважинное устройство для использования в скважине, содержащее:

набухающий уплотнитель, расположенный в канавке уплотнителя скважинного устройства и выполненный с возможностью набухания при контакте с жидкостью; и

волнистое опорное кольцо в канавке уплотнителя, выполненное с возможностью расширения в радиальном направлении наружу при сжатии в осевом направлении посредством набухающего уплотнителя.

17. Скважинное устройство по п. 16, в котором волнистое опорное кольцо содержит множество осевых неровностей поверхности, распределенных равномерно по кольцу.

18. Скважинное устройство по п. 16, в котором волнистое опорное кольцо содержит фаску, обращенную по направлению к набухающему уплотнителю.

19. Скважинное устройство по п. 16, содержащее второе волнистое опорное кольцо в канавке уплотнителя напротив набухающего уплотнителя, выполненное с возможностью расширения по направлению наружу при сжатии в осевом направлении посредством набухающего уплотнителя.