ЗАТРУБНЫЙ БАРЬЕР С УПЛОТНЕНИЕМ Российский патент 2017 года по МПК E21B33/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к скважинному затрубному барьеру с осевой протяженностью, имеющему наружную поверхность, обращенную к внутренней поверхности наружной конструкции, содержащему трубчатую часть, разжимную часть и по меньшей мере один кольцевой уплотнительный элемент. Также данное изобретение относится к скважинной системе и к способу обеспечения уплотнения.

Уровень техники

В буровых скважинах скважинные затрубные барьеры используют для различных задач, например, для обеспечения барьера для потока, проходящего между внутренней трубчатой конструкцией и наружной трубчатой конструкцией, или между внутренней трубчатой конструкцией и внутренней стенкой ствола скважины. Скважинные затрубные барьеры устанавливают в виде части скважинной трубчатой конструкции. Скважинный затрубный барьер имеет внутреннюю стенку, окруженную кольцевой разжимной муфтой. Разжимная муфта обычно выполнена из эластомерного материала, но также может быть выполнена из металла. Муфта у ее концов прикреплена к внутренней стенке скважинного затрубного барьера.

Для того, чтобы изолировать зону между внутренней и наружной трубчатыми конструкциями, или скважинной трубчатой конструкцией и стволом скважины, используют второй затрубный барьер, как раскрыто в документах US 726706 или US 4515213. Первый затрубный барьер разжимают на одной стороне изолируемой зоны, а второй затрубный барьер разжимают на другой стороне данной зоны, тем самым изолируя ее.

Качество уплотнения изолированной зоны часто определяют расходом текучих сред ствола скважины, проходящих через уплотнение, например, требованиями к конкретному уплотнению может быть максимальный предел из нескольких литров в минуту, проходящих через уплотнение, чтобы удовлетворить требования, установленные пользователем. Соответственно, определенный уровень текучей среды, просачивающейся в заделку зоны и из нее, является обычно допустимым и приемлемым, но возможность прохождения слишком большого количества текучей среды негативно отразится на качестве уплотнения.

При разжимании затрубных барьеров они обычно стремятся упруго отскочить после завершения разжимания. Эффект упругого отскока возникает, когда прекращается воздействие на разжимную часть давления, используемого для разжимания разжимной части. Прекращение подачи разжимающего давления приводит в результате к небольшому уменьшению размера разжимной части вследствие втягивания разжимного материала, обусловленного его упругостью. Кроме того, другие эффекты выравнивания, например, выравнивание давления в затрубном барьере, могут вызвать незначительное уменьшение размера барьера. Даже при использовании металлов, например, стали, можно ожидать возникновение эффекта упругого отскока в небольшом процентном отношении. Эффект упругого отскока разжимной части отрицательно влияет на качество уплотнения, обеспечиваемое скважинным затрубным барьером 1, поскольку уплотнение после разжимания становится хуже с точки зрения герметичности или объема текучей среды, возможно проходящей через уплотнение.

Таким образом, существует необходимость в решении, которое может устранить проблемы, создаваемые эффектами упругого отскока и другими влияниями выравниваний материала затрубного барьера после разжимания.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является полное или частичное устранение вышеуказанных недостатков уровня техники. Более конкретно, задачей является создание улучшенного затрубного барьера, который, несмотря на проблемы, связанные с эффектами упругого отскока и другими эффектами выравниваний всех материалов, используемых для затрубных барьеров, может обеспечивать улучшенное уплотнение с повышением тем самым качества уплотнения, создаваемого скважинным затрубным барьером.

Вышеуказанные задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и свойства, очевидные из нижеследующего описания, выполнены благодаря решению согласно данному изобретению посредством скважинного затрубного барьера с осевой протяженностью, имеющего наружную поверхность, обращенную к внутренней поверхности наружной конструкции, содержащего:

- трубчатую часть;

- разжимную часть, расположенную вокруг трубчатой части; и

- по меньшей мере один кольцевой уплотнительный элемент, соединенный с разжимной частью и имеющий длину в осевом направлении вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера, составляющую менее 50% от длины скважинного затрубного барьера вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера;

причем кольцевой уплотнительный элемент содержит пружинный элемент.

Длина в осевом направлении кольцевого уплотнительного элемента вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера предпочтительно может составлять менее 40% от длины скважинного затрубного барьера вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера, более предпочтительно менее 25% от длины скважинного затрубного барьера, еще более предпочтительно менее 10% от длины скважинного затрубного барьера.

В варианте осуществления изобретения кольцевой уплотнительный элемент может дополнительно содержать кольцевую уплотнительную муфту, соединенную с разжимной частью и образующую полость кольцевого уплотнительного элемента между разжимной частью и кольцевой уплотнительной муфтой, при этом пружинный элемент может быть расположен в полости кольцевого уплотнительного элемента.

Кроме того, пружинный элемент может представлять собой волнистую кольцевую уплотнительную муфту.

Данное изобретение дополнительно относится к скважинному затрубному барьеру, в котором кольцевой уплотнительный элемент содержит кольцевую уплотнительную муфту, соединенную с разжимной частью и образующую полость кольцевого уплотнительного элемента между разжимной частью и кольцевой уплотнительной муфтой, при этом разжимной элемент расположен в полости кольцевого уплотнительного элемента.

Кроме того, пружинный элемент может представлять собой пружинное устройство или пружину, например, винтовую или цилиндрическую пружину.

Также кольцевая уплотнительная муфта может быть выполнена из металлического материала.

Дополнительно, разжимной элемент может быть расположен в полости кольцевого уплотнительного элемента.

Указанная разжимная часть может представлять собой разжимную муфту, окружающую трубчатую часть.

В варианте осуществления изобретения разжимная муфта может представлять собой металлическую муфту.

Дополнительно, пружинный элемент может быть выполнен из металлического материала.

Также скважинная кольцевая уплотнительная муфта может иметь по меньшей мере одно отверстие или может быть снабжена перфорацией.

Под перфорацией понимается, что муфта имеет множество отверстий.

Кроме того, разжимной элемент может быть выполнен из разбухающего материала.

Дополнительно, кольцевая уплотнительная муфта может быть выполнена из металлического материала.

Помимо этого кольцевая уплотнительная муфта может быть выполнена из эластомерного материала.

В одном варианте осуществления изобретения разжимная часть может представлять собой разжимную муфту, окружающую трубчатую часть, причем трубчатая часть содержит проход для закачки текучей среды под давлением в пространство, образованное разжимной муфтой и трубчатой частью.

Дополнительно, кольцевая уплотнительная муфта может быть выполнена из материала, имеющего более низкий модуль упругости, чем разжимная часть.

Вышеописанный скважинный затрубный барьер может дополнительно содержать соединительные части, предназначенные для соединения кольцевой уплотнительной муфты с разжимной частью.

Кроме того, разжимная часть может дополнительно содержать клапан.

Также скважинный затрубный барьер может дополнительно содержать датчик для определения давления, оказываемого кольцевым уплотнительным элементом на внутреннюю поверхность наружной конструкции.

Скважинный затрубный барьер может дополнительно содержать датчик для определения температуры текучей среды в полости кольцевого уплотнительного элемента.

Помимо этого скважинный затрубный барьер может содержать датчик для определения длины периметра скважинного затрубного барьера.

Дополнительно, скважинный затрубный барьер может содержать первую соединительную часть, окружающую первый конец трубчатой части и соединенную с ним, и вторую соединительную часть, окружающую второй конец трубчатой части и соединенную с ним.

Дополнительно, скважинный затрубный барьер может содержать первую соединительную часть, окружающую трубчатую часть и соединенную с ней, и вторую соединительную часть, окружающую трубчатую часть и соединенную с ней.

В одном варианте осуществления изобретения разжимная часть может быть соединена с первой соединительной частью и второй соединительной частью, причем разжимная часть, первая и вторая соединительные части, а также трубчатая часть ограничивают внутреннее пространство, при этом первая соединительная часть может быть соединена с возможностью скольжения с трубчатой частью.

Кроме того, пружина может представлять собой винтовую пружину.

Винтовая пружина может быть намотана посредством множества витков вокруг разжимной части.

Дополнительно, по меньшей мере одна винтовая пружина может образовывать замкнутую петлю вокруг разжимной части, при этом ее два конца соединены с образованием кольца.

Кроме того, скважинный затрубный барьер может содержать разжимную часть, имеющую центральную ось, проходящую снаружи трубчатой части в продольном направлении.

Помимо этого центральная ось разжимной части может обвиваться вокруг трубчатой части в продольном направлении.

Дополнительно, поперечное сечение разжимной трубы в ненапряженном состоянии может иметь по существу овальную форму.

Кроме того, поперечное сечение разжимной трубы в разжатом состоянии может быть по существу круговым.

В варианте осуществления изобретения скважинный затрубный барьер может содержать множество разжимных частей, проходящих по наружной стороне трубчатой части в продольном направлении.

Дополнительно, скважинный затрубный барьер может содержать множество пружинных элементов внутри одной полости кольцевого уплотнительного элемента.

Помимо этого как разжимной элемент, например разбухающий материал, так и пружинный элемент могут быть расположены в полости кольцевого уплотнительного элемента.

Данное изобретение дополнительно относится к скважинной системе, содержащей скважинную трубчатую конструкцию и по меньшей мере один скважинный затрубный барьер, описанный выше, причем трубчатая часть образует часть скважинной трубчатой конструкции.

Кроме того, множество скважинных затрубных барьеров может быть расположено на расстоянии друг от друга вдоль трубчатой части.

Данное изобретение дополнительно относится к способу обеспечения уплотнения, содержащему следующие этапы:

- введение скважинного затрубного барьера, описанного выше, в ствол скважины;

- разжимание разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход;

- сжатие пружинного элемента, когда наружная поверхность скважинного затрубного барьера взаимодействует с внутренней поверхностью наружной конструкции, путем дополнительной закачки текучей среды под давлением в отверстие;

- минимизация разжимной части, по завершении закачки текучей среды под давлением, обусловленное упругим отскоком разжимной части; и

- разжимание пружинного элемента так, чтобы поддерживать давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом на внутреннюю поверхность наружной конструкции, а также поддерживать уплотняющий эффект скважинного затрубного барьера.

Помимо этого изобретение относится к способу обеспечения уплотнения, содержащему следующие этапы:

- введение скважинного затрубного барьера, описанного выше, в ствол скважины;

- разжимание разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход;

- минимизация разжимной части при завершении закачки текучей среды под давлением, обусловленное упругим отскоком разжимной части; и

- разжимание разжимного элемента так, чтобы поддерживать давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом на внутреннюю поверхность наружной конструкции, а также поддерживать уплотняющий эффект скважинного затрубного барьера.

В варианте осуществления изобретения разжимная часть может быть выполнена из разбухающего материала, который увеличивается в объеме за счет возможности поступления текучей среды в полость кольцевого уплотнительного элемента.

В другом варианте осуществления изобретения разжимная часть может быть выполнена из разбухающего материала, причем разбуханием можно управлять посредством намеренной закачки текучей среды в полость кольцевого уплотнительного элемента с использованием закачивающих средств.

Наконец, изобретение относится к способу обеспечения уплотнения, содержащему следующие этапы:

- введение скважинного затрубного барьера, описанного выше, в ствол скважины;

- разжимание разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход; и

- закачка текучей среды в полость кольцевого уплотнительного элемента.

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 ограничительные варианты осуществления изобретения, и на которых:

на фиг. 1а показан схематический вид части скважинного затрубного барьера, имеющего кольцевой уплотнительный элемент;

на фиг. 1b показан схематический вид части скважинного затрубного барьера, имеющего другой вариант осуществления кольцевого уплотнительного элемента;

на фиг. 2 показан схематический вид скважинного затрубного барьера;

на фиг. 3а-3с показаны схематические виды другого скважинного затрубного барьера;

на фиг. 4а-4 с показаны схематические виды другого скважинного затрубного барьера;

на фиг. 5 показан схематический вид другого скважинного затрубного барьера;

на фиг. 6 показан схематический вид другого скважинного затрубного барьера;

на фиг. 7 показан вид в поперечном разрезе скважинного затрубного барьера; и

на фиг. 8 показан вид в поперечном разрезе другого скважинного затрубного барьера.

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

Осуществление изобретения

Скважинный затрубный барьер 1 согласно данному изобретению обычно устанавливают в виде части колонны скважинной трубчатой конструкции до опускания скважинной трубчатой конструкции 23 в ствол скважины, как показано на фиг. 2 в виде в поперечном разрезе одного скважинного затрубного барьера. Скважинная трубчатая конструкция 23 выполнена из частей скважинной трубчатой конструкции, соединенных вместе в виде длинной колонны скважинной трубчатой конструкции. Как правило, затрубные барьеры устанавливают между частей трубчатой конструкции при установке скважинной колонны трубчатой конструкции.

Скважинный затрубный барьер 1 используют для различных задач, причем для каждой из них необходимо, чтобы разжимная часть 3 скважинного затрубного барьера 1 разжималась так, что наружная поверхность скважинного затрубного барьера 1 примыкает к внутренней поверхности наружной конструкции 2, например, обсадной колонны ствола скважины или формации, окружающей ствол скважины. Скважинный затрубный барьер 1 имеет осевую протяженность, параллельную направлению протяженности ствола скважины.

Как показано на фиг. 1а и 1b, скважинный затрубный барьер 1 содержит трубчатую часть 5, предназначенную для установки в виде части скважинной трубчатой конструкции, и разжимную часть 3, окружающую трубчатую часть. Разжимная часть 3 может представлять собой разжимную муфту, как показано на фиг. 2, с возможностью разжимания путем закачки текучей среды через проход 51 трубчатой части 5 с увеличением тем самым пространства 6 между разжимной частью 3 и трубчатой частью 5. Снаружи разжимной части 3 расположен по меньшей мере один кольцевой уплотнительный элемент 4, соединенный с разжимной частью 3. Кольцевой уплотнительный элемент 4 имеет осевую длину вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера 1, составляющую менее 50% от длины затрубного барьера вдоль осевой протяженности затрубного барьера. В этом случае поверхностная площадь, входящая в контакт с внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2, меньше поверхности разжимной части 3, обращенной к внутренней поверхности 21 наружной конструкции. Соответственно, давление между внутренней поверхностью 21 наружной конструкции и наружной поверхностью 11 затрубного барьера повышается для улучшения уплотняющего эффекта.

Как показано на фиг. 1а, кольцевой уплотнительный элемент 4 содержит кольцевую уплотнительную муфту 41, соединенную с разжимной частью 3 с образованием тем самым полости 42 кольцевого уплотнительного элемента между разжимной частью 3 и кольцевой уплотнительной муфтой 41. В полости 42 кольцевого уплотнительного элемента расположен пружинный элемент 43, так что когда скважинный затрубный барьер 1 разжимают и он взаимодействует с внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2, то происходит сжатие пружинного элемента 43. Когда разжимная часть 3 полностью разжата и упирается во внутреннюю поверхность 21 наружной конструкции 2, создавая уплотнение, то разжимание прекращают, например, путем сброса давления, или высвобождая текучую среду, используемую для закачки через проход 51 в пространство, и обеспечивая возможность ее прохождения через проход 51 в трубчатую часть. Затем, происходит упругий отскок материала разжимной части 3, уменьшающий давление, оказываемое на внутреннюю поверхность 21, с уменьшением тем самым непроницаемости уплотнения. Эффект упругого отскока и другие эффекты выравниваний возникают, когда прекращается воздействие давления на разжимную часть, используемое для ее разжимания. Прекращение подачи разжимающего давления приводит в результате к небольшому уменьшению размера разжимной части вследствие упругого втягивания разжатого материала. При этом другие эффекты выравниваний, например, выравнивание давления в затрубном барьере, также могут вызвать уменьшение размера барьера. Однако поскольку во время разжимания пружинный элемент 43 был сжат, образуя в пружинном элементе присущую ему силу упругости, то когда разжатая разжимная часть 3 окончательно устанавливается после разжимания, происходит разжимание пружинного элемента 43 с поддержанием тем самым давления, оказываемого на внутреннюю поверхность 21 наружной конструкции 2, достигнутого во время разжимания затрубного барьера 1. Уплотняющая способность скважинного затрубного барьера 1 существенно увеличивается, так как уменьшается весьма небольшой зазор между наружной конструкцией 2 и разжимной частью 3, по сравнению с решениями, известными из уровня техники, в которых не используется пружинный элемент. Как можно видеть, кольцевая уплотнительная муфта 41 имеет отверстие 45 для впуска скважинной текучей среды в полость для оказания давления на муфту изнутри, если повышается давление, окружающее затрубный барьер.

Как показано на фиг. 1b, скважинный затрубный барьер 1 содержит кольцевой уплотнительный элемент 4, имеющий пружинный элемент, представляющий собой волнистую кольцевую уплотнительную муфту 43В. Таким образом, волнистая кольцевая уплотнительная муфта 43В образует часть кольцевой уплотнительной муфты 41, имеющую отверстие 45. При разжимании разжимной муфты затрубного барьера 1 происходит сжатие волнистой кольцевой уплотнительной муфты 43В с образованием в волнистой кольцевой уплотнительной муфте 43В присущей ей силы упругости. По завершении процесса разжимания разжимная муфта стремится упруго отскочить с уменьшением тем самым давления между наружной конструкцией 2 и скважинным затрубным барьером 1, или даже с образованием небольшого зазора между кольцевым уплотнительным элементом 4 и наружной конструкцией 2. Одновременно происходит разжимание сжатой волнистой кольцевой уплотнительной муфты 43В с поддержанием тем самым давления, оказываемого на внутреннюю поверхность 21 наружной конструкции 2, достигнутого во время разжимания скважинного затрубного барьера 1. Уплотняющая способность скважинного затрубного барьера 1 по существу увеличивается при повышении давления между наружной конструкцией 2 и скважинным затрубным барьером 1, или же уменьшается или устраняется небольшой зазор между наружной конструкцией 2 и разжимной частью 3. Так как волнистая кольцевая уплотнительная муфта 43 В сжимает внутри текучую среду, то муфта 43 В отжимается от полости 42, при этом по мере разжимания рукава 43 В текучая среда поступает в полость 42.

На фиг. 2 показан схематический вид скважинного затрубного барьера 1 в разжатом состоянии, содержащего два кольцевых уплотнительных элемента 4, имеющих кольцевую уплотнительную муфту 41, расположенную снаружи разжимной части 3, окружающей пружинный элемент 43. Разжимная часть 3 соединена с трубчатой частью 5 посредством первой соединительной части 32 и второй соединительной части 33. Первая соединительная часть 32 соединяет первый конец 27 разжимной муфты с первым концом 22 трубчатой части, а вторая соединительная часть 33 соединяет второй конец 28 разжимной муфты со вторым концом 24 трубчатой части. Одна или более соединительных частей 32, 33 могут быть неподвижно соединены с трубчатой частью, или соединены с возможностью скольжения с трубчатой частью 5 для уменьшения давления, необходимого для разжимания разжимной части 3. Как проиллюстрировано, пружинный элемент 43 в сжатом состоянии показан с сечением, имеющим овальную форму. Поскольку пружинный элемент 43 находится в сжатом состоянии, то он будет разжиматься с принятием своей исходной круговой формы, если уменьшается диаметр разжимной части 3, например, во время упругого отскока разжимной части 3. Также повышенное давление в стволе скважины может уменьшать диаметр разжимной части 3 вследствие приложения внешней силы на разжимную часть. Такой тип уменьшения диаметра разжимной части 3 также может быть компенсирован путем разжимания пружинного элемента 43.

На фиг. 3а-3с показаны три последовательных состояния во время разжимания скважинного затрубного барьера 1 согласно изобретению. На фиг. 3а показан скважинный затрубный барьер 1 сразу после начала разжимания, когда текучая среда поступила в пространство 6, а пружинный элемент 43 находится в несжатом состоянии. Как показано на фиг. 3b, пружинный элемент 43 начинает сжиматься, когда кольцевая уплотнительная муфта взаимодействует с внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2 во время разжимания. Как показано на фиг. 3с, разжимная часть 3 по завершении разжимания частично втягивается, увеличивая тем самым расстояние между внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2 и разжимной частью. Поскольку пружинный элемент 43 находился в сжатом состоянии, то он будет возвращаться в его исходное несжатое состояние с круговым сечением, или по направлению к нему, как показано на фиг. 3а.

На фиг. 4а-4d показаны четыре последовательных состояния во время разжимания другого скважинного затрубного барьера 1, содержащего несколько пружинных элементов 43. На фиг. 4а показан скважинный затрубный барьер 1 сразу после начала разжимания. Пружинный элемент 43, показанный на фиг. 1-3, закруглен разжимным элементом 44, например элементом, выполненным из разбухающего материала. Это является решением той же проблемы, то есть устранения проблем эффекта упругого отскока в затрубном барьере путем обеспечения наличия кольцевого уплотнительного элемента, выполненного с возможностью увеличения его размера после уменьшения диаметра разжимной части 3, обусловленного эффектом упругого отскока материала разжимной части. Пружинные элементы 43, показанные на фиг. 4а, находятся в неразжатом состоянии. Как показано на фиг. 4b, кольцевой уплотнительный элемент 4 взаимодействует с внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2 к концу процесса разжимания с созданием тем самым непроницаемого уплотнения между внутренней поверхностью 21 и кольцевой уплотнительной муфтой 41. По прекращении разжимания разжимная часть 3 частично втягивается за счет эффекта упругого отскока, что приводит к полной или частичной потере уплотняющего эффекта, как показано на фиг. 4с. Однако, как показано на фиг. 4с, скважинная текучая среда 20 может поступать в полость кольцевого уплотнительного элемента через отверстие или перфорацию 45 с вхождением тем самым в контакт с разжимным элементом 44, который может быть выполнен из разбухающего материала, заставляя его при вхождении в контакт со скважинной текучей средой 20 начинать увеличиваться в объеме, как показано на фиг. 4d. Когда разжимной элемент 44 начинает разжиматься по мере его взаимодействия со скважинной текучей средой, то восстанавливается уплотнение между внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2 и кольцевым уплотнительным элементом 4, при этом затрубный барьер приобретает большую непроницаемость. Разжимной элемент 44, как вариант, может быть химическими составами, восприимчивыми к давлению, электричеству, магнитному полю или к излучению, которые могут быть активизированы, соответственно, путем приложения давления, например, давления разжимания, приложением электрического тока, магнитного поля или излучения.

На фиг. 5 показан другой скважинный затрубный барьер 1, содержащий два отдельных кольцевых уплотнительных элемента 4, каждый из которых содержит три замкнутых петлевых элемента или элемента 43 цилиндрических пружин, расположенных в полости 42 кольцевого уплотнительного элемента. Разжимная часть 3 соединена с трубчатой частью 5 посредством первой соединительной части 32 и второй соединительной части 33. Одна или более соединительных частей 32, 33 могут быть соединены с возможностью скольжения с трубчатой частью 5 для уменьшения давления, необходимого для разжимания разжимной части 3. Как показано на фиг. 6, кольцевая уплотнительная муфта 4 также может быть соединена с разжимной частью посредством соединительных частей 46. Соединительные части могут служить для дополнительных задач, помимо присоединения кольцевой уплотнительной муфты 41 к разжимной части, а именно, для ограничения разжимания разжимной части 3 в определенных участках, приводящего в результате к образованию волнистой конструкции разжатой разжимной части 3, как показано на фиг. 6. Данная волнистая конструкция повышает прочность скважинного затрубного барьера 1, увеличивая тем самым давление разрушения, то есть давление в стволе скважины, которое может вызвать разрушение скважинного затрубного барьера 1. Дополнительно, соединительные части 46 защищают кольцевую уплотнительную муфту 41 при введении затрубного барьера в скважину в виде части скважинной трубчатой конструкции. Кроме того, скважинный затрубный барьер 1 может содержать датчик 47, определяющий степень разжимания скважинного затрубного барьера 1, например, путем измерения давления, оказываемого на внутреннюю поверхность наружной конструкции, или посредством измерения диаметра кольцевой уплотнительной муфты 41, или диаметра разжимной части 3. Затрубный барьер также может содержать клапан 49, например, клапан одностороннего действия, обеспечивающий возможность поступления скважинной текучей среды в скважинный затрубный барьер 1, если давление скважинной текучей среды превышает давление внутри затрубного барьера, с предотвращением тем самым разрушения скважинного затрубного барьера 1.

Также кольцевая уплотнительная муфта 41 может быть снабжена перфорацией в виде отверстий 45, и как показано на фиг. 6, разжимная часть 3 может быть соединена с возможностью скольжения с трубчатой частью 5 и герметизирована уплотнениями 48.

На фиг. 7 показан вид в поперечном разрезе скважинного затрубного барьера, показанного на фиг. 1, 2, 3, 5 и 6, содержащего пружинный элемент 43. Как показано на чертеже, намотка пружинного элемента 43 выполнена предпочтительно поперек осевой протяженности скважинного затрубного барьера 1, так что пружинный элемент 43 упирается в кольцевую уплотнительную муфту 41 по всей периферии кольцевой уплотнительной муфты 41. Таким образом, можно создать непроницаемое уплотнение по направлению к внутренней поверхности 21 наружной конструкции 2, которая является, как правило, по существу круговой в скважинных условиях. Пружинные элементы 43 могут быть соединены торец к торцу с образованием колец из цилиндрических пружин, как показано на фиг. 7. Затрубный барьер на фиг. 7 показан в его разжатом состоянии.

Как показано на фиг. 8, затрубный барьер может содержать множество разжимных частей 3 в виде удлиненных разжимных труб, проходящих снаружи трубчатой части 5. Разжимные части 3 могут быть расположены по периферии трубчатой части 5. Соответственно, центральная ось А1 каждой из разжимных частей 3 проходит снаружи трубчатой части 5 в продольном направлении скважинного затрубного барьера 1. Такое конструктивное решение является противоположным конструктивному решению затрубных барьеров, известных из уровня техники, как изложено в разделе уровня техники, в котором трубчатая часть, проходящая в продольном направлении, например обсадная колонна, окружена разжимной муфтой, окружающей трубчатую часть. Разжимные трубы прикреплены к трубчатой части 5. Скважинный затрубный барьер 1 содержит заделывающий элемент 31, выполненный на наружной поверхности 34 множества разжимных частей 3. Таким образом, заделывающий элемент 31 образует разжимную муфту. Соответственно, заделывающий элемент 31, или разжимная муфта, выполнен с возможностью обеспечения уплотнительного барьера между трубчатой частью и кольцевым уплотнительным элементом 4. Заделывающий элемент и/или разжимная муфта могут быть выполнены из металла, полимера, эластомера, резины, разбухающего материала и так далее. Разбухающий материал может дополнительно усиливать уплотняющий эффект уплотнительного элемента или разжимной муфты, так как указанный материал может быть предназначен для того, чтобы увеличиваться в объеме при вхождении в контакт с конкретными типами текучей среды, например, воды, присутствующей в стволе скважины, закачиваемых жидкости или газа и так далее.

Разжимная часть 3 и кольцевая уплотнительная муфта 41 в предпочтительных вариантах осуществления изобретения выполнены из металлического материала, чтобы выдерживать высокие температуры. Также пружинный элемент 43 предпочтительно выполнен из металлических материалов в предпочтительных вариантах осуществления изобретения, где важной является термостойкость. Таким образом, все части и уплотнения выполнены из металла, способного выдерживать жесткие внутрискважинные условия, заключающиеся в высокой температуре, высоком давлении и наличии скважинной текучей среды, содержащей кислоты.

Если в скважине имеется более низкая рабочая температура, то кольцевая уплотнительная муфта может быть выполнена из эластомерного материала.

Кольцевая уплотнительная муфта 4 предпочтительно может быть выполнена из материала, имеющего более низкий модуль упругости, чем разжимная часть, для облегчения разжимания скважинного затрубного барьера 1.

Пружинный элемент 43 предпочтительно представляет собой винтовую пружину или цилиндрическую пружину 43, но не ограничен винтовыми пружинами, и в случае нескольких витков в одной полости 42 кольцевого уплотнительного элемента витки могут представлять собой параллельные замкнутые петлевые пружины, или одну длинную винтовую пружину, намотанную вокруг трубчатой части 5.

Для увеличения возможной степени разжимания скважинного затрубного барьера 1 между неразжатым и разжатым состоянием разжимная часть 3 может иметь центральную ось А1, проходящую снаружи трубчатой части 5 в продольном направлении, как показано на фиг. 8. Также в некоторых вариантах осуществления изобретения центральная ось разжимной части или трубы может обвиваться вокруг трубчатой части в продольном направлении. Данные типы разжимных частей 3 могут в ненапряженном состоянии иметь в поперечном сечении по существу овальную форму, а в разжатом состоянии по существу круговую форму. Кроме того, скважинный затрубный барьер 1 может содержать множество таких разжимных частей 3, проходящих по наружной стороне трубчатой части в продольном направлении.

Как разжимные элементы 44, так и пружинные элементы 43 могут быть расположены в одной и той же полости кольцевого уплотнительного элемента для улучшения уплотняющего эффекта скважинного затрубного барьера 1, как показано на фиг. 4а-4d.

Данное изобретение также относится к способу обеспечения уплотнения, содержащему этапы введения затрубного барьера в ствол скважины и разжимания разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход. После этого сжимают пружинный элемент 43 при взаимодействии наружной поверхности 11 затрубного барьера с внутренней поверхностью 21 наружной конструкции 2 путем дополнительной закачки текучей среды под давлением в проход 51. После завершения закачки текучей среды под давлением в разжимную часть разжимная часть 3 уменьшается вследствие упругого отскока материала разжимной части. Уменьшение разжимной части приводит в результате к разжиманию пружинного элемента 43 так, чтобы поддерживать давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом 4 на внутреннюю поверхность 21 наружной конструкции 2, а также поддерживать уплотняющий эффект затрубного барьера.

Дополнительный уплотняющий эффект скважинного затрубного барьера 1 также получают, создавая возможность для поступления скважинной текучей среды в полость 42 кольцевого уплотнительного элемента через впускное отверстие 45. За счет обеспечения возможности поступления скважинной текучей среды в полость 42 кольцевого уплотнительного элемента очень высокое давление скважинной текучей среды не нарушает уплотняющий эффект, поскольку давление внутри кольцевой уплотнительной муфты 41 в полости 42 кольцевого уплотнительного элемента уравновешивается давлением в скважине. Соответственно, за счет уплотняющего эффекта пружинного элемента 43 указанный уплотняющий эффект сохраняется при высоких скважинных давлениях.

Данное изобретение также относится к другому способу обеспечения уплотнения, содержащему этапы введения затрубного барьера в ствол скважины и разжимания разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход. Когда разжимная часть полностью разжата, закачку текучей среды под давлением в пространство 6 завершают, при этом разжимная часть 3, соответственно, уменьшается вследствие упругого отскока материала, образующего разжимную часть 3. Вследствие упругого отскока разжимной части 3 уплотнение, обеспечиваемое скважинным затрубным барьером 1, может стать недостаточным. Однако, когда разжимная часть 3 разжата, то разжимной элемент 44, расположенный в кольцевом уплотнительном элементе 4, также разжимается, поддерживая давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом 4 на внутреннюю поверхность 21 наружной конструкции 2. Уплотняющий эффект затрубного барьера также получают, обеспечивая возможность поступления скважинной текучей среды в полость 42 кольцевого уплотнительного элемента через впускное отверстие 45 с вхождением в контакт с разжимным элементом 44, расположенным в полости 42 кольцевого уплотнительного элемента. Таким образом, на кольцевую уплотнительную муфту 41 воздействует энергия изнутри, в результате чего муфта закрывает зазор между поверхностью 21 ствола скважины и наружной стороной уплотнительной муфты 41 с обеспечением большего уплотняющего эффекта. Как вариант, текучая среда может быть целенаправленно закачена в разжимную часть для того, чтобы инициировать процесс разбухания.

Кроме того, разжимная часть 3 предпочтительно имеет толщину стенки, меньшую, чем длина разжимной части, причем толщина предпочтительно составляет менее 25% от длины, более предпочтительно менее 15% от длины, еще более предпочтительно менее 10% от длины.

Скважинный затрубный барьер 1 также может называться пакером или аналогичным разжимным средством. Скважинная трубчатая конструкция может представлять собой эксплуатационную насосно-компрессорную колонну, или обсадную колонну, или подобный вид скважинной системы труб в скважине или стволе скважины. Скважинный затрубный барьер 1 может использоваться как между внутренней эксплуатационной насосно-компрессорной колонной и наружной системой труб в стволе скважины, так и между системой труб и внутренней стенкой ствола скважины. Скважина может содержать несколько видов систем труб, и скважинный затрубный барьер 1 согласно данному изобретению может быть установлен для использования на всех из них.

Клапан 49 может представлять собой клапан любого типа, выполненный с возможностью управления потоком, например, шаровой клапан, дроссельный клапан, воздушную заслонку, запорный клапан или обратный клапан, мембранный клапан, расширительный клапан, шиберный вентиль, проходной запорный вентиль, отсечной клапан, игольчатый клапан, поршневой клапан, запорный клапан или пробковый проходной клапан.

Разжимная часть 3 может представлять собой трубчатую металлическую муфту, полученную из холоднотянутой или горячетянутой трубчатой конструкции.

Текучая среда, используемая для разжимания разжимной части, может представлять собой любой вид скважинной текучей среды, присутствующей в стволе скважины, окружающей инструмент и/или скважинную трубчатую конструкцию. Кроме того, текучая среда может представлять собой цемент, газ, воду, полимеры или двухкомпонентный компаунд, например, порошок или частицы, смешивающиеся или вступающие в реакцию со связующим или отверждающим реагентом, или термоотверждающуюся текучую среду, например, смолу, обычно используемую в данной области техники. Часть текучей среды, например, отверждающий реагент, может находиться в полости между трубчатой частью и разжимной муфтой перед закачкой последующей текучей среды в полость.

Под текучей средой, текучей средой ствола скважины или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газового состава, присутствующий в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяного состава, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.

Под скважинной трубчатой конструкцией 23 понимается обсадная колонна, представляющая собой любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и так далее, используемый в скважине для добычи нефти или природного газа.

Хотя изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные нижеследующей формулой изобретения.

Группа изобретений относится к скважинному затрубному барьеру, скважиной системе и способам обеспечения уплотнения. Техническим результатом является создание улучшенного затрубного барьера. Скважинный затрубный барьер с осевой протяженностью имеет наружную поверхность, обращенную к внутренней поверхности наружной конструкции, содержит трубчатую часть, разжимную часть, расположенную вокруг трубчатой части, и кольцевой уплотнительный элемент. Кольцевой уплотнительный элемент соединен с разжимной частью и имеет длину в осевом направлении вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера, составляющую менее 50% от длины скважинного затрубного барьера вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера. Кольцевой уплотнительный элемент содержит пружинный элемент, а также кольцевую уплотнительную муфту, соединенную с разжимной частью и образующую полость кольцевого уплотнительного элемента между разжимной частью и кольцевой уплотнительной муфтой. Пружинный элемент расположен в полости кольцевого уплотнительного элемента. Пружинный элемент представляет собой пружинное устройство или пружину, например винтовую или цилиндрическую пружину, так что при разжимании затрубного барьера происходит сжатие пружинного элемента с образованием в пружинном элементе присущей ему силы упругости, обеспечивая возможность разжимания пружинного элемента, когда разжатая разжимная часть окончательно устанавливается после разжимания. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Скважинный затрубный барьер (1) с осевой протяженностью, имеющий наружную поверхность (11), обращенную к внутренней поверхности (21) наружной конструкции (2), и содержащий:

- трубчатую часть (5);

- разжимную часть (3), расположенную вокруг трубчатой части; и

- по меньшей мере один кольцевой уплотнительный элемент (4), соединенный с разжимной частью и имеющий длину в осевом направлении вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера, составляющую менее 50% от длины скважинного затрубного барьера вдоль осевой протяженности скважинного затрубного барьера;

причем кольцевой уплотнительный элемент содержит пружинный элемент (43), при этом кольцевой уплотнительный элемент дополнительно содержит кольцевую уплотнительную муфту (41), соединенную с разжимной частью и образующую полость (42) кольцевого уплотнительного элемента между разжимной частью и кольцевой уплотнительной муфтой, при этом пружинный элемент (43) расположен в полости кольцевого уплотнительного элемента, причем пружинный элемент представляет собой пружинное устройство или пружину, например винтовую или цилиндрическую пружину, так что при разжимании затрубного барьера происходит сжатие пружинного элемента с образованием в пружинном элементе присущей ему силы упругости, обеспечивая возможность разжимания пружинного элемента, когда разжатая разжимная часть окончательно устанавливается после разжимания.

2. Скважинный затрубный барьер (1) по п. 1, в котором кольцевая уплотнительная муфта выполнена из металлического материала.

3. Скважинный затрубный барьер (1) по п. 1 или 2, в котором в полости кольцевого уплотнительного элемента расположен разжимной элемент (44).

4. Скважинный затрубный барьер (1) по п. 1 или 2, в котором разжимная часть представляет собой разжимную муфту, окружающую трубчатую часть.

5. Скважинный затрубный барьер по п. 4, в котором разжимная муфта представляет собой металлическую муфту.

6. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, в котором пружинный элемент выполнен из металлического материала.

7. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, в котором пружинный элемент представляет собой волнистую кольцевую уплотнительную муфту (43В).

8. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, в котором кольцевая уплотнительная муфта (41, 43В) имеет по меньшей мере одно отверстие (45) или снабжена перфорацией.

9. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, дополнительно содержащий соединительные части (46), предназначенные для соединения кольцевой уплотнительной муфты с разжимной частью.

10. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, дополнительно содержащий датчик для определения давления, оказываемого кольцевым уплотнительным элементом на внутреннюю поверхность наружной конструкции.

11. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1, 2 или 5, дополнительно содержащий:

- первую соединительную часть, окружающую первый конец (22) трубчатой части и соединенную с ним; и

- вторую соединительную часть, окружающую второй конец (24) трубчатой части и соединенную с ним;

причем разжимная часть соединена с первой соединительной частью (32) и второй соединительной частью (33), при этом разжимная часть, первая и вторая соединительные части, а также трубчатая часть ограничивают внутреннее пространство (6), причем первая соединительная часть соединена с возможностью скольжения с трубчатой частью.

12. Скважинная система, содержащая скважинную трубчатую конструкцию и по меньшей мере один скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-11, причем трубчатая часть образует часть скважинной трубчатой конструкции.

13. Скважинная система по п. 12, в которой множество скважинных затрубных барьеров расположено на расстоянии друг от друга вдоль трубчатой части.

14. Способ обеспечения уплотнения, содержащий следующие этапы:

- введение скважинного затрубного барьера по любому из пп. 1-11 в ствол скважины;

- разжимание разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход (51);

- сжатие пружинного элемента (43), когда наружная поверхность (11) скважинного затрубного барьера взаимодействует с внутренней поверхностью (21) наружной конструкции (2), путем дополнительной закачки текучей среды под давлением в проход (51);

- минимизация разжимной части (3) по завершении закачки текучей среды под давлением, обусловленная упругим отскоком разжимной части; и

- разжимание пружинного элемента так, чтобы поддерживать давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом (4) на внутреннюю поверхность наружной конструкции (2), а также поддерживать уплотняющий эффект скважинного затрубного барьера.

15. Способ обеспечения уплотнения, содержащий следующие этапы:

- введение скважинного затрубного барьера по любому из пп. 1-11 в ствол скважины;

- разжимание разжимной части путем закачки текучей среды под давлением в проход (51);

- минимизация разжимной части (3) при завершении закачки текучей среды под давлением, обусловленная упругим отскоком разжимной части; и

- разжимание разжимного элемента (44) так, чтобы поддерживать давление, оказываемое кольцевым уплотнительным элементом (4) на внутреннюю поверхность (21) наружной конструкции (2), а также поддерживать уплотняющий эффект скважинного затрубного барьера.