Устройство для изоляции межтрубного пространства скважин Российский патент 2023 года по МПК E21B33/12 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно, к устройствам с уплотнительными элементами из набухающих эластомеров, для разобщения межтрубного пространства, при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Известна конструкция пакера набухающего (смотрите описание полезной модели к патенту №191414, кл. МПК Е21В 33/12).

Пакер набухающий состоит из сердечника с упорами, между которыми размещены уплотнительные элементы, набухающие при контакте с внутрискважинной жидкостью. Рубашки выполнены из материала непроницаемого для пластовой жидкости.

Уплотнительные элементы сформированы из сыпучего материала, для увеличения площади контакта с пластовой жидкостью. Имеются участки для подачи этой жидкости внутрь рубашек, снабженных сверху эластичными манжетами, выполненными с возможностью пропуска внутрь агента набухания и выпуска в полость скважины набухающего уплотнительного элемента.

В качестве уплотнительных элементов можно использовать любое, набухающее под действием агента вещество, с обеспечением изоляции межтрубного пространства скважины.

Работа пакера.

После сборки пакера, через открытые участки, внутрь рубашек засыпают уплотнительные элементы, с перекрытием эластичными манжетами, чтобы защититься от высыпания гранул, при спуске устройства в скважину.

Сердечник с центратором, соединяется с колонной труб и спускается в скважину на заданную глубину.

Для набухания гранул уплотнительных элементов, пластовую жидкость замещают агентом набухания, с попаданием его внутрь рубашек, с последующим воздействием на гранулы уплотнителя и их расширением, с отгибанием эластичных манжет и сливом в полость скважины, с герметизацией межтрубного пространства.

К недостаткам конструкции можно отнести следующее:

- для обеспечения надежной герметизации межтрубного пространства необходимо иметь контактные напряжения на стенке трубы, превосходящие по своему значению давление пластового флюида;

- нет гарантий одновременного выхода уплотнительного агента по всему периметру уплотняемой поверхности, что влияет на герметичность пакера;

- выход уплотнительных элементов из полости рубашек в полость скважины не может создать лабиринтное уплотнение, поскольку каждое из них разделено друг от друга пластовой жидкостью и не имеет жесткой опоры; т.е. уплотнительные элементы будут оседать на центратор.

Известно техническое решение, защищенное патентом на полезную модель «Набухающий уплотнитель в пакере со шлипсовым механизмом», №182236 МПК Е21В33/12.

Пакер, со шлипсовым механизмом и узлом уплотнения в виде набухающего уплотнителя, содержит ствол, шлипсовый механизм с конусом, базовую трубу, ограничительное кольцо. Уплотнитель, изготовленный из набухающего эластомера, привулканизирован к базовой трубе, или выполнен в виде рукава и расположен между неподвижными группами деталей. В данном случае снизу размещен шлипсовый механизм в виде конуса внутри шлипсов. Сверху над уплотнителем установлено ограничительное кольцо, смонтированное неподвижно на стволе пакера.

Работа полезной модели:

- После фиксации пакера внутри обсадной колонны и выдержки по времени, уплотнитель набухает при воздействии пластовой жидкости, с увеличением объема и поджима к стенке трубы обсадной колонны. Тем самым обеспечивается герметизация межтрубного пространства.

К недостаткам конструкции данного пакерующего устройства можно отнести следующее:

- отсутствует описание технологии предварительной фиксации пакера;

- возможность воздействия набухающего уплотнителя на конус вызывает сомнения, поскольку имеется жесткая связь с базовой трубой. Это не позволяет обеспечить контакт шлипсов со стенкой трубы обсадной колонны, что снижает надежность работы устройства.

В случае если уплотнитель свободно расположен на базовой трубе, то имеет место осевое перемещение шлипсов, до контакта со стенкой обсадной колонны, при наличии контакта уплотнителя, в момент его радиального перемещения.

В этом случае имеет место осевое перемещение уплотнителя по стенке трубы обсадной колонны, которая имеет на поверхности ряд дефектов в виде эллипсности, царапин, волосовин и т.д., что негативно влияет на герметичность и снижает надежность работы устройства.

Известна конструкция пакера, защищенная патентом на полезную модель (см. заявка №2011121022, МПК Е21В33/12), принятая за прототип.

Пакер содержит полый ствол, с уплотнительным элементом из набухающего в скважине эластомера.

Уплотнительный элемент имеет вид полого цилиндра, концевой участок которого выполнен коническим и снабжен упорными кольцами, жестко связанными со стволом.

Противоэкструзионная защита выполнена в виде ступенчатой втулки и взаимодействующей с ней кольцевой цилиндрической манжеты из ненабухающей резины. Цилиндрическая манжета размещена между упорным кольцом и концевым участком уплотнительного элемента, другой участок которого размещен во внутренней полости, образованной ступенью втулки и стволом. Верхняя ступень втулки выполнена тонкостенной, с возможностью деформирования в радиальном направлении, снабжена уплотнительным кольцом и имеет ряд продольных разрезов по периметру.

Пакер, в составе колонны труб хвостовика, доводят до расчетной глубины, для изоляции межтрубного пространства, или дополнительного барьера от притока воды. Уплотнительный элемент набухает, с доведением до плотного контакта с поверхностью трубы обсадной колонны.

К недостаткам следует отнести:

- неравномерность распределения контактных напряжений по периметру трубы обсадной колонны, из-за наличия эллипсности и разностенности что снижает уровень герметичности;

- внутренняя поверхность трубы обсадной колонны имеет нарушения в виде волосовин, царапин, что при достаточно высокой жесткости уплотнителя эти дефекты сложно герметично перекрыть с достаточной степени надежности.

Анализ изобретательского уровня.

Для разобщения межтрубного пространства между обсадными колоннами предложена пробка-мост (см. «Теория и практика предупреждения осложнений в работе скважин при их строительстве и эксплуатации», Том 4, Издательство «Недра», Москва 2002 г. – с. 108.

Принцип действия этой пробки основан на увеличении объема, за счет набухания материала, заполняющего полость пробки перед спуском в скважину. Через определенное время, после спуска в скважину в пробке наблюдается тепловой эффект, с возникновением силы, обеспечивающей расширение её корпуса до контакта с обсадной колонной.

В качестве материала для этих целей предложен порошок в воде, которым заполняют полость пробки.

Известно применение конструкционных материалов, обладающих памятью формы. (см. «Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении». Тихонов А.С. (Москва, Издательство “Машиностроение”, 1981г.)

Наиболее полно этот эффект рассмотрен (см. “Эффект памяти формы и сверхупругость”. Хунджуа А.Г. Учебное пособие М. Физический факультет МГЕ, 2010 г.).

В этом учебном пособии освещены два раздела специального курса «Структурные превращения в сплавах с эффектами памяти формы».

Сплавы, называемые нитинолом, обладают высокой коррозионной стойкостью и высокой прочностью, при запоминании исходного состояния. Восстановление исходного состояния изделия происходит при температурном воздействии, в диапазоне температур от +45 ℃ до +100 ℃ и выше, что делает возможным его применения в пластовых условиях.

Технический результат, который может быть получен при реализации предполагаемого изобретения:

- повышение надежности герметизации межтрубного пространства при наличии эллипсности труб и дефектов на внутренней поверхности;

- обеспечение герметизации межтрубного пространства за счет наличия упорных колец на концах уплотнительного элемента, обладающих эффектом памяти и срабатывающих от пластовой температуры;

- возможность расположения устройства на наружной поверхности эксплуатационной или лифтовой колонны труб, над соединительной муфтой, при спуске в скважину и размещением на заданной глубине.

Технический результат достигается тем, что устройство для цементирования межтрубного пространства скважин состоит из полого ствола, с уплотнительным элементом из набухающего эластомера, с упорными кольцами на концах, имеющих ряд продольных прорезей и простановочным кольцом в средней части, имеющей радиальные отверстия по периметру. Уплотнительный элемент снабжен на концах кольцевыми проточками и внутренней кольцевой канавкой. Упорные кольца выполнены из металла, обладающего памятью формы (нитинол) и снабжены кольцевыми выступами и установлены во внутренних кольцевых канавках. Простановочное кольцо снабжено фиксирующими элементами и тонкостенными кольцевыми удлинителями, с рядом продольных прорезей.

Полый ствол является частью трубы хвостовика или промежуточной колонны.

Конструкция устройства для изоляции межтрубного пространства скважин поясняется чертежами, где:

- на фигуре 1 общий вид устройства в разрезе, в положении установки в скважине;

- на фигуре 2 – общий вид простановочного кольца в разрезе;

- на фигуре 3 – упорное кольцо в разрезе, с продольными прорезями по периметру, в положении изготовления;

- на фигуре 4 – упорное кольцо в разрезе, в положении установки на уплотнительном элементе;

- на фигуре 5 – упорное кольцо в разрезе, в положении установки на уплотнительном элементе;

- на фигуре 6 – общий вид устройства в положении перекрытия изоляции межтрубного пространства уплотнительным элементом.

Устройство включает уплотнительный элемент 1 из набухающего эластомера, разделенным на две части простановочным кольцом 2, с верхней 3 и нижней 4 частями, в виде тонкостенных кольцевых удлинений 5, с рядом продольных прорезей 6 (см. фиг.2), распределенных по периметру.

Простановочное кольцо 2 снабжено рядом фиксирующих элементов 7 и циркуляционными отверстиями 8 (см. фиг.2).

Уплотнительный элемент 1 на концах содержит внутренние кольцевые канавки 9, в которые введены головки 10, упорных колец 11, с продольными прорезями 12 по периметру (см. фиг.3). На внешней стороне уплотнительный элемент 1 содержит кольцевые проточки 13, в верхней 3 и нижней 4 части.

Устройство в сборе устанавливается на нижнем конце трубы 14, принадлежащей хвостовику или промежуточной колонне труб, с расположением на торце муфтового соединения 15 и фиксацией в этом положении несколькими фиксирующими элементами 7.

В зависимости от пластовых условий, существующих в каждой конкретной скважине, возможна установка таких устройств на трубах 14, по длине труб хвостовика (на фигурах не показано), с опорой на торец муфтового соединения 15.

Простановочное кольцо 2 имеет наружный диаметр больше чем наружный диаметр уплотнительного элемента 1, т.е. оно играет роль центратора.

Упорное кольца 11 выполнены из металла, обладающего эффектом памяти и имеют форму как показано на фигуре 3.

После изготовления этой детали, осуществляемой сжатие лепестков 16, сформированных между продольными прорезями 6, с приданием упорным кольцам 11 цилиндрической формы, как показано на фигуре 3.

В таком виде осуществляют ввод головок 10 упорных колец 11 во внутренние кольцевые канавки 9 уплотнительного элемента 1.

Применение устройства.

Устройство в сборе устанавливается на нижний конец трубы 14 перед закручиванием в муфту 15 муфтового соединения и фиксируется в этом положении фиксирующими элементами 7.

Осуществляют спуск в скважину, с расположением устройства на заданной глубине, с образованием кольцевого зазора между устройством и внутренней поверхностью трубы 17 обсадной колонны.

Под действием пластовой температуры лепестки 16 на упорных кольцах 11 разводятся в радиальном направлении (см. фиг. 3) с поджимом уплотнительного элемента 1 к стенке трубы 17 обсадной колонны, (см. фиг. 6).

Уплотнительный элемент 1, под действием пластового флюида постепенно набухает, с изменением радиальных размеров и дополнительно поджимается к стенке трубы.

Наличие кольцевых проточек 13 на верхней 3 и нижней 4 частях уплотнительного элемента 1 позволяет обеспечить более плотный контакт с внутренней поверхностью трубы 17, независимо от наличия эллипсности.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к устройствам с уплотнительными элементами из набухающих эластомеров для изоляции межтрубного пространства скважин. Устройство для изоляции межтрубного пространства скважин состоит из полого ствола с уплотнительным элементом из эластомера, с упорными кольцами на концах с рядом продольных прорезей на них и простановочным кольцом в средней части с радиальными циркуляционными отверстиями, разнесенными по периметру. Уплотнительный элемент выполнен из эластомера, набухающего под действием пластового флюида, и разделен простановочным кольцом на верхнюю часть и нижнюю часть. Уплотнительный элемент снабжен на концах кольцевыми проточками, выходящими на внешнюю сторону концов уплотнительного элемента. Каждая из кольцевых проточек имеет внутреннюю кольцевую канавку. Упорные кольца выполнены из сплава нитинол, обладающего эффектом памяти формы, снабжены кольцевыми выступами, установленными во внутренних кольцевых канавках уплотнительного элемента, и лепестками, выходящими из кольцевых выступов с возможностью взаимодействия с кольцевыми проточками уплотнительного элемента. Лепестки на упорных кольцах выполнены с возможностью разведения в радиальном направлении под действием пластовой температуры и поджимания уплотнительного элемента к стенке трубы обсадной колонны. Простановочное кольцо снабжено фиксирующими элементами с возможностью фиксации простановочного кольца на полом стволе, а также снабжено кольцевыми удлинителями с рядом продольных прорезей, а полый ствол является частью трубы хвостовика или промежуточной колонны. Технический результат заключается в повышении надежности герметизации межтрубного пространства при наличии эллипсности труб и дефектов на внутренней поверхности; в обеспечении герметизации межтрубного пространства за счет наличия упорных колец на концах уплотнительного элемента, обладающих эффектом памяти и срабатывающих от пластовой температуры; в возможности расположения устройства на наружной поверхности эксплуатационной или лифтовой колонны труб, над соединительной муфтой при спуске в скважину и размещения на заданной глубине. 6 ил.

Устройство для изоляции межтрубного пространства скважин, состоящее из полого ствола с уплотнительным элементом из эластомера, с упорными кольцами на концах с рядом продольных прорезей на них и простановочным кольцом в средней части с радиальными циркуляционными отверстиями, разнесенными по периметру, отличающееся тем, что уплотнительный элемент выполнен из эластомера, набухающего под действием пластового флюида, и разделен простановочным кольцом на верхнюю часть и нижнюю часть, уплотнительный элемент снабжен на концах кольцевыми проточками, выходящими на внешнюю сторону концов уплотнительного элемента, при этом каждая из кольцевых проточек имеет внутреннюю кольцевую канавку, причем упорные кольца выполнены из сплава нитинол, обладающего эффектом памяти формы, снабжены кольцевыми выступами, установленными во внутренних кольцевых канавках уплотнительного элемента, и лепестками, выходящими из кольцевых выступов с возможностью взаимодействия с кольцевыми проточками уплотнительного элемента, при этом лепестки на упорных кольцах выполнены с возможностью разведения в радиальном направлении под действием пластовой температуры и поджимания уплотнительного элемента к стенке трубы обсадной колонны, простановочное кольцо снабжено фиксирующими элементами с возможностью фиксации простановочного кольца на полом стволе, а также снабжено кольцевыми удлинителями с рядом продольных прорезей, а полый ствол является частью трубы хвостовика или промежуточной колонны.