Способ герметичного перекрытия кольцевого пространства

Способ герметичного перекрытия кольцевого пространства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу приведения в действие скважинной системы, расположенной в кольцевом пространстве, образованном между трубчатым элементом, проходящим в ствол скважины, образованный в пласте земли, и цилиндрической стенкой, окружающей трубчатый элемент. Цилиндрическая стенка может представлять собой стенку ствола скважины или стенку обсадной колонны, проходящей в ствол скважины.

Для многих случаев применения в стволах скважин приведение в действие такой скважинной системы требуется для выполнения скважинного процесса или для инициирования такого процесса. Были предприняты попытки приводить в действие скважинные системы посредством гидравлических или электрических линий управления, проходящих от поверхности в ствол скважины. Однако такие линии управления уязвимы для повреждений и, как правило, усложняют создание скважины. Например, если трубчатый элемент представляет собой обсадную колонну и электрические линии управления используются на наружной поверхности обсадной колонны, электрический соединитель должен быть предусмотрен на каждом соединении двух соседних секций обсадной колонны.

Целью настоящего изобретения является разработка усовершенствованного способа приведения в действие скважинной системы, расположенной в кольцевом пространстве, образованном между трубчатым элементом, проходящим в ствол скважины, и цилиндрической стенкой, окружающей трубчатый элемент.

В соответствии с настоящим изобретением разработан способ приведения в действие скважинной системы, расположенной в кольцевом пространстве, образованном между расширяемым в радиальном направлении трубчатым элементом, проходящим в ствол скважины, образованный в пласте земли, и цилиндрической стенкой, окружающей трубчатый элемент, при этом скважинная система размещена с возможностью приведения ее в действие путем смещения кольцевого подвижного устройства вдоль трубчатого элемента, и способ включает следующие операции:

размещение кольцевого подвижного устройства вокруг трубчатого элемента, при этом подвижное устройство имеет внутренний диаметр, немного превышающий наружный диаметр трубчатого элемента в его нерасширенном состоянии;

постепенное расширение части трубчатого элемента путем перемещения расширителя через трубчатый элемент в направлении подвижного устройства, в результате чего переходная зона трубчатого элемента образуется между расширенной и нерасширенной частями трубчатого элемента;

при контакте переходной зоны с подвижным устройством продолжение перемещения расширителя через трубчатый элемент для перемещения подвижного устройства в осевом направлении вдоль трубчатого элемента, в результате чего подвижное устройство обеспечит приведение в действие скважинной системы.

В данном способе достигается то, что при расширении трубчатого элемента скважинная система приводится в действие посредством подвижного устройства для выполнения скважинного процесса. Такое приведение в действие осуществляется без использования линий управления, проходящих от поверхности в ствол скважины.

Изобретение будет описано ниже более подробно и в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1А-1С схематично показывают первый вариант осуществления скважинной системы, предназначенной для использования в способе согласно изобретению, во время различных стадий ее использования;

фиг.2А-2В схематично показывают второй вариант осуществления скважинной системы, предназначенной для использования в способе согласно изобретению, во время различных стадий ее использования;

фиг.3А-3С схематично показывают третий вариант осуществления скважинной системы, предназначенной для использования в способе согласно изобретению, во время различных стадий ее использования;

фиг.4А-4С схематично показывают четвертый вариант осуществления скважинной системы, предназначенной для использования в способе согласно изобретению, во время различных стадий ее использования.

На фигурах аналогичные ссылочные номера относятся к аналогичным компонентам.

На фиг.1А показан ствол 1 скважины, образованный в пласте 3 земли и имеющий стенку 4. Трубчатый элемент в виде металлической обсадной колонны 6 с продольной осью 7 проходит по существу концентрично в ствол 1 скважины. Таким образом, между указанными цилиндрическими элементами образуется кольцевое пространство 8. Следует понимать, что стенка 4 ствола скважины не обязательно должна быть идеально цилиндрической, поскольку она, как правило, имеет неправильную форму, например, из-за эрозии и смывов, которые имеют место во время процесса бурения.

Обсадная колонна 6 снабжена скважинной системой, которая выполнена в виде комплекта из трех кольцевых уплотнительных элементов 10, 12, 14, размещенных вокруг обсадной колонны 6 и смещенных друг относительно друга в осевом направлении обсадной колонны, и стопорным устройством в виде кольцевого стопорного устройства 16, неподвижно присоединенного к обсадной колонне 6 и расположенного с одной стороны комплекта уплотнительных элементов. Кроме того, обсадная колонна снабжена подвижным устройством в виде металлической сжимающей гильзы 17, расположенной с другой стороны комплекта уплотнительных элементов 10, 12, 14. Сжимающая гильза 17 выполнена с возможностью смещения относительно обсадной колонны 6 в ее осевом направлении.

Уплотнительные элементы 10, 12, 14 изготовлены из упругого материала, такого как резина, и, возможно, но необязательно, усилены в осевом направлении с помощью проходящих в осевом направлении, усилительных стержней (непоказанных), заделанных в упругий материал. Уплотнительный элемент 10 имеет скошенный край 18 рядом с уплотнительным элементом 12, уплотнительный элемент 12 имеет скошенный край 20 рядом с уплотнительным элементом 10 и скошенный край 22 рядом с уплотнительным элементом 14, и уплотнительный элемент 14 имеет скошенный край 24 рядом с уплотнительным элементом 12 и скошенный край 26 рядом со стопорным устройством 16. Стопорное устройство 16 имеет скошенный край 28 рядом с уплотнительным элементом 14. Скошенные края 18, 20 ориентированы таким образом, что обеспечивается смещение уплотнительного элемента 10 вдоль радиально наружной поверхности 30 уплотнительного элемента 12, когда уплотнительный элемент 10 толкают в направлении уплотнительного элемента 12. Аналогичным образом, скошенные края 22, 24 ориентированы таким образом, что обеспечивается смещение уплотнительного элемента 12 вдоль радиально наружной поверхности 32 уплотнительного элемента 14, когда уплотнительный элемент 12 толкают в направлении уплотнительного элемента 14. Кроме того, скошенные края 26, 28 ориентированы таким образом, что обеспечивается смещение уплотнительного элемента 14 вдоль радиально наружной поверхности 34 стопорного устройства 16, когда уплотнительный элемент 14 толкают в направлении стопорного устройства 16.

Обсадная колонна 6 имеет расширенную в радиальном направлении часть 40, нерасширенную в радиальном направлении часть 42, и переходную часть 44, расположенную между расширенной и нерасширенной частями 40, 42 и имеющую диаметр, изменяющийся от диаметра нерасширенной части до диаметра расширенной части.

Стопорное устройство 16, уплотнительные элементы 10, 12, 14 и сжимающая гильза 17 - все эти элементы размещены вокруг нерасширенной части 42 обсадной колонны, при этом сжимающая гильза 17 размещена рядом с переходной частью 44 обсадной колонны.

Сжимающая гильза 17 имеет край 46, расположенный рядом с расширенной частью 40 обсадной колонны 6, и снабженной упорным подшипником, обеспечивающим низкое трение между краем и переходной частью 44 обсадной колонны 6. Подшипник может представлять собой, например, втулку из бронзы или Тефлона (товарный знак), упорный подшипник (например, комплект несущих шариков, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга вдоль окружной периферии края) или гидростатический подшипник.

На фиг.2А, 2В показана скважинная система, выполненная в виде кольцевого закачивающего устройства 51, размещенного вокруг обсадной колонны 6, при этом указанное закачивающее устройство 51 при приведении его в действие обеспечивает закачивание выбранной текучей среды в кольцевое пространство 8. Закачивающее устройство содержит кольцевой насос 52, выполненный с возможностью нагнетания заданной текучей среды по каналу 54 и через множество расположенных на определенном расстоянии друг от друга в окружном направлении кольцевых сопел 56 в кольцевое пространство 8 при приведении насоса в действие посредством сжимающей гильзы 17. Заданная текучая среда представляет собой, например, химический активатор, предназначенный для обеспечения затвердевания массы цементного раствора (непоказанного), имеющегося в кольцевом пространстве 8, или катализатор или химический продукт, предназначенный для инициирования химической реакции массы смолы (непоказанной), имеющейся в кольцевом пространстве 8. Несколько кольцевых закачивающих устройств 51 расположены на заданных расстояниях друг от друга в осевом направлении вдоль обсадной колонны 6, однако для простоты показано только одно закачивающее устройство 51.

На фиг.3А-3С показана скважинная система, выполненная в виде центратора 60 обсадной колонны, размещенного вокруг обсадной колонны 6, при этом центратор 60 в значительной степени аналогичен обычному рессорному центратору. Центратор 60 имеет упругие рычажные элементы 62, которые изгибаются при сжатии центратора 60 в осевом направлении и в результате этого смещаются в радиальном направлении к стенке ствола скважины. Центратор 60 имеет концевую часть 64 (удаленную от сжимающей гильзы 17), которая неподвижно присоединена к обсадной колонне 6, и концевую часть 66 (расположенную рядом со сжимающей гильзой 17), которая выполнена с возможностью смещения в осевом направлении вдоль обсадной колонны 6.

На фиг.4А-4С показана скважинная система, включающая выполненную с возможностью смещения гильзу 70, размещенную вокруг обсадной колонны 6 и имеющую внутренний диаметр, которой немного превышает наружный диаметр обсадной колонны 6. Стенка обсадной колонны 6 выполнена с рядом отверстий 72, которые обеспечивают сообщение по текучей среде между внутренним пространством обсадной колонны 6 и пространством, наружным по отношению к ней.

Во время нормальной эксплуатации системы по первому варианту осуществления обсадную колонну 6 устанавливают в стволе 1 скважины вместе со стопорным устройством 16, уплотнительными элементами 10, 12, 14 и сжимающей гильзой 17, размещенными вокруг обсадной колонны 6, как показано на фиг.1А. После этого расширитель (непоказанный) проталкивают или тянут через обсадную колонну 6 для ее расширения в радиальном направлении и образования тем самым исходной расширенной части 40 обсадной колонны 6. Соответствующий расширитель представляет собой, например, конический расширитель или конический расширитель, выполненный с роликами вдоль поверхности контакта с обсадной колонной. В результате процесса расширения обсадная колонна 6 подвергается пластической деформации.

Как показано на фиг.1 В, расширитель перемещают через обсадную колонну 6 в направлении стопорного устройства 16, тем самым увеличивая длину расширенной части 40 и обеспечивая смещение переходной части 44 в направлении стопорного устройства 16. При контакте переходной части 44 с краем 46 сжимающей гильзы 17 продолжающееся смещение переходной части 44 вызывает смещение сжимающей гильзы в направлении стопорного устройства 16. В результате этого сжимающая гильза 17 заставляет уплотнительный элемент 10 смещаться к уплотнительному элементу 12 и впоследствии перемещаться вдоль радиально наружной поверхности 30 уплотнительного элемента 12. Когда уплотнительный элемент 10 займет положение, при котором он будет полностью расположен вокруг уплотнительного элемента 12, продолжающееся перемещение переходной части 44 заставит сжимающую гильзу 17 воздействовать на уплотнительный элемент 12, что вызовет его смещение к уплотнительному элементу 14 и последующее перемещение вдоль радиально наружной поверхности 32 уплотнительного элемента 14. Когда уплотнительные элементы 10, 12 займут положение, при котором они будут полностью расположены вокруг уплотнительного элемента 14, продолжающееся перемещение переходной части 44 заставит сжимающую гильзу 17 воздействовать на уплотнительный элемент 14, что вызовет его смещение к стопорному устройству 16 и последующее перемещение вдоль радиально наружной поверхности 34 стопорного устройства 16. Таким способом будет образован комплект 50 расположенных друг на друге в радиальном направлении уплотнительных элементов.

Как показано на фиг.1C, перемещение расширителя продолжается, так что продолжается смещение переходной части 44. Поскольку стопорное устройство 16 предотвращает любое дальнейшее смещение сжимающей гильзы 17 и комплекта 50 расположенных друг на друге в радиальном направлении уплотнительных элементов в осевом направлении, продолжающееся смещение переходной части 44 приводит к расширению сжимающей гильзы 17, стопорного устройства 16 и комплекта 50 расположенных друг на друге в радиальном направлении, уплотнительных элементов в радиальном направлении. Таким образом, комплект 50 расположенных друг на друге в радиальном направлении уплотнительных элементов оказывается прочно зажатым между стопорным устройством 16 и стенкой 4 ствола скважины с образованием кольцевого уплотнения между ними.

Таким образом, достигается то, что создается кольцевое уплотнение между обсадной колонной 6 и стенкой 4 ствола скважины, при этом сравнительно большое кольцевое пространство исходно имеется между ними и отдельные компоненты уплотнения являются сравнительно тонкими, так что уплотнение не затрудняет установку обсадной колонны 6 в стволе 1 скважины.

Во время нормальной эксплуатации системы по второму варианту осуществления обсадную колонну 6 устанавливают в стволе 1 скважины вместе с сжимающей гильзой 17 и закачивающим устройством 51, расположенными вокруг нее, при этом закачивающее устройство 51 неподвижно присоединено к обсадной колонне 6. После этого цементный раствор закачивают в кольцевое пространство 8, при этом указанный раствор затвердевает при контакте с заданным химическим активатором. Закачивающее устройство 51 содержит некоторое количество такого химического активатора, достаточное для того, чтобы вызвать затвердевание части цементного раствора, находящейся между закачивающим устройством и другим закачивающим устройством, расположенным на некотором расстоянии в аксиальном направлении. После этого расширитель проталкивают или тянут через обсадную колонну 6 для расширения обсадной колонны в радиальном направлении и для образования тем самым начальной расширенной части 40. Как показано на фиг.2В, расширитель перемещают через обсадную колонну 6 в направлении закачивающего устройства 51, в результате чего переходная часть 44 смещается в направлении закачивающего устройства 51. Продолжающееся смещение переходной части 44 при контакте переходной части 44 с краем 46 сжимающей гильзы 17 заставляет сжимающую гильзу смещаться к кольцевому насосу 52 закачивающего устройства 51. В результате этого насос 52 будет нагнетать химический активатор по каналу 54 и через сопла 56 в массу цементного раствора, имеющегося в кольцевом пространстве 8. В результате этого часть цементного раствора, находящаяся между закачивающим устройством и другим закачивающим устройством, затвердевает и тем самым герметично перекрывает кольцевое пространство 8. Дальнейшее перемещение расширителя мимо закачивающего устройства 51 вызывает "расплющивание" закачивающего устройства 51 из-за его расширения в радиальном направлении. Таким образом, достигается то, что затвердевание цемента происходит только в тех частях цементного раствора, где обсадная колонна 6 была успешно расширена. Если расширитель застрянет в обсадной колонне 6, то нерасширенная часть обсадной колонны в этом случае может быть поднята на поверхность. В альтернативном варианте остальная часть цемента может иметь такой состав, что цемент будет затвердевать после продолжительного периода времени (то есть периода длительностью порядка нескольких дней), и, следовательно, в результате будет получено обычное зацементированное кольцевое пространство.

Во время нормальной эксплуатации системы по третьему варианту осуществления обсадную колонну 6 устанавливают в стволе 1 скважины вместе с сжимающей гильзой 17 и центратором 60 обсадной колонны, предусмотренными вокруг обсадной колонны 6. После этого расширитель проталкивают или тянут через обсадную колонну 6 в направлении центратора 60 для расширения обсадной колонны 6 в радиальном направлении и для образования тем самым начальной расширенной части 40. Как показано на фиг.3В, продолжающееся смещение переходной части 44 вызывает смещение сжимающей гильзы 17 к центратору 60 и тем самым вызывает смещение концевой части 66 в направлении концевой части 64. В результате этого центратор сжимается, так что упругие рычажные элементы 62 смещаются [«расширяются»] в радиальном направлении к стенке ствола скважины. Как показано на фиг.3С, дальнейшее смещение расширителя мимо сжимающей гильзы 17 и центратора 60 вызывает расширение концевых частей 64, 66 центратора 60 в радиальном направлении. В результате этого упругие рычажные элементы 62 еще сильнее прижимаются к стенке ствола скважины, и таким образом обеспечивается надлежащее центрирование обсадной колонны 6 в стволе 1 скважины.

Во время нормальной эксплуатации системы по четвертому варианту осуществления обсадную колонну 6 устанавливают в стволе 1 скважины вместе с сжимающей гильзой 17 и гильзой 70, выполненной с возможностью смещения, которые предусмотрены вокруг обсадной колонны 6, при этом отверстия 72 не закрыты. Отверстия 72 используются для закачивания цемента из внутреннего пространства обсадной колонны 6 в кольцевое пространство 8 (что представляет собой обычную операцию).

После этого расширитель проталкивают или тянут через обсадную колонну 6 в направлении гильзы 70 для расширения обсадной колонны 6 в радиальном направлении и для образования тем самым начальной расширенной части 40. Как показано на фиг.4 В, продолжающееся смещение переходной части 44 вызывает смещение сжимающей гильзы 17 к гильзе 70 и тем самым вызывает смещение гильзы 70 над частью обсадной колонны с отверстиями 72, в результате чего отверстия 72 закрываются. Как показано на фиг.4С, дальнейшее смещение расширителя гильзы 70, выполненной с возможностью смещения, вызывает расширение сжимающей гильзы 17 и гильзы 70, выполненной с возможностью смещения, в радиальном направлении. Таким образом, достигается то, что выполненная с возможностью смещения гильза 70 надлежащим образом закрывает отверстия 72 и отсекает внутреннее пространство обсадной колонны 6 от пространства, наружного по отношению к ней.

1. Способ приведения в действие скважинной системы, расположенной в кольцевом пространстве, образованном между расширяемым в радиальном направлении трубчатым элементом, проходящим в ствол скважины, образованный в пласте земли, и цилиндрической стенкой, окружающей трубчатый элемент, характеризующийся тем, что скважинная система выполнена с возможностью приведения ее в действие путем смещения кольцевого подвижного устройства вдоль трубчатого элемента, и способ включает следующие операции: размещение кольцевого подвижного устройства вокруг трубчатого элемента, при этом подвижное устройство имеет внутренний диаметр, немного превышающий наружный диаметр трубчатого элемента в его нерасширенном состоянии; постепенное расширение части трубчатого элемента путем перемещения расширителя через трубчатый элемент в направлении подвижного устройства, в результате чего переходная зона трубчатого элемента образуется между расширенной и нерасширенной частями трубчатого элемента; при контакте переходной зоны с подвижным устройством продолжение перемещения расширителя через трубчатый элемент для перемещения подвижного устройства в осевом направлении вдоль трубчатого элемента, в результате чего подвижное устройство обеспечит приведение в действие скважинной системы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая стенка представляет собой стенку ствола скважины и скважинная система включает комплект кольцевых уплотнительных элементов, размещенных в кольцевом пространстве с возможностью их смещения друг относительно друга в осевом направлении, и во время приведения в действие скважинной системы уплотнительные элементы смещаются в осевом направлении друг относительно друга так, что оказываются расположенными друг на друге в радиальном направлении с образованием комплекта расположенных друг на друге в радиальном направлении уплотнительных элементов, который обеспечивает герметичное перекрытие кольцевого пространства.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для каждой пары соседних уплотнительных элементов обеспечивают смещение первого уплотнительного элемента из пары вдоль радиально наружной или внутренней поверхности второго уплотнительного элемента из пары.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что первый уплотнительный элемент из каждой пары соседних уплотнительных элементов изготовлен из упругого материала и расширяется в радиальном направлении во время смещения вдоль радиально наружной поверхности или сжимается в радиальном направлении во время смещения вдоль радиально внутренней поверхности.

5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что обеспечивают смещение первого уплотнительного элемента из каждой пары соседних уплотнительных элементов вдоль радиально наружной поверхности второго уплотнительного элемента из пары.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважинная система включает кольцевое закачивающее устройство, которое во время приведения его в действие обеспечивает закачивание выбранной текучей среды в кольцевое пространство.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что выбранная текучая среда включает химический активатор, предназначенный для обеспечения затвердевания цементного раствора, имеющегося в кольцевом пространстве, или катализатор или химический продукт, предназначенный для инициирования химической реакции смолы, имеющейся в кольцевом пространстве.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что скважинная система включает множество кольцевых закачивающих устройств, расположенных на заданных расстояниях друг от друга в осевом направлении в кольцевом пространстве, и при этом обеспечивают последовательное приведение в действие закачивающих устройств в соответствии с перемещением расширителя через трубчатый элемент.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатый элемент представляет собой обсадную колонну для ствола скважины и скважинная система представляет собой центратор обсадной колонны, имеющий центрирующие элементы, которые расширяются в радиальном направлении при приведении в действие центратора обсадной колонны с помощью подвижного устройства.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что центрирующие элементы расширяются в радиальном направлении за счет изгибания центрирующих элементов.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен с, по меньшей мере, одним отверстием, обеспечивающим сообщение по текучей среде между внутренним пространством трубчатого элемента и пространством, наружным по отношению к трубчатому элементу, и скважинная система включает гильзу, выполненную с возможностью смещения между первым положением, в котором гильза не закрывает каждое отверстие, и вторым положением, в котором гильза закрывает каждое отверстие.