Устройство для использования со скважинным инструментом, имеющим разбухающий элемент, скважинный инструмент и способ его сборки

Устройство для использования со скважинным инструментом, имеющим разбухающий элемент, скважинный инструмент и способ его сборки

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к скважинному устройству для использования со скважинным инструментом, имеющим разбухающий элемент, скважинному инструменту и способу его сборки

Уровень техники

В области разведки местонахождений углеводородов и их добычи используют различные инструменты для обеспечения гидравлических затворов между двумя компонентами в стволе скважины. Для предотвращения нежелательного потока скважинных текучих сред были разработаны кольцевые барьеры, располагаемые в кольцевом зазоре между колонной труб в стволе скважины и внутренней поверхностью обсадной трубы или стенкой окружающего ствола скважины. Во многих случаях с помощью кольцевых барьеров обеспечивают гидравлический затвор, пригодный для выдерживания значительного перепада давлений по длине скважины. В одном случае применения скважинный пакер формируют на наружной поверхности эксплуатационной колонны, вводят в наружную обсадную колонну в первом состоянии, при котором она имеет определенный наружный диаметр. Когда пакер находится в требуемом положении в скважине, его раздувают или понуждают к расширению таким образом, чтобы он вступил в контакт с внутренней поверхностью наружной обсадной колонны для создания уплотнения в кольцевом пространстве. Подобные скважинные пакеры были разработаны для использования их в необсаженных скважинах для создания уплотнения между колонной труб и стенкой окружающего ствола скважины.

Обычные пакеры активизируют с помощью механических или гидравлических систем. Со стороны устья скважины прикладывают силу или давление для продвижения механического элемента пакера в радиальном направлении в контакт с окружающей поверхностью. В раздуваемый пакер подают текучую среду из устья скважины для раздувания камеры, ограниченной баллоном, расположенным вокруг трубчатого корпуса.

Недавно были разработаны пакеры для стволов скважин, содержащие оболочку из разбухающего материала, сформированную вокруг трубы. Разбухающий материал выбирают для увеличения объема при воздействии, по меньшей мере, одной предварительно определенной скважинной текучей среды, которая может быть углеводородной текучей средой, или водной текучей средой, или соляным раствором. Разбухающий пакер можно продвигать к месту расположения в скважине в его нерасширенном состоянии, где его подвергают воздействию скважинной текучей среды и вызывают увеличение его объема. Конструкция, размеры и характеристики разбухания выбирают таким образом, чтобы разбухающий элемент пакера расширился, для создания гидравлического затвора в кольце, для изоляции одной секции ствола скважины от другой. Разбухающие пакеры обладают несколькими преимуществами над обычными пакерами, включающими пассивную активизацию, простоту изготовления и прочность при долгосрочном использовании в качестве изолирующего средства.

Кроме того, разбухающие пакеры могут быть сконструированы таким образом, чтобы разбухающая оболочка эластично расширялась и вступала в контакт с окружающей поверхностью, чтобы сила, прикладываемая к поверхности, не вызывала повреждения скальной породы или места контакта с пластом, в то же время все же образуя кольцевой барьер или уплотнение. Разбухающие пакеры, таким образом, хорошо прилегают к стенкам необсаженной эксплуатационной буровой скважины в рыхлых или слабых породах.

Материалы, выбираемые для формирования разбухающего элемента в разбухающем пакере, значительно зависят от конкретного применения. Разбухающие материалы являются эластомерами (т.е. они проявляют механические и физические свойства эластомера или натурального каучука). Если разбухающая оболочка предназначена для разбухания в углеводородах, то она может содержать такой материал, как, например, каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (КЭПДМ). Если требуется, чтобы разбухающая оболочка разбухала в водных текучих средах или соляных растворах, то материал может, например, содержать сшитый полимер на основе амида N-винилкарбоновой кислоты и разбухающий в воде уретан в матрице из этиленпропиленового каучука. Кроме того, разбухающие эластомерные материалы могут быть предназначены для увеличения объема как в углеводородных текучих средах, так и в водных текучих средах.

Расширяющиеся металлические поддерживающие элементы используют для предотвращения выдавливания разбухающих элементов пакеров. Так как разбухающие элементы изготавливают, используя ряд различных материалов, предназначенных для разбухания в нефти, в воде или и в нефти, и в воде, то существует потребность в создании этих поддерживающих систем из каждого из различных эластомеров. Это также требует изготовления различных типов поддерживающих элементов и их складирования, что ведет к увеличению стоимости изготовления и к созданию ситуации, в которой могут быть допущены ошибки и может быть смонтирован несоответствующий тип поддерживающего элемента на пакере.

Краткое описание изобретения

Согласно изобретению создано устройство для использования со скважинным инструментом, имеющим разбухающий элемент, содержащее крепежную часть для прикрепления устройства к скважинному инструменту, кольцевую часть, присоединенную к крепежной части и имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерую часть, расположенную внутри в радиальном направлении кольцевой части, состоящую из первого эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов и углеводородов, и способную расширяться при воздействии на нее водного раствора или углеводорода и расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента скважинного инструмента.

Разбухающий элемент скважинного инструмента может состоять из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов.

Разбухающий элемент скважинного инструмента может состоять из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него углеводородов.

Первый эластомер может быть эластомерной матрицей из каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, пропитанной сверхабсорбирующим полимером.

Первый эластомер может быть продуктом реакции линейных или разветвленных полимеров, имеющих остаточную этиленовую ненасыщенность, с ненасыщенным органическим мономером, содержащим, по меньшей мере, один химически активный компонент.

Согласно изобретению создан скважинный инструмент, содержащий корпус, разбухающий элемент, расположенный вокруг корпуса и состоящий из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него предварительно определенной скважинной текучей среды, поддерживающий элемент, расположенный вокруг корпуса на конце разбухающего элемента и содержащий крепежную часть, прикрепленную к корпусу, кольцевую часть, присоединенную к крепежной части и имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерную часть, расположенную между кольцевой частью и корпусом, состоящую из первого эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов и углеводородов независимо от предварительно определенной скважинной текучей среды, при этом эластомерная часть способна расширяться и расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента, и разбухающий элемент способен расширяться в осевом направлении при воздействии на него предварительно определенной скважинной текучей среды, оказывая давление в осевом направлении на эластомерную часть.

Предварительно определенной скважинной текучей средой может быть водный раствор или углеводород.

Первый эластомер может быть эластомерной матрицей из каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, пропитанной сверхабсорбирующим полимером.

Первый эластомер может быть продуктом реакции линейных или разветвленных полимеров, имеющих остаточную этиленовую ненасыщенность, с ненасыщенным органическим мономером, содержащим, по меньшей мере, один химически активный компонент.

Согласно изобретению создан способ сборки скважинного инструмента, содержащий следующие стадии: выбор разбухающего элемента для скважинного инструмента, реагирующего на текучую среду в стволе скважины; расположение разбухающего элемента на корпусе скважинного инструмента; расположение на корпусе вблизи конца разбухающего элемента поддерживающего элемента, содержащего кольцевую часть, имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерную часть, расположенную между кольцевой частью и корпусом, состоящую из другого разбухающего эластомера, выбранного независимо от скважинной текучей среды в стволе скважины и способную расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента;

прикрепление поддерживающего элемента к корпусу.

Стадия выбора разбухающего элемента может содержать выбор разбухающего элемента, предназначенного для разбухания при воздействии на него углеводорода или водного раствора.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых чертежах, которые включены в данное описание и составляют его часть, проиллюстрированы способ осуществления устройства и способы, согласующиеся с настоящим изобретением, которые вместе с подробным описанием служат для пояснения преимуществ и принципов, согласующихся с изобретением. На чертеже на фиг.1 показан в разрезе скважинный инструмент согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание вариантов осуществления изобретения

В последующем описании, с целью пояснения, представлен ряд конкретных деталей для обеспечения четкого понимания изобретения. Однако должно быть очевидно для специалиста в данной области техники, что изобретение можно практически использовать без этих конкретных деталей. В других примерах конструкция и устройства показаны в виде структурной схемы для исключения непонимания изобретения. Ссылки на номера позиций без индексов или подстрочных индексов следует понимать как ссылки на все примеры с индексами и подстрочными индексами, соответствующие номеру позиции, на который сделана ссылка. Кроме того, язык, использованный в данном описании, принципиально выбран для удобочитаемости и с целью инструктирования, и, возможно, не был выбран для очерчивания границ, или ограничения, предмета изобретения, и использован для написания формулы изобретения, необходимой для определения такого предмета изобретения. Ссылка в описании на один вариант осуществления или на вариант осуществления означает, что определенный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантами осуществления, включены, по меньшей мере, в один вариант осуществления изобретения, а множественные ссылки на один вариант осуществления или на вариант осуществления не следует понимать как обязательно все ссылки на один и тот же вариант осуществления.

На фиг.1 изображена в разрезе часть разбухающего пакера 100 согласно одному варианту осуществления. Некоторые общие признаки разбухающего пакера, известные в данной области техники, исключены для обеспечения ясности чертежа. Разбухающий пакер 100 содержит центральный корпус 110, например, трубу или оправку, вокруг которой расположена разбухающая эластомерная оболочка 120. Разбухающая оболочка 120 может быть сформирована из одной или нескольких секций, как это требуется, с использованием любой известной технологии для формирования разбухающей оболочки вокруг центрального корпуса. В одном варианте осуществления разбухающая оболочка 120 может быть приклеена или другим способом прикреплена к корпусу 110. В одном варианте осуществления разбухающая оболочка 120 сформирована из эластомера, предназначенного к разбуханию при воздействии на него водного раствора, например воды или соляного раствора. В другом варианте осуществления разбухающая оболочка 120 сформирована из эластомера, предназначенного для разбухания при воздействии на него углеводородной текучей среды. В еще одном варианте осуществления разбухающая оболочка сформирована из гибридного эластомера, предназначенного для разбухания при воздействии на него водного раствора или углеводородной текучей среды.

При введении в буровую скважину эластомерная оболочка 120 разбухает при воздействии на нее текучей среды, окружающей пакер 100 в стволе скважины. При разбухании эластомерной оболочки 120 она расширяется в радиальном направлении наружу, сопрягается с окружающей обсадной колонной или необсаженным стволом скважины (не показаны на фиг.1), прижимая пакер 100 к обсадной колонне или стволу скважины. Эластомерная оболочка 120 может также разбухать в осевом направлении, и если не предотвращать это явление, то она может выдавливаться в осевом направлении вокруг других элементов, расположенных на концах оболочки 120, уменьшая давление, оказываемое расширенной оболочкой 120 на окружающую обсадную колонну или ствол скважины.

Для предотвращения такого выдавливания у одного конца оболочки 120 расположен, по меньшей мере, один поддерживающий элемент 160 согласно одному варианту осуществления. Хотя на фиг.1 показан только один конец разбухающей оболочки 120, подобные элементы могут быть расположены на обоих концах оболочки 120.

В одном варианте осуществления поддерживающий элемент 160 содержит три части: крепежную часть 150 для прикрепления элемента 160 к корпусу 110, кольцевую часть 140, обычно изготовленную из металла, и эластомерную часть 130. Давление на эластомерную часть 130 в осевом направлении приводит к расширению кольцевой части 140 в радиальном направлении наружу, в то время как крепежная часть 150, прикрепленная к корпусу 110, сообщает движение в осевом направлении или вращательное движение элементу 160 относительно корпуса 110. Эластомерная часть 130 также оказывает силовое воздействие на оболочку 120, способствуя предотвращению выдавливания оболочки 120 в осевом направлении.

В дополнение к силе, создаваемой в результате расширения оболочки 120, действующей в осевом направлении, в одном варианте осуществления эластомерная часть 130 также сформирована из разбухающего материала. Хотя эластомер, из которого изготовлена оболочка 120, обычно выбирают, учитывая типы текучих сред, обнаруживаемых в буровой скважине, эластомерную часть 130 изготавливают из гибридного разбухающего материала, который выбирают таким образом, чтобы он расширялся при воздействии на него как водных растворов, так и углеводородных текучих сред. Таким образом, один и тот же поддерживающий элемент 160 может быть использован без учета состава оболочки 120 в буровых скважинах с любым типом скважинной текучей среды, в составе скважинного инструмента с разбухающим элементом.

Такие гибридные эластомеры известны в данной области техники, но их раньше не использовали для изготовления эластомерной части 130 поддерживающего элемента. Например, одним типом гибридного разбухающего эластомера является такой эластомерный матричный материал, как, например, КЭПДМ, пропитанный сверхабсорбирующими полимерными частицами (САПЧ). САПЧ обладают гидрофильными характеристиками. В другом примере гибридный разбухающий эластомер содержит продукт взаимодействия линейных или разветвленных полимеров, имеющих остаточную этиленовую ненасыщенность с ненасыщенным органическим мономером, содержащим, по меньшей мере, один химически активный компонент. Известны и другие гибридные разбухающие эластомеры, которые можно использовать.

Благодаря использованию гибридного эластомера в качестве эластомерной части 130 поддерживающего элемента, можно, не учитывая скважинную текучую среду, вместо эластомера, специально предназначенного для водных растворов или углеводородных текучих сред, изготавливать универсальный поддерживающий элемент и использовать его в составе пакеров, предназначенных для использования в присутствии любого типа текучей среды, таким образом уменьшая затраты на изготовление и обеспечение запаса частей, а также уменьшая риск того, что при сборке пакера 100 может быть установлен поддерживающий элемент 160, предназначенный для другого типа раствора (не соответствующего конкретной скважинной текучей среде).

При воздействии на пакер 100 скважинных текучих сред расширение эластомерной части 130 поддерживающего элемента оказывает сопротивление расширению оболочки 120 в осевом направлении и разбуханию эластомерной части 130 в радиальном направлении наружу вызывает деформацию и расширение в радиальном направлении наружу кольцевой части 140, дополнительно предотвращая выдавливание оболочки 120 в осевом направлении.

В некоторых вариантах осуществления кольцевая часть 140 поддерживающего элемента является сплошной. В других вариантах осуществления кольцевая часть 140 может быть разделена на множество секций, или пальцев, которые отделяются друг от друга при разбухании и расширении оболочки 120 и эластомерной части 130 поддерживающего элемента. В некоторых вариантах осуществления может быть обеспечено множество слоев пальцев, расположенных таким образом, чтобы при расширении слоев пальцев сохранялось их перекрывание, благодаря чему предотвращается выдавливание эластомерной оболочки 120 между смежными пальцами кольцевой части поддерживающего элемента.

Хотя приведенное выше описание выполнено со ссылкой на пакер, универсальный поддерживающий элемент 160 можно использовать в других скважинных инструментах, содержащих разбухающие элементы.

Следует понимать, что приведенное выше описание является иллюстративным, а не ограничивающим объем изобретения. Например, описанные выше варианты осуществления можно использовать в сочетании друг с другом. Много других вариантов осуществления станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с приведенным выше описанием. Объем изобретения, таким образом, следует определять со ссылкой на прилагаемую формулу изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, определяемых заглавиями пунктов формулы изобретения. В прилагаемой формуле изобретения термины включающий и в котором использованы как прямые английские эквиваленты соответствующих терминов: содержащий и в котором.

1. Устройство для использования со скважинным инструментом, имеющим разбухающий элемент, содержащее крепежную часть для прикрепления устройства к скважинному инструменту, кольцевую часть, присоединенную к крепежной части и имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерую часть, расположенную внутри в радиальном направлении кольцевой части, состоящую из первого эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов и углеводородов, и способную расширяться при воздействии на нее водного раствора или углеводорода и расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента скважинного инструмента.

2. Устройство по п.1, в котором разбухающий элемент скважинного инструмента состоит из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов.

3. Устройство по п.1, в котором разбухающий элемент скважинного инструмента состоит из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него углеводородов.

4. Устройство по п.1, в котором первый эластомер является эластомерной матрицей из каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, пропитанной сверхабсорбирующим полимером.

5. Устройство по п.1, в котором первый эластомер является продуктом реакции линейных или разветвленных полимеров, имеющих остаточную этиленовую ненасыщенность, с ненасыщенным органическим мономером, содержащим, по меньшей мере, один химически активный компонент.

6. Скважинный инструмент, содержащий корпус, разбухающий элемент, расположенный вокруг корпуса и состоящий из второго эластомера, способного расширяться при воздействии на него предварительно определенной скважинной текучей среды, поддерживающий элемент, расположенный вокруг корпуса на конце разбухающего элемента и содержащий крепежную часть, прикрепленную к корпусу, кольцевую часть, присоединенную к крепежной части и имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерную часть, расположенную между кольцевой частью и корпусом и состоящую из первого эластомера, способного расширяться при воздействии на него водных растворов и углеводородов независимо от предварительно определенной скважинной текучей среды, при этом эластомерная часть способна расширяться и расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента, и разбухающий элемент способен расширяться в осевом направлении при воздействии на него предварительно определенной скважинной текучей среды, оказывая давление в осевом направлении на эластомерную часть.

7. Скважинный инструмент по п.6, в котором предварительно определенной скважинной текучей средой является водный раствор.

8. Скважинный инструмент по п.6, в котором предварительно определенной скважинной текучей средой является углеводород.

9. Скважинный инструмент по п.6, в котором первый эластомер является эластомерной матрицей из каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, пропитанной сверхабсорбирующим полимером.

10. Скважинный инструмент по п.6, в котором первый эластомер является продуктом реакции линейных или разветвленных полимеров, имеющих остаточную этиленовую ненасыщенность, с ненасыщенным органическим мономером, содержащим, по меньшей мере, один химически активный компонент.

11. Способ сборки скважинного инструмента, содержащий следующие стадии: выбор разбухающего элемента для скважинного инструмента, реагирующего на текучую среду в стволе скважины; расположение разбухающего элемента на корпусе скважинного инструмента; расположение на корпусе вблизи конца разбухающего элемента поддерживающего элемента, содержащего кольцевую часть, имеющую расширенное состояние и нерасширенное состояние, и эластомерную часть, расположенную между кольцевой частью и корпусом, состоящую из другого разбухающего эластомера, выбранного независимо от скважинной текучей среды в стволе скважины, и способную расширять кольцевую часть в радиальном направлении наружу из нерасширенного состояния в расширенное состояние в ответ на давление, действующее в осевом направлении на эластомерную часть со стороны разбухающего элемента; прикрепление поддерживающего элемента к корпусу.

12. Способ по п.11, в котором стадия выбора разбухающего элемента содержит выбор разбухающего элемента, предназначенного для разбухания при воздействии на него углеводорода.

13. Способ по п.11, в котором стадия выбора разбухающего элемента содержит выбор разбухающего элемента, предназначенного для разбухания при воздействии на него водного раствора.