Система поддержки герметизирующего элемента

Система поддержки герметизирующего элемента

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ССЫЛКА НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Application № 13/472,128, выложена 15 мая 2012 г., полностью включена в данном документе в виде ссылки.

Область техники

Изобретение относится к системам герметизирующих элементов для применения в колонне капремонта или инструмента, размещенной в стволе скважины, для изоляции одной или нескольких зон ствола скважины от одной или нескольких других зон в стволе скважины.

Уровень техники

На Фиг. 1, показана известная система 200 герметизирующих элементов, включающая в себя корпус или шпиндель 211 с герметизирующим элементом 212, установленным на нем. Каждый конец герметизирующего элемента 212 включает в себя кожух или опору 213 для содействия упругому расширению герметизирующего элемента 212 в направлении от шпинделя 211, когда аксиальная нагрузка прикладывается на герметизирующий элемент 212 в точках 214 приложения аксиальной нагрузки. Каждый конец герметизирующего элемента 212 также включает в себя два поддерживающих элемента 215, 216, каждый из которых показан, как две металлических лепестковых поддержки, нижнюю лепестковую поддержку 217 и верхнюю лепестковую поддержку 218 или фенольную поддержку (не показано), известные в технике. Также известно включение в состав барьера из материала Teflon® в варианте металлического лепесткового поддерживающего элемента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В общем, системы герметизирующего элемента, раскрытые в данном документе, содержат уплотнительный элемент, имеющий систему поддержки. Система поддержки может включать в себя одно или несколько первых разделительных колец, вторых разделительных колец, третьих разделительных колец, ячеистых колец и одно или несколько лепестковых колец. Один или несколько из данных компонентов могут устанавливаться на одном или обоих, верхнем конце и/или нижнем конце уплотнительного элемента. При сжатии уплотнительный элемент перемещается радиально наружу для взаимодействия с внутренней поверхностью стенки ствола скважины вследствие сжимающих сил одного или нескольких разделительных колец, ячеистого кольца и/или лепестковых колец. В некоторых вариантах осуществления нижний конец одного или нескольких ячеистых колец и/или лепестковых колец поворачивается в направлении наружу к обсадной колонне, и в некоторых вариантах осуществления взаимодействует с обсадной колонной содействуя созданию уплотнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показано сечение системы герметизирующего элемента известной техники.

На Фиг. 2 показано сечение конкретного варианта осуществления системы герметизирующего элемента, раскрытого в данном документе в его начальном положении спуска в скважину.

На Фиг. 3 показано сечение системы герметизирующего элемента Фиг. 2, установленного в рабочее положение.

На Фиг. 4 показан вид сверху одного конкретного варианта осуществления лепесткового кольца для включения в состав систем герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе.

На Фиг. 5 показано частично в сечении лепестковое кольцо Фиг. 4.

На Фиг. 6 показан частично в сечении один конкретный вариант осуществления ячеистого кольца для включения в состав систем герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе.

На Фиг. 7 показан частично в сечении один конкретный вариант осуществления первого разделительного кольца для включения в состав систем герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе.

На Фиг. 8 показан частично в сечении один конкретный вариант осуществления второго разделительного кольца для включения в состав систем герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе.

На Фиг. 9 показан участок частично с сечением второго разделительного кольца Фиг. 8 по линии 9.

Хотя изобретение описано ниже на примере предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что изобретение не ограничивается вариантами осуществления. Наоборот, изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут включать в себя сущность и объем изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 2-3 система 20 герметизирующего элемента показана в своем начальном положении или положении спуска в скважину (Фиг. 2) и установленной в рабочее положение (Фиг. 3). В общем, система 20 герметизирующего элемента содержит уплотнительный элемент 22, имеющий поддерживающую систему или систему поддержки (рассмотрено более подробно ниже), верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19, все их несет на наружной поверхность стенки 14 шпиндель 12. Шпиндель 12 включает в себя внутреннюю поверхность 16 стенки, расположенную вокруг продольной оси 11.

Уплотнительный элемент 22, а также компоненты системы поддержки, верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 являются трубчатыми элементами, каждый с внутренней поверхностью с внутренним диаметром, в которых размещается шпиндель 12. Как понятно специалисту в данной области техники, шпиндель 12 является трубчатым элементом, который опирается на обсадную колонну (не показано). Шпиндель 12 может скрепляться с обсадной колонной любым подходящим устройством или способом, известным специалисту в данной области техники.

Уплотнительный элемент 22 содержит верхний конец 21 уплотнительного элемента, нижний конец 23 уплотнительного элемента, внутреннюю поверхность 24 стенки уплотнительного элемента и наружную поверхность 26 стенки уплотнительного элемента. Уплотнительный элемент 22 может быть выполнен из любого подходящего материала, известного специалистам в данной области техники, например, эластомеров, каучуков, полимеров или термопластов. В одном конкретном варианте осуществления уплотнительный элемент 22 выполнен из нитрила с твердостью 95 по дюрометру. Кроме того, уплотнительный элемент 22 может иметь любую требуемую или необходимую форму для обеспечения требуемого сжатия, деформации или «экструзии» для образования уплотнения с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17 (Фиг. 3). Как показано на Фиг. 2-3, в предпочтительном варианте осуществления уплотнительный элемент 22 выполнен в форме муфты.

В варианте осуществления Фиг. 2-9 внутренняя поверхность стенки уплотнительного элемента 22 поддерживается элементом 27 кольцевой прокладки круглого сечения и элементом 29 кольцевой набивки. Элементы 27, 29 кольцевой прокладки круглого сечения и кольцевой набивки обеспечивают поддержку уплотнительного элемента 22 и содействуют расширению уплотнительного элемента 22 радиально наружу от продольной оси 11 шпинделя 12 во время перемещения из положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3), а также создают уплотнение на наружной поверхности 14 стенки шпинделя при спуске в скважину.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над верхним концом 21 уплотнительного элемента установлено первое верхнее разделительное кольцо 32, и на наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под нижним концом уплотнительного элемента 22 установлено первое нижнее разделительное кольцо 52. В варианте осуществления Фиг. 2-9, первое верхнее разделительное кольцо 32 и первое нижнее разделительное кольцо 52 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 7. Понятно, вместе с тем, что первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над первым верхним разделительным кольцом 32 установлено второе верхнее разделительное кольцо 34, и на наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под первым нижним разделительным кольцом 52 установлено второе нижнее разделительное кольцо 54. В варианте осуществления Фиг. 2-9 второе верхнее разделительное кольцо 34 и второе нижнее разделительное кольцо 54 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 8-9. Понятно, вместе с тем, что вторые верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя в верхней полости 35, образованной вторым верхним разделительным кольцом 34, установлено третье верхнее разделительное кольцо 36. На наружной поверхности 14 стенки шпинделя в нижней полости 55, образованной вторым нижним разделительным кольцом 54 установлено третье нижнее разделительное кольцо 56. В варианте осуществления Фиг. 2-9, третье верхнее разделительное кольцо 36 и третье нижнее разделительное кольцо 56 являются идентичными. Понятно, вместе с тем, что третьи верхнее и нижнее разделительные кольца 36, 56, не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента. Третье верхнее и нижнее разделительные кольца 36, 56 могут выполняться из металла и могут иметь прямоугольное сечение (Фиг. 2-3). Альтернативно, третьи верхнее и нижнее разделительные кольца 36, 56 могут иметь любую другую форму или выполняться из любого другого материала, требуемого или необходимого для достаточного заполнения верхней и нижней полостей 35, 55 и обеспечения достаточной поддержки вторым верхнему и нижнему разделительным кольцам 34, 54 для содействия перемещения уплотнительного элемента 22 из его положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3).

На наружной поверхности 103 стенки второго верхнего разделительного кольца (Фиг. 8-9) установлено верхнее ячеистое кольцо 38. На наружной поверхность 103 стенки второго нижнего разделительного кольца (Фиг. 8-9) установлено нижнее ячеистое кольцо 58. Как показано на Фиг. 2-3, верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 включают в себя боковые стенки в форме раструба, которые принимают первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52, участок вторых верхнего и нижнего разделительных колец 34, 54 и верхний и нижний концы 21, 23 уплотнительного элемента, соответственно. Как дополнительно показано на Фиг. 2-3, верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 также включают в себя отверстие 84 (Фиг. 6), в которое установлен участок верхнего и нижнего вторых разделительных колец 34, 54 и в которое установлены верхнее и нижнее третьи разделительные кольца 36, 56, соответственно.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над верхним ячеистым кольцом 38 установлено первое верхнее лепестковое кольцо 40. На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под ячеистым кольцом 58 установлено первое нижнее лепестковое кольцо 60. Как показано на Фиг. 2-5, первые верхнее и нижнее лепестковые кольца 40, 60 включают в себя боковые стенки в форме раструба, которые принимают участки первых верхнего и нижнего ячеистых колец 38, 58, соответственно. В варианте осуществления Фиг. 2-9 первое верхнее лепестковое кольцо 40 и первое нижнее лепестковое кольцо 60 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 4-5. Понятно, вместе с тем, что первые верхнее и нижнее лепестковые кольца 40, 60 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над первым верхним лепестковым кольцом 40 установлено второе верхнее лепестковое кольцо 42. На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под первым нижним лепестковым кольцом 60 установлено второе нижнее лепестковое кольцо 62. Как показано на Фиг. 2-5, вторые верхнее и нижнее лепестковые кольца 42, 62 включают в себя боковые стенки в форме раструба, которые принимают участки первых верхнего и нижнего лепестковых колец 40, 60, соответственно. В варианте осуществления Фиг. 2-9 второе верхнее лепестковое кольцо 42 и второе нижнее лепестковое кольцо 62 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 4-5. Понятно, вместе с тем, что вторые верхнее и нижнее лепестковые кольца 42, 62 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над вторым верхним лепестковым кольцом 42 установлено третье верхнее лепестковое кольцо 44. На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под вторым нижним лепестковым кольцом 62 установлено третье нижнее лепестковое кольцо 64. Как показано на Фиг. 2-5, третьи верхнее и нижнее лепестковые кольца 44, 64 включают в себя боковые стенки в форме раструба, которые принимают участки вторых верхнего и нижнего лепестковых колец 42, 62, соответственно. В варианте осуществления Фиг. 2-9 третье верхнее лепестковое кольцо 44 и третье нижнее лепестковое кольцо 64 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 4-5. Понятно, вместе с тем, что третьи верхнее и нижнее лепестковые кольца 44, 64 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и над третьим верхним лепестковым кольцом 44 установлено четвертое верхнее лепестковое кольцо 46. На наружной поверхности 14 стенки шпинделя смежно с и под третьим нижним лепестковым кольцом 64 установлено четвертое нижнее лепестковое кольцо 66. Как показано на Фиг. 2-5, четвертые верхнее и нижнее лепестковые кольца 46, 66 включают в себя боковые стенки в форме раструба, которые принимают участки третьих верхнего и нижнего лепестковых колец 44, 64, соответственно. В варианте осуществления Фиг. 2-9 четвертое верхнее лепестковое кольцо 46 и четвертое нижнее лепестковое кольцо 66 являются идентичными, рассмотрены более подробно ниже и показаны на Фиг. 4-5. Понятно, вместе с тем, что четвертые верхнее и нижнее лепестковые кольца 46, 66 не обязательно должны быть идентичными. Также оба кольца не обязательно включать в состав системы 20 герметизирующего элемента.

Как показано в варианте осуществления Фиг. 2-3, первое, второе, третье и четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 «вкладываются» или укладываются вместе так, что первое верхнее лепестковое кольцо 40 размещается во втором верхнем лепестковом кольце 42, которое размещается в третьем верхнем лепестковом кольце 44, которое размещается в четвертом верхнем лепестковом кольце 46. Аналогично в данном варианте осуществления первое, второе, третье и четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 «вкладываются» или укладываются вместе так, что первое нижнее лепестковое кольцо 60 размещается во втором нижнем лепестковом кольце 62, которое размещается в третьем нижнем лепестковом кольце 64, которое размещается в четвертом нижнем лепестковом кольце 44.

Показанные на Фиг. 4-5, первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 описаны более подробно ниже. В различных вариантах осуществления системы 20 герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе, отличия, если имеются, между или среди одного или нескольких первых, вторых, третьих, четвертых верхних лепестковых колец 40, 42, 44, 46 и первых, вторых, третьих четвертых нижних лепестковых колец 60, 62, 64, 66 относятся к размерам каждого лепесткового кольца.

Первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 содержат верхний конец 71, нижний конец 72 и боковую стенку 73 или боковую поверхность стенки. Боковая стенка 73 расширяется раструбом наружу от верхнего конца 71 к нижнему концу 72 под углом 76, так что отверстие в нижнем конце 72 больше отверстия 74 в верхнем конце 71. Угол 76 находится в диапазоне от около 13 градусов до около 15 градусов, и отверстие 74 имеет диаметр по существу равный наружному диаметру шпинделя 12.

Верхний конец 71 включает в себя верхнюю концевую поверхность 79. В конкретном варианте осуществления Фиг. 2-9 верхняя концевая поверхность 79 проходит под таким углом относительно отверстия 74, что, когда первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 установлены на наружной поверхности 14 стенки шпинделя, верхний конец поверхности 79 является по существу перпендикулярным продольной оси 11 шпинделя 12.

В боковой стенке 73 расположены один или несколько пазов 75. Каждый паз 75 имеет ширину 78 в диапазоне от около 0,050 дюймов (1,3 мм) до около 0,070 дюймов (1,8 мм). Каждый паз 75 расположен под углом 77 к смежным пазам 75. Угол 77 находится в диапазоне от около 35 градусов до около 55 градусов. Высота 70 находится в диапазоне от около 0,065 дюймов (1,6 мм) до около 1,300 дюймов (33 мм), где скважинный инструмент является 5 дюймовой (127 мм) мостовой пробкой.

В одном конкретном варианте осуществления первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 имеют такие размеры, что при вкладывании или укладке вместе участок верхнего ячеистого кольца 38 не закрывается первым верхним лепестковым кольцом 40, участок первого верхнего лепесткового кольца 40 не закрывается вторым верхним лепестковым кольцом 42, участок второго верхнего лепесткового кольца 42 не закрывается третьим верхним лепестковым кольцом 44 и участок третьего верхнего лепесткового кольца 44 не закрывается четвертым верхним лепестковым кольцом 46 (Фиг. 2). Аналогично, в некоторых вариантах осуществления первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 имеют такие размеры, что при вкладывании или укладке вместе участок нижнего ячеистого кольца 58 не закрывается первым нижним лепестковым кольцом 60, участок первого нижнего ячеистого кольца 60 не закрывается вторым нижним лепестковым кольцом 62, участок второго нижнего лепесткового кольца 62 не закрывается третьим нижним лепестковым кольцом 64, и участок третьего нижнего лепесткового кольца 64 не закрывается четвертым нижним лепестковым кольцом 66 (Фиг. 2).

В другом конкретном варианте осуществления одно или несколько из первого, второго, третьего, четвертого верхних лепестковых колец 40, 42, 44, 46 установлены относительно друг друга так, что соответствующий паз (пазы) 75 каждого из верхних лепестковых колец поворачивается на такой угол, что паз (пазы) одного верхнего лепесткового кольца не совпадает с пазом (пазами) следующего верхнего лепесткового кольца. В одном частном варианте осуществления паз (пазы) каждого верхнего лепесткового кольца поворачивается на угол в диапазоне от около 20 градусов до около 90 градусов. В другом конкретном варианте осуществления паз (пазы) каждого верхнего лепесткового кольца поворачивается на угол в диапазоне от около 20 градусов до около 50 градусов. В одном конкретном варианте осуществления паз (пазы) каждого верхнего лепесткового кольца поворачивается на угол 22,5 градусов относительно следующего верхнего лепесткового кольца.

В других вариантах осуществления первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 поворачиваются на нужный угол способом аналогичным первому, второму, третьему четвертому верхним лепестковым кольцам, 40, 42, 44, 46. В еще одном варианте осуществления все первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца, 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 поворачивается на нужный угол данным способом.

Первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 можно выполнять из любого подходящего материала известного или требуемого для обеспечения достаточной поддержки уплотнительного элемента 22 во время перемещения уплотнительного элемента 22 из положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3) и содействия созданию подходящего уплотнения с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17. В одном частном варианте осуществления первое, второе, третье, четвертое верхние лепестковые кольца 40, 42, 44, 46 и первое, второе, третье, четвертое нижние лепестковые кольца 60, 62, 64, 66 выполняются из металла, такого как сталь или титан.

Показанные на Фиг. 6, верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 описаны ниже более подробно. В различных вариантах осуществления системы 20 герметизирующего элемента, раскрытого в данном документе, отличия, если имеются, между верхним и нижним ячеистыми кольцами 38, 58 относятся к размерам каждого ячеистого кольца.

Верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 содержат верхний конец 81, нижний конец 82 и боковую стенку 83 или боковую поверхность стенки. Боковая стенка 83 расширяется, как раструб, наружу от верхнего конца 81 к нижнему концу 82 под углом 89, так что отверстие в нижнем конце 82 больше отверстия 84 в верхнем конце 81. Угол 89 находится в диапазоне от около 13 градусов до около 15 градусов, и отверстие 84 имеет диаметр по существу равный наружному диаметру шпинделя 12.

Верхний конец 81 включает в себя верхнюю концевую поверхность 80. В конкретном варианте осуществления Фиг. 2-9 верхняя концевая поверхность 80 проходит под таким углом относительно отверстия 84, что, когда верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 установлены на наружной поверхности 14 стенки шпинделя, верхняя концевая поверхность 80 является по существу перпендикулярной продольной оси 11 шпинделя 12.

Нижний конец 82 включает в себя фаску 85, проходящую до высоты 87 от нижнего конца 82 под углом 86. Угол 86 находится в диапазоне от около 35 градусов до около 55 градусов, и высота 87 находится в диапазоне от около 0,040 дюймов (1,0 мм) до около 0,060 дюймов (1,5 мм). Высота 88 находится в диапазоне от около 1,500 дюймов (19 мм) до около 1,7500 дюймов (45 мм), где скважинный инструмент является 5 дюймовой (152 мм) мостовой пробкой.

Верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 можно выполнять из любого подходящего материала известного или требуемого для обеспечения достаточной поддержки уплотнительного элемента 22 во время перемещения уплотнительного элемента 22 из положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3) и содействия созданию подходящего уплотнения с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17. В одном частном варианте осуществления верхнее и нижнее ячеистые кольца 38, 58 выполняются из металлической сетки, например, стальной или титановой.

Показанные на Фиг. 7, первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 описаны ниже более подробно. В различных вариантах осуществления системы 20 герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе, отличия, если имеются, между первыми верхним и нижним разделительным кольцам 32, 52 относятся к размерам каждого первого разделительного кольца.

Первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 содержат верхний конец 91, нижний конец 92 и боковую стенку 93 или боковую поверхность стенки. Высота 95 между верхним концом 91 и нижним концом 92 находится в диапазоне от около 0,150 дюймов (3,8 мм) до около 0,250 дюймов (6,3 мм).

Боковой стенке 93 придан профиль с верхним снабженным фаской участком на верхнем конце 91 и нижним снабженным фаской участком 96. Нижний снабженный фаской участок 96 проходит под углом 99 относительно внутренней поверхности стенки верхнего и нижнего первых разделительных колец 32, 52. Угол 99 находится в диапазоне от около 13 градусов до около 15 градусов.

Нижнему концу 92 придан профиль, включающий в себя плоский участок, который пересекает боковую поверхность стенки 93 и наклонный участок, который соединяет плоский участок, пересекающий боковую поверхность стенки 93, со вторым плоским участком, пересекающимся с внутренней поверхностью стенки первых верхнего и нижнего разделительных колец 32, 52. Данный второй плоский участок имеет ширину в диапазоне от около 0,050 дюймов (1,3 мм) до около 0,070 дюймов (1,8 мм). Глубина 97 нижнего наклонного участка, измеренная от второго плоского участка нижнего конца 92 до первого плоского участка нижнего конца 92 находится в диапазоне от около 0,065 дюймов (1,7 мм) до около 0,085 дюймов (2,2 мм).

Отверстие 94 образовано внутренней поверхностью стенки и включает в себя снабженный фаской участок на верхнем конце 91. Отверстие 94 имеет диаметр по существу идентичный наружному диаметру шпинделя 12. Верхний конец 91 включает в себя верхнюю концевую поверхность 90. В конкретном варианте осуществления Фиг. 2-9, верхняя концевая поверхность 90 проходит под таким углом относительно отверстия 94, что когда первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 установлены на наружной поверхности 14 стенки шпинделя, верхняя концевая поверхность 90 по существу перпендикулярна продольной оси 11 шпинделя 12.

Первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 могут быть выполнены из любого подходящего материала, известного или требуемого, обеспечивающего достаточную поддержку уплотнительного элемента 22 во время перемещения уплотнительного элемента 22 из положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3) и содействия в создании подходящего уплотнения с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17. В одном частном варианте осуществления первые верхнее и нижнее разделительные кольца 32, 52 выполнены из эластомера или полимерного материала, например, политетрафторэтилена («ПТФЭ»).

Показанные на Фиг. 8-9 вторые верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 описаны ниже более подробно. В различных вариантах осуществления системы 20 герметизирующего элемента, раскрытых в данном документе, отличия, если имеются, между вторыми верхним и нижним разделительными кольцами 34, 54 относятся к размерам каждого второго разделительного кольца.

Вторые верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 содержат верхний конец 101, нижний конец 102, наружную поверхность 103 стенки и внутреннюю поверхность 104 стенки, образующую отверстие, через которое проходит шпиндель 12. Отверстие имеет диаметр по существу идентичный наружному диаметру шпинделя 12. Высота 110 от верхнего конца 101 до нижнего конца 102 находится в диапазоне от около 0,200 дюймов (5,0 мм) до около 0,240 дюймов (6,0 мм).

Наружная поверхность 103 стенки и внутренняя поверхность 104 стенки имеют профиль, образующий полость 35, 55 (Фиг. 2-3), когда шпиндель 12 размещается в отверстии, образованном внутренней поверхностью 104 стенки. Толщина 106 между наружной поверхностью 103 стенки и внутренней поверхностью 104 стенки находится в диапазоне от около 0,090 дюймов (2,3 мм) до около 0,110 дюймов (2,8 мм).

Наружная поверхность 103 стенки включает в себя верхний участок, имеющий высоту 108 в диапазоне от около 0,100 дюймов (2,5 мм) до около 0,1300 дюймов (3,3 мм) и наклонный нижний участок, который соединяет верхний участок с нижним концом 102. Наклонный нижний участок наружной поверхности 103 стенки расположен под углом 109 относительно верхнего участка наружной поверхности 103 стенки. Угол 109 находится в диапазоне от около 35 градусов до около 55 градусов.

Внутренняя поверхность 104 стенки включает в себя верхний участок, параллельный верхнему участку наружной поверхности 103 стенки, наклонный участок, параллельный наклонному участку наружной поверхности 104 стенки и стыкующий участок, по существу параллельный верхнему участку внутренней поверхности 104 стенки и который в варианте осуществления Фиг. 2-9, взаимодействует или контактирует с наружной поверхностью 14 стенки шпинделя. Показанный на Фиг. 2, 3, 8 и 9, наклонный участок внутренней поверхности 104 стенки соединяет верхний участок внутренней поверхности 104 стенки со стыкующим участком внутренней поверхности 104 стенки, и стыкующий участок внутренней поверхности 104 стенки соединяет нижний конец 102 с наклонным участком внутренней поверхности 104 стенки. Верхний участок внутренней поверхности 104 стенки имеет высоту 107 в диапазоне от около 0,080 дюймов (2,0 мм) до около 0,110 дюймов (2,8 мм).

Стыкующий участок внутренней поверхности 104 стенки размещается под углом 111 относительно наклонного участка внутренней поверхности 104 стенки. Угол 111 находится в диапазоне от около 35 градусов до около 45 градусов, так что стыкующий участок является по существу параллельным продольной оси 11 шпинделя 12, когда третьи верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 установлены на наружной поверхности 14 стенки шпинделя.

Вторые верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 могут быть выполнены из любого подходящего материала, известного или требуемого для создания достаточной поддержки уплотнительного элемента 22 во время перемещения уплотнительного элемента 22 из положения спуска в скважину (Фиг. 2) в установленное рабочее положение (Фиг. 3) и содействия созданию подходящего уплотнения с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17. В одном частном варианте осуществления вторые верхнее и нижнее разделительные кольца 34, 54 выполнены из эластомера или полимерного материала, например, полиэфирэфиркетона («ПЭЭК»).

Верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 могут иметь любую форму, требуемую или необходимую для обеспечения передачи аксиальной нагрузки на самые удаленные от оси металлические лепестковые кольца 46, 66. Как показано на Фиг. 2-3, оба, верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 являются конусами. В другом варианте осуществления только один верхний опорный элемент 18 или нижний опорный элемент 19 является конусом. В еще одном варианте осуществления один или оба, верхний опорный элемент 18 и/или нижний опорный элемент 19 имеют прямоугольные сечения. В еще одном варианте осуществления один, верхний опорный элемента 18 или нижний опорный элемент 19 имеет прямоугольную форму и другой верхний опорный элемент 18 или нижний опорный элемент 19 является муфтой в форме поршня.

В одном частном варианте осуществления верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 являются скользящими относительно друг друга вдоль наружной поверхности стенки 14 шпинделя 12. В другом конкретном варианте осуществления один верхний опорный элемент 18 или нижний опорный элемент 19 неподвижно крепится к шпинделю 12 с исключением перемещения. В еще одном варианте осуществления оба, верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 являются стационарными.

Верхний опорный элемент 18 и нижний опорный элемент 19 являются жесткими элементами, выполненными из любого подходящего материала, известного специалисту в данной области техники, в том числе, без ограничения этим, армированного стеклом или углеродом фенольного материала или металлов, например, стали. В вариантах осуществления, в которых аксиальная нагрузка прикладывается только в одном направлении, один верхний опорный элемент 18 или нижний опорный элемент 19 может выполняться из материала, менее прочного, чем материал, используемый для выполнения конуса, напрямую воспринимающего аксиальную нагрузку.

При проведении работ после размещения системы 20 герметизирующего элемента в стволе скважины на требуемой глубине и нужном месте система 20 герметизирующего элемента приводится в действие способом аналогичным любому другому пакеру или системе герметизирующего элемента, известной специалисту в данной области техники, например, приложением силы к верхнему опорному элементу 18 в направлении аксиально вниз Фиг. 2-3, при этом нижний опорный элемент 19 является стационарным. Такая аксиальная нагрузка может также прикладываться в противоположном направлении к нижнему опорному элементу 19, при этом верхний опорный элемент 18 является стационарным, или в обоих направлениях, к обоим, верхнему опорному элементу 18 и нижнему опорному элементу 19, при этом как верхний опорный элемент 18, так нижний опорный элемент 19 не является стационарным. Альтернативно, радиальная сила может прикладываться к шпинделю 12 для радиального расширения шпинделя 12 и таким образом, сжатия верхних и нижних лепестковых колец 40, 42, 44, 46, 60, 62, 64, 66, ячеистых поддерживающих колец 38, 58 и, следовательно, уплотнительного элемента 22, между стационарными верхним и нижним опорными элементами 18, 19.

Вне зависимости от способа приведения в действие системы 20 герметизирующего элемента, во время приведения в действие уплотнительный элемент 22 перемещается радиально наружу от продольной оси 11 шпинделя 12. При этом нижний конец 82 верхнего и нижнего ячеистых колец 38, 58 поворачивается наружу к внутренней поверхности стенки обсадной колонны 17. Аналогично, нижний конец 72 одного или нескольких, верхних или нижних лепестковых колец 40, 42, 44, 46, 60, 62, 64, 66 может также поворачиваться наружу к внутренней поверхности стенки обсадной колонны 17. В некоторых вариантах осуществления, один или оба, нижний конец 83 верхнего или нижнего ячеистых колец 38, 58 взаимодействует с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17, содействуя созданию уплотнения. В еще одном варианте осуществления один или несколько нижних концов 72 верхних или нижних лепестковых колец 40, 42, 44, 46, 60, 62, 64, 66 взаимодействует с внутренней поверхностью стенки обсадной колонны 17, содействуя созданию уплотнения.

Следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными показанными и описанными деталями конструкции, работы, конкретными материалами или вариантами осуществления, его модификации и эквиваленты понятны специалисту в данной области техники. Например, материалы компонентов и размеры каждого из компонентов можно модифицировать, как требуется или необходимо для наилучшего уплотнения в проектной окружающей среде. Кроме того, не все компоненты, описанные для вариантов осуществления Фиг. 2-9, требуются для обеспечения нужного уплотнения на внутренней поверхности стенки обсадной колонны 17. Одинаковые компоненты не требуются в составе обоих, верхнего конца и нижнего конца уплотнительного элемента. Компоненты на верхнем конце уплотнительного элемента могут отличаться числом, размером или порядком от компонентов на нижнем конце уплотнительного элемента.

Дополнительно, следует понимать, что термин «ствол скважины» при использовании в данном документе включает в себя необсаженный ствол, обсаженный ствол или стволы скважин любого другого типа. В дополнение понятно, что используемый термин «скважина» имеет значение аналогичное термину «ствол скважины». Кроме того, во всех вариантах осуществления, рассмотренных в данном документе, термин вверх, к наземному оборудованию скважины (не показано), означает к верху Фигуры и вниз или к забою (направление ухода от наземного оборудования скважины) означает к низу Фигуры. Вместе с тем, следует понимать, что инструменты могут иметь положения с поворотом в любом направлении на любой угол. Соответственно инструменты можно использовать с любыми вариантами ориентации, легко определяемыми и приспосабливаемыми специалистом в данной области техники. В дополнение, варианты осуществления, имеющие только один или несколько «верхних» компонентов или только один или несколько «нижних» компонентов, не следует учитывать, как требующие расположения данных компонентов ближе к устью скважины (в варианте использования термина «верхний») или на дополнительном удалении от устья скважины (в варианте использования термина «нижний»). Изобретение здесь ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.

1. Система герметизирующего элемента для скважинного инструмента, содержащая:шпиндель, имеющий наружную поверхность стенки шпинделя;жесткий верхний опорный элемент, функционально связанный с наружной поверхностью стенки шпинделя;жесткий нижний опорный элемент, функционально связанный с шпинделем ниже верхнего опорного элемента;уплотнительный элемент, функционально связанный с наружной поверхностью стенки шпинделя между верхним опорным элементом и нижним опорным элементом, причем уплотнительный элемент имеет верхний конец уплотнительного элемента, нижний конец уплотнительного элемента, наружную поверхность стенки уплотнительного элемента и внутреннюю поверхность стенки уплотнительного элемента;первое верхнее разделительное кольцо, функционально связанное с наружной поверхностью стенки шпинделя смежно с верхним концом уплотнительного элемента и над ним;второе верхнее разделительное кольцо, функционально связанное с наружной поверхностью стенки шпинделя смежно с первым верхним разделительным кольцом и над ним, причем второе верхнее разделительное кольцо имеет внутреннюю поверхность стенки второго верхнего разделительного кольца, наружную поверхность стенки второго верхнего разделительного кольца, верхни