EA027949B1

EA027949B1 - Система и способ улучшенной изоляции скважинных трубчатых элементов

Info

Publication number: EA027949B1
Application number: EA201491475A
Authority: EA
Inventors: Курт Шнейдмиллер; Тимоти Эдвард Лагранж; Брэдд Васс
Original assignee: Оуэн Ойл Тулз Лп
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2017-09-29
Also published as: NO2925888T3; MX352838B; MX2014009984A; EP2817480A1; CA2864899A1; CA2864899C; EP2817480A4; AU2013222399A1; CN104334821A; EA201491475A1; AU2013222399B2; US20140054048A1; WO2013126572A1; US9222331B2; CN104334821B; NO20141114A1; EP2817480B1

Abstract

Перекрыватель скважины содержит радиально расширяемый уплотняющий элемент, который взаимодействует с внутренней стенкой скважинного трубчатого элемента, и радиально расширяемый расширительный конус, телескопически взаимодействующий с этим уплотняющим элементом. Расширительный конус расширяет уплотнительный элемент, а оправка телескопически взаимодействует с этим расширительным конусом и расширяет его.

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам изоляции по меньшей мере одного выбранного участка в стволе скважины.

Уровень техники

В нефтегазовой промышленности в подземный углеводородный пласт бурят скважины. Затем в скважину вводят обсадную колонну и цементируют ее на месте. Затем обсадную колонну перфорируют, и скважина до указанного резервуара завершена. Внутри обсадной колонны может быть концентрически размещена эксплуатационная колонна. Во время этапов бурения, завершения и добычи операторы возникает необходимость в выполнении различных работ по устранению дефектов, ремонта и технического обслуживания скважины, обсадной и эксплуатационной колонн. Например, в указанном трубчатом элементе могут случайно или специально образовываться отверстия. Кроме того, может возникнуть необходимость в обеспечении изоляции некоторых зон. Независимо от конкретного применения, в трубчатый элемент необходимо поместить некоторое скважинное оборудование, такое как ремонтная обсадная колонна-хвостовик, а затем закрепить и уплотнить в трубчатом элементе это скважинное оборудование.

Были сделаны попытки выполнения многочисленных устройств для создания укрепления и изоляции этого скважинного оборудования. Например, в заявке на патент США № 3948321, озаглавленной Хвостовик и усиливающая оправка для канала в стволе скважины и способ и устройство для их установки, (ΩΙΝΕΚ ΑΝΩ ΚΕΙΝΡΟΚΟΝΟ δ^ΑΟΕ РОК ΟΟΝΏυΐΤ ΙΝ Α ΑΉΙ.Ι.ΒΟΗΗ ΑΝΩ ΜΕΤΗΘΌ ΑΝΩ ΑΡΡΑΚΑΤυδ РОК δΕΤΤΙΝΟ δΑΜΕ) Оуэна (О\усп) и др., раскрыты способ и устройство для установки хвостовика в канале с использованием оправляющих средств и установочного инструмента. Оуэен и др. раскрывают закрепление и уплотнение хвостовика в стволе скважины.

Хотя обычные устройства для изоляции ствола скважины обычно являются подходящими, могут возникать ситуации, в которых невозможно эффективно применять такие обычные изолирующие устройства. Например, вставку обычных изолирующих устройств может осложнять внутренний диаметр скважинного трубчатого элемента. В своих аспектах настоящее раскрытие направлено на устранение этих и других недостатков текущего уровня техники.

Сущность изобретения

В своих аспектах настоящее изобретение обеспечивает устройство для изоляции скважины для использования в стволе скважины. Устройство может содержать радиально расширяемый изолирующий элемент, выполненный с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой скважинного трубчатого элемента; радиально расширяемый расширительный конус, находящийся в телескопическом взаимодействии с указанным уплотняющим элементом, при этом указанный расширительный конус выполнен с возможностью расширения указанного уплотняющего элемента; и оправку, выполненную с возможностью телескопического взаимодействия с расширительным конусом и его расширения.

Вышеприведенные примеры признаков настоящего изобретения были довольно широко обобщены для того, чтобы подробное последующее их описание было лучше понятно, и для того, чтобы мог быть оценен его вклад в текущий уровень техники. Конечно, существуют дополнительные признаки настоящего изобретения, которые в дальнейшем будут описаны в настоящем документе и которые образуют предмет прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приведено подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежами, на которых подобные элементы обозначены подобными ссылочными номерами, а также на которых:

на фиг. 1 изображен схематичный вид в разрезе одного варианта осуществления устройства настоящего изобретения, при размещении в стволе скважины, пересекающей подземный пласт;

на фиг. 2А-2С показан один вариант осуществления скважинного перекрывателя в соответствии с настоящим изобретением на различных стадиях установки; и на фиг. 3А-3С показан один вариант осуществления системы изоляции скважины в соответствии с настоящим изобретением для развертывания скважинного перекрывателя на фиг. 2А-2С.

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам закрепления по меньшей мере одного скважинного инструмента и/или изоляции части ствола скважины. Настоящее раскрытие применимо к различным вариантам осуществления изобретения. На чертежах показаны и в настоящем документе будут подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения с пониманием того, что настоящее изобретение следует рассматривать как пояснение на примере принципов настоящего изобретения, а также оно не предназначено для ограничения настоящего изобретения, иллюстрированного и описанного в настоящем документе.

На фиг. 1 изображена скважина, содержащая ствол 10 скважины, сформированный в подземном пласте 12. Скважина может быть горизонтальной, многоствольной, скважиной малого диаметра, одноствольной или геотермической. Ствол 10 скважины содержит обсадную колонну 14, которая может быть зацементирована на месте. На поверхности над стволом скважины 10 расположены устье 16 скважины и соответствующее оборудование. Как известно, скважинная текучая среда, такая как нефть и газ, поднимается по стволу 10 скважины к поверхности. В некоторых случаях может потребоваться изоляция уча- 1 027949 стка 18 ствола 10 скважины для предотвращения входа в ствол 10 скважины скважинных текучих сред, таких как буровой раствор, поступающий в производственную зону, и пластовых текучих сред, например, воды, и/или для стабилизации трубчатых элементов ствола скважины. Такой нежелательный поток текучих сред или нестабильность трубчатых элементов могут возникать вследствие нарушений 20 целостности (например, перфораций, выполненных человеком, коррозии и т.п.). В некоторых случаях доставка восстановительных инструментов в зону 18 может быть затруднена вследствие наличия по меньшей мере одного участка 22 уменьшенного диаметра, который ограничивает внешний диаметр инструмента, который может быть доставлен в зону 18.

Варианты осуществления настоящего изобретения содержат компактную по диаметру систему 26 для изоляции скважины, которую можно использовать для обеспечения долговременной изоляции/усиления при перфорациях, расщеплении, коррозии и/или пробоинах в скважинных трубчатых элементах (например, обсадной колонне, хвостовике, эксплуатационной насосно-компрессорной колонне и т.п.) в таких ситуациях. Система 26 для изоляции скважины может содержать перекрыватель 30, который приводят в действие с помощью установочного инструмента 28. Система 26 для изоляции скважины может быть опущена в ствол скважины посредством подходящего транспортирующего устройства 29 (например, электрического/проводного троса, стального троса малого диаметра, бурильной трубы или гибких труб).

В качестве установочного инструмента 28 может использоваться известный инструмент, создающий осевые нагрузки. Установочный инструмент 28 может приводиться в действие посредством электроэнергии, текучей среды под давлением, энергетического материала или другого известного способа. Как будет более подробно описано ниже, система 26 для изоляции ствола скважины может быть выполнена такого размера, чтобы проходить сквозь скважинные ограничения, но при этом иметь диапазон диаметрального расширения, который обеспечивает взаимодействие с внутренним диаметром обсадной колонны 14 или другого скважинного трубчатого элемента. Дополнительно, для обеспечения последовательно состыкованного уплотняющего узла в системе 26 для изоляции ствола скважины может использоваться несколько расширяющих компонентов.

На фиг. 2А-2С более подробно показан один вариант осуществления перекрывателя 30 ствола скважины, который может использоваться для изоляции требуемого участка скважины. На фиг. 2А изображен перекрыватель 30 при его введении в отверстие и до установки. Перекрыватель 30 может содержать оправку 32, которая является недеформируемым трубчатым компонентом с суженным концом 34, расширительный конус 36, который является деформируемым элементом с суженным концом 38, и уплотняющий элемент 40, который является деформируемым элементом, взаимодействующим с внутренней поверхностью скважинного трубчатого элемента и уплотняющим его. Расширительный конус 36 и уплотняющий элемент 40 могут иметь расширяющиеся концы для приема смежного элемента. В некотором смысле, оправка 32, расширительный конус 36 и уплотняющий элемент 40 могут быть последовательно смежными трубчатыми элементами, которые телескопически взаимодействуют друг с другом. Понятие телескопически означает, что одна труба вдвигается в отверстие смежной трубы.

Уплотняющий элемент 40 может содержать уплотняющую часть 42, выполненную с возможностью закрепления на требуемой поверхности скважинного трубчатого элемента и/или уплотнения этой поверхности. Уплотняющая часть 42 может содержать периферические ребра, уплотнительные кольца или другие элементы для обеспечения надлежащего непроницаемого для текучей среды (например, непроницаемого для жидкости или газа) уплотнения. Уплотняющий элемент 40 также может содержать соединительный конец 44, сформованный с возможностью приема дополнительных элементов или соединения с ними (например, профильного переводника 90 на фиг. 3А).

На фиг. 2В показана оправка 32 после ее введения в осевом направлении в расширяющийся конец расширительного конуса 36 и до расширения уплотняющего элемента 40. Поскольку оправка 32 выполнена из материала, более твердого или более жесткого, чем материал расширительного конуса 36, внешняя поверхность 52 расширительного конуса 36 расширяется диаметрально наружу от первого диаметра (показан на фиг. 2А) до более большого второго диаметра.

На фиг. 2С показаны оправка 32 и расширительный конус 36 после введения в осевом направлении в уплотняющий элемент 40. Поскольку оправка 32 также выполнена из материала, более твердого или более жесткого, чем материал уплотняющего элемента 40, внешняя поверхность 52 уплотняющей части 42 также расширяется диаметрально наружу от первого диаметра (показан на фиг. 2В) до более большого второго диаметра. Расширительный конус 36 также может быть сформирован из материала, более твердого или более жесткого, чем материал уплотняющего элемента 40.

Следует понимать, что расширенный диаметр уплотняющего элемента 40 больше, чем можно получить посредством вставки только оправки 32 или расширительного конуса 36 в этот уплотняющий элемент 40. Т.е. суммарная радиальная толщина оправки 32 и расширительного конуса 36 обеспечивает возможность расширения уплотняющего элемента 40 до внешнего диаметра, большего, чем диаметр, достижимый в иных случаях. Преимущественно, суммарная радиальная толщина оправки 32 и расширительного конуса 36 имеет место только после того, как перекрыватель 30 уже прошел сквозь часть 22 с уменьшенным диаметром, показанную на фиг. 1.

- 2 027949

Далее, на фиг. 1 и 3А-3С показаны дополнительные аспекты системы 26 для уплотнения ствола скважины. Система 26 для уплотнения ствола скважины может содержать узел 60 приводного механизма, который вызывает последовательное вхождение в контакт оправки 32, расширительного конуса 36 и уплотняющего элемента 40 перекрывателя 30. Управление узлом 60 приводного механизма осуществляют с помощью установочного инструмента 28 (фиг. 1). Под понятием последовательно подразумевается, что начало каждого взаимодействия, которое вызывает радиальное расширение, смещено во времени.

В одном варианте осуществления изобретения узел 60 приводного механизма может содержать регулирующий стержень 62, отсоединительную муфту 64, верхний фиксирующий элемент 66, нижний фиксирующий элемент 68, компрессионную муфту 70 и профильный переводник 72. Регулирующий стержень 62 может быть жестким удлиненным элементом, который телескопически входит в отсоединительную муфту 64. Регулирующий стержень соединен с установочным инструментом 28 (фиг. 1) таким образом, что регулирующий стержень 62 может быть вытянут вверх, или, в более общем смысле, в направлении, противоположном направлению перемещению оправки 32. Отсоединительная муфта 64 может содержать часть 74 с увеличенным внешним диаметром, которая удерживает верхний фиксирующий элемент 66 в положении взаимодействия, и суженную часть 76 с меньшим диаметром, которая обеспечивает возможность радиального возврата верхнего фиксирующего элемента в свободное положение.

Фиксирующие элементы 66, 68 и компрессионная муфта 70 взаимодействуют друг с другом для передачи осевых нагрузок от расширительного конуса 36 на профильный переводник 72. Профильный переводник 72 может быть соединен с уплотняющим элементом 40 при помощи подходящего соединения, такого как ответная резьба 78. В одной конфигурации фиксирующие элементы 66, 68 могут быть зажимными приспособлениями или другими выборочно закрепляющими устройствами, которые могут выдвигаться и втягиваться в радиальном направлении. Верхний фиксирующий элемент 66 может быть размещен с возможностью взаимодействия с надлежащим углублением 80 в расширительном конусе, а нижний фиксирующий элемент 68 может быть размещен с возможностью взаимодействия с надлежащим углублением 82 в профильном переводнике. Компрессионная муфта 70 вмонтирована между верхним и нижним фиксирующими элементами 66, 68.

В течение начальной фазы установки осевая нагрузка, вызываемая входом оправки 32 в расширительный конус 36, передаются на верхний фиксирующий элемент 66. Верхний фиксирующий элемент 66 передает указанную нагрузку на компрессионную муфту 70, которая затем нагружает по оси нижний фиксирующий элемент 68. Нижний фиксирующий элемент 68 передает нагрузку на профильный переводник 72. Таким образом, осевая нагрузка, вызываемая оправкой 32, изначально не прилагается к уплотняющему элементу 40.

На фиг. 1, 3А-3С показана примерная схема работы системы 26 для изоляции ствола скважины. Система 26 для изоляции ствола скважины может быть помещена в выбранное местоположение 18 в стволе скважины 10 с использованием транспортирующего устройства 29. Следует понимать, что относительно малый профиль в поперечном сечении системы 26 для изоляции ствола скважины в разобранном состоянии обеспечивает возможность ее прохода сквозь ограничения 22 отверстия. После размещения надлежащим образом, для введения оправки 32 в расширительный конус 36 посредством надлежащего источника питания (например, текучая среда под давлением, электричество, энергетический материал и т.п.) приводят в действие установочный инструмент 28. Верхний фиксирующий элемент 66 удерживает расширительный конус 36 в неподвижном положении посредством передачи осевой нагрузки, вызванной оправкой 32, на профильный переводник 72 через компрессионную муфту 70 и нижний фиксирующий элемент 68. По мере проскальзывания оправки 32 в расширительный конус 36 диаметральный размер этого расширительного конуса 36 увеличивается.

В то время как установочный инструмент 28 приводит оправку 32 в расширительный конус 36, установочный инструмент также тянет вверх или в осевом направлении, противоположном направлению перемещения оправки 32, регулирующий стержень 62. Регулирующий стержень 62 содержит плечо 86 на нижнем конце 88, которое может взаимодействовать с концом 89 отсоединительной муфты 64. При взаимодействии регулирующий стержень 62 толкает отсоединительную муфту по оси вверх. Осевое смещение отсоединительной муфты 64 выдвигает часть 74 с увеличенным внешним диаметром вверх от верхнего фиксирующего элемента 66. Сразу после этого суженная часть 76 проскальзывает под верхний фиксирующий элемент 66 и обеспечивает возможность втягивания верхнего фиксирующего элемента 66 в суженную часть 76. Таким образом, расширительный конус 36 отсоединяется и способен вдвигаться в уплотняющую часть 42 уплотняющего элемента 40.

Скорость рабочего хода регулирующего стержня 62 выбирают таким образом, чтобы обеспечивать время движения, достаточное для обеспечения, по существу, телескопического взаимодействия оправки 32 с существенной частью расширительного конуса 36. Т.е. скорость выбирают таким образом, что время движения, необходимое для взаимодействия плеча 86 с отсоединительной муфтой 64, и время движения, необходимое для проскальзывания суженной части 76 под верхний фиксирующий элемент 66, являются достаточными для обеспечения возможности расширения расширительного конуса 36 оправкой 32 до функционально эффективного состояния. В частности, оправка 32 в достаточной степени расширяет расширительный конус 36 таким образом, что последующее взаимодействие с уплотняющей частью 42

- 3 027949 позволяет уплотнительному элементу 40 иметь требуемое уплотнительное взаимодействие со смежной поверхностью. Таким образом, оправка 32, расширительный конус 36 и уплотняющий элемент смещены от осевого последовательно выровненного расположения в преимущественно концентрически выровненное уплотненное расположение.

Далее, на фиг. 3С показаны оправка 32 и расширительный конус 36, установленные в уплотняющий элемент 40. Уплотняющий элемент 40 расширился радиально во внешнем направлении до вхождения в уплотняющее взаимодействие со смежной поверхностью (не показана). Как можно видеть, установочный инструмент 28 сжал перекрыватель 30 в осевом направлении до концентрического выравнивания оправки 32, расширительного конуса 36 и уплотняющего элемента 40 в уплотнении, сформированном между уплотняющим элементом и смежной поверхностью в стволе скважины.

Для завершения установки установочный инструмент 28 продолжает тянуть регулирующий стержень 62 вверх до образования контакта со отсоединительным кольцом 90. Отсоединительное кольцо 90 может быть кольцеобразным элементом, выполненным с возможностью втягивания нижнего фиксирующего элемента 68. Отсоединительное кольцо 90 расположено выше по стволу скважины увеличенной головки 92 регулирующего стержня 62 и имеет форму, обеспечивающую взаимодействие с нижним фиксирующим элементом 68 и его втягивания. По мере перемещения вверх регулирующего стержня 62 увеличенная головка 92 входит во взаимодействие с отсоединительным кольцом 90 в осевом направлением и приводит его в нижний фиксирующий элемент 68. Давление, приложенное к отсоединительному кольцу 90, втягивает нижний блокирующий элемент до выхода из контакта с профильным переводником 72. Верхний фиксирующий элемент 66 уже втянут. В этот момент дальнейшее перемещение вверх регулирующего стержня 62 поднимает вверх компоненты, являющиеся внутренними относительно скважинного перекрывателя 30. В надлежащее время установочный инструмент и эти внутренние элементы могут быть возвращены на указанную поверхность с использованием транспортирующего устройства 29 или некоторых других надлежащих средств.

Используемый в настоящем документе термин радиально расширяемый или диаметрально расширяемый означает, что указанное расширение является специализированным атрибутом, который в явной форме предназначен для выполнения конкретной функции. Как было рассмотрено выше, указанная функция может состоять в вызывании сжимаемого уплотняющего контакта.

Следует понимать, что устройства в соответствии с настоящим изобретением допускают различные варианты осуществления. Например, как показано на фиг. 3А, в некоторых вариантах осуществления для усиления по меньшей мере одной части перекрывателя 30 может быть использована опорная муфта 95. Муфта 95 может быть трубчатым элементом, достаточно гибким для диаметрального расширения, при одновременном приложении достаточного сжимающего усилия для уменьшения изгиба, излома или другого типа дефектов несущих структур. Следует понимать, что муфта является только иллюстративным опорным элементом, который может быть использован для усиления по меньшей мере одной части перекрывателя 30. Другие опорные элементы среди прочего содержат скрепы, кольца, защелки и т.п.

Вышеприведенное описание направлено на конкретные варианты осуществления настоящего изобретения для целей иллюстрации и объяснения. Однако специалистам в области техники будет понятно, что без отклонения от объема настоящего изобретения возможны многие модификации и изменения вариантов осуществления, приведенных выше. Таким образом, предполагается, что следующую далее формулу изобретения следует интерпретировать, как охватывающую все модификации и изменения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для изоляции скважины для использования в стволе скважины, содержащее перекрыватель, транспортируемый в ствол скважины при помощи транспортирующего устройства, при этом перекрыватель содержит, по существу, последовательно расположенные оправку, расширительный конус и уплотняющий элемент, при этом указанные оправка, расширительный конус и уплотняющий элемент выполнены с возможностью последовательного взаимодействия под действием приводного механизма с образованием телескопического соединения; и установочный инструмент, выполненный с возможностью осевого сжатия указанного перекрывателя до концентрического выравнивания оправки, расширительного конуса и уплотняющего элемента с образованием уплотнения между уплотняющим элементом и смежной поверхностью в стволе скважины, причем суммарная радиальная толщина оправки и расширительного конуса обеспечивает расширение уплотняющего элемента.
2. Устройство по п.1, в котором уплотняющий элемент является радиально расширяемым трубчатым элементом, содержащим уплотняющую часть, взаимодействующую со смежной поверхностью;

расширительный конус является радиально расширяемым трубчатым элементом, содержащим суженный конец, вдвигаемый в указанную уплотняющую часть, и расширяющийся конец для приема указанной оправки; и оправка является трубчатым элементом, содержащим суженный конец, вдвигаемый в расширитель- 4 027949 ный конус.
3. Устройство для изоляции скважины по п.1, в котором приводной механизм содержит переводник, соединенный с уплотняющим элементом;

компрессионную муфту, передающую осевую нагрузку расширительного конуса на указанный переводник;

первый фиксирующий элемент, соединяющий компрессионную муфту с расширительным конусом; второй фиксирующий элемент, соединяющий компрессионную муфту с переводником; отсоединительную муфту, имеющую первый диаметр, выполненный с возможностью удержания первого фиксирующего элемента в положении взаимодействия с расширительным конусом, и сужение с уменьшенным диаметром; и смещающий стержень, выполненный с возможностью сдвига отсоединительной муфты для перемещения со скольжением указанного сужения до взаимодействия с первым фиксирующим элементом.
4. Устройство для изоляции скважины для использования в стволе скважины, содержащее радиально расширяемый уплотняющий элемент, выполненный с возможностью взаимодействия с внутренней стенкой скважинного трубчатого элемента;

радиально расширяемый расширительный конус, выполненный с возможностью расширения уплотняющего элемента; и оправку, выполненную с возможностью расширения расширительного конуса, причем суммарная радиальная толщина оправки и расширительного конуса обеспечивает расширение уплотняющего элемента, причем оправка, расширительный конус и уплотняющий элемент выполнены с возможностью последовательного взаимодействия с образованием телескопического соединения.
5. Устройство по п.4, дополнительно содержащее приводной механизм, выполненный с возможностью последовательного взаимодействия с указанными уплотняющим элементом, расширительным конусом и оправкой.
6. Устройство по п.5, дополнительно содержащее переводник, соединенный с уплотняющим элементом, при этом приводной механизм содержит компрессионную муфту, выполненную с возможностью передачи осевой нагрузки расширительного конуса на этот переводник.
7. Устройство по п.6, дополнительно содержащее первый фиксирующий элемент, соединяющий компрессионную муфту с расширительным конусом, и второй фиксирующий элемент, соединяющий компрессионную муфту с переводником.
8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее отсоединительную муфту, имеющую первый диаметр, выполненный с возможностью удержания первого фиксирующего элемента в положении взаимодействия с расширительным конусом, и сужение, имеющее уменьшенный диаметр.
9. Устройство по п.8, дополнительно содержащее смещающий стержень, выполненный с возможностью сдвига отсоединительной муфты для перемещения со скольжением указанного сужения до введения во взаимодействие с первым фиксирующим элементом.
10. Способ изоляции части трубчатого элемента в стволе скважины с использованием устройства по п.1, согласно которому размещают перекрыватель, приводной механизм и установочный инструмент в этом трубчатом элементе, причем перекрыватель содержит, по существу, последовательно расположенные оправку, расширительный конус и уплотняющий элемент;

последовательно вводят во взаимодействие указанные оправку, расширительный конус и уплотняющий элемент с использованием приводного механизма с образованием телескопического соединения;

приводят в действие установочный инструмент для осевого сжатия указанного перекрывателя до концентрического выравнивания оправки, расширительного конуса и уплотняющего элемента с образованием уплотнения между уплотняющим элементом и смежной поверхностью в стволе скважины, причем суммарная радиальная толщина оправки и расширительного конуса обеспечивает расширение уплотняющего элемента.
11. Способ по п.10, согласно которому дополнительно удаляют приводной механизм и установочное устройство из ствола скважины.