ПРОКЛАДКА ЛИНИЙ ЧЕРЕЗ УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАКЕРНОГО УЗЛА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЭКСТРУЗИИ УКАЗАННЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение в целом относится к оборудованию и способам, применяемым при эксплуатации подземной скважины, и, как описано в нижеприведенном примере, в частности к прокладке линий через уплотнительные элементы пакеров и предотвращению экструзии указанных уплотнительных элементов.

Уровень техники

Номинальное дифференциальное давление в кольцевом пространстве в пакерном узле может ограничиваться вследствие экструзии уплотнительного элемента пакерного узла. Прокладка линий в продольном направлении через уплотнительный элемент с технологической точки зрения является полезной.

Таким образом, понятно, что задача усовершенствования известных конструкций пакерных узлов является актуальной.

Раскрытие изобретения

Ниже приведено описание предложенного пакерного узла и соответствующих способов, характеризующихся улучшением известных конструкций пакерных узлов. В одном нижеописанном варианте линии прокладывают через уплотнительный элемент и концевое кольцо в продольном направлении. В другом нижеописанном варианте экструзия уплотнительного элемента предотвращается при помощи радиально отгибающихся пластинок, расположенных на концевом кольце.

Один аспект изобретения состоит в том, что предложен пакерный узел для использования в подземной скважине. Пакерный узел содержит уплотнительный элемент для кольцевого пространства и по меньшей мере одно концевое кольцо, имеющее на своей основной части пластинки, которые смещаются радиально наружу при расширении уплотнительного элемента наружу в радиальном направлении.

Другой аспект изобретения состоит в том, что предложен способ уплотнения кольцевого пространства в подземной скважине. Способ включает расположение следующих друг за другом в окружном направлении пластинок так, что они проходят поверх уплотнительного элемента пакерного узла радиально наружу, и отгибание пластинок наружу в радиальном направлении при разбухании уплотнительного элемента.

Еще один аспект изобретения состоит в том, что предложен пакерный узел для использования в подземной скважине, содержащий уплотнительный элемент для кольцевого пространства, который разбухает при контакте с требуемым флюидом в скважине, и по меньшей мере одно концевое кольцо, имеющее основную часть и съемную часть, причем съемная часть концевого кольца сцеплена с основной частью концевого кольца посредством запорных профилей.

Эти и другие признаки, преимущества и эффекты, понятные специалисту, следуют из подробного описания нижеприведенных вариантов осуществления изобретения и соответствующих чертежей, в которых одинаковые элементы на различных чертежах имеют одни и те же позиционные обозначения.

Краткое описание графических материалов

Фиг.1 показывает схематическое изображение частичного поперечного разреза скважинной системы, а также иллюстрирует соответствующий способ, который может воплощать принципы настоящего изобретения.

Фиг.2-9 показывают схематические изображения одного варианта пакерного узла, который может использоваться в системе и способе, проиллюстрированных на фиг.1.

Фиг.10-15 показывают схематические изображения другого варианта пакерного узла.

Фиг.16-19 показывают схематические изображения еще одного варианта пакерного узла.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан пример скважинной системы 10 и проиллюстрирован соответствующий способ, причем указанные система и способ могут воплощать принципы настоящего изобретения. В скважинной системе 10 для уплотнения кольцевого пространства 14 между трубчатой колонной 16 и стенкой ствола 18 скважины используется пакерный узел 12. В примере, показанном на фиг.1, ствол 18 скважины обложен обсадной колонной 20 и цементом 22, однако в других примерах ствол скважины может быть необсаженным или может иметь открытый забой.

Пакерный узел 12 в данном примере имеет известную конструкцию и представляет собой разбухающий пакер, однако могут использоваться пакеры иной конструкции и принципа действия без отклонения от сути настоящего изобретения. В примере, показанном на фиг.1, уплотнительный элемент 24 пакерного узла 12 проходит наружу в радиальном направлении и образует герметичное соединение со стенкой ствола 18 скважины, вследствие чего обеспечивается уплотнение кольцевого пространства 14. Уплотнительный элемент 24 увеличивается в объеме в указанном радиальном направлении вследствие разбухания материала при контакте с требуемым флюидом.

Слово «разбухает» (с учетом парадигмы слова) и другие аналогичные используемые в данном документе термины (например, «разбухающий») указывают на увеличение объема разбухающего материала. Обычно такое увеличение объема материала вызывается объединением на молекулярном уровне вещества активирующего агента в разбухающий материал, однако при необходимости могут применяться иные механизмы или способы инициации разбухания. Следует отметить, что разбухание не тождественно расширению, хотя уплотнительный материал в результате разбухания может расширяться.

Например, в некоторых типовых пакерах уплотнительный элемент может расширяться радиально наружу при его продольном сжатии или при его раздувании. В каждом из этих случаев уплотнительный элемент расширяется, но при этом не происходит увеличения объема уплотнительного материала, из которого выполнен уплотнительный элемент. Таким образом, в такого рода типовых пакерах уплотнительный элемент расширяется, но не разбухает.

Активирующий агент, вызывающий в данном примере увеличение в объеме разбухающего материала, предпочтительно является углеводородным флюидом (например, нефтью или газом). В скважинной системе 10 увеличение в объеме разбухающего материала происходит при содержании во флюиде активирующего агента (например, когда флюид поступает в ствол 18 скважины из окружающего данный ствол пласта, когда флюид циркулирует через пакерный узел 12, когда флюид извлекается из камеры вместе с пакерным узлом, и т.п.). В результате, уплотнительный элемент 24 герметизирует кольцевое пространство 14 и может прикладывать распорное усилие к стволу 18 скважины.

Активирующий агент, вызывающий увеличение в объеме разбухающего материала, может содержаться во флюиде любого вида. Активирующий агент может изначально присутствовать в скважине или может вводиться в нее с пакерным узлом 12, а также при необходимости может вводиться отдельно или заливаться для обеспечения контакта с разбухающим материалом. В рамках принципов настоящего изобретения может использоваться любой способ обеспечения контакта активирующего агента с разбухающим материалом.

Специалистам известны различные разбухающие материалы, увеличивающиеся в объеме при контакте с водой и/или углеводородным флюидом, поэтому полный перечень этих материалов в данном документе не приводится. Перечни, содержащие некоторые из таких материалов, указаны в патентах США №3385367 и №7059415 и в опубликованной заявке США №2004-0020662. Этими ссылками в настоящем документе представлены полные описания указанных документов.

В ином случае значительную долю разбухающего материала могут занимать полости, сжатые или сдавленные при поверхностных условиях. После попадания в скважину в условия высокого давления данные полости заполняются флюидом, что сопровождается разбуханием материала.

Устройство и способ такого рода могут применяться в случаях, когда желательно расширение разбухающего материала при наличии газа, а не нефти или воды. Подходящий разбухающий материала описан в опубликованной заявке США №2007-0257405. Этой ссылкой в настоящем документе представлено полное описание указанного документа.

Предпочтительно, что разбухающий материал, используемый в скважинном приспособлении 12, увеличивается в объеме при диффузии углеводородов в разбухающий материал или, в случае применения разбухающего от воды материала, при впитывании воды материалом со сверхвысокой поглощающей способностью (например, целлюлозой, глиной и т.п.) и/или под действием осмотического давления с применением солеподобного материала. При необходимости материалы, разбухающие под действием углеводородов, воды или газа, могут использоваться совместно.

Таким образом, следует четко понимать, что, согласно принципам настоящего изобретения, может использоваться любой разбухающий материал, увеличивающийся в объеме при контакте с определенным активирующим агентом. Разбухающий материал также может увеличиваться в объеме при контакте с любым из множества активирующих агентов. Например, разбухающий материал может увеличиваться в объеме при контакте с углеводородным флюидом и/или с водой.

В примере, показанном на фиг.1, через пакерный узел 12 в продольном направлении прокладываются одна или несколько линий 26. Линии 26 прокладываются через уплотнительный элемент 24 и концевые кольца 28, которыми обособляется уплотнительный элемент. Концевые кольца 28 обеспечивают уплотнительному элементу 24 опору на трубчатую колонну 16 и предназначены для минимизации его экструзии через кольцевое пространство 14 при его разбухании.

Линии 26 могут быть электрическими, гидравлическими, оптическими и/или линиями любого другого вида. Линии 26 могут иметь вид кабельных каналов, проводов, кабелей, волоконных световодов (или оптических волноводов другого типа), плоских шлейфов и/или линий любой другой формы. Линии 26 могут использоваться для передачи управляющих сигналов, передачи данных, обеспечения каналов проводной связи, обеспечения телеметрической связи и/или использоваться для любой другой цели.

На фиг.2 в качестве примера показано увеличенное подробное изображение одного варианта пакерного узла 12, который может применяться в скважинной системе 10 и в вышеописанном способе, а также может использоваться в любой другой скважинной системе, согласно принципам настоящего изобретения.

На фиг.3 показан поперечный разрез пакерного узла 12, а на фиг.4 показан в еще более крупном масштабе поперечный разрез одного из концевых колец 28. На фиг.2-4 показано, что в данном варианте пакерного узла 12 содержатся уплотнительный элемент 24 и концевые кольца 28, установленные на основной трубе 30, которая предпочтительно имеет соответствующие концевые соединения (не показаны) для сцепления с пакерным узлом в трубчатой колонне 16.

Обычно эти компоненты выровнены по продольной оси 32 пакерного узла 12. Через основную трубу 30 в продольном направлении проходит проточный канал 34, при этом поток может протекать по данному каналу даже при герметизации кольцевого пространства 14 вокруг пакерного узла 12 уплотнительным элементом 24.

В варианте, приведенном на фиг.2-4, в уплотнительном элементе 24 выполнены проходящие в продольном направлении каналы 36 для прокладки в них линий 26. Удобство прокладки линий 26 в каналах 36 обеспечивается при помощи пазов 38, через которые линии 26 могут вставляться с боковой стороны каналов 36 (а не вводиться в каналы со стороны их торцов).

В варианте, приведенном на фиг.2-4, показаны четыре группы каналов 36 и пазов 38, причем каналы в уплотнительном элементе 24 равномерно отстоят друг от друга в окружном направлении. Однако при необходимости уплотнительный элемент 24 может содержать другое количество каналов, линий, пазов и проч., расположенных в другой конфигурации.

Каждое из концевых колец 28 имеет основную часть 40, которая охватывает основную трубу 30 и прикрепляется к ней. Основная часть 40 концевого кольца может прикрепляться к основной трубе 30 посредством крепежных изделий (например, винтов 42, изображенных на фиг.9) или путем сварки, или другими средствами.

Каждое концевое кольцо 28 также имеет одну или несколько съемных частей 44, благодаря которым линии 26 могут прокладываться через концевое кольцо с его боковой стороны (а не вводиться через отверстия 46 в концевом кольце с торца). Отверстия 46 выровнены с каналами 36 в уплотнительном элементе 24, что обеспечивает удобство прокладки линий 26 через каналы и отверстия с их боковых сторон при спуске трубчатой колонны 16 и пакерного узла 12 в ствол 18 скважины.

После вставки линий 26 в каналы 36 и отверстия 46 съемные части 44 концевых колец прикрепляются к основным частям 40 концевых колец, посредством чего линии фиксируются в пакерном узле 12. Затем пакерный узел 12 устанавливается в скважине, уплотнительный элемент 24 разбухает и герметизирует кольцевое пространство 14, в результате чего уплотнительный элемент герметизирует линии 26 в каналах 36 и предотвращает утечку флюида через эти линии.

Одна из особенностей концевых колец 28 состоит в том, что их съемные части 44 сцепляются с их основными частями 40 посредством проходящих в продольном направлении запорных профилей 48, которые предпочтительно формируются посредством электроэрозионной обработки (например, электроразрядной обработки) съемных частей 44 из основных частей 40 концевых колец, однако при необходимости могут использоваться другие способы формирования запорных профилей. Запорные профили 48 на чертежах изображены в форме символа «J», однако при необходимости могут использоваться запорные профили другой формы.

На фиг.5 показан вариант поперечного разреза пакерного узла 12, сделанный по линии 5-5, изображенной на фиг.2. На данном чертеже наглядно показана конфигурация каналов 36 и пазов 38 в уплотнительном элементе 24.

Следует отметить, что каналы 36 имеют прямоугольную форму, а остальные каналы - круглую форму. Прямоугольный канал 36 может использоваться для прокладки в нем плоского шлейфа, а остальные каналы - для прокладки в них цилиндрических кабелей, однако следует понимать, что, согласно принципам настоящего изобретения, может использоваться любое сочетание форм каналов.

На фиг.6-9 приведен пример концевого кольца 28, показанный отдельно от остальной части пакерного узла 12. На данных чертежах наглядно показано, что на основной части 40 концевого кольца сформированы проходящие в продольном направлении пластинки 50, а на съемных частях 44 - аналогичные проходящие в продольном направлении пластинки 52.

В основной части 40 концевого кольца с радиально внутренней стороны относительно пластинок 50 установлена гильзообразная втулка 54, на которой также имеются проходящие в продольном направлении пластинки 56.

Пластинки 50, 52, 56 проходят радиально наружу и располагаются поверх концов уплотнительного элемента 24 (например, см. фиг.4). При разбухании уплотнительного элемента 24 пластинки 50, 52, 56 отгибаются радиально наружу, при этом они пересекают кольцевое пространство 14 в радиальном направлении от концевого кольца 28 к стенке ствола 18 скважины, вследствие чего предотвращается экструзия уплотнительного элемента за эти пластинки.

Предпочтительно, что пластинки 56 втулки сдвинуты в окружном направлении относительно пластинок 50, 52, находящихся на основной части 40 и съемных частях 44 концевого кольца, при этом между пластинками отсутствуют зазоры. Таким образом, пластинки 50, 52, 56 образуют непрерывную стенку, которая предотвращает экструзию уплотнительного элемента 24 даже при отгибании пластинок радиально наружу при его разбухании.

Втулка 54 может прикрепляться к концевому кольцу 28 при помощи адгезионного соединения или других крепежных средств. Втулка 54 может иметь непрерывную цилиндрическую форму, как показано на фиг.9, или может состоять из нескольких секций, как описано в другом нижеприведенном варианте.

На фиг.10-15 показан другой вариант пакерного узла 12. В этом варианте линии 26 в уплотнительном элементе 24 распределены в окружном направлении неравномерно - линии 26 проложены с утолщенной стороны уплотнительного элемента 24, образованной вследствие эксцентрического расположения уплотнительного элемента 24 относительно основной трубы 30.

На фиг.10 показан поперечный разрез части пакерного узла 12, содержащей уплотнительный элемент 24. На данном чертеже показано, что продольная ось 58, проходящая через центр окружности с наружным диаметром уплотнительного элемента 24, смещена в сторону от продольной оси 32 основной трубы 3, проходящей через центр окружности с внутренним диаметром уплотнительного элемента 24.

Вследствие эксцентрического расположения уплотнительного элемента 24 относительно основной трубы 30 в нем имеется утолщенная сторона 60, в которой прокладываются линии 26 через каналы 36. Линии 26 не показаны на фиг.10 для большей наглядности чертежа, однако данные линии предпочтительно прокладываются через каналы 36 способом, вышеописанным для варианта пакерного узла, приведенного на фиг.2-9.

На фиг.11 приведен вид с торца концевого кольца 28. Следует отметить, что окружность концевого кольца 28 с наружным диаметром эксцентрически сдвинута относительно его окружности с внутренним диаметром. Кроме того, два отверстия 46 ограничены основной частью 40 и одной съемной частью 44 концевого кольца.

На фиг.12 приведен изометрический вид концевого кольца 28 при отсутствии съемной части 44. На данном чертеже показано, что втулка 54 имеет разрыв в окружном направлении в месте отсутствия съемной части 44 на основной части 40 концевого кольца. При этом линии 26 могут прокладываться через каналы 36 и концевое кольцо 28 до присоединения съемной части 44 к основной части 40 концевого кольца.

На фиг.13 показана втулка 54. На фиг.14 показан способ крепления секции 54а втулки 54 к съемной части 44 концевого кольца 28. Следует отметить, что при таком расположении компонентов между пластинками 56 втулки и пластинками 50, 52 на основной части 40 и съемной части 44 концевого кольца сохраняется сдвиг в окружном направлении, в результате чего между указанными пластинками в окружном направлении отсутствует зазор даже при их отгибании радиально наружу при разбухании уплотнительного элемента 24. На фиг.15 приведена секция 54а втулки 54, показанная отдельно от остальной части концевого кольца 28 и его съемной части 44.

На фиг.16-19 показан другой вариант пакерного узла, в котором имеются отверстия 46 под линии 26 плоских шлейфов двух разных размеров. Кроме того, линии 26 располагаются в утолщенной стороне пакерного узла 12, образованной в результате эксцентрического сдвига окружности с наружным диаметром пакерного узла 12 относительно окружности с внутренним диаметром пакерного узла 12.

На фиг.18 показано, что используемая в данном варианте втулка 54 имеет в основном цилиндрическую форму с разрывом в окружном направлении. На фиг.19 втулка 54 показано отдельно.

Хотя вышеописанные варианты концевого кольца 28 характеризуются наличием множества уникальных признаков (например, съемных частей 44 и пластинок 50, 52 и т.д.), следует четко понимать, что в рамках настоящего изобретения концевое кольцо может характеризоваться наличием одного или сочетанием нескольких этих признаков, при этом концевое кольцо необязательно должно характеризоваться наличием всех вышеописанных уникальных признаков.

Понятно, что в рамках вышеописанного изобретения предложено несколько улучшений известных конструкций пакерных узлов для использования в скважинах.

В вышеописанных вариантах пакерного узла 12 имеется концевое кольцо 28, которое используется для прокладки линий 26 разных видов, в любом количестве, с любым пространственным разделением и которым фиксируются линии при помощи одной или нескольких съемных частях 44. Экструзия уплотнительного элемента 24 в кольцевое пространство 14 предотвращается при помощи пластинок 50, 52, 56, отгибающихся радиально наружу при расширении уплотнительного элемента 24 наружу в радиальном направлении.

В рамках вышеописанного изобретения предложен пакерный узел 12 для использования в подземной скважине. Пакерный узел 12 может содержать уплотнительный элемент для герметизации кольцевого пространства и по меньшей мере одно концевое кольцо 28, имеющее на своей основной части 40 пластинки 50. Пластинки 50 смещаются радиально наружу при расширении уплотнительного элемента 24 наружу в радиальном направлении.

Уплотнительный элемент 24 может разбухать при контакте с требуемым флюидом в скважине.

Съемная часть 44 концевого кольца 28 может сцепляться с основной частью 40 концевого кольца 28 посредством запорных профилей 48.

Пластинки 50 могут располагаться поверх уплотнительного элемента 24.

Концевое кольцо 28 также может иметь втулку 54, содержащую пластинки 56, которые могут быть смещены в окружном направлении относительно пластинок основной части 50 концевого кольца.

По меньшей мере одна линия 26 может прокладываться через уплотнительный элемент 24 и концевое кольцо 28. Линия 26 может проходить через отверстие 46, ограниченное основной частью 40 концевого кольца 28 и съемной частью 44 концевого кольца 28.

В рамках вышеописанного изобретения также предложен способ уплотнения кольцевого пространства 14 в подземной скважине. Способ может включать расположение следующих друг за другом в окружном направлении групп пластинок 50, 52, в результате чего они проходят поверх уплотнительного элемента пакерного узла 12 радиально наружу, и отгибание пластинок наружу в радиальном направлении при разбухании уплотнительного элемента 24.

Способ также может включать установку в основной части 40 концевого кольца втулки 54 с содержащимися на ней пластинками 56, сдвинутыми в окружном направлении относительно пластинок 50 основной части концевого кольца.

Выше также описан пакерный узел 12 для использования в подземной скважине, причем пакерный узел 12 содержит уплотнительный элемент 24 для кольцевого пространства, который разбухает при контакте с требуемым флюидом в скважине. По меньшей мере одно концевое кольцо 28 имеет съемную часть 44, сцепленную с основной частью 40 концевого кольца 28 посредством запорных профилей 48.

Следует понимать, что различные вышеописанные варианты могут характеризоваться разного рода пространственной ориентацией, в том числе наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.п., а также применяться в разных конфигурациях без отклонения от сути настоящего изобретения. Варианты осуществления изобретения, приведенные на чертежах, изображены и описаны только в качестве примеров практического применения принципов настоящего изобретения, которые не ограничиваются какими-либо конкретными особенностями данных вариантов осуществления изобретения.

В вышеприведенном описании вариантов осуществления изобретения слова, соответствующие указателям направления, такие как «над», «под», «верхний», «нижний» (с учетом их парадигм) и т.п., использованы для удобства иллюстрации информации, приведенной на соответствующих чертежах. В общем смысле, слова «над», «верхний», «вверх» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление вдоль скважины к поверхности земли, а слова «под», «нижний», «вниз» (с учетом их парадигм) и т.п. выражают направление вдоль скважины от поверхности земли.

Безусловно, на основе тщательного ознакомления с вышеприведенным описанием вариантов осуществления изобретения специалисту понятно, что отдельные компоненты данных конкретных вариантов осуществления изобретения могут быть модифицированы, дополнены, заменены, исключены, а также в данные конкретные варианты осуществления изобретения могут быть внесены другие изменения в рамках принципов настоящего изобретения. Соответственно, вышеприведенное описание используется в качестве примера и предназначено для более ясного понимания сути изобретения, причем суть и объем настоящего изобретения ограниваются исключительно признаками, указанными в формуле изобретения, и эквивалентными признаками.