BR112021014937A2

BR112021014937A2 - Sistema de ferramenta de furo de poço, método para estabelecer uma vedação entre o primeiro e o segundo membros em um furo de poço, e, elemento de energização

Info

Publication number: BR112021014937A2
Application number: BR112021014937-6A
Authority: BR
Inventors: Chad William GLAESMAN; Timothy Alan FREENEY
Original assignee: Halliburton Energy Services, Inc.
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2021-09-28
Also published as: WO2020197560A1; CA3124473A1; AU2019437799B2; CA3124473C; AU2019437799A1; US12055008B2; GB202109833D0; GB2594842A; NO20210935A1; SG11202106449TA; US20220049571A1; GB2594842B

Abstract

sistema de ferramenta de furo de poço, método para estabelecer uma vedação entre o primeiro e o segundo membros em um furo de poço, e, elemento de energização. um conjunto de vedação para uso em uma ferramenta de furo de poço inclui materiais termoplásticos dispostos em uma estrutura de malha para fornecer uma elasticidade em massa na ordem dos materiais elastoméricos. a estrutura de malha permite que um elemento de energização do conjunto de vedação se deforme suficientemente na faixa elástica dos materiais termoplásticos para fornecer capacidades de vedação repetíveis. a estrutura de malha pode ser construída por processos de fabricação aditiva para incluir espaços vazios, o que permite que os membros termoplásticos da rede se flexionem e dobrem. o elemento de energização pode, assim, exibir uma maior elasticidade em massa do que a elasticidade dos próprios materiais termoplásticos. a estrutura de malha pode ser encerrada em uma cobertura externa construída de um material polimérico, elastomérico ou outro para facilitar a interação entre o conjunto de vedação e as superfícies de vedação correspondentes de uma ferramenta de furo de poço de fundo de poço.

Description

1 / 21 SISTEMA DE FERRAMENTA DE FURO DE POÇO, MÉTODO PARA

ESTABELECER UMA VEDAÇÃO ENTRE O PRIMEIRO E O SEGUNDO MEMBROS EM UM FURO DE POÇO, E, ELEMENTO DE ENERGIZAÇÃO FUNDAMENTOS

[001] A presente divulgação se refere geralmente a equipamentos e operações para uso em um furo de poço subterrâneo. Modalidades de exemplo aqui descritas incluem elementos de vedação e conjuntos construídos com materiais termoplásticos dispostos para imitar as capacidades elásticas de materiais elastoméricos, enquanto fornecem a estabilidade química e outras características dos materiais termoplásticos.

[002] Os furos de poços são frequentemente perfurados através de formações geológicas subterrâneas para exploração e recuperação de hidrocarbonetos. Durante as operações de perfuração e produção, condições ambientais extremas e dinâmicas são frequentemente encontradas no fundo do poço, por exemplo, descompressão rápida e gases de alta temperatura. Os gases de alta temperatura ou outros fluidos presentes no furo de poço também podem ser quimicamente corrosivos ou cáusticos. Portanto, o ambiente de fundo de poço pode ser perigoso para o equipamento colocado no fundo de poço e a vida útil do equipamento pode ser limitada. Os sistemas de furo de poço podem incluir vários segmentos de tubulação, válvulas e conectores que são vedados juntos por vários elementos de vedação e conjuntos. Muitos desses elementos de vedação são construídos em metal ou elastômero. As vedações de metal fornecem resistência de longo prazo aos fluidos do poço, temperaturas e pressões, mas muitas vezes dependem de altas forças de instalação e projeto e geometria complicados para fornecer vedação confiável. As vedações elastoméricas normalmente têm um design simples que pode ser instalado com baixas forças de instalação. Além disso, as vedações elastoméricas podem fornecer uma vedação em imperfeições (por exemplo,

2 / 21 danos, concentricidade e ovalidades) em superfícies de vedação e têm tolerâncias de fabricação maiores, concentricidade e ovalidades. As vedações elastoméricas são geralmente formadas a partir de um único elastômero projetado para uso em um ambiente específico. Por exemplo, uma vedação eletrométrica incluindo material específico pode ser empregada com base na temperatura operacional prevista da vedação, pressão e exposição química. Consequentemente, a vedação eletrométrica é frequentemente limitada para uso em uma determinada faixa de pressões, temperaturas e produtos químicos circundantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[003] A divulgação é descrita em detalhes a seguir, apenas a título de exemplo, com base nos exemplos representados nas figuras anexas, nas quais: a FIG. 1 é uma vista lateral em seção transversal parcial de um sistema de poço offshore empregando conjuntos de vedação de acordo com os princípios da presente divulgação; as FIGS. 2A e 2B são vistas em corte transversal de um conjunto de vedação incluindo um elemento de vedação elastomérico e sistemas de backup associados nas respectivas configurações de repouso e energizadas instaladas entre dois tubulares de furo de poço; as FIGS. 3A e 3B são vistas em corte transversal de um conjunto de vedação incluindo um elemento de energização tendo uma cobertura elastomérica externa e uma estrutura de malha interna disposta para imitar o comportamento elástico do elemento de vedação elastomérica das FIGS 2A e 2B em movimento entre as respectivas configurações de repouso e energizadas; as FIGS. 4A a 4C são vistas em perspectiva de várias estruturas de malha, que podem ser empregadas no conjunto de vedação das FIGS. 3A e 3B; a FIG. 5 é um fluxograma que ilustra um procedimento

3 / 21 operacional para vedação entre componentes cooperantes em um furo de poço; as FIGS 6A a 6D são vistas em corte transversal de elementos de energização dispostos para operar independentemente de sistemas de backup semelhantes aos ilustrados nas FIGS. 2A e 2B e a FIG. 7 é uma vista em seção transversal de um elemento de energização na forma de um packer de furo de poço que inclui uma cobertura externa e uma estrutura de malha interna.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[004] A presente divulgação descreve um conjunto de vedação que inclui materiais termoplásticos dispostos em uma estrutura de malha para fornecer propriedades de volume, por exemplo, elasticidade, na ordem dos materiais elastoméricos. Os materiais termoplásticos fornecem resistência química e à temperatura, e a estrutura de malha permite que o conjunto de vedação se deforme suficientemente na faixa elástica dos materiais termoplásticos para fornecer capacidade de vedação repetível. A estrutura de malha pode ser construída por manufatura aditiva, dispersando microesferas de vidro em um material termoplástico, incorporando agentes de expansão ou outras técnicas. A estrutura de malha pode ser encerrada em uma cobertura externa construída de um material polimérico, elastomérico ou outro para facilitar a interação entre o conjunto de vedação e as superfícies de vedação correspondentes de uma ferramenta de furo de poço de fundo de poço.

[005] Embora a fabricação e a utilização de várias modalidades da presente invenção sejam discutidas em detalhes abaixo, deve ser apreciado que a presente invenção proporciona muitos conceitos inventivos aplicáveis que podem ser incorporados numa vasta variedade de contextos específicos. As modalidades específicas aqui discutidas são meramente ilustrativas de formas específicas de fazer e usar a invenção e não delimitam o escopo da invenção.

4 / 21

[006] Com referência à Figura 1, uma modalidade exemplificativa de uma plataforma de petróleo e gás offshore é esquematicamente ilustrada e geralmente designada pelo numeral de referência 10. A plataforma de petróleo e gás offshore 10 inclui uma plataforma semissubmersível 12 que está posicionada sobre uma formação submersa de petróleo e gás 14 localizada abaixo do fundo do mar 16. Um conduto submarino 18 se estende de um convés 20 da plataforma 12 para uma instalação de cabeça de poço submarina 22. Um ou mais dispositivos de controle de pressão 24, tais como, por exemplo, conjuntos de preventores (BOPs) e / ou outro equipamento associado à perfuração ou produção de um furo de poço podem ser fornecidos na instalação de cabeça de poço submarina 22 ou em outro lugar no sistema. A plataforma 12 pode incluir um aparelho de içamento 26, uma torre 28, uma catarina 30, um gancho 32 e uma articulação 34, cujos componentes são operáveis em conjunto para elevar e abaixar um veículo de transporte 36.

[007] Uma variedade de veículos de transporte 36 pode ser elevada e abaixada da plataforma 12, como, por exemplo, revestimento, tubo de perfuração, tubulação espiralada, tubulação de produção, outros tipos de tubos ou colunas de tubulação e / ou outros tipos de veículos de transporte, como cabo de aço, cabo liso e semelhantes. Na modalidade da Figura 1, o veículo de transporte 36 é uma coluna tubular substancialmente tubular, que se estende axialmente, composta de uma pluralidade de juntas de tubos acopladas umas às outras de ponta a ponta. A plataforma 12 também pode incluir um kelly, uma mesa rotativa, uma unidade de top drive e / ou outro equipamento associado à rotação e / ou translação do veículo de transporte 36. Um furo de poço 38 se estende da instalação de cabeça de poço submarina 22 e através dos vários estratos terrestres, incluindo a formação 14. Pelo menos uma porção do furo de poço 38 pode incluir uma coluna de revestimento 40 cimentada nela. Conectada ao veículo de transporte 36 e se estendendo dentro do furo de poço 38 está uma ferramenta de furo de poço 42 na qual um

5 / 21 conjunto de vedação 100 (ver, por exemplo, FIG. 3A) para aplicações de alta pressão, alta temperatura (HPHT) da presente divulgação é incorporado.

[008] Embora a ferramenta de furo de poço 42 seja ilustrada em conexão com a plataforma offshore de petróleo e gás 10, a ferramenta de furo de poço 42 pode ser empregada em outros ambientes de fundo de poço sem se afastar do escopo da divulgação. Por exemplo, uma ferramenta de furo de poço 42 pode ser empregada em furos de poços de base terrestre, furos de poços horizontais, desviados e / ou laterais em porções revestidas e de furo aberto e a ferramenta de furo de poço 42 pode ser útil na execução de operações de produção, perfuração e exploração.

[009] Com referência à FIG. 2A, uma porção da ferramenta de furo de poço 42 é representada que inclui um conjunto de vedação 50 posicionado entre os membros tubulares cooperantes 52, 54 e disposto em uma posição de repouso ou não acionada. Um primeiro membro tubular 52 pode ser operacionalmente associado a uma seção tubular 56, que pode ser acoplada de forma roscada ao primeiro membro tubular 52 ou de outra forma fixada em relação a ele. A seção tubular 56 inclui um ressalto voltado para cima 58, que se opõe a um ressalto voltado para baixo 60 do primeiro elemento tubular 52. Uma ranhura de glândula 62 é definida entre os ressaltos 58, 60, que aloja o conjunto de vedação 50. Em algumas modalidades, o primeiro membro tubular 52 e a seção tubular 56 podem ser componentes adjacentes da ferramenta de furo de poço 42, conforme ilustrado, ou em outras modalidades, o primeiro membro tubular 52 e a seção tubular 56 podem ser juntas de tubo dispostas consecutivamente do veículo de transporte 36 (FIG. 1) dentro do interior do veículo de transporte 36 ou outra coluna tubular.

[0010] O segundo membro tubular 54 está disposto adjacente ao primeiro membro tubular 52 e à seção tubular 56. O segundo membro tubular 54 inclui um ressalto 66 que faz interface com um ressalto correspondente 68 da seção tubular 56 para definir uma posição axial entre o primeiro e o

6 / 21 segundo membros tubulares 52, 54. Em algumas modalidades, o segundo membro tubular 52 pode ser um componente da ferramenta de furo de poço 42 que é mantida estacionária em relação ao primeiro membro tubular 52 em operação, ou um componente disposto para ser inserido no fundo do poço dentro do primeiro elemento tubular 52 para repousar sobre o ressalto 68 da seção tubular 56. Conforme ilustrado, uma lacuna de folga 70 existe entre o primeiro e segundo membros tubulares 52, 54 e uma lacuna de folga 72 existe entre a seção tubular 56 e o segundo membro tubular 54. As lacunas de folga 70, 72 permitem a inserção e remoção do segundo membro tubular 54 do primeiro membro tubular 52 e da seção tubular 56 com resistência mínima e sem danos ao conjunto de vedação 50.

[0011] O conjunto de vedação 50 inclui um par de membros adaptadores anulares dispostos de forma oposta 74 dispostos ressaltos adjacentes 58, 60 e são dimensionados para caber radialmente dentro da ranhura de glândula 62. Os membros adaptadores 74 podem ser construídos a partir de materiais rígidos, incluindo plásticos, compostos ou metais. Aninhado axialmente dentro dos membros adaptadores 74 está um par de anéis de apoio 76 dispostos de forma oposta. Os anéis de apoio 76 também são dimensionados para caber radialmente dentro da ranhura da glândula 62 e podem ser construídos de polímeros, como um termoplástico, por exemplo, polieteretercetona (PEEK), um elastômero incluindo monômero de etileno propileno dieno (EPDM) ou um fluoropolímero incluindo politetrafluoroetileno (PTFE). Em certas aplicações de alta temperatura, incluindo aplicações de vapor, os anéis de apoio 76 podem ser construídos a partir de compostos de grafite flexíveis. Aninhado axialmente dentro dos anéis de apoio 76, o conjunto de vedação 50 inclui um par de anéis de tampa dispostos de forma oposta 78, representados na forma de anéis D estendidos. Os anéis de tampa 78 podem ser construídos a partir de um material rígido, incluindo plásticos, compostos ou metais. Os membros adaptadores anulares

7 / 21 74, anéis de apoio 76 e anéis de tampa 78 podem exibir geometrias alternativas, por exemplo, tipo D tipo V, seções transversais retangulares, etc., ou podem ser omitidos inteiramente sem se afastar do escopo da presente divulgação.

[0012] O conjunto de vedação 50 inclui um elemento de energização 88 representado como um anel de vedação posicionado entre os anéis de tampa 78. O elemento de energização 88 é dimensionado para caber dentro da ranhura de glândula 62. O elemento de energização 88 pode ser construído de um elastômero, como uma borracha sintética, uma borracha de butadieno (BR), uma borracha nitrílica (NBR), um fluoroelastômero (FKM), um perfluoroelastômero (FFKM) ou outro material termoendurecível. Em algumas modalidades, por exemplo, para vapor ou outras aplicações de alta temperatura, o elemento de energização 88 pode ser construído de um monômero de etileno propileno dieno (EPDM). Em algumas modalidades, o elemento de energização 88 pode ser construído de vulcanizados termoplásticos densos (TPV) ou elastômeros termoplásticos (TPE). Outros materiais podem, alternativamente, ser usados para formar o elemento de energização e os materiais podem ser selecionados com base em fatores como compatibilidade química, temperatura de aplicação, pressão de vedação e semelhantes. Além disso, embora o elemento de energização 88 tenha sido representado como um O-ring com uma seção transversal geralmente circular, em outras modalidades, o elemento de energização 88 poderia ter configurações alternativas, incluindo, mas não se limitando a, anéis quádruplos, vedações de bloco quadrado, vedações beta e semelhantes, que permitem que o elemento de energização 88 energize o conjunto de vedação 50 quando pressão suficiente é aplicada ao mesmo e que permitem que o elemento de energização 88 engate em cunha controlada nas lacunas de extrusão 90 (ver FIG. 2B) definidas dentro da ranhura da glândula 62.

[0013] O conjunto de vedação 50 opera para evitar a transmissão de

8 / 21 pressão entre uma região definida acima e incluindo a lacuna de folga 70 e uma região definida abaixo e incluindo a lacuna de folga 72. O conjunto de vedação 50 é bidirecional e evita a transmissão de pressão entre as duas regiões, independentemente de qual região exibe a pressão mais alta. O conjunto de vedação 50 é geralmente simétrico em torno de um eixo horizontal que se estende através do elemento de energização 88. Em outras modalidades, os tamanhos, formas e materiais dos membros adaptadores 74, anéis de apoio 76, anéis de tampa 78 e elemento de energização 88 podem variar para acomodar pressões, ambientes ou aplicações específicas.

[0014] Na modalidade ilustrada na FIG. 2B, a pressão na região abaixo da lacuna de folga 72 é maior do que a pressão na região acima da lacuna de folga 70. Por conseguinte, o conjunto de vedação 50 está em uma configuração energizada ou acionada, em que uma porção superior do conjunto de vedação 50 fornece uma vedação entre o primeiro e o segundo membros tubulares 52, 54 que evita que a pressão escape da região abaixo da lacuna de folga 72 para a região acima da lacuna de folga 70. Conforme ilustrado, a pressão fez com que o elemento de energização 88 fosse comprimido contra o anel de tampa 78. A força que atua no elemento de energização 88 comprime o elemento de energização 88 longitudinalmente enquanto expande o elemento de energização 88 radialmente. Da mesma forma, a força da pressão no anel de tampa superior 78 pressiona o anel de tampa 78 no anel de apoio 76 e da mesma forma pressiona o anel de apoio 78 no membro adaptador 74. A interação entre o anel de tampa 78 e o anel de apoio 76, bem como a interação entre o membro adaptador 74 e o anel de apoio 76, faz com que o anel de apoio 76 seja energizado, resultando em compressão longitudinal e expansão radial do anel de apoio 76. O anel reserva energizado 76 e o elemento de energização 88 estabelecem uma vedação contra o primeiro e o segundo membros tubulares 52, 54.

[0015] Sob pressão suficiente, o elemento de energização 88 extrude

9 / 21 em aberturas de extrusão 90 nos lados radiais do anel de tampa 78. Por conseguinte, a elasticidade e outras características de volume do elemento de energização 88 podem ser configuradas para permitir uma quantidade desejável de extrusão para assegurar uma vedação completa. O uso do anel de apoio 76 pode estabelecer uma barreira à extrusão adicional ou excessiva do elemento de energização 88 quando o anel de apoio 76 também é energizado para extrudar nas lacunas de extrusão 90. Em algumas aplicações de fundo de poço, o conjunto de vedação 50 pode ser submetido à descompressão rápida de gases de alta pressão na região acima da lacuna de folga 70 ou na região abaixo da lacuna de folga 72. Esta descompressão rápida pode fazer com que o elemento de energização 88 (e / ou anel de apoio 76) seja permanentemente deformado conforme a capacidade elástica dos materiais elastoméricos pode ser excedida. Danos mecânicos e divisão das vedações elastoméricas e / ou termoendurecíveis mais macias, como o elemento de energização 88 e o anel de backup 76, foram observados quando submetidos à rápida descompressão de gás.

[0016] Embora as FIGS. 2A e 2B representam o conjunto de vedação 50 em uma orientação vertical, o conjunto de vedação 50 pode ser igualmente adequado para uso em outras orientações direcionais, incluindo orientações horizontais e inclinadas. Por conseguinte, deve ser entendido por aqueles versados na técnica que o uso de termos direcionais, tais como acima, abaixo, superior, inferior, para cima, para baixo e semelhantes são usados em relação às modalidades ilustrativas conforme são representadas nas figuras, a direção para cima sendo em direção ao topo da figura correspondente e a direção para baixo sendo em direção à parte inferior da figura correspondente.

[0017] Referindo-se às FIGS. 3A e 3B, a ferramenta de furo de poço 42 é ilustrada com um conjunto de vedação 100 nela, que fornece tanto estabilidade química em ambientes agressivos de furo de poço quanto resistência a danos causados por descompressão rápida enquanto forma uma

10 / 21 vedação eficaz entre o primeiro e o segundo membros tubulares 52, 54. O conjunto de vedação 100 pode incluir membros de adaptador anular 74 e anéis de tampa 78, como descrito acima com referência à FIG. 2A. Um elemento de energização 102 é fornecido longitudinalmente entre os anéis de tampa 78. O elemento de energização 102 pode apresentar um tamanho semelhante e geometria externa em uma configuração de repouso (FIG. 3A) que é semelhante ao tamanho e geometria do elemento de energização 88 em uma configuração de repouso (FIG. 2A) de modo que o elemento de energização 102 pode ser substituído pelo elemento de energização 88 na ferramenta de furo de poço 42.

[0018] O elemento de energização 102 pode ser construído de uma cobertura externa opcional 104 e uma estrutura de malha 106. A cobertura externa 104 pode ser construída de um elastômero denso ou qualquer material que facilite a vedação com o primeiro e segundo membros tubulares 52, 54. A cobertura externa 104 pode ser aplicada por deposição de vapor, processos de fabricação de aditivos ou técnicas de moldagem tradicionais, dependendo do material selecionado para a cobertura externa 104. A estrutura de malha 106 pode ser disposta dentro da cobertura externa 104 como ilustrado ou pode se estender para superfícies externas do elemento de energização 102 em algumas modalidades. A estrutura de malha 106 pode ser construída a partir de materiais termoplásticos típicos, tais como sulfeto de polifenileno (PPS), poliéteretercetonas, tais como (PEEK), (PEK) e (PEKK), politetrafluoroetileno (PTFE) e semelhantes. Exemplos de termoplásticos adequados para a construção da estrutura de malha 106, anéis de apoio 76 ou outros componentes do conjunto de vedação 50 podem incluir, mas não estão limitados a, poliacetais (por exemplo, polioxietileno e polioximetileno), poli(Ci-6 alquil)acrilatos, poliacrilamidas, poliamidas, (por exemplo, poliamidas alifáticas, poliftalamidas e poliaramidas), poliamidasimidas, polianidridas, éteres de poliarileno (por exemplo, éteres de polifenileno),

11 / 21 sulfetos de polifenileno (por exemplo, sulfetos de polifenileno), poliarilenosulfonas (por exemplo, sulfonas de polifenileno), polibenzotiazóis, polibenzoxazoles, policarbonatos (incluindo copolímeros de policarbonato, tais como policarbonato-siloxanos, policarbonato-ésteres e policarbonato- éster-siloxanos), poliésteres (por exemplo, tereftalatos de polietileno, tereftalatos de polibutileno, poliarilatos e copolímeros de poliéster, tais como poliéster-éteres), poliéteretercetonas, poliéterimidas (incluindo copolímeros, tais como copolímeros de polieterimida-siloxano), poliétercetonas, polieterssulfonas, poliaril éter cetonas, poli-imidas (incluindo copolímeros, tais como copolímeros de poli-imida-siloxano), poli(Ci-6 alquil)metacrilatos, polimetacrilamidas, polinorbomenos (incluindo copolímeros contendo unidades de norbornenil), poliolefinas (por exemplo, polietilenos, polipropilenos, politetrafluoroetilenos, e seus copolímeros, por exemplo, copolímeros de olefina), polioxadiazóis, polioximetilenos, poliftaletos, polissilazanos, polissiloxanos, poliestirenos (incluindo copolímeros como acrilonitrilbutadieno-estireno (ABS) e metacrilato-butadieno-estireno (MBS)) polissulfetos, polissulfonamidas, polissulfonatos, polissulfonas, politioésteres, politriazinas, poliureias, poliuretanos, álcoois polivinílicos, ésteres polivinílicos, éteres polivinílicos, haletos de polivinil, polivinil cetonas, polivinil tioéteres, fluoretos de polivinilideno, ácido polilático, ácido poliglicólico, poli-3-hidroxibutirato, poli-hidroxialcanoato, amido termoplástico, éster de celulose, silicones ou semelhantes, ou uma combinação incluindo pelo menos um dos polímeros anteriores.

Em algumas modalidades, os materiais termoplásticos podem incluir fotopolímeros, que podem ser curados quando expostos à luz.

Os fotopolímeros podem permitir que a estrutura de malha 106 tenha as características de alta deformação de materiais elastoméricos, ao mesmo tempo que fornecem as características de força e resistência química de materiais termoplásticos ou metálicos.

Qualquer um dos materiais termoplásticos descritos acima para uso na

12 / 21 estrutura de malha 106 e / ou anéis de apoio 76 pode ou pode ou não conter materiais de enchimento, como grafite, fibra de vidro, fibra de carbono, etc. Por exemplo, PEEK como descrito acima pode incluir PEEK virgem ou pode conter PEEK mais 10% de fibras de carbono.

[0019] A estrutura de malha 106 pode ser construída de modo que as propriedades de volume do elemento de energização 102 imitem as propriedades de volume de compostos elastoméricos típicos, por exemplo, aqueles compostos encontrados no elemento de energização 88 (FIG. 2A) descrito acima. O elemento de energização 102 pode exibir as características físicas de materiais de vedação elastomérica com a resistência a danos químicos e de gás do material termoplástico de base. Na configuração ativada ou energizada (FIG. 3B), a estrutura de malha 106 pode ser comprimida longitudinalmente e expandida radialmente dentro dos limites elásticos do material termoplástico. Assim, o elemento de energização 102 pode não ser deformado plasticamente pela descompressão rápida em operações de furo de poço.

[0020] Em algumas modalidades, o anel de apoio 76 construído conforme descrito acima pode ser fornecido entre o membro adaptador 74 e o anel de tampa 78. Em algumas modalidades, um anel de apoio 110 construído de uma cobertura externa 112 e estrutura de malha 114 de uma maneira semelhante ao elemento de energização 102.

[0021] Com referência agora à FIG. 4A a 4C, as estruturas de malha 106, 116 e 118 podem ser dispostas em várias configurações para adaptar um elemento de energização para uma aplicação específica. A estrutura de malha 106 (FIG. 4A) é disposta em uma estrutura em favo de mel com paredes 120 dispostas em torno de câmaras hexagonais ou vazios 122. Em operações, os espaços vazios 122 fornecem espaço para as paredes 120 dobrarem ou flexionarem quando movidas para a configuração ativada ou energizada (FIG. 3B). A estrutura de malha 116 (FIG. 4B) inclui uma pluralidade de hastes

13 / 21 delgadas 124 conectando-se entre si nos nós 126. Os nós 126 podem ser dispostos para atuar como dobradiças entre as hastes 124, de modo que as hastes possam girar através dos vazios 128 existentes no espaço entre as hastes 124 e os nós 126. Estruturas de malha 106 e 116 podem ser construídas por processos de fabricação aditiva, de modo que geometrias complexas possam ser definidas.

[0022] Estruturas de malha 118 (FIG. 4C) também podem ser construídas dispersando um material de enchimento 130 dentro de um substrato termoplástico 132. O material de enchimento 130 pode incluir microesferas de vidro ou plástico que podem ser colapsadas ou esmagadas mediante a aplicação de força, por exemplo, a força aplicada por uma pressão que energiza um conjunto de vedação. O esmagamento ou colapso do material de enchimento pode reduzir permanentemente o volume do material de enchimento 130, como seria o caso se o material de enchimento incluísse esferas de vidro que são quebradas no esmagamento. Após a redução do volume do material de enchimento, vazios 134 podem ser criados que fornecem espaço para o material de substrato termoplástico flexionar sob a aplicação de força ou pressão. Em outras modalidades, o material de enchimento pode incluir cristal dissolvível ou destrutível, por exemplo, sais, que podem ser removidos do substrato 132 para gerar os vazios 134.

[0023] Estruturas em malha podem ser fornecidas em qualquer estrutura tridimensional ou geometria, dependendo de quaisquer necessidades específicas de comportamento isotrópico ou anisotrópico. A estrutura de malha pode ser criada em qualquer configuração de modo que a deformação localizada dentro da estrutura de malha de conexão permaneça abaixo da faixa de deformação plástica do material termoplástico denso, mas permite maiores deformações de um elemento de energização em uma escala maior.

[0024] Com referência à FIG. 5, um procedimento 200 é ilustrado para gerar e empregar um conjunto de vedação para uma ferramenta de furo

14 / 21 de poço ou outra aplicação de fundo de poço. O procedimento começa na etapa 202, onde as características de volume de um elemento de energização são determinadas para formar uma vedação. As características de massa podem ser determinadas empiricamente ou, em algumas modalidades, examinando um elemento de energização elastomérico que falhou na operação, por exemplo, devido à exposição química no furo de poço. A geometria externa e a elasticidade (por exemplo, o módulo de Young, o módulo de massa, o módulo de cisalhamento) do elemento de vedação que falhou podem ser imitadas com um elemento de energização que pode ser tal que um elemento de energização de substituição pode ser construído no procedimento 200 para tomar o lugar do elemento de vedação com falha em uma ferramenta de furo de poço. Em outras modalidades, a elasticidade de um material elastomérico direcionado pode ser determinada. Para materiais com cerca de 50 Shore A de dureza a uma dureza bot 95 Shoe A, a elasticidade do material elastomérico direcionado pode ser um módulo de Young na faixa de cerca de 500 psi a cerca de 8.000 psi, um módulo bruto K na faixa de cerca de 200 kpsi a cerca de 400 kpsi, um módulo de cisalhamento na faixa de cerca de 167 psi a cerca de 2.667 psi (cerca de um terço do módulo de Young), ou uma combinação dos mesmos e outras características de um material elastomérico direcionado.

[0025] Na etapa 204, uma estrutura de malha pode ser construída a partir de um material termoplástico para exibir as características de massa determinadas na etapa 202. A estrutura de malha pode ser construída aplicando o material termoplástico em um processo de fabricação de aditivos, como impressão 3-D para incluir uma série de vazios no mesmo. Os vazios permitem que membros termoplásticos individuais da estrutura de malha girem e dobrem internamente de modo que a estrutura de malha em massa possa exibir uma elasticidade maior do que qualquer um dos membros termoplásticos individuais. Em seguida, na etapa 206, uma cobertura externa

15 / 21 pode ser aplicada em torno da estrutura de malha para completar um elemento de energização. A cobertura externa pode ser aplicada por meio de deposição de vapor, processos de fabricação de aditivos ou moldagem tradicional e pode incluir materiais semelhantes ou diferentes aos materiais da estrutura de malha para engatar superfícies de vedação da ferramenta de furo de poço.

[0026] Na etapa 208, o elemento de energização pode ser implantado em uma ferramenta de furo de poço. O elemento de energização pode ser instalado entre o primeiro e o segundo membros da ferramenta de furo de poço, juntamente com membros adaptadores, anéis de apoio e / ou tampas de extremidade, em algumas modalidades. Onde o elemento de energização é construído com a geometria externa de um elemento de energização elastomérico que falhou em operação, o elemento de energização construído com uma estrutura de malha termoplástica pode simplesmente substituir o elemento de energização elastomérico com falha. Uma vez instalada na ferramenta de furo de poço, a ferramenta de furo de poço pode ser transportada para um furo de poço em um veículo de transporte, como uma coluna de tubo articulada.

[0027] Uma vez no fundo do poço, um diferencial de pressão pode ser aplicado através do elemento de energização na etapa 210. A pressão pode resultar em uma deformação da estrutura da rede na qual a deformação da estrutura da rede é mantida dentro dos limites elásticos dos materiais termoplásticos. Na etapa 212, o diferencial de pressão pode ser removido para retornar o elemento de vedação a uma configuração de repouso ou não deformada. Em algumas modalidades, a aplicação ou a remoção do diferencial de pressão pode incluir descompressão rápida de uma região no furo de poço que está fluidamente acoplada ao elemento de vedação de energização. Uma vez que a deformação plástica da estrutura de malha pode ser limitada, as etapas 210 e 212 podem ser repetidas para múltiplas iterações.

[0028] Com referência agora às FIGS. 6A a 6D elementos de

16 / 21 energização podem ser dispostos para operar independentemente de sistemas de backup, tais como aqueles ilustrados, por exemplo, FIGS 2A e 2B. Na FIG. 6A, o elemento de energização 102 está disposto em uma ferramenta de furo de poço 300 para vedar uma lacuna de folga entre um primeiro membro 302 e um segundo membro 304 da ferramenta de furo de poço 300. Uma ranhura anular 306 é definida no primeiro membro 302 para apoiar o elemento de energização 102. O elemento de energização 102 opera para evitar a transmissão de pressão entre uma região superior 308u definida acima da ranhura anular 306 e uma região inferior 308l definida abaixo da ranhura anular 306. Um diferencial de pressão suficiente entre as regiões superior e inferior 308u, 309l opera para deformar o elemento de energização 102 para estabelecer uma vedação contra o primeiro e o segundo membros tubulares 302, 304.

[0029] A FIG. 6B ilustra um elemento de energização 310 suportado entre o primeiro e o segundo membros 302, 304 da ferramenta de furo de poço 300. O elemento de energização 310 é construído de uma estrutura de malha termoplástica 312 e é desprovido de uma cobertura externa distinta. A geometria externa da estrutura de malha termoplástica 312 pode engatar de forma eficaz o primeiro e o segundo membros 302, 304 diretamente em algumas modalidades.

[0030] A FIG. 6C ilustra um elemento de energização 320 suportado entre o primeiro e o segundo membros 302, 304 da ferramenta de furo de poço 300. O elemento de energização 320 é construído de uma estrutura de malha termoplástica 322 e uma cobertura externa 324. A estrutura de malha 322 inclui uma pluralidade de espaços vazios 326 que incluem um material de enchimento no mesmo e uma pluralidade de espaços vazios 328 que são desprovidos de um material de enchimento. O material de enchimento pode ser elastomérico, polimérico, etc. Um padrão apropriado de vazios 326 contendo um material de enchimento pode facilitar o movimento do elemento

17 / 21 de energização 320 para uma geometria desejável na configuração energizada. Em algumas modalidades, os vazios podem ser preenchidos com um material de preenchimento e, em algumas modalidades, os vazios podem ser todos desprovidos de um material de preenchimento.

[0031] A FIG. 6D ilustra um elemento de energização 330 suportado entre o primeiro e o segundo membros 302, 304 da ferramenta de furo de poço 300. O elemento de energização 310 é construído de uma estrutura de malha termoplástica 332 e uma cobertura externa 324. A estrutura de malha 332 e a cobertura externa 324 exibem uma geometria de seção transversal não circular, mesmo se a geometria geral do elemento de energização for em forma de anel. A geometria não circular pode permitir que a estrutura de malha 332 e uma cobertura externa 324 engatem efetivamente o primeiro e o segundo membros 302, 304 em algumas modalidades, ou pode facilitar a fabricação em alguns casos.

[0032] Com referência à FIG. 7, uma ferramenta de furo de poço 400 inclui um elemento de energização 402 na forma de um packer de furo de poço. O elemento de energização 402 pode ser transportado em um primeiro membro 404, por exemplo, uma coluna de tubulação, em um segundo membro 406, por exemplo, uma coluna de revestimento e pode operar para estabelecer uma vedação entre o primeiro e o segundo membros 404, 406. O elemento de energização 402 inclui uma cobertura externa 410 e uma estrutura de malha 412. Em algumas modalidades, a cobertura externa 410 pode ser construída de um elastômero relativamente macio, por exemplo, entre 30 e 70 na escala de Durômetro, e a estrutura de malha 412 pode ser disposta para fornecer as características de volume de um elastômero semelhante ou relativamente duro, por exemplo, entre 60 e 90 na escala de Durômetro. A estrutura de malha 412 pode ser substancialmente desprovida de materiais elastoméricos ou de enchimento, ou pode incluir materiais elastoméricos ou de enchimento dispostos em um ou mais vazios 416

18 / 21 definidos na estrutura de malha.

[0033] O elemento de energização 402 pode ser ativado aplicando um diferencial de pressão no fundo do poço ou por uma variedade de mecanismos para ativar um packer como entendido na técnica. Por exemplo, o elemento de energização 402 pode ser comprimido mecanicamente entre os membros de bloqueio 420 e 422, pelo menos um dos quais pode ser axialmente móvel ao longo do primeiro elemento 404. A compressão axial do elemento de energização 402 pode fazer com que a estrutura de malha 412 se estenda radialmente para fora em uma lacuna de folga 424 de modo que a cobertura externa 410 engate de forma vedada no segundo membro 406. A estrutura de malha 412 pode, assim, exibir as características de volume de um material elastomérico e imitar o comportamento do material elástico sem ser suscetível a muitos dos mecanismos de falha do material elastomérico, como discutido acima. Os aspectos da divulgação descritos abaixo são fornecidos para descrever um seleção de conceitos de uma forma simplificada que são descritos em mais detalhes acima. Esta seção não se destina a identificar características chave ou essenciais do assunto em questão reivindicado, muito menos se destina a ser usada como um auxílio na determinação do escopo do assunto em questão reivindicado.

[0034] Em um aspecto, a divulgação é direcionada a um sistema de ferramenta de furo de poço. O sistema de furo de poço inclui um veículo de transporte extensível para um local de fundo de poço em um furo de poço e uma ferramenta de furo de poço acoplada ao veículo de transporte e incluindo primeiro e segundo membros separados por uma lacuna de folga. Um conjunto de vedação é disposto entre o primeiro e o segundo membros e inclui um elemento de energização construído de um material termoplástico disposto em uma estrutura de malha. A estrutura de malha é móvel de uma configuração de repouso para uma configuração energizada em engate de vedação com o primeiro e segundo membros pela aplicação de pressão ao

19 / 21 elemento de energização.

[0035] Em algumas modalidades, o elemento de energização inclui ainda uma cobertura externa disposta ao redor, a cobertura externa construída de um material elastomérico. Em algumas modalidades de exemplo, o elemento de energização exibe uma geometria externa e elasticidade em massa dentro de uma tolerância predeterminada do material elastomérico disposto na geometria externa do elemento de energização. O elemento de energização pode ser desprovido de uma cobertura externa de modo que o material termoplástico defina uma geometria externa do elemento de energização.

[0036] Em uma ou mais modalidades de exemplo, a estrutura de malha é disposta em uma estrutura em colmeia com paredes definindo vazios hexagonais entre as mesmas. A estrutura de malha pode incluir um substrato termoplástico com uma pluralidade de elementos de enchimento dispersos nele; os elementos de enchimento colapsáveis mediante a aplicação de uma força aplicada por uma pressão suficiente para energizar o conjunto de vedação. Em algumas modalidades, a estrutura de malha inclui uma pluralidade de espaços vazios nela definidos, em que uma primeira porção dos vazios é preenchida com um material de preenchimento e em que uma segunda porção dos vazios é desprovida do material de preenchimento.

[0037] Em algumas modalidades, o conjunto de vedação inclui ainda um par de anéis de apoio em lados opostos do elemento de energização. O elemento de energização é substancialmente em forma de anel com uma seção transversal circular.

[0038] De acordo com outro aspecto, a divulgação é direcionada a um método para estabelecer uma vedação entre o primeiro e o segundo membros em um furo de poço. O método inclui determinar as características de volume de um elemento de energização para formar a vedação. As características de volume incluem pelo menos uma geometria externa e uma elasticidade. O

20 / 21 método inclui ainda construir o elemento de energização para incluir uma estrutura de malha formada a partir de um material termoplástico para exibir a elasticidade dentro de uma tolerância predeterminada. O elemento de energização é implantado em um local de fundo de poço dentro do furo de poço e um elemento de energização é elasticamente deformado, engatando de forma vedante no primeiro e no segundo membros.

[0039] Em uma ou mais modalidades de exemplo, construir o elemento de energização inclui ainda formar uma cobertura externa em torno de um exterior da estrutura de malha, a cobertura externa construída de um material polimérico ou um material elastomérico. A construção do elemento de energização pode incluir um processo de fabricação aditiva para formar a estrutura de malha. Em algumas modalidades, a construção do elemento de energização inclui a dispersão de uma pluralidade de elementos de enchimento colapsáveis em um substrato termoplástico, em que os elementos de enchimento são colapsáveis mediante a aplicação do diferencial de pressão. A construção do elemento de energização pode incluir a dispersão de uma pluralidade de elementos de preenchimento solúveis em um substrato termoplástico e a dissolução dos elementos de preenchimento para criar vazios no substrato para assim formar a estrutura de malha.

[0040] Em algumas modalidades, construir o elemento de energização inclui formar uma pluralidade de vazios na estrutura de malha, inserir um material de enchimento em uma primeira porção da pluralidade de vazios e manter uma segunda porção dos vazios desprovida do material de enchimento. O método pode ainda incluir montar o elemento de energização em um conjunto de vedação incluindo pelo menos um anel de apoio em engate operativo com o elemento de energização. Em algumas modalidades, o método inclui ainda remover o diferencial de pressão para retornar o elemento de energização a uma configuração de repouso no furo de poço.

[0041] De acordo com ainda outro aspecto, a divulgação é

21 / 21 direcionada a um elemento de energização para uso em uma ferramenta de furo de poço. O elemento de energização inclui uma estrutura de malha formada de um material termoplástico e uma cobertura externa disposta em torno de uma geometria externa da estrutura de malha. A estrutura de malha disposta para incluir uma pluralidade de espaços vazios desprovidos de material de enchimento de modo que a estrutura de malha exiba uma elasticidade em massa dentro de uma tolerância predeterminada de um material elastomérico direcionado. A cobertura externa é construída de pelo menos um do material elastomérico direcionado, um material elastomérico diferente e um material polimérico.

[0042] Em algumas modalidades de exemplo, a estrutura de malha é disposta em uma estrutura em colmeia com paredes definindo vazios hexagonais entre as mesmas. O elemento de energização pode ser construído como um o-ring com uma seção transversal geralmente circular.

[0043] O Resumo da divulgação é exclusivamente para fornecer ao Escritório de Patentes e Marcas dos Estados Unidos e ao público em geral uma forma de determinar rapidamente, a partir de uma rápida leitura, a natureza e essência da divulgação técnica, e ele representa apenas um ou mais exemplos.

[0044] Embora vários exemplos tenham sido ilustrados em detalhes, a divulgação não está limitada aos exemplos mostrados. Modificações e adaptações dos exemplos anteriores podem ocorrer aos versados na técnica. Tais modificações e adaptações estão no escopo da divulgação.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de ferramenta de furo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um veículo de transporte extensível para um local de fundo de poço em um furo de poço; uma ferramenta de furo de poço acoplada ao veículo de transporte e incluindo primeiro e segundo membros separados por uma lacuna; um conjunto de vedação disposto entre o primeiro e o segundo membros, o conjunto de vedação incluindo um elemento de energização construído de um material termoplástico disposto em uma estrutura de malha em que a estrutura de malha é móvel de uma configuração de repouso para uma configuração energizada em engate de vedação com o primeiro e o segundo membros pela aplicação de pressão ao elemento de energização.

2. Sistema de ferramenta de furo de poço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de energização compreende ainda uma cobertura externa disposta ao redor, a cobertura externa construída de um material elastomérico e, opcionalmente, em que o elemento de energização exibe uma geometria externa e elasticidade em massa dentro de uma tolerância predeterminada do material elastomérico disposto na geometria externa do elemento de energização.

3. Sistema de ferramenta de furo de poço de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de energização é desprovido de uma cobertura externa de modo que o material termoplástico defina uma geometria externa do elemento de energização.

4. Sistema de ferramenta de furo de poço de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que (i) a estrutura de malha é disposta em uma estrutura em colmeia tendo paredes definindo vazios hexagonais entre elas;

(ii) a estrutura de malha inclui um substrato termoplástico com uma pluralidade de elementos de enchimento dispersos no mesmo, os elementos de enchimento colapsáveis mediante a aplicação de uma força aplicada por uma pressão suficiente para energizar o conjunto de vedação; e / ou (iii) a estrutura de malha inclui uma pluralidade de espaços vazios nela definidos, em que uma primeira porção dos vazios é preenchida com um material de preenchimento e em que uma segunda porção dos vazios é desprovida do material de preenchimento.

5. Sistema de ferramenta de furo de poço de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o conjunto de vedação compreende ainda um par de anéis de apoio em lados opostos do elemento de energização.

6. Sistema de ferramenta de furo de poço de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o elemento de energização é substancialmente em forma de anel com uma seção transversal circular.

7. Método para estabelecer uma vedação entre o primeiro e o segundo membros em um furo de poço, o método caracterizado pelo fato de que compreende: determinar as características de volume de um elemento de energização para formar a vedação, as características de volume incluindo pelo menos uma geometria externa e uma elasticidade; construir o elemento de energização para incluir uma estrutura de malha formada a partir de um material termoplástico para exibir a elasticidade dentro de uma tolerância predeterminada; implantar o elemento de energização para um local de fundo de poço dentro do furo de poço; e aplicar uma pressão no fundo do poço para deformar elasticamente o elemento de energização e, assim, engatar de forma vedada o primeiro e o segundo membros.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que construir o elemento de energização compreende ainda formar uma cobertura externa em torno de um exterior da estrutura de malha, a cobertura externa construída de um material polimérico ou um material elastomérico.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que construir o elemento de energização inclui um processo de fabricação de aditivo para formar a estrutura de malha.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que construir o elemento de energização inclui pelo menos um do grupo que consiste em dispersar uma pluralidade de elementos de enchimento dobráveis em um substrato termoplástico, em que os elementos de enchimento são dobráveis mediante aplicação do diferencial de pressão, e dispersar uma pluralidade de elementos de enchimento solúveis em um substrato termoplástico e dissolver os elementos de enchimento para criar vazios no substrato para assim formar a estrutura de malha.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que construir o elemento de energização inclui formar uma pluralidade de vazios na estrutura de malha, inserir um material de enchimento em uma primeira porção da pluralidade de vazios e manter uma segunda porção dos vazios desprovida do material de enchimento.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado pelo fato de que compreende ainda montar o elemento de energização em um conjunto de vedação incluindo pelo menos um anel de apoio em engate operativo com o elemento de energização.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda remover a pressão para retornar o elemento de energização a uma configuração de repouso no furo de poço.

14. Elemento de energização para uso em uma ferramenta de furo de poço, o elemento de energização caracterizado pelo fato de que compreende; uma estrutura de malha formada de um material termoplástico, a estrutura de malha disposta para incluir uma pluralidade de vazios desprovidos de material de enchimento de modo que a estrutura de malha exiba uma elasticidade em massa dentro de uma tolerância predeterminada de um material elastomérico direcionado; e uma cobertura externa disposta em torno de uma geometria externa da estrutura de malha, a cobertura externa construída por pelo menos um do grupo que consiste no material termoplástico da estrutura de malha, um material termoplástico diferente, o material elastomérico direcionado, um elastomérico diferente e um material polimérico.

15. Elemento de energização de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a estrutura de malha é disposta em uma estrutura em colmeia com paredes definindo vazios hexagonais entre as mesmas e, opcionalmente, em que o elemento de energização é construído como um o-ring com uma seção transversal geralmente circular.