EA003240B1 - Способ уплотнения кольцевого пространства, скважина и труба - Google Patents

Abstract

Предложен способ уплотнения кольцевого пространства между двумя сплошными трубами или между сплошной трубой и стволом скважины, заключающийся в том, что применяют термореактивный или термопластичный материал при формировании уплотнения между, по меньшей мере, частью внешней поверхностью внутренней трубы и, по меньшей мере, частью внутренней поверхности другой трубы или ствола скважины, при этом уплотнение формируют путем расширения внутренней трубы.

Description

Настоящее изобретение относится к способу уплотнения кольцевого пространства между трубами или между трубой или стволом скважины.

Обычно, чтобы достичь уплотнения между трубой и стволом скважины, в кольцевом пространстве (зазоре между обсадной колонной и породой и/или пластом) проводят операцию цементирования (или заливки жидкого цементного раствора). Этой обработке обычно предшествует первичное цементирование. Основными особенностями первичного цементирования являются изоляция потока между разными резервуарами, противодействие внешним и внутренним давлениям, воздействующим на скважину, за счет армирования конструкции и предотвращения коррозии стальных обсадных труб под действием химически агрессивных текучих сред.

Некачественное цементирование может привести к миграции текучих сред резервуаров, приводящей даже к миграции газов через микрокольца в скважине, что не только уменьшает эффективность затрат на скважину, но и может вызвать выброс, приводящий к значительному повреждению. Хотя ремонтные работы (вторичное цементирование) и возможны (они, в сущности, представляют собой нагнетание большего количества цемента в трещины и микрокольца), эти работы дороги и не всегда приводят к желаемым результатам. Один из основных недостатков применения традиционных цементирующих материалов, таких как цемент класса 6 (например, ОПЦ, т.е. обычный портландцемент), заключается в том, что такие материалы не могут обеспечить газонепроницаемое уплотнение из-за присущей им усадки. Усадка обычно составляет 4-6% объема, что вызывает миграцию газа через микрокольца, создаваемые в результате усадки.

В одном из известных технических решений было предложено применять смесь суспензии гидравлического цемента и каучукового компонента, чтобы улучшить обычные уплотняющие свойства обычных цементирующих материалов. Однако собственные свойства обычного цементирующего материала попрежнему играют роль при таких способах уплотнения.

Цементирование также можно проводить между двумя трубами, например, чтобы закрепить трубу, подвергшуюся коррозии или повреждению, или для повышения прочности уплотненной трубы.

Способ, известный в нефтяной промышленности как расширение буровых труб, обычно применявшийся для завершения не заполненного трубами участка скважины в подземном пласте, имеет одной из своих особенностей то, что он сужает зазор между внешней поверхностью трубы и обсадной колонны и/или породой и/или пластом, к которому она обращена. Однако не предусматривается и на практике невозможно обеспечение даже незначительного уплотняющего эффекта во время такой операции расширения.

В описании к европейскому патенту № 643794 предложен способ расширения обсадной колонны у стенки ствола подземной скважины, при котором обсадную трубу изготавливают из податливого материала, предпочтительно способного к пластической деформации величиной, по меньшей мере, до 25% одноосной деформации, причем эту обсадную колонну можно расширять в расширяющей оправке, которую прокачивают или проталкивают через обсадную колонну. И в этом случае не предусматривается и на практике невозможно обеспечение даже незначительного уплотняющего эффекта во время такой операции расширения.

В данной области техники также известно, что трубы можно снабжать покрытиями (называемыми также плакировками), которые обычно наносят, чтобы увеличить сопротивление труб негативному воздействию буровых текучих сред и других циркулирующих материалов (например, трещинообразующих агентов или агрессивных буровых соленых вод). И опять, такие условия не предназначены для получения какого-либо улучшения в отношении уплотнения.

Недавно в публикации XVО 99/02818 патентной заявки была предложена система труб, опускаемых в скважину, в сущности, основанная на применении пропазованного тела трубы, расширяемого в радиальном направлении, несущего деформируемый материал на своей наружной поверхности и уплотняющий элемент внутри тела трубы для сцепления с внутренней поверхностью упомянутого тела. Конкретно указано, что, конечно, не должно быть контакта эластомера с породой в местах пазов, чтобы таким образом не прерывался приток нефти.

Следовательно, систему, описанную в публикации νθ 99/02818, приходится считать системой, которая обеспечивает течение текущей среды в определенных местах (предусмотренных ввиду наличия пазов), а не в каких-либо других местах, что достигается совокупностью трех элементов: применения расширяемой трубы, наличия деформируемого материала на внешней поверхности тела трубы и применения уплотняющего элемента внутри расширяемого пропазованного тела трубы.

В описании публикации νθ 99/02818 нет ссылок на применение расширяемых сплошных труб.

В недавно изданной публикации νθ 99/06670 международной патентной заявки говорится о способе создания зональной изоляции между внешним и внутренним пространствами не заполненного обсадной колонной участка системы подземной скважины, причем этот участок расположен рядом с участком скважины, в котором обсадная колонна имеется. Зональная изоляция достигается путем ввода расширяемой трубы через имеющуюся обсадную колонну скважины в участок, не заполненный обсадной колонной, например боковое ответвление, системы подземной скважины и последующего расширения расширяемой трубы таким образом, что один ее конец прижимается к стенке участка системы скважины, не заполненного обсадной колонной, а внешняя поверхность другого конца прижимается к внутренней поверхности скважины, создавая тем самым промежуточное соединение, способное обеспечить сдвиговую связь и гидравлическое уплотнение между упомянутыми окружающими поверхностями. Можно вставлять прокладочный материал между окружающими поверхностями перед расширением трубы.

Должно быть очевидно, что способ, предложенный в публикации XVО 99/06670 международной патентной заявки, имеет своей целью, в частности, получение готовых труб, которые имеют довольно ровную поверхность, а образующиеся при этом гидравлические уплотнения полезны ввиду концентричности окружающих поверхностей.

В настоящее время признано, что в более жестких условиях, в частности, когда трубы или труба и ствол скважины менее концентричны друг относительно друга, а также могут иметь изменяющиеся радиальные размеры, невозможно обеспечить адекватные уплотнения путем непосредственного расширения вперед, даже с применением прокладки. Даже те системы, которые сначала были уплотнены ввиду концентричного или, по существу, концентричного расположения труб или трубы и скважины, ухудшатся со временем из-за множества обстоятельств, таких как коррозия, силы смещения и т.п. Это означает, что существует потребность в создании уплотнительной системы, которая может работать в реальных условиях и предпочтительно на более значительных расстояниях. Помимо этого, такая система должна быть сконструирована с возможностью выполнения ее уплотняющих функций в течение длительного периода времени, когда условия, как сказано выше, могут изменяться.

Найден способ, который обеспечивает формирование уплотнений хорошего качества за счет признака расширения, присущего расширяемой трубе, для обеспечения уплотнения на основе термореактивного или термопластичного материала.

Следовательно, настоящее изобретение относится к способу уплотнения кольцевого пространства между двумя сплошными трубами или между сплошной трубой и стволом скважины, заключающемуся в том, что применяют термореактивный или термопластичный материал при формировании уплотнения между, по меньшей мере, частью внешней поверхности трубы и, по меньшей мере, частью внутренней поверхности другой трубы или ствола скважины, причем уплотнение формируют путем расширения внутренней трубы.

Термореактивные и термопластичные материалы, применяемые для формирования уплотнения между трубами или между трубой и стволом скважины для достижения цели этого изобретения, характеризуются как аморфные полимерные материалы, которые находятся в стеклообразном или высокоэластичном состоянии. Агрегатное состояние аморфных полимерных материалов можно охарактеризовать в общем случае применительно к температуре с помощью их жесткости, поскольку жесткость является наиболее важным параметром в связи с различиями в агрегации.

Жесткость - это сила, необходимая для получения некоторой деформации. Принимая некоторое значение силы на единицу поверхности поперечного сечения (натяжения 5) и выражая деформацию (е) как функцию исходной длины (1) в виде е=А1/1, получаем, что жесткость является дисперсией этих двух составляющих, а также может быть представлена через модуль упругости и выражена в виде Е=5/е. Для каждого полимерного материала можно построить график зависимости между 1од Е (ось у) и температурой (ось х), изображающий три области и соответствующие точки фазового перехода. Эти три области являются областями стекловидного состояния (наинизшая температура, наивысший Е), высокоэластичного состояния (пониженный Е и повышенная температура) и жидкого состояния (наинизший Е и наивысшая температура). Точки фазового перехода обычно называют точкой (Тд) фазового перехода в стекловидное состояние и точкой (Тт) фазового перехода в расплавленное состояние.

Материалы, применение которых для формирования уплотнений в рамках объема притязаний настоящего изобретения можно предусмотреть, являются стеклообразными и/или высокоэластичными перед расширением, и можно добиться их хорошей работы, когда они полностью или в значительной степени поддерживаются в состоянии, соответствующем их природе. Возможно, что из-за температурного режима, а также проявляющегося влияния сил трения во время расширения часть стеклообразного материала или весь такой материал перейдет в его высокоэластичное состояние. Для некоторых материалов это даже может быть преимуществом с точки зрения уплотнения, так как модуль упругости высокоэластичных материалов может в быть 100-1000 раз меньше, чем у того же материала в стеклообразном состоянии.

До некоторого уровня аморфные полимерные материалы могут обладать некоторой степенью кристалличности. Влияние кристаллического материала на стеклообразные материалы, в частности на их механические свойства, явля ется малым, а на высокоэластичные материалы более значительным, поскольку такие материалы задерживают фазовый переход в высокоэластичное состояние.

Также возможно применение битумсодержащих полимерных материалов для обеспечения уплотнений в соответствии с настоящим изобретением. Поставляемые промышленностью битумсодержащие материалы можно с выгодой применять в качестве уплотняемых материалов.

Примерами аморфных полимеров, которые можно применять при осуществлении способа в соответствии с настоящим изобретением, являются бутадиеновый и изопреновый каучук, которые находятся в высокоэластичном состоянии при температуре окружающей среды, причем такое состояние будет еще более заметным, чем в случае, если бы они были вулканизированы. Представителями материалов, стеклообразных при температуре окружающей среды, являются такие материалы, как поливинилхлорид (ПВХ) или полистирол. Также могут представлять интерес сополимеры высокоэластичных и стеклообразных материалов; их свойства будут определяться, главным образом, относительным вкладом соответствующих гомополимеров.

Уже известно, что материалы, применяемые при формировании уплотнений, удобно представлять в виде плакировок на внешней поверхности (внутренней) трубы, подлежащей расширению. Толщина такого покрытия будет весьма зависимой от типа материала, использование которого предусматривается, уплотняемого кольцевого пространства и прикладываемого механического напряжения расширения. Можно с удобством наносить покрытия в диапазоне 0,02-10 см. Хорошие результаты получены в малом диапазоне толщины покрытий, составляющем 0,05-2 см.

Плакировки могут быть нанесены на всю внешнюю поверхность трубы, подлежащей расширению, или на часть этой поверхности, а также могут содержать выступы или выемки, в частности, когда кольцевое пространство нужно уплотнить в различных зонах вдоль длины трубы.

Уплотнение достигается тогда, когда как осевое, так и радиальное течение по существу или полностью предотвращено. Дополнительное преимущество способа уплотнения в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что в случае уплотнения между трубой и обсадной колонной начальная скорость смятия системы почти или даже полностью восстанавливается. Известные уплотнительные приспособления (ограниченной длины) обладают лишь минимальной допустимой способностью сохранять скорость смятия на начальном уровне, безотносительно того факта, что эти уплотнительные приспособления можно применять с успехом только тогда, когда предусмотрены лишь минимальные допустимые механические напряжения (такие, как при отсечке заполненных водой участков горизонтальных скважин).

Настоящее изобретение содержит ряд альтернативных решений, которыми можно пользоваться в зависимости от типа учитываемого подземного пласта и действительно требуемой или предпочтительной степени уплотнения.

В принципе, можно создать непрерывное уплотнение между внешней поверхностью трубы и внутренней поверхностью другой трубы или ствола скважины в соответствующем случае (т. е. предусмотреть уплотнение всей внешней поверхности трубы), но зачастую достаточно или предпочтительно создать уплотнения только в некоторых частях всей (внутри скважины) внешней поверхности трубы, что приводит к зональной изоляции. Когда в контексте данного описания употребляется выражение по меньшей мере, часть внешней поверхности, оно относится как к полной, так и к зональной изоляции (если не указано другое).

Обнаружено, что способ, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает формирование уплотнений на увеличенных расстояниях, например свыше 15 м, а в частности более 25 м, и пригоден для еще больших расстояний, которые могут достигать сотен метров. Возможны и меньшие расстояния, но данный способ предназначен конкретно для уплотнения на больших расстояниях. Следует отметить, что обычные уплотнители (пакеры) имеют максимальные длины около 13 м (около 40 футов). Можно также обеспечить горизонтальную изоляцию для некоторых областей обрабатываемой трубы, или обеспечить уплотнения, которые чередуются с неуплотненными областями.

В первом конкретном варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, который, в частности, предпочтителен для обеспечения уплотнений, когда речь идет о стволах скважин, имеющих круглое поперечное сечение (иногда именуемое сечением в форме орудийного ствола), уплотнение формируют путем введения расширяемой трубы, по меньшей мере, частично плакированной термореактивным или термопластичным материалом, в ствол скважины с последующим расширением трубы.

Для этого типа удобно использовать обычные эластомеры. Например, для применения в диапазонах температур от низких до умеренных чрезвычайно удобны нитрильные каучуки. Для более критичных применений можно использовать фторэластомеры для облегченных режимов работы (например, νίΤΟΝ (νίΤΟΝ - это торговая марка)). В исключительно тяжелых условиях можно применять фторэластомеры специального назначения. Примерами подходящих фторэластомеров являются, например, материалы под названиями АТТА 8 или ΚΑΤΚΕΖ (АЕЬА8 и ΚΑΤΚΕΖ - это торговые марки). Другими примерами материалов, которые подходят для применения в способе уплотнения кольцевого пространства в соответствии с настоящим изобретением, являются силиконы и фторсиликоны.

Покрытия из эластомерных материалов можно наносить на применяемые трубы способами, известными в данной области техники и не поясняемыми здесь подробно, такими как обычные способы компаундирования, например применяемые при изготовлении электрических кабелей.

Сжимаемость эластомерных материалов, предполагаемых к применению, можно повысить за счет внедрения в них так называемых структур с закрытыми ячейками, в частности, когда предполагается применение в ходе операций на небольших глубинах, или расширяемых податливых микропузырьков. Такие, в сущности, полые микросферы действуют подобно микрошарикам, которые обеспечивают дополнительную сжимаемость эластомера во время процесса расширения и компенсируют объемные изменения из-за частичного восстановления формы трубы после процесса расширения. Примеры подходящих материалов включают в себя ЕХРАХСЕ1.1. и М1СКО8РНЕКЕ ЕЕ (ΕΧΡΑΝСЕББ и М1СКО8РНЕКЕ ЕЕ - это торговые марки). Их нанесение, в частности, удобно, когда проводят уплотнение кольцевого пространства между трубами при низком давлении.

Во втором конкретном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, который обладает конкретным преимуществом в случае стволов скважин, имеющих, по существу, эллиптическую форму, но без протяженных щелей или других габаритных изменений диаметра, эластомерное уплотнение формируют путем введения расширяемой трубы, плакированной, по меньшей мере частично, термопластичным эластомером, в ствол скважины с последующим расширением трубы.

Очевидно, что в таких ситуациях вместо обычного термореактивного эластомера (форму которого, по существу, нельзя изменить после вулканизации расплавлением) нужно применять термопластичный эластомер. Этот способ предпочтительно реализуют с подводом тепла к скважине во время процесса расширения. В этих ситуациях можно также применять стеклообразные материалы.

Термопластичные эластомеры, которые подходят для применения в этом конкретном варианте осуществления, включают в себя смеси вулканизованного тройного этиленпропиленового каучука с диеновым сомономером (ТЭПКДС) и пропилена, такие как 8АКБ1М< (8ΑΚΕΙΝΚ - это торговая марка) или простые эфиры простых полиэфиров и сложные эфиры простых полиэфиров, такие как, например, АКМТЕБ (АКМТЕБ - это торговая марка).

Нагрев скважины перед процессом расширения и/или во время этого процесса можно осуществить любым удобным способом нагрева. Примеры таких способов включают в себя применение горячей жидкости, предпочтительно циркулирующей горячей жидкости, которую можно повторно нагревать известными способами, подвод тепла, вырабатываемого посредством подходящей химической реакции (подходящих химических реакций), или подвод электричества для генерирования тепла в подземном пласте. Результат подвода тепла будет заключаться в том, что термопластичный эластомер, находящийся в полутвердом состоянии или преобразуемый в это состояние, будет иметь больше возможностей для заполнения большего количества неправильных поперечных сечений ствола скважины, а также для достижения значительно большей степени заполнения.

И в этом случае можно увеличить сжимаемость термопластичных эластомеров, предполагаемых к применению, путем использования расширяемых, податливых микропузырьков в качестве наполнителей при условии, что их оболочки остаются, по существу, неповрежденными во время стадии расплавления термопластичных эластомеров, применяемых в процессе расширения. Можно с выгодой применить микрошарики с оболочкой из найлона.

В третьем конкретном варианте осуществления способа в соответствии с изобретением, который обладает конкретным преимуществом в случае так называемых участков открытой скважины, т. е. в случае, когда участки, в которых труба размещена, являются в значительной степени не сплошными (и которые иногда называют участками с большими щелями и/или обрушающимися участками), эластомерный материал формируют путем ввода эластомерной системы, вулканизуемой на месте, в ствол скважины, а затем эластомер подвергают расширению на трубе, находящейся в стволе скважины. Можно также использовать материалы, которые чаще всего находятся в стеклообразном состоянии, такие как частично насыщенные сложные полиэфиры (например, подходящие сложные виниловые эфиры), эпоксидные смолы, сложные эфиры диаллилфталата (подходящие материалы включают в себя те, которые называют полимерами на основе диаллилфталата (ПОДАФ) (орто-смолой) и полимерами на основе диаллилизофтолата (ПОДАИФ) (метасмолой), формальдегиды аминотипа (такие, как формальдегидмочевина и формальдегидмеламин), сложные эфиры цианатов и термореактивные полиимиды (такие, как бисмалеимиды) и любые другие термореактивные сложные эфиры.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления применяют двухкомпонентную систему, вулканизуемую на месте, для получения подходящего уплотнения. Существует ряд путей получения предусматриваемого уплотнения.

В первом режиме предусматривается заполнение полости кольцевого пространства двухкомпонентной (жидкой) системой, и обеспечение погружения трубы (снабженной обратным клапаном) в двухкомпонентную систему, и обеспечение затвердевания этой системы после осуществления процесса расширения трубы.

Во втором режиме предусматривается осуществление процесса расширения трубы перед затвердеванием двухкомпонентной системы. Система расширения трубы реализуется в этой ситуации в так называемом перевернутом режиме, в результате чего вынуждается нагнетание еще не затвердевшего эластомерного раствора в микрокольца для создания каучуковой прокладки.

Подходящими материалами для этого режима работы, в котором используется эластомерная система, вулканизуемая на месте, являются так называемые двухкомпонентные силиконовые каучуки, вулканизуемые при комнатной температуре (ВКТ), которые пригодны для применения при повышенных температурах и давлениях, часто имеющих место в нефтяных и/или газовых скважинах. В этом контексте можно упомянуть материалы, поставляемые в промышленных масштабах фирмой Бо\у Согшпд и имеющие обозначения 3-4225, 3-4230, 3-4231, 34232 и 4-4234. Считается, что применение этих материалов выгодно ввиду так называемых дополнительных свойств отверждения. Также возможно выгодное применение эластомерных компаундов на основе эпоксидных компаундов, таких как семейство продуктов №ЕББ8ЕЛБ (ХУЕБЕБЕЛБ - это торговая марка), поставляемых в промышленных масштабах компанией 8Ье11.

Что касается конкретных характеристик вышеупомянутых классов компаундов, то их можно найти в Епдшеетеб Ма1епак НапбЬоок, Бекк БбШоп. 2-й выпуск (1988), Ι8ΒΝ 0-87170283-5, сс. 251-281.

И в этом случае можно приложить предварительное механическое напряжение к получаемой эластомерной прокладке, надувая ее либо за счет введенного в ее состав химического надувающего агента, такого как ΟΕΝΙΤΘΚ. (ΟΕΝΙΤΘΚ. - это торговая марка), либо путем использования податливых микропузырьков, содержащих летучую жидкость, такую как ЕХРАХСЕББ БИ (Е.ХРАХСЕББ БИ - это торговая марка). Для применения также подходят наполнители, которые больше разбухают из-за фазового перехода из твердого состояния в твердое или из твердого состояния в жидкое при повышенной температуре.

Одним из преимуществ способа, соответствующего изобретению, является то, что можно применять трубу, намотанную на барабан или наматываемую на барабан, что дает важные преимущества, между прочим, и с точки зрения материально-технического обеспечения. Как указано выше, очень полезно применять расширяемые трубы, наматываемые на барабан или намотанные на барабан, снабженные плакировкой либо по всей внешней поверхности применяемой трубы, либо на конкретных частях внешней поверхности, когда трубу приходится использовать для зональной изоляции, уже на стадии изготовления.

Также возможно, а фактически предпочтительно, применять трубу, наматываемую на барабан или намотанную на барабан, уже содержащую в подходящей плакировке электрические кабели и/или гидравлические магистрали, которые можно использовать для обеспечения дистанционного измерения параметров и/или управления процессами, осуществление которых предусматривается, когда трубу применяют в надлежащем режиме добычи. В режиме вулканизации на месте можно обеспечить наличие (бронированных) кабелей и/или магистралей, прикрепляемых к внешней поверхности трубы, наматываемой на барабан или намотанной на барабан, чтобы обеспечить работу средств телеметрии и/или управления.

Способ, соответствующий настоящему изобретению, можно с удобством применять при ремонте или замене поврежденных или изношенных трубных секций, в частности труб. Обычный способ заключается в том, что меняют часть трубы или всю трубу, вставляя в нее внутреннюю трубу и обеспечивая уплотнение согласно способу, соответствующему настоящему изобретению, путем расширения внутренней трубы и тем самым обеспечивая уплотнение, в котором используют вышеописанный термореактивный или термопластичный материал (вышеописанные термореактивные или термопластичные материалы) для образования уплотнения ввиду расширения внутренней трубы.

Расширение трубы, которое необходимо при получении вышеописанного эластомерного уплотнения, можно проводить каким-либо удобным способом, известным в данной области техники. Между прочим, здесь можно сослаться на публикацию №О 97/03489 патентной заявки, в которой описано расширение трубы, в частности трубы, изготовленной из стали некоторой марки, которая подвергается упрочнению деформацией в результате процесса расширения.

Процесс расширения, в сущности, направлен на продвижение через трубу (иногда именуемую пластырем) расширяющей оправки, которая сужается в направлении, в котором она перемещается через трубу, и имеет наибольший диаметр, который больше внутреннего диаметра трубы. Очевидно, что за счет перемещения оправки через трубу диаметр этой трубы увеличится. Это можно сделать, проталкивая расширяющую оправку вниз через трубу или, что удобнее, протягивая вверх через трубу расширяющую оправку, которая сужается кверху.

Для удобства расширяющая оправка содержит расширяющий участок, который имеет коническую керамическую внешнюю поверхность, и уплотнительный участок, который находится на таком расстоянии от расширяющего участка, что, когда оправку прокачивают через трубу, уплотнительный участок вступает в контакт с пластично расширенной частью трубы. Также можно применять оправку, содержащую нагревательное средство, чтобы облегчить процесс расширения.

Применение керамической конической поверхности уменьшает силы трения во время процесса расширения, а за счет наличия уплотнительного участка, который контактирует с расширенной трубой, можно избежать ситуации, в которой гидравлические силы привели бы к избыточному расширению трубы. В таких случаях расширяющая оправка предпочтительно должна содержать выпускной канал для выпуска любых текучих сред, присутствующих в стволе скважины и трубах над расширяющей оправкой, на поверхность.

В общем случае выгодно применять оправки, имеющие полуугол при вершине между 15 и 30°, чтобы предотвратить как избыточные силы трения (при меньших углах), так и нежелательное рассеяние тепла и перерывы в продвижении устройства вперед (при больших углах). Для некоторых использований, в частности в случае концевого уплотнения, может оказаться полезным применение оправок, имеющих полууглы конуса между 10 и 15°. Малые углы конуса предпочтительны для расширения гладких (заподлицо) механических соединений, поскольку при этом смягчается влияние пластичного изгиба и тем самым гарантируется, что расширенное соединение будет гладким изнутри.

Неотъемлемым признаком процесса расширения посредством продвижения оправки является то, что внутренний диаметр расширенной трубы в общем случае больше максимального внешнего диаметра оправки. Эту избыточную деформацию называют избыточным расширением. Избыточное расширения можно увеличить, придавая оправке параболическую или эллиптическую форму и тем самым увеличивая первоначальный угол раскрытия конуса до максимума в 50° с одновременным поддержанием среднего полуугла при вершине между 15 и 30°. Избыточное расширение можно увеличить примерно в 5 раз. Фактически это позволяет увеличить давление на поверхности раздела между расширенной трубой и каучуковым уплотняющим элементом и увеличивает несущую способность уплотнения кольцевого пространства.

Трубу можно расширить так, что внешний диаметр расширенной трубы будет немного меньше внутреннего диаметра ствола скважины или любой обсадной колонны, находящейся в скважине, а любые текучие среды, присутст вующие в стволе скважины и трубе над расширяющей оправкой, будут перемещаться вдоль оси вверх через кольцевое пространство, которое по-прежнему существует над только что созданным уплотнением или создается за счет расширяющего воздействия оправки, когда ее проталкивают вверх через трубу.

Изобретение также относится к скважине, снабженной трубой, которая уплотнена способом, соответствующим настоящему изобретению. В таком случае труба может служить эксплуатационной трубой, по которой углеводородная текучая среда транспортируется на поверхность и через которую, в одном варианте исполнения, пропускают служебную и/или заглушающую магистраль (трубу), предпочтительно наматываемую на барабан, по меньшей мере, на существенной части длины эксплуатационной трубы, обеспечивая перекачивание буровой текучей среды вниз к дну скважины, при этом углеводородную текучую среду добывают через окружающую эксплуатационную трубу.

Как обсуждалось выше, способ, соответствующий настоящему изобретению, полезен, в частности, для уплотнения кольцевого пространства между двумя сплошными трубами или между сплошной трубой и стволом скважины, когда, по меньшей мере, одна из труб, или труба, или ствол скважины могут быть на практике менее концентричными, а также, возможно, имеют изменяющиеся радиальные размеры, так что операция непосредственного уплотнения, основанная на достижении сдвиговой связи и гидравлического уплотнения, больше не пригодна даже тогда, когда применяют прокладочный материал, описанный в публикации XVО 99/06670 международной патентной заявки.

Технические характеристики труб, трубопроводов и обсадных колонн обычно приводятся с их технологическими допусками. Здесь можно сослаться на публикации Американского нефтяного института, находящегося по адресу 1220 Ь 81гее1, ЫогЁЬтеек! ναδΠίη^ΐοη Э.С., 20005, а именно 8ресгДсабоп £ог Ьше Ире (ΑΡΙ 8рес1ПсаПоп 5Ь, 41-е издание, 1 апреля 1995г.) и 8рес1Дсайоп £ог Саыпд апб ТиЫпд (ΑΡΙ 8ресЖса1юп 5СТ, 5-е издание, 1 апреля 1995г.). Большинство допусков обычно заданы на уровне не более 1% от допустимого диаметра. Способ, соответствующий настоящему изобретению, можно применять, когда предусмотрены материалы (только труб или труб и обсадных колонн), которые отклоняются на 50% или более от нормального допуска, заданного изготовителем. Должно быть ясно, что в полевых условиях будут часто происходить более значительные отклонения и что способ, соответствующий настоящему изобретению, становится еще более экономически значимым, когда отклонения увеличиваются. Отклонения более чем на 200%, или более чем на 500%, или даже более чем на 1000% задан ных исходных допусков будут происходить часто и приведут к необходимости применения уплотнений в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.

Теперь изобретение будет проиллюстрировано посредством нижеследующих неограничительных примеров.

Пример 1.

Использовали контрольную ячейку, имеющую длину 30 см и снабженную расширяемой трубой диаметром 2,54 см (1 дюйм) (перед расширением), в кольцевом пространстве диаметром 3,81 см (1,5 дюйма). Расширяемая труба была плакирована покрытием 8ΑΚΤΙΝΚ (8ΑΚΤΙΝΚ - это торговая марка), имевшим толщину 2 мм. Расширение осуществляли, проталкивая оправку через расширяемую трубу при температуре окружающей среды. Прочность уплотнения проверяли путем увеличения давления до величины, при которой происходила утечка. Полученное уплотнение кольцевого пространства смогло выдержать давление величиной 3 МПа (30 бар) при температуре окружающей среды. Это значит, что можно достичь разности удельных давлений примерно до 10 МПа/м (100 бар/м).

Пример 2.

Повторяли испытание, описанное в примере 1, но теперь с использованием расширяемой трубы, на которую было нанесено покрытие толщиной 1,5 мм из материала, представлявшего собой смесь сополимера этилена и винилацетата (СЭВА) с полиолефином, известную как термоплавкий клей Непке1. Расширение осуществляли, проталкивая оправку через расширяемую трубу при температуре расширения, составлявшей 150°С. После охлаждения прочность уплотнения проверяли путем увеличения давления до величины, при которой происходила утечка. Полученное уплотнение кольцевого пространства смогло выдержать давление величиной 8 МПа (80 бар) при температуре окружающей среды. Это значит, что можно достичь разности удельных давлений примерно до 25 МПа/м (250 бар/м).

Пример 3.

Проводили более крупномасштабный эксперимент с использованием бесшовной трубы, имевшей длину 80 см, наружный диаметр 9,16 см (4 дюйма) и толщину стенки 5,7 мм, а в качестве обсадной колонны использовали бесшовную трубу, имевшую длину 80 см, наружный диаметр 13,33 см (5,25 дюйма) и толщину стенки 7,2 мм. Внешний диаметр конуса оправки составлял 10,60 см. 4 области внешней поверхности трубы были плакированы натуральным каучуком, имеющим толщину (в нерастянутом состоянии) 1 мм и ширину (в нерастянутом состоянии) 10 мм. Усилие, прикладывавшееся к конусу, составляло 29 т. При испытании на давление уплотнение выдержало полезное давление воздуха, составлявшее 0,7 МПа (7 бар).

Поскольку на возможности уплотнения могло оказать негативное влияние присутствие слоев краски на внешней поверхности трубы, эксперимент повторили, используя аналогичную трубу, но подвергнутую сначала машинной очистке, которая вызвала удаление 0,5 мм исходной толщины стенки и привела к получению нового диаметра величиной 10,10 см. После той же самой процедуры расширения не было обнаружено утечек при полезном давлении воздуха, составлявшем 0,7 МПа (7 бар). Когда подвергли уплотнение испытанию на давление азота, то за 15 мин воздействия давления азота величиной 10 МПа (100 бар) не было обнаружено никаких утечек.

В четвертом конкретном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, который обладает конкретным преимуществом в случае так называемых участков открытой скважины, т.е. в случае, когда участки, в которых труба размещена, являются в значительной степени не сплошными (и которые иногда называют участками с большими щелями и/или обрушающимися участками), можно также применять особый вариант уплотнительного элемента из термопластичного или термореактивного эластомера, в который внедрены металлические или стеклянные емкости, содержащие химический раствор.

Типовые конструкции упомянутого четвертого конкретного варианта осуществления приведены на чертежах, где на фиг. 1 условно изображена частично расширенная труба, вокруг которой расположена пара термопластичных или термореактивных гильз, в которые внедрен ряд тангенциальных разрывающихся емкостей, разрыв которых является результатом расширения трубы, на фиг. 2 условно изображена частично расширенная труба, вокруг которой расположена пара термопластичных или термореактивных гильз, в которые внедрен ряд ориентированных в осевом направлении разрывающихся емкостей, разрыв которых является результатом расширения трубы, и на фиг. 3 представлен вид сверху узла трубы, показанного на фиг. 2.

Фиг. 1 показывает, что во время процесса расширения металлической основной трубы 1 будут происходить два одновременных процесса: 1) эластомерный термореактивный или термопластичный уплотняющий элемент 2, имеющий кольцеобразные ребра 5, будет прижиматься к стенке 3 ствола скважины с возможностью обеспечения уплотнения при условии, что скважина должна быть предпочтительно круглой и иметь явно выраженный диаметр (как описано в первом конкретном варианте осуществления), и 2) в результате процесса расширения одновременно будет происходить разрыв разрывающихся емкостей, образованных рядом тангенциальных трубок 4, внедренных в уплотняющий элемент и содержащих химический раствор, и выпуск их содержимого в пробуренную скважину или буровую текучую среду, присутствующую в кольцевом пространстве 6 между стенкой 3 ствола скважины и расширенной трубой 1.

Особый признак этого конкретного варианта осуществления заключается в том, что химический раствор является особым активатором, который реагирует с застойной текучей средой (имеющей латентные гидравлические свойства), превращая ее в твердое вещество.

Примерами таких систем являются буровые растворы для процессов цементационного преобразования (например, такие, как описанные в публикациях \О 94/09249, \О 94/09250, \\Ό 94/09252, \\Ό 94/19574, \\Ό 99/23046 и \\Ό 99/33763 международных патентных заявок).

Другие системы (на основе портландцемента, алюминатного цемента и доменного шлака), которые тоже можно было бы использовать, это те системы, которые охарактеризованы, например, В1 8егу1сек как сохраняемые цементирующие системы, описанные в публикации \ О 95/19942 международной патентной заявки, причем эти системы обычно приходится также активировать (т. е. заставить затвердевать) путем добавки химического активатора.

Применимы также системы двухкомпонентных смол, такие как частично насыщенные сложные полиэфиры (например, подходящие сложные виниловые эфиры), сложные эфиры диаллилфталата (подходящие материалы включают в себя те, которые называют полимерами на основе диаллилфталата (ПОДАФ) (ортосмолой) и полимерами на основе диаллилизофтолата (ПОДАИФ) (мета-смолой), сложные эфиры цианатов и любые другие термореактивные сложные эфиры, формальдегиды аминотипа (такие, как формальдегидмочевина и формальдегидмеламин) и термореактивные полиимиды (такие, как бисмалеимиды) и эпоксидные смолы. Как правило, трубки 4 содержат активирующий агент (сшивающий агент), тогда как жидкость для закачивания скважин, которая наполняет кольцевое пространство 6 между металлической трубой 1 и стенкой 3 ствола скважины, должна содержать другой реагент двухкомпонентной системы.

В альтернативном варианте кольцевое пространство 6 между металлической трубой 1 и стенкой 3 ствола скважины содержит вулканизуемые на месте двухкомпонентные силоксановые и фторсилоксановые системы, например такие, как продукт ИС-4230, который поставляется на рынок фирмой Όο\ν Согшпд Сотрапу, Мидленд, США и который обычно может вступать в реакцию при добавке катализатора (например, винилсилоксана платины) для вынуждения превращения латентного эластомера, присутствующего в скважине, в твердую массу каучукового уплотнения.

Вышеупомянутые химические системы приведены лишь в качестве примеров объединения механических операций формирования прокладок с процессами химического отверждения. Как таковые, гидравлически латентные буровые жидкости или жидкости для закачивания скважин будут превращаться в сплошные газонепроницаемые перегородки. Эти перегородки являются непосредственным результатом механического процесса расширения трубы, который вызывает выброс активатора из емкостей, ориентированных в осевом или радиальном направлении, внедренных в эластомерные уплотняющие элементы, и поэтому непосредственно связаны с механическим процессом расширения трубы.

Обращаясь теперь к фиг. 2, отмечаем, что здесь изображена расширяемая труба 10, верхняя часть 10А которой не расширена, а нижняя часть 10В расширена.

Верхняя часть 10А трубы окружена эластомерным термореактивным или термопластичным элементом 11А, в который внедрен ряд ориентированных в осевом направлении разрывающихся емкостей 12А. Нижняя часть 10В трубы расширена и окружена другим термореактивным или термопластичным элементом 11В, в который внедрен ряд ориентированных в осевом направлении разрывающихся емкостей 12В, которые смялись в результате процесса расширения настолько, что химический активатор 14 высвободился в кольцевое пространство 13 между трубой и пластом. Это кольцевое пространство 13 заполнено жидким цементом или другим химическим составом 15, который затвердевает в результате реакции с активатором

14. Если реакция является экзотермической, а уплотнительный элемент 11В содержит термореактивный материал, то этот уплотнительный элемент 11В также затвердеет, так что в кольцевом пространстве 13 между трубой и пластом образуется устойчивое, непроницаемое для текучих сред уплотнение, причем это уплотнение приобретает непроницаемость только после расширения трубы 10, и при этом не требуется устанавливать трубу и проводить процесс расширения в пределах предварительно определенного периода времени, что обычно имеет место, когда применяют обычные процедуры цементирования.

Claims (26)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ уплотнения кольцевого пространства между двумя сплошными трубами или между сплошной трубой и стволом скважины, заключающийся в том, что применяют термореактивный или термопластичный материал при формировании уплотнения между, по меньшей мере, частью внешней поверхности внутренней трубы и, по меньшей мере, частью внутренней поверхности другой трубы или ствола скважины, при этом уплотнение формируют путем расширения внутренней трубы, отличающийся тем, что внутреннюю трубу перед ее расширением выполняют, по существу, с поперечным сечением, имеющим круглую форму.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уплотнение формируют путем введения расширяемой трубы, по меньшей мере, частично плакированной эластомером, в ствол скважины с последующим расширением этой трубы.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что уплотнение формируют путем введения расширяемой трубы, по меньшей мере, частично плакированной эластомером, в другую трубу с последующим расширением упомянутой расширяемой трубы.
4. 4. Способ по любому из пп.2 или 3, отличающийся тем, что применяют эластомер, содержащий структуру с закрытыми ячейками.
5. 5. Способ по любому одному или нескольким из пп.2-4, отличающийся тем, что применяют эластомер, также содержащий расширяемые податливые микропузырьки.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что эластомерное уплотнение формируют путем введения расширяемой трубы, по меньшей мере, частично плакированной термопластичным эластомером, в ствол скважины или в другую трубу с последующим расширением расширяемой трубы.
7. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть ствола скважины или другой трубы нагревают перед расширением трубы и/или во время такого расширения.
8. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что нагрев обеспечивают посредством горячей жидкости, химической реакции или с помощью электричества.
9. 9. Способ по любому одному или нескольким из пп.6-8, отличающийся тем, что применяют эластомер, также содержащий расширяемые податливые микропузырьки.
10. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что эластомерное уплотнение формируют путем помещения вулканизуемого на месте эластомера в ствол скважины или в другую трубу с последующим расширением расширяемой трубы.
11. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что для формирования уплотнения применяют двухкомпонентный эластомер, вулканизуемый при комнатной температуре.
12. 12. Способ по любому из пп.10 или 11, отличающийся тем, что отверждение эластомера осуществляют перед расширением трубы.
13. 13. Способ по любому из пп.10 или 11, отличающийся тем, что отверждение эластомера осуществляют после расширения трубы.
14. 14. Способ по любому одному или нескольким из пп.10-13, отличающийся тем, что применяют силиконовый каучук, вулканизуемый при комнатной температуре.
15. 15. Способ по любому одному или нескольким из пп.10-14, отличающийся тем, что применяют эластомер, также содержащий химический надуваемый агент и/или расширенные податливые микропузырьки.
16. 16. Способ по любому одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что применяют трубы, намотанные на барабан.
17. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что применяют трубу, намотанную на барабан и, по меньшей мере, частично покрытую эластомером.
18. 18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в эластомерном покрытии присутствуют электрические кабели и/или гидравлические магистрали.
19. 19. Способ по любому одному или нескольким из пп.1-18, отличающийся тем, что, по меньшей мере, участок расширяемой трубы окружают гильзой, содержащей термопластичный или термореактивный материал, в который внедрен ряд разрывающихся емкостей, которые содержат химический активатор, который выпускается в кольцевое пространство, окружающее расширяемую трубу, и который реагирует с цементом или другим химическим составом и/или гильзой таким образом, что химический состав и/или гильза затвердевает в ответ на расширение трубы.
20. 20. Способ по п.19, отличающийся тем, что применяют оправку, имеющую форму усеченного конуса, параболическую или эллиптическую форму.
21. 21. Способ по любому из пп.19 или 20, отличающийся тем, что применяют нагретую оправку.
22. 22. Способ по любому одному или нескольким из пп.1-21, отличающийся тем, что формируют уплотнение между трубами или между трубой и стволом скважины, когда отклонение от допуска трубы, заданного изготовителем, составляет, по меньшей мере, 50% заданного допуска.
23. 23. Способ по п.22, отличающийся тем, что отклонение допуска составляет, по меньшей мере, 200% заданного допуска.
24. 24. Способ по п.23, отличающийся тем, что отклонение допуска составляет, по меньшей мере, 1000% заданного допуска.
25. 25. Скважина, снабженная трубой, уплотненной способом по любому одному или нескольким из предыдущим пунктов, причем труба служит в качестве эксплуатационной трубы, по которой углеводородная текучая среда транспортируется на поверхность и по которой, в варианте исполнения, проходит служебная или заглушающая магистраль, по меньшей мере, на значительной части длины трубы, и по этой магистрали буровую жидкость можно перекачивать к дну ствола скважины во время подачи углеводородной текучей среды по окружающей эксплуатационной трубе.
26. 26. Труба, снабженная внутренней трубой, уплотненной с упомянутой трубой способом по любому одному или нескольким из пп.1-24,

    Фиг. 1 причем внутренняя труба служит в качестве транспортного средства для транспортируемых текучих сред.