NO316767B1 - Fremgangsmåte og anordning for isolering av en formasjonssone ved hjelp av en oppblåsbar pakning med herdbart materiale - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS OMRADE

Området for denne oppfinnelse gjelder soneisolering i en brønn, som spesielt innebærer anvendelser av sandfrakturering. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte og anordning for isolering av en formasjonssone ved hjelp av en oppblåsbar pakning med herdbart materiale.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Med sikte på å stimulere produksjon fra en brønn, er fraktureringsteknikker blitt anvendt. En slik teknikk innebærer sandfrakturering, der sand som fremføres av et fluid som tilføres med høye volumstrømmer og trykk, presses inn i formasjonen. For utførelse av fraktureringen, isoleres en spesiell sone.

Andre fremgangsmåter for å stimulere produksjon, krever også pumping av fluider inn i en spesiell sone i en brønn. En slik fremgangsmåte er syrebehand-ling. Det er utviklet utstyr for enkel isolering for injisering av syre eller kjemikalier. Et slikt verktøy er et selektivt stimuleringsverktøy, Product No. 350-01, som er laget av Baker Oil Tools. Dette verktøy kan føres gjennom produksjonsrøret og settes i den underliggende brønn for å utføre selektive behandlingsoperasjoner. Ved forsøk på en sandfrakturering, er imidlertid slike verktøy ikke innrettet til å håndtere de erosive virkninger av høye fluidhastigheter eller -volumer med medført sand. Følgelig blir slike verktøy generelt brukt for klare fluider uten suspenderte faststoffer, hvilket innebærer vesentlig lavere volum-strømmer enn de som benyttes ved sandfrakturering.

En annen teknikk for utførelse av sandfrakturering, særlig hvis det er flere soner i en brønn som skal isoleres og fraktureres, er å sette en nedre plugg, deretter vende ut av hullet, og kjøre inn en streng med en pakning. Pakningen på strengen blir så satt, og sandfraktureringen skjer i den isolerte sone. Deretter trekkes strengen og pakningen ut av hullet og en annen plugg innføres ved et høyere nivå i brønnen, og prosessen gjentas for den neste etterfølgende sone. Denne prosess er betydelig tidkrevende og fører derfor til betydelige kostnader på grunn av slike forsinkelser.

En annen teknikk som er begrenset til å kunne anvendes ved vertikale brønner, går ut på å sette en plugg i brønnen og deretter pumpe sand over den satte plugg inntil den riktige sone er nådd. En streng blir så innført med en pakning for avstengning av det øvre parti av sonen som skal fraktureres. Sandfrakturering blir så igangsatt. Den neste sone nås ved å pumpe inn mer sand gjennom strengen inntil en tilstrekkelig mengde sand er blitt avsatt til å nå den nedre ende av den neste sone som skal fraktureres. Strengen plasseres med en pakning og pakningen settes på strengen for, igjen, å avstenge resten av brønnen oppe i hull, og prosessen gjentas. Hvis det gjelder en awiksboring, hvilket er nå en ganske vanlig teknikk, så er denne metoden ubrukelig, idet den avsatte sand på bunnen av pluggen ikke helt fyller opp brønnen for isolering når sonen fraktureres.

Til og med den teknikk som innebærer plassering av en rekke plugger, innebærer en ulempe ved at kostnadene hurtig øker dess flere soner som skal isoleres for sandfrakturering. Typiske plugger som tidligere har vært brukt kunne koste så mye som 10 000 -15 000 US$. Dersom flere soner skal isoleres for sandfrakturering, kan således kostnadene bli prohibitive. Dessuten vil plugger måtte freses ut, hvilket innebærer en ytterligere utgift ved at tradisjonelt anvendte plugger som har mange metalliske deler vil ta tid før de er helt oppmalt.

Andre brønntetningsteknikker, som innebærer avsetning av partikkelformig materiale som innebærer en aggregatblanding, er blitt vist. En slik anvendelse er vist i US patent 5 417 285. Dette patent viser bruk av en partikkelplugg over en oppblåsbar pakning for isolering av et parti av brønnen. Det er beskrevet et spesielt aggregat av partikkelmateriale som, når det utsettes for trykk og er i det minste delvis dehydrert, danner en ugjennomtrengelig pakninge. Innholdet av US patent 5 417 285 er opptatt heri ved henvisning som om det var angitt fullt ut.

Et av formålene med foreliggende oppfinnelse, er å muliggjøre hurtig og økonomisk sandfrakturering av flere soner i en brønn, uansett hvorvidt brønnen er vertikal eller horisontal. Et annet formål med oppfinnelsen, er å anvende en aggregatblanding av partikkelformig materiale, som f.eks. angitt i US patent 5 417 285, for en del av aktiveringen av nedihulls-pakninger eller -plugger. Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å føre en pakning eller pakninger eller plugger inn i brønnen, som inneholder et partikkelformig aggregatmateriale, og dehydrere materialet nedihulls, i forbindelse med aktivering av pluggen eller pakningen, for å danne en soneisolering i brønnen.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte og anordning som angitt i de etterfølgende krav.

Riktignok er det fra US 2 942 666, kjent en oppblåsbar pakning, men hvor oppblåsningsmediet ikke har de egenskapene som materialet i pakningen som benyttes ved anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Det er nedenfor vist en fremgangsmåte og anordning som muliggjør isolering av flere soner for behandling, særlig sandfrakturering. Den nederste pakningen kan pumpes gjennom et rør og forankres i forete eller åpne hull. I den foretrukne utføringsform, har den pumpete plugg et viskoelastisk element som inneholder en partikkelformig aggregatblanding, så som beskrevet i US patent 5 417 285. Det viskoelastiske materiale utsettes for en kraft som endrer dets form slik at materialet blokkerer brønnen. Formendringen medfører også dehydrering av materialet i det viskoelastiske kammer på grunn av fluidfortrengning, hvilket skyldes en volumreduksjon, og herder det slik at det ved bruk av det viskoelastiske materiale dannes en plugg. Deretter blir en pakning på rørstrengen satt for å isolere sonen for sandfrakturering. Prosessen kan gjentas uten å trekke strengen ut av hullet etter hvert som ytterligere plugger pumpes gjennom røret og prosessen gjentas. Ved avslutningen av fraktureringen, kan de forskjellige plugger, som er av enkel økonomisk konstruksjon, lett freses ut.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Figur 1 er et snitt-oppriss som viser verktøystrengens plassering i brønnen. Figur 2 er lik risset i figur 1, og viser bropluggen som pumpes ned gjennom verktøystrengen.

Figur 3 er lik risset i figur 2, med ankeret satt på bropluggen.

Figur 4 er lik risset i figur 3, med bropluggen frigjort fra verktøystrengen.

Figur 5 er lik risset i figur 4, med bropluggen satt.

Figur 6 er lik risset i figur 5, med pakningen på verktøystrengen satt.

Figur 7 er lik risset i figur 6, med kulen avskåret fra sitt sete, slik at fraktureringen kan foregå mellom bropluggen og pakningen på verktøystrengen. Figur 8 er lik risset i figur 7, og viser pakningen på verktøystrengen avlastet og klar til å omplasseres på et annet sted i brønnen for gjentakelse av prosessen. Figur 9a - c er snitt-oppriss gjennom den pumpbare broplugg mens den fremdeles er i rørstrengen.

Figur 10a - c viser den pumpbare broplugg forankret.

Figur 11a - c viser bropluggen frigjort fra rørstrengen og satt.

NÆRMERE BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRINGS FORM

Figur 1 - 8 viser i hovedtrekk trinnene ved isolering av en spesiell sone i formasjonen for en fraktureringsoperasjon. Brønnen 10 vist i figur 1 kan være et åpent hull eller foret hull. En rørstreng 12 med en pakning 14 innføres i brønnen 10. Til slutt, som vist i figur 6, aktiveres pakningen 14 for derved å isolere et parti av ringrommet 16 fra sonen 18, som skal sandfraktureres. For å avgrense sonen 18, pumpes en nedpumpings-broplugg 20 fra overflaten gjennom den indre boring 22 i rørstrengen 12. Bropluggen 20 har en ankerenhet 22 som er nærmere vist i figur 10c, der forankringsenheten 22 aktiveres for kontakt med brønnen 10. Bropluggen 20 har nedre skrapere 24 og øvre skrapere 26 av en type som er velkjent innen sementeringsplugg-faget. Bropluggen 20 er nærmere vist i figur 9 i innkjøringsstillingen. Forankringsenheten 22 har et ledd 28 montert på en dreietapp 30 som er festet til en ring 32. Et ledd 34 er montert på en dreietapp 36 som er festet til et stempel 38. Stempelet 38 har tetninger 40 og 42, samt en låsering 44.

En port 46 strekker seg gjennom en dor 48. Doren 48 strekker seg fra en

nedre rørdel 50 til en øvre rørdel 52. En hylse 54 strekker seg over stempelet 38, med en mellomliggende tetning 40. Hylsen 54 er avtettet mot doren 48 ved hjelp av en tetning 56. En bruddpinne 58 fastholder innlednigsvis hylsen 54 til stempelet 38. Doren 48 har spor eller gjenge 60, som til slutt står i inngrep med låseringen 44 for å fastholde settingen av forankringsenheten 22, som vist i figur 10c. Den nedre rørdel 50 har intet utløp, slik at innvendig trykk som påføres bropluggen 20 overfører en fluidtrykkraft gjennom porten 46, over stempelet 38,

for å bringe brudd pinnen 58 til å briste. Når bruddpinnen 58 brister, beveger stempelet 38 seg nedover for utstrekking av leddene 28 og 34, slik at leddet 34 kommer i kontakt med brønnen 10, som vist i figur 10c. For å få dette til å skje, er bropluggen 20 opphengt fra rørstrengen 12 på en skulder 62. Den øvre rørdel 52 er forbundet med hylsen 64 ved hjelp av en bruddpinne 66. Mellom den øvre rørdel 52 og hylsen 64 er det anordnet en delt C-ring 68. Når bropluggen 20 pumpes ned gjennom rørstrengen 12 vil den således stanse når C-ringen 68 kommer til anlegg mot skulderen 62 på røret 12, som vist i figur 10a.

Når dette skjer bygges det opp trykk i rørstrengen 12, som opprettholdes av øvre skrape 26. Trykket overføres gjennom doren 48 og porten 46 til stempelet 38 for å aktivere stempelet 38 nedad, hvoretter dets posisjon fastlåses ved hjelp av låseringen 44 i inngrep med gjengene eller fletningene 60. En ytterligere øking av det påførte trykk i rørstrengen 12, utøver en nedadrettet kraft på hylsen 64. Grunnen til dette er at hylsen 64 er forbundet med hylsen 70 som ligger under de øvre skrapere 26. Fluid-trykkraft fra overflaten gjennom rørstrengen 12 påført de øvre skrapere 26, tvinger således hylsen 70 nedad. Hylsen 70 ligger an mot øvre ring 72 som er forbundet med et ringformet tetningselement 74 som er laget av et fleksibelt materiale slik at det kan flekse, som vist i figur 11 b, til kontakt med brønnforingen 10.

Den øvre ring 72 er forskyvbar på doren 48, og når bruddpinnen 66 brister, kan ringen 72 fritt bevege seg i forhold til doren 48, som vist ved å sammenlikne figur 10b og 11 b. Tetningselementet 74 er forbundet med nedre ring 76 som er forbundet med hylsen 78 ved gjenge 80. Hylsen 78 bærer de nedre skrapere 24. Det fremgår at når stempelet 38 drives nedad, som vist i figur 10c, vil det dannes en spalte mellom stempelet 38 og hylsen 54. Etter at forankringsenheten 22 er satt, kan hylsen 54 således bevege seg fritt nedad inntil den igjen kommer til anlegg mot stempelet 38. Ved å gi hylsen 54 rom til å bevege seg nedad, kan hylsen 78 også bevege seg nedad inntil den igjen bunner på hylsen 54. Til slutt vil brekkasje av bruddpinnen 66 frigjøre bropluggen 20 fra rørstrengen 12, slik at rørstrengen 12 kan hentes opp fra overflaten og frilegge de øvre skrapere 26 slik at de kan bøyes utad mot brønnen 10, som vist i figur 11 a og 11 b. Påført trykk fra overflaten virker på de øvre skrapere 26 slik at de beveges nedad og tar med seg hylsen 70 og den øvre ring 72. Den nedre ring 76 kan til slutt ikke bevege seg lenger når hylsen 54 bunner på stempelet 38. Følgelig beveger den øvre ring 72 seg nærmere den nedre ring 76, og virker derved til at tetningselementet 74 endrer form idet det blir kortere og bredere inntil det kommer i kontakt med brønnen 10.

Den nedre ring 76 har en tilbakeslagsventil 82 som tillater strømning utad i retning av pilen 84. En tetning 86 tetter mellom den nedre ring 76 og doren 48. I tetningselementet 74 finnes en partikkelblanding 86, fortrinnsvis som beskrevet i US patent 5 417 285. Denne blandingen inneholder fortrinnsvis silisiumsand i partikkelstørrelser mellom 20 mesh og 200 mesh, i forbindelse med et kolloidalt leiremateriale så som montmorillonitt, og utgjør fortrinnsvis ca. 5 vektprosent av materialsammensetningen 87.

Som følge av klemvirkningen ved at deri øvre ring 72 bringes nærmere den nedre ring 76, endres formen til tetningselementet 74 inntil det kommer i kontakt med brønnen 10. På dette tidspunkt har det ikke nødvendigvis vært noen innvendig volumendring i tetningselementet 74, men ytterligere sammentrykking på grunn av påført trykk ved overflaten som virker på skraperne 26, vil i noen grad virke til å minske tetningselementets 74 indre volum for derved å fortrenge noe fritt vann ut gjennom tilbakeslagsventilen 82, som antydet ved pilen 84. Når dette skjer blir aggregatmaterialet 87, som beskrevet i US patent 5 417 285, fast nok til å opprettholde tetningselementets 74 posisjon mot brønnen 10. Fagmenn på området vil innse at en låsemekanisme på hylsen 70 også alternativt kan anvendes på samme måte som låseringen 44 i inngrep med en gjenge eller fletning 60 for å holde den satte posisjon ifølge figur 11 b. Aggregatmaterialet 87 i tetningselementet 74 er imidlertid tilstrekkelig hardt, slik at en øvre lås ikke er påkrevd. På dette tidspunkt settes bropluggen 20.

Idet det igjen vises til figur 1 - 8 for forståelse av den fullstendige fremgangsmåte, er settingen av bropluggen 20 vist i figur 3, som tidligere beskrevet. Til slutt, etter at bruddpinnen 66 brister etter at forankringsenheten 22 kommer til anlegg mot brønnen 10, inntas posisjonen ifølge figur 4 når rørstrengen 12 hentes opp fra overflaten, hvorved de øvre skrapere 26 tillates å ekspandere utad mot brønnen 10. På dette punkt, som vist i figur 5, påføres trykk eller, alternativt, nedsettingsvekt på bropluggen for å endre formen og senere det indre volum hos tetningselementet 74 idet det kontakter brønnen 10. På dette punkt settes bropluggen 20 og en kule 88 slippes ned på setet 90 og trykk heves i røret 12 for å sette pakningen 14. Kulen 88 blir så blåst gjennom setet 90, som vist i figur 7, og fraktureringsoperasjonen kan finne sted. Ved avslutningen av fraktureringen, avlastes pakningen 14 ved hjelp av kjente teknikker, så som nedsetting av vekt, og rørstrengen 12 omplasseres for den neste sone, hvor hele den ovenfor beskrevne fremgangsmåte kan gjentas. Ved avslutningen av fraktureringen av alle sonene, blir bropluggen eller -pluggene 20 ganske enkelt boret eller freset ut. Ettersom de er av forholdsvis enkel konstruksjon, kan de lett gjennomskjæres i løpet av kort tid, for å tillate påfølgende operasjoner i brønnen.

Det skal bemerkes at det også ligger innenfor rammen av oppfinnelsen å anvende aggregatblandingen av montmorillonitttypen, som beskrevet som 87, og nærmere bestemt vist i US patent 5 417 285, innvendig i flere forskjellige plugger eller pakninger som brukes nedihulls, idet fordelen er at når et slikt aggregatmateriale i et element sammentrykkes slik at noe av det frie fluid fortrenges, blir det resulterende materiale en hovedsakelig fast, lastbærende, kraftoverførende, hovedsakelig fluid, ugjennomtrengelig masse som lar pakningen eller pluggen opprettholde differensialtrykk i en brønn. Dette er forskjellig fra patent 5 417 285 ved at aggregatmaterialet 87 er innvendig i tetningselementet så som

74 istedenfor å være understøttet av en oppblåsbar og over den.

Bruk av den ovenfor beskrevne teknikk er en enkel, økonomisk måte å sandfrakturere et antall soner i en gitt brønn på, ved bruk av broplugger så som 20 som er av økonomisk konstruksjon og som lett kan gjennomfreses når det er nødvendig. Selv om denne teknikk er beskrevet i forbindelse med ikke-gjenvinnbare broplugger 20, kan den lett tilpasses gjenvinnbare broplugger eller pakninger uten å avvike fra oppfinnelsestanken.

Bruk av aggregatmaterialet 87 i tetningselementet 74, gjør det mulig å mot-stå større differensialtrykk ved hjelp av bropluggen 20. Bropluggen 20 kan således tåle differensialtrykk på 5000 psi (ca. 35 000 kPa) eller mer, som sammenlik-net med kjente oppblåsbare konstruksjoner som ikke benytter aggregatmaterialet 87 og er begrenset til ca. 1500 psi (ca. 10 500 kPa).

Ved å anbringe aggregatmaterialet 87 i tetningselementet 74, har bropluggen 20 toveis tetningsevne overfor differensialtrykk som kommer oppihulls-fra eller nedihulls-fra. Fordelen med systemet som ovenfor beskrevet, er at bruk av broplugger 20 som er billige i produksjon, og lett lar seg gjennomfrese og som hurtig kan føres til et ønsket sted, kan en sandfraktureringsjobb i flere soner økonomisk utføres i en enkelt tur. Ved å kombinere en plugg eller pakning som har et aggregatmateriale så som 87 av den type eller de typer som er beskrevet i US patent 5 417 285, montert i tetningselementet så som 74, frembringes dessuten eh pakning eller broplugg som tåler betydelig høyere differensialtrykk enn kjente konstruksjoner av broplugger som bare bruker et oppblåsbart tetningselement. Selv om de ovenfor beskrevne pluggkonstruksjoner er egnet for å føres gjennom rør, ligger andre pluggtyper innenfor omfanget av oppfinnelsen. Ved å kombinere aggregatmaterialet i et tetningselement, er således en forbedret broplugg eller pakning gjort tilgjengelig for mange forskjellige nedihulls-operasjoner.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for isolering av en seksjon av en brønn (10), omfattende: tilveiebringe minst én pakning (14) som har et tetningselement (74); tilveiebirngelse i pakningen av et partikkelformig aggregatmateriale som reagerer på en påført kraft ved at det blir hardt; føring av pakningen gjennom rør inn i brønnen; fremføring av tetningselementet (74) mot brønnen når pakningen (14) har passert gjennom nevnte rør; karakterisert vedherdning av materialet i tetningselementet når tetningselementet er i kontakt med brønnen ved å tvinge fluid fra aggregatmaterialet gjennom en tilbakeslagsventil (82).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: selektiv understøttelse av pakningen i røret; forankring av pakningen i brønnen mens den understøttes av røret.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den videre omfatter: fremføring av en leddmekanisme med et stempel i løpet av forankringen som resultat av det påførte trykk.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: anbringelse av en pakning på rør; setting av pakningen for å danne en andre pakning for å isolere en sone i brønnen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den videre omfatter: innføring av et antall av nevnte pakninger gjennom røret; avgrensing av et antall isolasjonssoner i brønnen ved hjelp av en kom-binasjon av hvilke som helst av nevnte pakninger og pakningen på røret.

6. En isolasjonsanordning for nedihulls bruk, karakterisert ved at den omfatter: en dor som kan passere gjennom en rørstreng (12), idet isolasjons-anordningen videre omfatter en forankringsmekanisme (22) for støtte i borehullet utenfor rørstrengen; et tetningselement (74) som er montert på doren (48); et partikkelformig aggregatmateriale (87) som er lagret i tetningselementet av den type som herdner når det, etter at doren (48) støttes av forankringsmeka-nismen (22) i brønnen (10) utenfor rørstrengen (12), utsettes for en påført kraft når tetningselementet (74) kommer i kontakt med brønnen (10).

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre omfatter: en låsering (44) hvorved doren (48), når den føres gjennom rørstrengen (12), tillates å danne inngrep med rørstrengen (12), idet tetningselementet (74) strekker seg utenfor rørstrengen (12).

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at doren (48) videre omfatter en øvre tetning for inngrep med rørstrengen (12) når doren er støttet av låsen, idet doren omfatter en kanal; og at doren videre omfatter et trykkaktivert anker som reagerer på trykket i kanalen.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at den videre omfatter: en kanal fra tetningselementets (74) innside til dorens (48) utside; hvorved fluid, ved tetningselementets (74) bevegelse, drives fra materialet (87) når tetningselementet (74) sammentrykkes.

10. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter en aktiveringsmekanisme på doren (48) for å bevege tetningselementet (74) i kontakt med brønnen (10) og samtidig herdne materialet (87) i tetningselementet (74) slik at materialet (87) fastholder tetningselementet (74) mot brønnen (10).