NO337381B1 - Ekspanderbar pakningssammenstilling og fremgangsmåte for å utplassere samme - Google Patents

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

1. Oppfinnelsesområdet

Den foreliggende oppfinnelse vedrører oppblåsbare pakninger for anvendelse i brønnoperasjoner, spesielt oppblåsbare pakninger tilpasset for anvendelse i formasjonsfluidprøvetaking.

2. Bakgrunn av teknikkens stand

Så snart en oljebrønn er blitt boret er det ofte for operatøren nødvendig å oppnå brønndata, som trykkmålinger og brønnfluidprøver for analyse. Disse oppgaver blir vanlig utført ved hjelp av brønnverktøy, som for eksempel modulære kabelverktøy eller boreverktøy med evalueringsmuligheter, som anvender sonder for å komme i inngrep med formasjonen og etablere fluidkommunikasjon for å foreta trykkmålingene og fremskaffe fluidprøvene. Fluid trekkes typisk inn i brønn-verktøyet gjennom et innløp i sonden. I noen tilfeller, for eksempel for tette, lav-permeabilitetsformasjoner blir prøvetakingssonder ofte erstattet med dobbelte oppblåsbare pakningssammenstillinger. Eksempler på slike sonde- og paknings-systemer er avbildet i for eksempel US-patenter 4.860.581 og 4.936.139 (Schlumberger).

Figurene 1A-1B viser skjematisk en typisk konfigurasjon av dobbelte pakningselementer 10 i sine respektive trykkavlastede og ekspanderte tilstander. Pakningselementene 10 er anbrakt i avstand fra hverandre langs et brønnverktøy 12 som ved hjelp av en kabel 14 er ført inn i et borehull 18 som penetrerer en underjordisk formasjon 20. Selv om et kabelverktøy er illustrert er også andre brønnverktøy som innføres ved hjelp av en borestreng, et spolerør, etc egnet for disse oppgaver. Når de er ekspandert samvirker pakningselementene 10 til å tette eller isolere en seksjon 16 av borehullveggen 18 slik at det tilveiebringes et strømningsareal hvormed det kan indusere fluidstrømning fra den eller de omgivende formasjoner.

Ved ekspansjon av pakningselementene (typisk fremstilt av gummi) underkastes deres ender ofte store konsentrasjoner av deformasjons- og bøynings-påkjenninger som kan føre til omkretsoppriving og systemsvikt. I tillegg, ettersom det ikke er vanlig at borehull fremviser høye temperaturer, spesielt ved store dybder, blir pakningselementene ofte underkastet signifikante termiske påkjenninger.

Forsøk har vært foretatt for å hindre pakningssvikt. Følgelig er ekspanderbare pakningslegemer eller pakningselementer ofte utstyrt med forsterkninger i form av metallkabler eller metallstrimler. Mens disse forsterkninger kan anvendes for å øke levetiden av pakningselementene kan forsterkningene deformeres plastisk og tillate uønsket ekstrusjon (som vist i figurene 1B-1C) under de høye påkjenninger som utøves når pakningselementet ekspanderes og kommer til inngrep med veggen 18 i et høytemperaturborehull. I tillegg kan støtteelementene (det vil si metallstrimlene eller kablene) ha en begrenset styrke og det fleksible materialet i pakningselementet - typisk gummi - kan svekkes med økende temperatur. Den resulterende deformasjon kan være ikke-gjenvinnbar slik at pakningselementene hindres fra å trekke seg tilbake til innenfor ønskelige diametere etter prøvetaking. Med andre ord kan pakningene svikte til vellykket retur til profilen vist figuren 1 A. Ved innføring av disse såkalte "strimmelpakninger" er der således en økt risiko for å bli sittende fast i borehullet.

US 6752205 beskriver en forbedret oppblåsbar pakning 10 som er tilveiebrakt med en på forhånd strukket blære for å minimalisere Z-folding. Et ekspanderbart ytre legeme 11 omfatter et indre elastisk blæresjikt 12, et forsterkningslag 14 som kan omfatte overlappende spiler eller kabler, og et ytre elastisk dekkende sjikt 16 som kan dekke en del av forsterkningslaget 14. Blæren 12 kan utvide uensartet på grunn av variasjoner i tverrsnittet av borehullet 20, uregelmessigheter i konstruksjonen av blæren 12, og / eller på grunn av forskjell i motstand mot ekspansjon mellom dekket del og den eksponerte delen av det forsterkende laget 14.

US 4544165 beskriver en oppblåsbar pakning som omfatter indre og ytre hylser av elastisk materiale. En ringformet kappe av overlappende forsterkningselementer er plassert mellom hylsene. Hvert forsterkende element er bøyd nær hver ende for å bevege en seksjon nær hver ende i et plan som er parallelt med og i avstand fra den midtre delen av det forsterkende elementet. Medlemmene er bøyd i en vinkel som gjør det mulig for medlemmene å overlappe med sine ender i flukt med hverandre. De forsterkende elementene er mekanisk fastklemt mellom de indre og ytre forankringsstykkene som danner paknings hodene.

Til tross for fremskrittene innen pakningsteknologien foreligger det frem-deles et behov for en pakning med en lang levetid under strenge borehullbeting- eiser. Det er ønskelig at en slik pakning begrenser eller innsnevrer den deformasjon som pakningen underkastes under borehulloperasjoner slik at det oppnås en "mildere" ekspansjonsprofil (for eksempel unngåelse av den ekstruderte profil i figurene 1B-1C) og derved øke pakningens levetid. Foretrukket ville en slik løsning kunne tilpasses for anvendelse med kjente pakningslegemer eller pakningselementer. Det er videre ønskelig at pakningene trekker seg tilbake til sin opprinnelige form (for eksempel som sett i figur 1 A) slik at sannsynligheten for at et brønnverktøy blir sittende fast i et borehull reduseres. Foretrukket ville en slik løsning anvende omgivelsenes borehullfluidtrykk for å oppnå den ønskede tilbake-trekking og balansere belastningene utøvet på hver av pakningene i brønn-verktøyet.

Et ytterligere spørsmål som oppstår i dobbelte pakningssammenstillinger vedrører den aksielle separasjonsavstand mellom pakningselementene. Ettersom denne avstand økes, for eksempel for å øke det isolerte areal av borehullveggen, øker typisk faren for at den spindel som separerer pakningene buler ut. Følgelig foreligger det et behov for en løsning av utbulingsfaren i atskilte, dobbelte pakningssammenstillinger.

Definisjoner

Visse betegnelser er i hele denne beskrivelse definert når de anvendes første gang, mens visse andre betegnelser anvendt i denne beskrivelse er definert i det følgende: "Utplasserbar" betyr bevegelig fra en posisjon eller konfigurasjon til en annen posisjon eller konfigurasjon, spesielt ved ekspansjon eller utbredelse.

"Innover-vendt" betyr vendt mot senter eller midten av en artikkel eller et sett av artikler (for eksempel vendt mot senter av en pakning).

"Nedre" betyr posisjonert dypere i borehullet (for eksempel en nedre ende-understøttelse av en pakning med to endeunderstøttelser).

"Spindel" angir en stang, skaft, spindel eller rørelement hvor omkring denne andre komponenter er arrangert, montert eller understøttet, spesielt for å utføre en eller flere operasjoner inne i et borehull.

"Ytre" angir posisjonert eller lokalisert ved en fysisk ekstremitet eller grense.

"Utover-vendt" angir vendt bort fra senter eller midten av en artikkel eller et sett av artikler (for eksempel vendt bort fra senter av en pakning).

"Øvre" angir mindre dypt i et borehull (for eksempel en øvre pakning i en dobbelt pakningskonfigurasjon).

Oppsummering av oppfinnelsen

I ett aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en ekspanderbar pakningssammenstilling, inklusive et første ekspanderbart rørformet element med et par ender, og et første par av ringformede endeunderstøttelser for å sikre de respektive ender av det første rørformede element omkring en spindel anordnet inne i det første rørformede element. En første ringformet avstivningssammenstilling kan utplasseres fra én av endeunderstøttelsene for å forsterke det første rørformede element etter trykksetting og ekspansjon av dette.

Foretrukket kan den første ringformede avstivningssammenstilling utplasseres ved å være svingbart forbundet ved en av sine ender til en av ende-understøttelsene. Alternativt kunne den utplasseringsbare karakteristikk tilveiebringes ved hjelp av andre egnede utvidende eller spredende anordninger som for eksempel et stempellignende inngrep mellom den første ringformede avstivningssammenstilling (som et hele er ved hjelp av separate komponenter derav) med en av endeunderstøttelsene. Slike alternativer er forutsett ved den foreliggende oppfinnelse og er ansett å være innenfor dennes ramme.

Foretrukket er en av endeunderstøttelsene bevegelig og den andre ende-understøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Den foreliggende oppfinnelse strekker seg imidlertid til utførelsesformer hvori begge endeunderstøttelser er fiksert i forhold til spindelen.

Det første rørformede element inkluderer et fleksibelt eller elastisk materiale som er kjent innen dette området. Endeunderstøttelsene er foretrukket av metall og inkluderer hver et ringrom for å motta en ende av det første rørformede element.

Den første ringformede avstivningssammenstilling er foretrukket ekspanderbar ved sine ender motsatt den svingbart tilknyttede ende. Forskjellige utførelses-former av den ringformede forsterkningssammenstilling anvender flertall fingre eller strimler arrangert i en ringformet konfigurasjon og hver svingbart forbundet ved en av sine ender til enten den bevegelige endeunderstøttelse eller den fikserte endeunderstøttelse.

Hvor det anvendes strimler i den ringformede avstivningssammensetning er det foretrukket at hver av strimlene har en bredde som øker fra sin svingbart forbundne ende til sin andre ende, og at strimlene er arrangert slik at hver strimmel delvis overlapper en tilstøtende strimmel.

Pakningssammenstillingen kan inkludere et par ringformede avstivnings-sammenstillinger som hvert er svingbart forbundet ved en av sine ender til en av det første ringformede par av endeunderstøttelser for å forsterke det første ringformede element etter trykksetting og ekspansjon derav.

Pakningssammenstillingen vil typisk anvende en spindel tilpasset for bruk et brønnverktøy til støtte for dobbelte ekspanderbare pakninger. Følgelig kan pakningssammenstillingen ytterligere inkludere et andre ekspanderbart rørformet element med et par av ender, og et andre par av ringformede endeunderstøttelser for å sikre de respektive ender av det andre rørformede element omkring spindelen. Det første og andre par av endeunderstøttelser samvirker for å definere en aksiell separasjonsavstand mellom første og andre rørformede elementer. En andre ringformet avstivningssammensetning er svingbart forbundet ved en av sine ender til en av det andre par av endeunderstøttelser for å forsterke det andre rørformede element etter trykksetting og ekspansjon derav.

Foretrukket er en av endeunderstøttelsene av det andre par endeunder-støttelser bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen.

I pakningssammenstillingsutførelsesformene som anvender dobbelte pakninger er den nedre endeunderstøttelse av hver av første og andre par av endeunderstøttelser foretrukket en bevegelig endeunderstøttelse. Alternativt er de ytre endeunderstøttelser blant det første og andre par av endeunderstøttelser bevegelige endeunderstøttelser.

Spesielle utførelsesformer av pakningssammenstillingen er videre utstyrt med en første tilbaketrekkingssammenstilling for å bevege en bevegelig ende-understøttelse av det første par av endeunderstøttelser fra en ekspandert posisjon til en tilbaketrukket posisjon. Slike utførelsesformer kan videre være utstyrt med en andre tilbaketrekkingssammenstilling for å bevege en bevegelig endeunder-støttelse av det andre par av endeunderstøttelser fra en ekspandert posisjon til en tilbaketrukket posisjon. I disse utførelsesformer er det foretrukket at den bevegelige endeunderstøttelse assosiert med hver av første og andre tilbake-trekkingssammenstillinger er utstyrt med et innover-vendt overflateareal som overstiger dets utover-vendte overflateareal, hvorved borehulltrykket utøver en netto kraft over et lavtrykkskammer som beveger de bevegelige endeunderstøttelser utover når første og andre rørformede elementer trykkavlastes og trekker seg sammen.

Spesielle utførelsesformer av pakningssammenstillingen ifølge oppfinnelsen inkluderer videre en ekspanderbar sentreringsenhet som bæres av spindelen i den aksielle separasjonsavstand mellom første og andre rørformede elementer for å motstå utbuling av spindelen.

I et ytterligere aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en ekspanderbar pakningssammenstilling, inklusive et første ekspanderbart rørformet element med et par ender, og et første par av ringformede endeunderstøttelser for å feste de respektive ender av det første rørformede element omkring en spindel anbrakt inne i det første rørformede element. En av endeunderstøttelsene er bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Et første stopperelement er anordnet for å begrense den aksielle bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse.

I spesielle utførelsesformer er den bevegelige endeunderstøttelse utstyrt med et innover-vendt overflateareal som overstiger dets utover-vendte overflateareal, hvorved et borehullfluidtrykk utøver en netto kraft som beveger den bevegelige endeunderstøttelse utover når det første rørformede element trykkavlastes og trekker seg sammen.

Pakningssammenstillingen og den bevegelige endeunderstøttelse kan være anbrakt for aksiell bevegelse omkring en hylse festet til spindelen. Hylsen har en avtrinnet radius som tilsvarer de innover-vendte og utover-vendte overflatearealer av den bevegelige endeunderstøttelse.

Pakningssammenstillingen kan videre inkludere en første ringformet avstivningssammenstilling som er svingbart forbundet ved en av sine ender til en av endeunderstøttelsene for å forsterke det første rørformede element etter trykksetting og ekspansjon derav.

Pakningssammenstillingen vil typisk anvende en spindel tilpasset for bruk i et brønnverktøy som støtte for dobbelte ekspanderbare pakninger. Følgelig kan pakningssammenstillingen ytterligere inkludere et andre ekspanderbart rørformet element med et par ender, og et andre par av ringformede endeunderstøttelser for å feste de respektive ender av det andre rørformede element omkring spindelen. En av endeunderstøttelsene er bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Et andre stopperelement er anordnet for å begrense den aksielle bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse.

I spesielle utførelsesformer er den bevegelige endeunderstøttelse utstyrt med et innover-vendt overflateareal som overstiger dets utover-vendte overflateareal, hvorved borehullfluidtrykk utøver en netto kraft som beveger den bevegelige endeunderstøttelse utover når det første rørformede element trykkavlastes og trekker seg sammen. Det første og andre par av endeunderstøttelser samvirker for å definere en aksiell separasjonsavstand mellom første og andre rørformede elementer. Slike utførelsesformer av pakningssammenstillingen kan videre inkludere en andre ringformet avstivningssammenstilling svingbart forbundet ved en av sine ender til en av endeunderstøttelsene for å forsterke det andre rør-formede element etter trykksetting og ekspansjon derav.

I ennå et ytterligere aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en ekspanderbar pakningssammenstilling, inklusive et par ekspanderbare pakninger anbrakt omkring en spindel tilpasset for bruk i et brønnverktøy anordnet i et borehull, idet pakningene er anbrakt i avstand fra hverandre i en aksiell separasjonsavstand. En ekspanderbar sentreringsenhet bæres av spindelen i den aksielle separasjonsavstand mellom første og andre pakninger for å motstå utbuling av spindelen.

Sentreringsenheten kan inkludere et par understøttelser som bæres langs spindelen, idet minst én av understøttelsene er aksielt bevegelig langs spindelen.

Sentreringsenheten i disse utførelsesformer inkluderer videre et flertall (foretrukket på minst tre) par av hengslede armer. Armene av hvert par har første ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser og andre ender svingbart forbundet til hverandre. En utløser bæres av spindelen for å indusere aksiell bevegelse av hver bevegelig understøttelse slik at de svingbart forbundne andre ender av hvert par av armer beveges radielt utover for å utøve en kraft på borehullveggen som hovedsakelig sentrerer spindelen i borehullet.

Sentreringsenheten kan videre inkludere et flertall fjærblader som hver har ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser slik at fjærbladene posisjoneres mellom de respektive par av hengslede armer og borehullveggen. Fjærbladene og de hengslede armer samvirker for å utøve krefter mot borehullveggen som hovedsakelig sentrerer spindelen i borehullet.

Et enda ytterligere aspekt av den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å utplassere et par atskilte ekspanderbare pakninger som bæres omkring en spindel anordnet i et borehull som penetrerer en underjordisk formasjon. Metoden inkluderer trinnene med å trykksette pakningene slik at en ringformet del av borehullveggen isoleres, en eller flere prøver av formasjonsfluid samles via den isolerte del av borehullveggen, og pakningene trykkavlastes slik at bevegelse av spindelen inne i borehullet tillates. Metoden inkluderer videre ett eller flere av de følgende trinn: deformasjon av pakningene under trykksettingstrinnet begrenses ved bruk av en ringformet avstivningssammenstilling; den aksielle bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse begrenses; og spindelen sentraliseres i vesentlig grad mellom pakningene slik at utbuling av spindelen motvirkes.

Hver pakning kan inkludere et første ekspanderbart rørformet element med et par av ender, og et første par av ringformede endeunderstøttelser for å sikre de respektive ender av det første rørformede element omkring spindelen. Foretrukket er en av endeunderstøttelsene bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Det deformasjonsbegrensende trinn oppnås i disse utførelsesformer ved å anvende en ringformet avstivningssammenstilling svingbart forbundet ved en av sine ender til en av endeunderstøttelsene for å forsterke det første rørformede element etter trykksetting og ekspansjon derav.

I spesielle utførelsesformer inkluderer metoden videre trinnet med å aktivt tilbaketrekke pakningene ved bruk av det omgivende borehulltrykk. Følgelig kan hver pakning inkludere et ekspanderbart rørformet element med et par ender, og et par ringformede endeunderstøttelser for å sikre de respektive ender av det rør-formede element omkring spindelen. En av endeunderstøttelsene er bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Den bevegelige endeunderstøttelse er utstyrt med et innover-vendt overflateareal som overstiger dets utover-vendte overflateareal. Borehullfluidtrykket utøver en netto kraft som beveger den bevegelige endeunderstøttelse utover når det første rørformede element trykkavlastes og trekkes sammen slik at pakningen trekkes aktivt sammen ved å anvende borehullfluidtrykket.

Sentraliseringstrinnet kan også oppnås ved bruk av en sentralisator som anvender et flertall hengslede armer.

Foreliggende oppfinnelse er særlig egnet til å tilveiebringe en ekspanderbar pakningssammenstilling, omfattende:

et første ekspanderbart rørformet element med et par ender

et første par av ringformede endestøtter for å feste de respektive ender av det første rørformede element omkring en spindel anbrakt inne i det første rørformede elementet; og

en første ringformet avstiver-anordning som kan utplasseres fra en av endestøttene for å forsterke det første rørformede elementet etter trykksetting og ekspansjon av dette, der

den første ringformede avstiver-anordningen er dreibart forbundet ved en av dens ender til en av endestøttene for å forsterke den første ringformede avstiver-anordningen ved trykksetting og ekspansjon av denne, hvor den første ringformede avstiver-anordningen er ekspanderbar i den andre av sine ender, hvor en av endestøttene er bevegelig og den andre endestøtten er fast i forhold til spindelen; og den første ringformede avstiver-anordningen omfatter en flerhet av strimler som er anordnet i en ringformet konfigurasjon, og hver er dreibart forbundet ved en av sine ender til den bevegelige endestøtten, hvor hver av strimlene har en bredde som øker fra enden som er dreibart forbundet, til den andre enden.

Foreliggende oppfinnelse er videre egnet til å tilveiebringe en fremgangsmåte for å utplassere et par atskilte ekspanderbare pakninger som holdes omkring en spindel anbrakt i et borehull som penetrerer en underjordisk formasjon, omfattende trinnene med: trykksetting av pakningene slik at en ringformet del av borehullveggen isoleres;

en eller flere prøver av formasjonsfluid samles via den isolerte del av borehullveggen; og

pakningene trykkavlastes slik at bevegelse av spindelen inne i borehullet tillates; og

deformasjon av pakningene begrenses under trykksettingstrinnet ved bruk av en ringformet avstiver-anordning; hvor hver pakning innbefatter:

et utvidbart rørformet element som har et par ender; og

et par av ringformede endestøtter for å sikre de respektive ender av det rørformede elementet omkring spindelen, en av endestøttene er bevegelig og den andre endestøtten er fiksert i forhold til spindelen, idet den bevegelige endestøtten er utstyrt med et innadvendt overflateareal som overstiger dens utadvendte overflate, hvorved fluidtrykk i borehullet påfører en netto kraft som beveger den bevegelige endestøtten utad når det første rørformede elementet trykkavlastes og er sammentrukket.

Andre aspekter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse og de etterfølgende patentkrav.

Kort beskrivelse av tegningene

For at de ovenfor angitte trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse kan bli forstått i detalj skal det gis en mer spesiell beskrivelse av oppfinnelsen, kort oppsummert i det foregående, med henvisninger til de utførelsesformer derav som er illustrert i de vedføyde tegninger. Det skal imidlertid bemerkes at de vedføyde tegninger bare illustrerer typiske utførelsesformer av denne oppfinnelse og de skal derfor ikke anses som begrensende for oppfinnelsens omfang, for oppfinnelsen kan underkastes andre like effektive utførelsesformer. Figur 1A er en skjematisk fremstilling av et tidligere kjent kabelinnført brønn-verktøy utstyrt med et par ekspanderbare pakninger. Figur 1B viser brønnverktøyet i figur 1A med pakningene ekspandert og som undergår ekstrusjon på de respektive lavtrykkssider.

Figur 1C viser en detaljert fremstilling av den øvre pakning i figur 1B.

Figur 2-3 viser skjematiske fremstillinger av et kjent kabelinnført brønn-verktøy hvormed den foreliggende oppfinnelse med fordel kan anvendes. Figur 4A viser et brønnverktøy utstyrt med en ekspanderbar pakning og en ringformet avstivningssammenstilling. Figur 4B viser brønnverktøyet i figur 4A med pakningen ekspandert og den ringformede avstivningssammenstilling ekspandert for å motstå ekstrusjon av pakningen. Figur 5A viser en partiell tverrsnittstegning ifølge snittlinjen 5A-5A i figur 4A. Figur 5B viser en partiell tverrsnittstegning ifølge snittlinjen 5B-5B i figur 4B. Figur 5C viser en partiell tverrsnittstegning ifølge snittlinjen 5C-5C i figur 4B. Figur 6A viser en del av en ekspanderbar pakning og en første alternativ ringformet avstivningssammenstilling. Figur 6B viser pakningen i figur 6A ekspandert og den første alternative ringformede avstivningssammenstilling ekspandert til å motstå ekstrusjon av pakningen. Figur 7A viser en del av en ekspanderbar pakning og en andre alternativ ringformet avstivningssammenstilling. Figur 7B viser pakningen i figur 7A ekspandert og den andre alternative ringformede avstivningssammenstilling ekspandert til å motstå ekstrusjon av pakningen. Figur 8A viser en del av en ekspanderbar pakning og en tredje alternativ ringformet avstivningssammenstilling. Figur 8B viser pakningen i figur 8A ekspandert og den tredje alternative ringformede avstivningssammenstilling ekspandert for å motstå ekstrusjon av pakningen.

Figur 9 viser en tilbaketrekkingssammenstilling.

Figur 10A viser den ringformede avstivningssammenstilling i figurene 4A-4B og tilbaketrekningssammenstillingen i figur 9 begge anvendt på en ekspanderbar pakning. Figur 10B viser pakningen i figur 10A ekspandert og den ringformede avstivningssammenstilling ekspandert for å motstå ekstrusjon av pakningen. Figur 11 viser kabelverktøyet med en dobbelt pakningssammenstilling utstyrt med en sentreringsenhet for å motstå utbuling av delen av verktøyet mellom pakningene. Figur 12 viser et brønnverktøy utstyrt med et par ekspanderbare pakninger som begge har tilbaketrekningssammenstillingen i figur 9, hvor den øvre pakning er snudd slik at lavtrykksidene av begge respektive pakninger er fiksert. Brønn-verktøyet i figur 12 er videre utstyrt med en sentreringsenhet som er alternativ til den som er vist i figur 11.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Idet det nå vises til figurene 2 og 3 som viser den tidligere kjente teknikk vises der skjematisk et eksempel på et apparat hvormed den foreliggende oppfinnelse med fordel kan anvendes. Andre brønnverktøy, som for eksempel bore-, spolerør-, kompletterings- eller andre verktøy kan eventuelt anvendes. Apparatet A er et brønnverktøy som kan senkes inn i borehullet (ikke vist) ved hjelp av en kabel (ikke vist) for det formål å gjennomføre formasjonsegenskapstester. Apparatet A er beskrevet mer detaljert i US-patent 4.860.581 og 4.936.139 (Schlumberger). For informasjonsformål er noen detaljer av apparatene beskrevet heri. Kabelforbindelsene til verktøy A så vel som energitilførselen og kommunikasjonsrelatert elektronikk er ikke illustrert av hensyn til klarheten. Energi- og kommunikasjonsledningene som strekker seg over hele lengden av verktøyet er generelt vist ved 208. Disse energitilførsels- og kommunikasjons-komponenter er kjent for de fagkyndige og har vært i tidligere kommersiell bruk. Denne type av kontrollutstyr ville normalt bli installert ved den øverste ende av verktøyet inntil kabelforbindelsespunktet til verktøyet med elektriske ledninger forløpende gjennom verktøyet til de forskjellige komponenter.

Som vist i utførelsesformen i figur 2 har apparatet A en hydraulisk energimodul C, en pakningsmodul P og en sondemodul E. Sondemodulen E er vist med en sondesammenstilling 210 som kan anvendes for permeabilitetstester eller fluid-prøvetaking. Når verktøyet anvendes for å bestemme anisotrop permeabilitet og den vertikale reservoarstruktur ifølge kjente metoder kan en multisondemodul F tilføyes til sondemodulen E, som vist i figur 2. Multisondemodulen F har borehulls-sondesammenstillinger 212 og 214. Andre moduler L, B, D kan også anvendes.

Den hydrauliske energimodul C inkluderer pumpe 216, reservoar 218 og motor 220 for å kontrollere operasjonen av pumpen 216. Bryteren 222 for lavt oljenivå danner også en del av kontrollsystemet og anvendes for å regulere operasjonen av pumpen 216.

Den hydrauliske fluidledning 224 er forbundet til utløpssiden av pumpen 216 og løper gjennom den hydrauliske energimodul C og inn i tilstøtende moduler for anvendelse som en hydraulisk energikilde. I utførelsesformen vist i figur 2 strekker den hydrauliske fluidledning 224 seg gjennom den hydrauliske energimodul C inn i sondemodulene E og/eller F avhengig av hvilken konfigurasjon som anvendes. Den hydrauliske sløyfe lukkes ved hjelp av den hydrauliske fluid retur-ledning 226, som i figur 2 strekker seg fra sondemodulen E tilbake til den hydrauliske energimodul C hvor den avsluttes ved reservoaret 218.

Utpumpingsmodulen M, som ses i figur 3, kan anvendes for å bortskaffe uønskede prøver ved hjelp av å pumpe fluid gjennom strømningsledningen 254 inn i borehullet, eller kan anvendes for å pumpe fluider fra borehullet inn i strømningsledningen 254 for å trykkavlaste de dobbelte ekspanderbare pakninger (også kjent som portalpakninger) 228 og 230. Videre kan utpumpingsmodulen M anvendes for å trekke formasjonsfluid fra borehullet via sondemodulen E eller F, og deretter pumpe formasjonsfluidet inn i prøvekammermodulen S mot et buffer-fluid deri. Den frem og tilbake gående pumpen 292, som tilføres energi av hydraulisk fluid fra pumpen 291, kan innrettes på linje til å suge fra strømningsledningen 254 og bortskaffe den uønskede prøve gjennom strømningsledningen 295, eller den kan orienteres til å pumpe fluid fra borehullet (via strømningsledningen 295) til strømningsledningen 254. Utpumpingsmodulen kan også konfigureres hvor strømningsledningen 295 forbindes til strømningsledningen 254 slik at fluid kan trekkes fra nedstrømsdelen av strømningsledningen 254 og pumpes oppstrøms eller vice versa.

Utpumpingsmodulen M har de nødvendige kontrollanordninger for å regulere stempelpumpen 292 og innrette fluidledningen 254 med fluidledningen 295 for å gjennomføre utpumpingsprosedyren. Det skal her bemerkes at stempelpumpen 292 kan anvendes for å pumpe prøver inn i prøvekammermodulen eller modulene S, inklusive overtrykksetting av slike prøver etter ønske, så vel som å pumpe prøver ut av prøvekammermodulen eller modulene S ved bruk av utpumpingsmodulen M. Utpumpingsmodulen M kan også anvendes for å gjennom-føre konstant trykkinjeksjon eller konstant strømningsmengdeinjeksjon om nødvendig. Med tilstrekkelig energi kan utpumpingsmodulen M anvendes for å injisere fluid med høye nok strømningsmengder slik at det muliggjøres etablering av mikrofrakturer for spenningsmåling av formasjonen.

Alternativt kan de dobbelte ekspanderte pakninger 228 og 230 vist i figur 2 ekspanderes og trykkavlastes med borehullfluid ved bruk av stempelpumpen 292. Som det lett kan ses kan selektiv aktivering av utpumpingsmodulen M for å aktivere stempelpumpen 292, kombinert med selektiv operasjon av regulerings-ventilen 296 og ekspansjon og trykkavlastning av ventilene I, resultere i selektiv ekspansjon eller trykkavlastning av pakningene 228 og 230. Pakningene 228 og 230 er montert på den ytre periferi 232 av apparatet A, og anvender legemer eller elementer som er typisk konstruert av et elastisk materiale som er forlikelig med brønnboringsfluider og temperaturer. Pakningselementene er montert slik at pakningene 228 og 230 har et hulrom deri. Når stempelpumpen 292 er operativ og ekspansjonsventilene I er riktig innstilt, passerer fluid fra strømningsledning 254 gjennom oppumping/trykkavlastningsventilene I og gjennom strømningsledningen 238 til pakningene 228 og 230.

Etter å ha ekspandert pakningene 228 og 230 og/eller festet sonden 210 og/eller sondene 212 og 214, kan fluidtilbaketrekkingstesting av formasjonen begynne. Prøvestrømningslinjen 254 strekker seg fra sonden 246 i sondemodulen E ned til den ytre periferi 232 ved et punkt mellom pakningene 228 og 230 gjennom de tilstøtende moduler og inn i prøvemodulene S. Den vertikale sonde 210 og borehullssonden 214 slipper således formasjonsfluider inn i prøvestrømnings-ledningen 254 via en eller flere av en resistivitetsmålecelle 256, en trykkmåle-anordning 258 og en forhåndstestemekanisme 259, alt etter den ønskede konfigurasjon. Strømningsledningen 264 tillater også innslipping av formasjonsfluider i prøvestrømningsledningen 254. Når modulen E anvendes, eller flere moduler E og F, er isolasjonsventilen 262 montert nedstrøms fra resistivitets-føleren 256. I den lukkede posisjon begrenser isolasjonsventilen 262 volumet av den interne strømningsledning, forbedrer nøyaktigheten av dynamiske målinger foretatt av trykkmåleren 258. Etter at initiale trykktester er foretatt kan isolasjonsventilen 262 åpnes for å tillate strømning inn i de andre moduler via strømnings-ledningen 254.

Prøvekammermodulen S kan så anvendes for å samle en prøve av fluidet levert via strømningsledningen 254 og regulert ved hjelp av strømningskontroll-modulen N, som er fordelaktig, men ikke nødvendig for fluidprøvetaking. Med henvisning først til den øvre prøvekammermodul S i figur 3 åpnes en ventil 280 og ventilen 262, 262A og 262B holdes lukket slik at formasjonsfluidet i strømnings-ledningen 254 styres inn i et prøvesamlingshulrom 284C i kammeret 284 av prøve-kammermodulen S, hvoretter ventilen 280 lukkes for å isolere prøven. Kammeret 284 har et prøvesamlingshulrom 284C og et trykksettings/bufferhulrom 284p. Verktøy kan så beveges til en forskjellig lokalisering og prosessen gjentas. Spesielle aspekter av den foreliggende oppfinnelse som er til nytte med brønn-verktøy, som for eksempel verktøyet A beskrevet i det foregående, skal nå beskrives. Figurene 4A-4B viser en del av et brønnverktøy 400 utstyrt med en ekspanderbar pakningssammenstilling 410. Selv om slike pakningssammenstillinger typisk er forsynt med par av dobbelte pakningselementer, er her bare et enkelt pakningselement 412 med en tilsvarende avstivningssammenstilling 426 vist av hensyn til enkelheten og klarheten. De fagkyndige vil innse at enkle pakningselementer vil ha uavhengige bruksmuligheter i visse anvendelser bortsett fra dobbelte pakningskonfigurasjoner. Figur 4A viser pakningselementet 412 i trykkavlastet form for innføring inn i og ut av borehullet 418, mens figur 4B viser pakningselementet 412 etter ekspansjon og med den ringformede avstivningssammenstilling 426 ekspandert for å motstå ekstrusjon av pakningselementet.

Den ekspanderbare pakningssammenstilling 410 inkluderer det ekspanderbare rørformede pakningselement 412 med et par ender 414, 416 og et første par av ringformede endeunderstøttelser 420, 422 med respektive ringrom 419, 421 for å sikre de respektive ender 414, 416 av det første rørformede pakningselement 412 omkring en spindel 424 som i det minste delvis er anordnet inne i det første rørformede pakningselement 412. Den nedre endeunderstøttelse 422 er bevegelig og den øvre endeunderstøttelse 420 er fiksert i forhold til spindelen 424. Alternativt kan både øvre og nedre endeunderstøttelse være fiksert (ikke vist) forutsatt at pakningselementet 412 er passende konstruert for å tillate ekstra elastiske deformasjon.

Den første ringformede avstivningssammenstilling 426 kan utplasseres fra den nedre endeunderstøttelse 422 ved at den er svingbart forbundet ved en av sine ender 430 til den nedre endeunderstøttelse 422 for forsterkning av det første rørformede pakningselement 412 etter trykksetting og ekspansjon (det vil si utvidelse) derav. De vanlige fagkyndige vil innse at andre midler for utplassering (for eksempel glidende translatorisk bevegelse) med fordel kan anvendes. Den ringformede avstivningssammenstilling 426 fungerer som en ekstern mekanisk understøttelse av det rørformede pakningselement 412 og spenner effektivt over gapet mellom endeunderstøttelsen 422 (som er metallisk) og borehullveggen 418. Dette virker til å avlaste det fleksible rørformede pakningselement 412 fra å måtte tilveiebringe den mekaniske styrke til selv å understøtte (for eksempel via forsterkende innsatser som for eksempel strimler). Forsterkningssammenstillingen tilveiebringer understøttelse for å hjelpe det rørformede pakningselement 412 til å danne en tetning mellom borehullveggen 418 og pakningsspindelen 424.

Den første ringformede avstivningssammenstilling 426 er utvidbar ved sin ende 432 motsatt den svingbart forbundne ende 430, hvorved sammenstillingen 426 blir avkortet kjegleformet etter ekspansjon av det rørformede pakningselement 412 (se figur 4B). Pakningssammenstillingen kan inkludere en andre ringformet avstivningssammenstilling 428 svingbart forbundet ved sin ende 429 til den øvre endeunderstøttelse 420 for ytterligere forsterkning av det første rørformede pakningselement etter trykksetting og ekspansjon (det vil si utvidelse) derav. Selv om denne utførelsesform er vist ved å anvende to ringformede avstivnings-sammenstillinger 426, 428 vil det innses av de vanlige fagkyndige at en slik sammenstilling med fordel kan anvendes. I det siste tilfellet vil den nevnte ene ringformede avstivningssammenstilling typisk bli anbrakt på lavtrykksiden av det rørformede pakningselement 412 (for eksempel den side som er eksponert til det reduserte trykk i en fluidprøvetakings dobbelt pakningssammenstilling), ettersom denne side mer sannsynlig vil underkastes ekstrusjon og vesentlig deformasjon enn høytrykksiden (det vil si den side som er eksponert til det omgivende borehulltrykk) av det rørformede pakningselement.

Forskjellige utførelsesformer av den ringformede avstivningssammenstilling kan anvende et flertall fingre eller strimler arrangert i en ringformet konfigurasjon og svingbart forbundet ved minst én av sine ender til enten den bevegelige ende-understøttelse og/eller den fikserte endeunderstøttelse. Figur 5A viser en partiell tverrsnittstegning ifølge snittlinjen 5A-5A i figur 4A av flertallet av strimler 434 inkludert i den første ringformede avstivningssammenstilling 426. Strimlene 434 er vist med anvendelse av en avtrinnet tverrsnittskonstruksjon hvori to platelignende seksjoner 436, 438, hver litt krummet slik at den krumme omkrets av det rørformede pakningselement 412 kan følges, og en radielt orientert hals 440 forbinder de plateliknende seksjoner 436, 438. Denne konstruksjon tillater at tilstøtende strimler 434 lett overlapper hverandre for kollektivt å definere den ringformede avstivningssammenstilling 426. De vanlige fagkyndige vil imidlertid innse at andre enklere tverrsnittskonstruksjoner (for eksempel en enkel platelignende seksjon) med fordel kan anvendes. Figur 5B viser en partiell tverrsnittstegning av den ringformede avstivningssammenstilling 426 i en ekspandert posisjon ifølge snittlinjen 5B-5B i figur 4B. Figur 5C viser på samme måte en partiell tverrsnittstegning av den ringformede avstivningssammenstilling 426 i en ekspandert posisjon ifølge snittlinjen 5C-5C i figur 4B. Således, som vist i figur 4B, er det foretrukket at hver av strimlene 434 har en bredde som øker fra sin svingbart forbundne ende 430 til sin andre ekspanderte ende 432, selv om en slik breddeprofil ikke er essensiell. Den over-liggende konfigurasjon av strimlene er i tillegg konstruert til å akkomodere ekspansjon av endene 432 til inngrep med borehullveggen 418 mens i det minste delvis overlapping mellom tilstøtende strimler 434 opprettholdes kontinuerlig. Dette sikrer at det rørformede pakningselement 412 er fullstendig understøttet over det areal derav som ellers kunne underkastes ekstrusjon og plastisk deformasjon, som vist i figurene 1B-1C.

Utvidelse av det rørformede pakningselement 412 ekspanderer således den ytre diameter av elementet fra en diameter D: til en diameter D2, som indikert i figurene 4A-4B, 5A og (spesielt) 5C. Slik utvidelse foregår ved pumping av det omgivende borehullfluid inn i hulrommet 441 av det rørformede pakningselement 412 på en måte som er vel kjent for de vanlige fagkyndige, og som beskrevet i noen grad i forbindelse med brønnverktøyet A i figurene 2-3 i det foregående. Det rørformede pakningselement 412 trykkavlastes ved å tømme borehullfluidet i hulrommet 441 tilbake i borehullet, på en måte som også er vel kjent innen dette området.

En eller flere fjæravstivninger 442 som hver har en passende fjærstivhet anvendes for å hjelpe til med å gjenopprette den ringformede avstivningssammenstilling og det rørformede pakningselement 412 tilbake til deres opprinnelige inn-føringsposisjoner i figur 4A når det rørformede pakningselement 412 er trykkavlastet. Hver fjæravstivning 442 har ender forbundet til en eller flere strimler 434 og den nedre endeunderstøttelse 422, og etter utvidelse av det rørformede pakningselement 412 (se figur 4B) bøyes de til en posisjon hvor stivheten av fjæravstivningen presser pakningselementet 412 til sin tilbaketrukne posisjon.

Figurene 6A-6B viser en del av en ekspanderbar pakningssammenstilling 610 posisjonert i borehullet 618 og som sekvensmessig utplasserer en alternativ ringformet avstivningssammenstilling 626. Figur 6A viser den ringformede avstivningssammenstilling i den tilbaketrukne posisjon, og figur 6B viser den ringformede avstivningssammenstilling i den utvidede posisjon. På lignende måte som utfør-elsesformen vist i figurene 4A-4B har et rørformet pakningselement 612 et par ender (bare enden 616 er vist), og et første par av ringformede endeunderstøttels-er (bare endeunderstøttelsen 622 er vist) med respektive ringrom (bare ringrommet 621 er vist) for å feste de respektive ender av det første rørformede pakningselement 612 omkring en spindel 624 som i det minste delvis er anbrakt inne i det første rørformede pakningselement 612. Den nedre endeunderstøttelse 622 er bevegelig og den øvre endeunderstøttelse (ikke vist) er fiksert i forhold til spindelen 624.

Pakningssammenstillingen 610 opererer forskjellig fra pakningssammenstillingen 410 beskrevet i det foregående, spesielt med hensyn til den måte hvori den ringformede avstivningssammenstilling 626 utplasseres fra endeunder-støttelsen 622. Den ringformede avstivningssammenstilling omfatter således et flertall strimler 634 anbrakt for glidende translatorisk bevegelse inne i et flertall respektive kanaler 635 tildannet omkring endeunderstøttelsen 622. Hydraulisk fluid tilføres via en eller flere strømningsledninger 633 fra spindelen 624, på en måte som er kjent på området (for eksempel under manipulering av pumper og ventiler som inneholdes inne i eller er operativt forbundet til spindelen 624), slik at det induseres samordnet bevegelse av strimlene 634 mellom den tilbaketrukne, innføringsposisjon av figur 6A og den ekspanderte, avstivende posisjon vist i figur 6B. Kanalene 635 er foretrukket fluidmessig forbundet til hverandre slik at de samlet kan trykksettes eller trykkavlastes.

Figurene 7A-7B viser en del av en ekspanderbar pakningssammenstilling 710 som sekvensmessig utplasserer en alternativ ringformet avstivningssammenstilling 726. Figur 7A viser den ringformede avstivningssammenstilling i den tilbaketrukne posisjon, og figur 7B viser den ringformede avstivningssammenstilling i den utvidede posisjon. På lignende måte som i utførelsesformene vist i figurene 4A-4B har et ringformet pakningselement 712 et par ender (bare enden 716 er vist) og et første par av ringformede endeunderstøttelser (bare endeunderstøttelse 722 er vist) med respektive ringrom (bare ringrommet 721 er vist) for å feste de respektive ender av det første rørformede pakningselement 712 omkring en spindel 724 i det minste delvis anbrakt inne i det første rørformede pakningselement 712. Den nedre endeunderstøttelse 722 er bevegelig og den øvre ende-understøttelse (ikke vist) er fiksert i forhold til spindelen 724.

Pakningssammenstillingen 710 opererer på lignende måte som pakningssammenstillingen 410 beskrevet i det foregående, bortsett fra den måte hvorpå pakningssammenstillingen 710 trekkes tilbake til sin innføringsposisjon etter trykkavlastning av det rørformede pakningselement 712. Spesielt er fjæravstivningen 442 i den tidligere beskrevne utførelsesform erstattet med en glidende hylse 742 som beveges nedover (for eksempel under manipulasjon av pumper og ventiler som inneholdes i eller er operativt forbundet til spindelen 724) til en lavere posisjon for å tillate ekspansjon av det rørformede pakningselement 712 og de ytre ender 732 av strimlene 734 som i hovedsak utgjør den ringformede avstivningssammenstilling 726, som er vist i figur 7B. Etter trykkavlastning av det rør-formede pakningselement 712 beveges hylsen 742 oppover for å hjelpe til i tilbaketrekkingen av det rørformede pakningselement 712 og den ringformede avstivningssammenstilling 726.

Figurene 8A-8B viser en del av en ekspanderbar pakningssammenstilling 810 som sekvensmessig utplasserer en ytterligere alternativ ringformet avstivningssammenstilling 826. Figur 8A viser denne pakningssammenstilling 810 i den tilbaketrukne posisjon, og figur 8B viser pakningssammenstilling 810 i den ekspanderte posisjon inntil borehullveggen 818. På en lignende måte som utfør-elsesformen vist i figurene 4A-4B og 7A-7B har et rørformet pakningselement 812 et par ender (bare enden 816 er vist), og et første par av ringformede endeunder-støttelse (bare endeunderstøttelse 822 er vist) med respektive ringrom (bare ringrommet 821 er vist) for å feste de respektive ender av det første rørformede pakningselement 812 omkring en spindel 824 som i det minste er delvis anbrakt inne i det første rørformede pakningselement 812. Den nedre endeunderstøttelse 822 er bevegelig og den øvre endeunderstøttelse 820 er fiksert i forhold til spindelen 824.

Pakningssammenstillingen 810 opererer på lignende måte som paknings-sammenstillingene 410 og 710 beskrevet i det foregående, bortsett fra den måte hvorpå enden 830 av den ringformede avstivningssammenstilling er svingbart forbundet til den nedre endeunderstøttelse 822, og den måte hvorpå pakningssammenstillingen 810 trekkes tilbake til sin innføringsposisjon etter trykkav-spenning av det rørformede pakningselement 812. Enden 830 av den ringformede avstivningssammenstilling 826 definerer således en flens som er tett tilpasset inne i en utsparing 821 r av ringrommet 821 i den nedre endeunderstøttelse 822.

I tillegg er fjæravstivningen 442 og hylsen 742 i det foregående beskrevne utførelsesformer erstattet med et bindingsmiddel 842 påført mellom det rør-formede pakningselement 812 og strimlene 834 som hovedsakelig utgjør den ringformede avstivningssammenstilling 826. Følgelig følger strimlene 834 det rør-formede pakningselement 812 til den tilbaketrukne innføringsposisjon i figur 8A etter trykkavlastning. Det vil innses av de vanlige fagkyndige at bindingen av strimlene 834 til det rørformede pakningselement 812 via bindingsmidlet 842 bevirker en spesiell strekkraft i det rørformede pakningselement 812 etter ekspansjon derav og som prøver å presse elementet tilbake til sin innførings-posisjon, slik at tilbaketrekkingen av pakningssammenstillingen 810 under trykkavspenningen derav fremmes.

Mens pakningssammenstillingsutførelsesformene 4A-8B hver er illustrert som at de bare har ett rørformet pakningselement, anvender den typiske konfigurasjon for slike pakningssammenstillinger dobbelte pakningselementer i avstand fra hverandre langs en spindel. Følgelig kan pakningssammenstillingen ytterligere inkludere et andre ekspanderbart rørformet pakningselement (ikke vist i disse figurer) med et par ender, og et andre par av ringformede endeunder-støttelser (ikke vist i disse figurer) for å feste de respektive ender av det andre rørformede pakningselement omkring spindelen. Typisk er en av det andre pars endeunderstøttelser bevegelig og den andre endeunderstøttelse er fiksert i forhold til spindelen. Det første og andre par av endeunderstøttelser samvirker for å definere en aksiell separasjonsavstand (i likhet med separasjonsavstanden 16 i figur 1B) mellom første og andre rørformede pakningselementer. En andre ringformet avstivningssammenstilling er svingbart forbundet ved en av sine ender til en av det andre pars endeunderstøttelser for forsterkning av det andre rørformede pakningselement etter trykksetting og ekspansjon derav.

Figur 9 viser en pakningstilbaketrekkingssammenstilling 910. Denne tilbaketrekkingssammenstilling ville typisk bli anvendt i en dobbelt ekspanderbar pakningskonfigurasjon, som for eksempel dem som er beskrevet heri, i hvilke

tilfelle figur 9 da ville representere den nedre ende del av hvert pakningselement i den dobbelte pakningskonfigurasjon. Den ekspanderbare pakningssammenstilling 910 inkluderer et ekspanderbart rørformet pakningselement 912 med et par ender (én nummerert som 916), og et par av ringformede endeunderstøttelser 922 (bare den siste ende er vist) for å feste de respektive ender av det rørformede pakningselement 912 (for eksempel via komplementære gjenger 916t og 922t) omkring en spindel 924 i det minste partielt anbrakt inne i det første rørformede element 912. Den nedre endeunderstøttelse 922 er bevegelig og den øvre endeunderstøttelse (ikke vist) er fiksert i forhold til spindelen 924. Den bevegelige endeunderstøttelse 922 er utstyrt med et innover-vendt overflateareal (Ai + A2) som foretrukket går utover dens utover-vendte overflateareal A3, hvorved omgivende borehullfluidtrykk (som virker på disse arealer) utøver en netto kraft som beveger den bevegelige

endeunderstøttelse utover (det vil si nedover i tilfellet av den nedre endeunder-støttelse 922) når det rørformede pakningselement 912 trykkavlastes og sammen-trekkes (det vil si trekkes tilbake).

Figur 9 viser den nedre endeunderstøttelse 922 i sin nedre posisjon, før den glir oppover for pakningsekspansjon. Som nevnt resulterer den tilbaketrekkende kraft (nedover) på den nedre endeunderstøttelse 922 fra forskjellen mellom Dminog Dmaks, og den tilsvarende forskjell mellom det innover-vendte overflateareal (Ai + A2) og det utover-vendte overflateareal A3. Med omgivelsenes borehullfluid som tilveiebringer hydrostatisk trykk omkring pakningssammenstillingen 910 vil således en tilbaketrekkende kraft typisk bli etablert. Denne tilbaketrekkende kraft virker foretrukket på den nedre endeunderstøttelse 922 hele tiden under borehulloperasjoner for å trekke pakningselementet 912 tilbake under lave hydrostatiske trykkomgivelser. I tillegg hindrer den tilbaketrekkende kraft foretrukket ikke pakningsekspansjon i høye hydrostatiske trykkomgivelser.

I utførelsesformen i figur 9 er den bevegelige endeunderstøttelse 922 anbrakt for aksiell bevegelse omkring en hylse 944 festet til spindelen 924. Hylsen 944 har en avtrinnet radius som definerer en minimumsdiameter Dminog en maksimumsdiameter Dmakssom i sin tur tilsvarer det innover-vendte overflateareal ( Ai + A2) og det utovervendte overflateareal A3av den bevegelige endeunder-støttelse 922. Den bevegelige endeunderstøttelse 922 og hylsen 944 samvirker for å danne et lavtrykkskammer 948 som opplades til atmosfæretrykket, nær vakuumtrykk, eller annet egnet lavt trykk, og tettes av ringformede tetninger 921, 923 (for eksempel høye temperatur O-ringer). Lavtrykkskammeret 948 tillater bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse 922 i forhold til hylsen 944 under det omgivende borehullfluidtrykk.

Hylsen 944 er foretrukket utstyrt med et mekanisk stopperelement 946 anbrakt i det forseglede lavtrykkskammer 948 for å begrense den aksielle bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse 922 langs hylsen. Stopperelementet 946 hindrer bunndelen av den nedre endeunderstøttelse 922 fra å stige for mye og miste bunntettingsinngrepet med hylsen 944 etter ekspansjon av det rørformede pakningselement 912. I tillegg, ved å begrense oppover bevegelsen av den nedre endeunderstøttelse 922, reduserer stopperelementet 946 den deformasjon som det rørformede pakningselement 912 utsettes for nær sin nedre ende 916 hvor bøyningsradius er liten og spenningskonsentrasjonen er signifikant. Den resulterende (svakere) deformasjon er ment å forlenge levetiden for pakningselementet 912 ved å unngå den kvadratlignende overgangssone som ellers opptrer i konvensjonelle ekspanderbar pakninger når for eksempel pakningselementet bøyes nær den bevegelige endeunderstøttelse. I tillegg er begrensning av oppover bevegelsen av den nedre endeunderstøttelse 922 via det mekaniske stopperelement 946 anordnet for å øke den strekkraft som utvikles i pakningselementet 912 og inhibere plastisk deformasjon av pakningselementet eller de metalliske innsatser deri (hvis slike anvendes).

Stopperelementet beskrevet heri tilveiebringer uavhengig utnyttelse inne i en pakningssammenstilling og kan følgelig anvendes uavhengig av pakningens tilbaketrekningssammenstilling. I tillegg behøver stopperelementet ikke å være etablert i form av en hard stoppermekanisme, som vist ved stopperelementet 946, men kan i stedet være ettergivende (for eksempel inkluderende en fjær-komponent) slik at en mer gradvis begrensende kraft utøves over en lengre aksiell forskyvning av en bevegelig endeunderstøttelse.

Figurene 10A-10B viser den ringformede avstivningssammenstilling i figurene 4A-4B og tilbaketrekningssammenstillingen i figur 9 begge anvendt på en ekspanderbar pakningssammenstilling. Figur 10A avbilder den ringformede avstivningssammenstilling i den tilbaketrukne posisjon, og figur 10B avbilder den ringformede avstivningssammenstilling i den ekspanderte posisjon. Følgelig inkluderer en ekspanderbar pakningssammenstilling 1010 et ekspanderbart rør-formet pakningselement 1012 med et par ender 1014, 1016 og et par ringformede endeunderstøttelser 1020, 1022 med respektive ringrom 1019, 1021 for å feste de respektive ender av det rørformede pakningselement 1012 omkring en spindel 1024 i det minste delvis anbrakt inne i det første rørformede pakningselement 1012. Den nedre endeunderstøttelse 1022 er bevegelig og den øvre ende-understøttelse 1020 er fiksert i forhold til spindelen 1024.

Den bevegelige endeunderstøttelse 1022 er utstyrt med et innover-vendt overflateareal ( A^ + A2) som foretrukket overstiger dets utover-vendte overflateareal A3, hvorved det omgivende borehulltrykk (som virker på disse arealer) utøver en netto kraft som beveger den bevegelige endeunderstøttelse utover (det vil si nedover i tilfellet av den nedre endeunderstøttelse 1022) når det rørformede pakningselement 1012 trykkavlastes og trekkes sammen (det vil si deflateres).

Den bevegelige endeunderstøttelse 1022 beveger seg aksielt omkring en hylse 1044 fiksert til spindelen 1024. Hylsen 1044 har en avtrinnet radius som definerer minimums og maksimums diametere som tilsvarer det innover-vendte overflateareal ( A^ + A2) og det utover-vendte overflateareal A3på den bevegelige endeunderstøttelse 1022. Et forseglet lavtrykkskammer 1048 tillater bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse 1022 i forhold til hylsen 1044 under det omgivende borehullfluidtrykk. Hylsen 1044 er foretrukket utstyrt med et mekanisk stopperelement 1044 (hovedsakelig en ekspandert ring omkring dens maksimum diameterdel) som er anbrakt i lavtrykkskammeret 1048 for å begrense den aksielle bevegelse av den bevegelige endeunderstøttelse 1022 langs hylsen. Stopperelementet 1046 hindrer at bunndelen av den nedre endeunderstøttelse 1022 siger for mye og mister bunntetningsinngrepet med hylsen 1044 etter ekspansjon av det rørformede pakningselement 1012.

En ringformet avstivningssammenstilling 1026 er svingbart forbundet ved en av sine ender 1030 til den nedre endeunderstøttelse 1022 for forsterkning av det første rørformede pakningselement 1012 etter trykksetting og ekspansjon (det vil si inflatering derav). Den ringformede avstivningssammenstilling 1026 fungerer som en mekanisk understøttelse for det rørformede pakningselement 1012 og spenner effektivt over gapet mellom endeunderstøttelsen 1022 (som er metallisk) og borehullveggen 1018. Dette avlaster det fleksible rørformede pakningselement 1012 fra å måtte tilveiebringe den mekaniske styrke for å understøtte seg selv (for eksempel ved hjelp av forsterkende innsatser) og tillater at det rørformede pakningselement 1012 fungerer mer pålitelig for å bevirke den passende tetning mellom borehullveggen 1018 og pakningsspindelen 1024.

Den ringformede avstivningssammenstilling 1026 er ekspanderbar ved sine ender 1032 motsatt den svingbart forbundne ende 1030, hvorved sammenstillingen 1026 blir avkortet kjegleformet etter inflatering av det rørformede pakningselement 1012 (se figur 10B). Selv om denne utførelsesform er vist å anvende en ringformet avstivningssammenstilling 1026, vil det innses av de vanlige fagkyndige at en ytterligere slik avstivningssammenstilling med fordel kan anvendes ved den øvre endeunderstøttelse 1020.

Figur 11 viser et boreverktøy 1110 med en dobbelt pakningssammenstilling utstyrt med en sentreringsenhet 1160 for å motstå utbuling av delen av verktøyet mellom pakningene. Boreverktøyet 1110, som er definert ved et flertall gjensidig forbundne spindler 1150a, 1150b og 1150c, er vist fremført ved hjelp av en borestreng 1114 inn i et borehull definert ved en borehullvegg 1118. Verktøyet er tilpasset for å fremskaffe formasjonsfluidprøver inne i en del 1116 av borehullveggen 1118 isolert av de dobbelte inflaterbare pakningselementer 1112.

En ekspanderbar sentreringsenhet 1160 bæres av spindelen 1150b i den aksielle separasjonsavstand mellom første og andre pakninger 1110 for å motstå utbuling av spindelen under fluidprøvetakingsoperasjoner. Spindelen 1150b representerer i det minste en del av den såkalte "avstandsstreng" mellom pakningselementene 1112, som tilveiebringer den ønskede aksielle separasjonsavstand mellom pakningselementene. Følgelig tjener sentreringsenheten 1160 som et element av avstandsstrengen. Sentreringsenheten 1160 inkluderer et par understøttelser 1162, 1164 som bæres langs spindelen 1150a, idet minst én av understøttelsene er aksielt bevegelig langs spindelen. Sentreringsenheten ifølge disse utførelsesformer inkluderer videre et flertall (foretrukket på minst tre) par av hengslede armer 1166. Armene i hvert par har første ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser 1162, 1164 og andre ender svingbart forbundet til hverandre en svingeforbindelse 1168.

En utløser (ikke vist) bæres av en av de gjensidig forbundne spindler 1150a/b/c for å indusere aksiell bevegelse av hver bevegelig understøttelse (blant understøttelsene 1162, 1164) slik at de svingbart forbundne andre ender 1168 av hvert par armer beveges radielt utover for å utøve en kraft på borehullveggen 1118 som hovedsakelig sentrerer spindelen i borehullet.

I åpent hull (det vil si ikke-foret) prøvetakingsoperasjoner inkluderer sentreringsenheten 1160 foretrukket et flertall fjærblader 1170 som hvert har ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser 1162, 1164 slik at fjærbladene 1170 posisjoneres mellom de respektive par av hengslede armer 1166 og borehullveggen 1118. Fjærbladene 1170 og de hengslede armer 1166 samvirker for å utøve krefter på borehullveggen som hovedsakelig sentrerer spindelen (foretrukket alle tre spindler 1150a/b/c) i borehullet. Andre aspekter av sentreringsenheten er kjent for de vanlige fagkyndige, for eksempel som vist ved læren ifølge US-patent 5.358.039 - selv om slike sentreringsenheter ikke er antatt tidligere å ha vært anvendt for pakningssammenstillinger som beskrevet heri.

Figur 12 viser et brønnverktøy 1200 utstyrt med et par ekspanderbare pakningselementer 1212a,b som begge har en tilbaketrekningssammenstilling i likhet med tilbaketrekningssammenstillingen 910 i figur 9, hvor den øvre pakning 1212a er omsnudd slik at lavtrykkssidene (det vil si de indre endeunderstøttelser) av begge respektive pakningselementer er fiksert. Dette er til forskjell fra en typisk dobbelt pakningskonfigurasjon, hvori den nedre endeunderstøttelse av hver av første og andre par av endeunderstøttelser er bevegelige endeunderstøttelser for å akkomodere pakningsekspansjon. Når trykket mellom to slike pakningselementer minskes under det hydrostatiske trykk for å indusere formasjonsfluid-strømning gjennom den isolerte del (ikke vist i figur 12) av borehullveggen, belastes den øvre side av det øvre pakningselement med strekk, mens det nedre element belastes under sammentrykking. Den såkalte "omsnudde" konfigurasjon i figur 12 viser det øvre pakningselement 1212a som fiksert ved bunnen av en fiksert endeunderstøttelse 1222a, slik at strekkbelastningen ved den øvre ende elimineres.

Det øvre pakningselement 1212a anvender en bevegelig øvre endeunder-støttelse 1220a og en fiksert lavere endeunderstøttelse 1222a. Omvendt anvender det nedre pakningselement 1212b en fiksert øvre endeunderstøttelse 1220b og en bevegelig nedre endeunderstøttelse 1222b. De bevegelige ende-understøttelser 1220a, 1222b samvirker med respektive hylser 1244a, 1244b på en analog måte til den bevegelige endeunderstøttelse 922 og hylsen 944 i figur 9 for aktivt å trekke tilbake de rørformede pakningselementer 1212a, 1212b etter deflatering av disse. Den bevegelige endeunderstøttelse 1220a vil således beveges oppover og den bevegelige endeunderstøttelse 1222b vil beveges nedover under omgivende borehullfluidtrykk som virker på forskjellige innover-vendte overflateareal ( A^ + A2) og utover-vendt overflateareal A3. Forseglede lavtrykkskamre (ikke nummerert) tillater bevegelse av de bevegelige ende-understøttelser i forhold til hylsene under omgivende borehullfluidtrykk.

Brønnverktøyet i figur 12 er videre utstyrt med en alternativ sentreringsenhet til den som er vist i figur 11. Sentreringsenheten 1260 er lignende sentreringsenheten 1160 ved at den anvender hengslede armer 1266 med første ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser 1262, 1264 og andre ender svingbart forbundet til hverandre ved en svingeforbindelse 1268. Sentreringsenheten 1260 i figur 12 mangler fjærblader i likhet med bladene 1170 i figur 11, selv om slike blad eventuelt kan monteres (vanlig i åpenbrønnomgivelser).

I denne utførelsesform er den nedre understøttelse 1264 fiksert og den øvre understøttelse 1262 er bevegelig. Den øvre understøttelse 1262 beveges aksielt langs spindelen 1250 av en utløser som inkluderer et stempel 1280 og en stempelstang 1282. Stemplet resiprokeres inne i en sylinder 1284 ved hjelp av hydraulisk fluidtrykk, slik at den øvre utløser beveges oppover og nedover etter ønske for å ekspandere eller tilbaketrekke de svingbart forbundne ender 1268 av de hengslede armer 1266. Etter slik utvidelse kommer endene 1268 i kontakt med borehullveggen 1218 med tilstrekkelig kraft til å holde sentreringsenheten 1260 fast inne i borehullsenteret. En skruefjær 1286 festet omkring en redusert diameterdel av spindelen 1250 presser den øvre understøttelse 1262 mot sin øvre posisjon, hvorved endene 1268 beveges innover til en innføringsposisjon i en normal tilstand.

Siden av stemplet 1280 motsatt stempelsylindertrykket påvirkes av det indre trykk (det vil si trykket i borehullintervallet isolert av pakningselementene 1212a,b når disse er ekspandert). Når trykket faller i intervallet vil således den kraft som utøves av stemplet 1280 på stempelstangen 1282 øke, endog selv om stempelsylindertrykket forblir konstant. Dette tilveiebringer økende kraft på de stabiliserende armer 1266 og endene 1268 for å motvirke de økende utbulings-krefter som genereres når intervalltrykket faller. I anvendelser hvor sentrerings-enhetstemplet 1280 ikke krever et signifikant trykkdifferensial for å oppnå adekvat sentreringskraft kunne stempelsylinderen 1284 trykksettes av det samme fluid som anvendes for å trykksette pakningselementene 1212a,b (ikke nødvendigvis i den samme strømningslinje) og siden av stemplet 1280 motsatt sylindertrykket kunne forbindes til hydrostatisk trykk (det vil si borehulltrykket utenfor paknings-intervallet). På denne måte ville trykket på stemplet 1280 være bare pakningens ekspansjonstrykk.

Anvendelsen av to eller flere aktiverende stempler ville tillate uavhengig utplassering av de sentraliserende armer 1266. Dette ville for eksempel tillate sentralisering i en ikke-sirkulær seksjon av borehullet. I tillegg kunne et flertall slike stabiliseringsseksjoner anvendes samtidig, noe som ville tillate en hvilken som helt ønsket pakningsavstand eller pakningsintervallengde.

Oppsummert tilveiebringer flere aspekter av den foreliggende oppfinnelse pålitelig utplassering av et par atskilte ekspanderbare pakkere som bæres omkring en spindel anordnet i et borehull som penetrerer en underjordisk formasjon. Konvensjonell formasjonsevaluering med dobbelte ekspanderbare pakninger inkluderer trinnene med å trykksette pakningene slik at en ringformet del av borehullveggen isoleres, en eller prøver av formasjonsfluid samles via den isolerte del av borehullveggen, og pakningene trykkavlastes slik at bevegelse av spindelen inne i borehullet tillates. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en prøve-takingsmetode og apparatur som fordelaktig anvender en eller flere av de følgende: deformasjon av pakningene under ekspansjon begrenses ved bruk av en ringformet avstivningssammenstilling; pakningene tilbaketrekkes aktivt ved bruk av det omgivende borehulltrykk; og spindelen sentraliseres vesentlig mellom pakningene slik at utbuling av spindelen motvirkes.

Denne beskrivelse er bare for illustrerende formål og skal ikke oppfattes i en begrensende mening. Oppfinnelsens omfang skal bare bestemmes av ordlyd-en i de etterfølgende patentkrav. Betegnelsen "omfattende" i patentkravene er ment å angi "i det minste inklusive" slik at den oppførte nevnelse av elementer i et patentkrav er en åpen gruppe. "En", "et" og andre entallsbetegnelser er ment å inkludere flertallsformene derav med mindre annet er spesifikt utelatt.

Claims (10)

1. Ekspanderbar pakningssammenstilling, omfattende: et første ekspanderbart rørformet element (412, 612, 712, 812, 912, 1012) med et par ender (414, 416, 616, 716, 816, 916, 1014, 1016); et første par av ringformede endestøtter (420, 422, 622, 722, 822, 922, 1020, 1022) for å feste de respektive ender av det første rørformede element omkring en spindel (424, 624, 724, 824, 924, 1024) anbrakt inne i det første rørformede elementet; og en første ringformet avstiver-anordning (426, 626, 726, 826, 926, 1026) som kan utplasseres fra en av endestøttene for å forsterke det første rørformede elementet etter trykksetting og ekspansjon av dette,karakterisert vedat den første ringformede avstiver-anordningen er dreibart forbundet ved en av dens ender til en av endestøttene for å forsterke den første ringformede avstiver-anordningen ved trykksetting og ekspansjon av denne, hvor den første ringformede avstiver-anordningen er ekspanderbar i den andre av sine ender, hvor en av endestøttene er bevegelig og den andre endestøtten er fast i forhold til spindelen; og den første ringformede avstiver-anordningen omfatter en flerhet av strimler som er anordnet i en ringformet konfigurasjon, og hver er dreibart forbundet ved en av sine ender til den bevegelige endestøtten, hvor hver av strimlene har en bredde som øker fra enden som er dreibart forbundet, til den andre enden.

2. Pakningssammenstilling ifølge krav 1,karakterisert vedat den ytterligere omfatter et første stopperelement (946, 1046) for å begrense den aksielle bevegelsen av den bevegelige endestøtten (922, 1022).

3. Pakningssammenstilling ifølge krav 1,karakterisert vedat den ytterligere omfatter: et andre ekspanderbart, rørformet element med et par ender; et andre par av rørformede endestøtter for å sikre de respektive ender av det andre rørformede elementet omkring spindelen, idet første og andre par av endestøtter samvirker for å definere en aksiell separasjonsavstand mellom de første og andre rørformede elementer; og en andre ringformet avstiver-anordning er svingbart forbundet ved en av sine ender til en av endestøttene for å forsterke det andre rørformede elementet etter trykksetting og ekspansjon av dette.

4. Pakningssammenstilling ifølge krav 3,karakterisertve dat den ytterligere omfatter en ekspanderbar sentreringsenhet (1160, 1260) som bæres av spindelen (1150a, 1150b, 1150c, 1250) i den aksielle separasjonsavstand mellom første og andre rørformede elementer for å motstå utbuling av spindelen.

5. Pakningssammenstilling ifølge krav 4,karakterisert vedat sentreringsenheten omfatter: et par understøttelser (1162, 1164, 1262, 1264) som bæres langs spindelen, idet minst én av understøttelsene er aksielt bevegelig langs spindelen; et flertall av par av hengslede armer (1166, 1266), idet armene i hvert par har første ender svingbart forbundet til de respektive understøttelser (1162, 1164) og andre ender svingbart forbundet til hverandre; og en utløser som bæres av spindelen for å indusere aksiell bevegelse av hver bevegelige understøttelse slik at de svingbart forbundne andre ender av hvert par av armer beveges radielt utover for å utøve en kraft mot borehullveggen (1118, 1218) som hovedsakelig sentrerer spindelen i borehullet.

6. Pakningssammenstilling ifølge krav 5,karakterisert vedat den ytterligere omfatter et flertall fjærblader (1170) som hvert har ender som er svingbart forbundet til de respektive understøttelser slik at fjærbladene posisjoneres mellom de respektive par av hengslede armer og borehullveggen, idet fjærbladene og de hengslede armer samvirker for å utøve krefter på borehullveggen som hovedsakelig sentrerer spindelen i borehullet.

7. Pakningssammenstilling ifølge krav 6,karakterisert vedat sentreringsenheten (1160) omfatter tre par av hengslede armer (1166) som har hovedsakelig lik avstand fra hverandre omkring spindelomkretsen.

8. Fremgangsmåte for å utplassere et par atskilte ekspanderbare pakninger (1112, 1212a, 1212b) som holdes omkring en spindel (1150a, 1150b, 1150c, 1250) anbrakt i et borehull som penetrerer en underjordisk formasjon, karakter i s e r t v e d å omfatte trinnene: trykksetting av pakningene slik at en ringformet del av borehullveggen (118, 1218) isoleres; en eller flere prøver av formasjonsfluid samles via den isolerte del av borehullveggen; og pakningene trykkavlastes slik at bevegelse av spindelen inne i borehullet tillates; og deformasjon av pakningene begrenses under trykksettingstrinnet ved bruk av en ringformet avstiver-anordning; hvor hver pakning innbefatter: et utvidbart rørformet element som har et par ender; og et par av ringformede endestøtter for å sikre de respektive ender av det rørformede elementet omkring spindelen, en av endestøttene er bevegelig og den andre endestøtten er fiksert i forhold til spindelen, idet den bevegelige endestøtten er utstyrt med et innadvendt overflateareal som overstiger dens utadvendte overflate, hvorved fluidtrykk i borehullet påfører en netto kraft som beveger den bevegelige endestøtten utad når det første rørformede elementet trykkavlastes og er sammentrukket.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den ytterligere omfatter å hindre deformasjon av hver pakning ved bruk av et mekanisk stopperelement som begrenser bevegelsen av den bevegelige endestøtten.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat den ytterligere omfatter at spindelen vesentlig sentreres mellom pakningene slik at utbuling av spindelen motvirkes.