RU2780559C1 - Система и способ расширения металлического пакера в скважине - Google Patents

Abstract

Заявлена группа изобретений: система расширяемого металлического пакера с устройством регулирования давления. Техническим результатом является повышение герметичности уплотнения с окружающей стенкой ствола скважины, а также повышение качества регулирования давления, действующего на металлическую втулку. Система для расширения металлического пакера в скважине содержит колонну насосно-компрессорных труб, имеющую основную трубу с внутренней частью основной трубы. Колонна насосно-компрессорных труб расположена в стволе скважины таким образом, чтобы между колонной насосно-компрессорных труб и окружающей поверхностью стенки образовывалось кольцевое пространство. Также система включает расширяемый металлический пакер, установленный вокруг основной трубы. Расширяемый металлический пакер имеет расширяемую металлическую втулку, установленную вдоль основной трубы посредством концевых элементов. Расширяемый металлический пакер дополнительно содержит устройство регулирования давления. Устройство регулирования давления выполнено с возможностью активации для обеспечения различных положений потока посредством приложения входных давлений вдоль внутренней части основной трубы. Устройство регулирования давления содержит клапан, удерживаемый в первом положении потока, которое обеспечивает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера и предотвращает сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера при спуске колонны насосно-компрессорных труб в ствол скважины. Клапан выполнен с возможностью активации для обеспечения второго положения потока посредством приложения входного давления. Второе положение потока предотвращает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера и обеспечивает сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера, чтобы обеспечить расширение расширяемой металлической втулки. Клапан содержит открывающий поршень, установленный с возможностью скольжения в первом проходе для поршня гидравлического контура, расположенного в корпусе клапана, и закрывающий и компенсационный поршень, установленный с возможностью скольжения во втором проходе для поршня гидравлического контура. Открывающий поршень и закрывающий и компенсационный поршень первоначально удерживаются на месте посредством соответственно первого удерживающего элемента и второго удерживающего элемента. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Во многих скважинных применениях для герметизации секций ствола скважины применяют пакеры. Пакеры доставляют вниз по стволу скважины посредством колонны скважины, а затем устанавливают напротив окружающей поверхности ствола скважины для создания кольцевых барьеров между смежными расположенными выше и ниже секциями ствола скважины. В различных применениях каждый пакер содержит эластомерный элемент, который может расширяться радиально для вхождения в герметичное зацепление с окружающей поверхностью ствола скважины. Кроме того, в некоторых случаях применяют расширяемый металлический пакер или пакеры (см. заявку на патент США 2017/0211347, E21B 33/127, 27.07.2017). В таких расширяемых металлических пакерах применяется деформируемая металлическая мембрана, которая необратимо деформируется под давлением нагнетаемой текучей среды. Однако в некоторых случаях давление, действующее на металлическую мембрану, трудно регулировать, и металлическая мембрана подвержена повреждению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В целом, предложены система и методология применения пакера в стволе скважины или внутри других трубчатых структур. Пакер может быть выполнен с возможностью установки вокруг по существу цилиндрической основной трубы. Обычно пакер содержит металлическую втулку, объединенную с концевыми элементами, расположенными на каждом осевом конце металлической втулки. Металлическая втулка обеспечивает уплотнение после расширения в направлении к окружающей стенке ствола скважины, например, стенке обсадной колонны. Например, металлическая втулка может быть объединена с эластомером вдоль своей наружной поверхности, причем при радиальном расширении металлической втулки эластомер обеспечивает герметичное уплотнение с окружающей стенкой ствола скважины. Дополнительно, устройство, например, клапан, применяют для регулирования давления, действующего на металлическую втулку. Например, устройство может иметь форму клапана, выполненного с возможностью регулирования давления, действующего на металлическую втулку при спуске в скважину, во время расширения металлической втулки и после установки пакера.

[0003] Тем не менее, многочисленные модификации могут быть осуществлены без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации предназначены для включения в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0004] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения далее в настоящем документе будут описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы. Однако следует понимать, что прилагаемые фигуры показывают различные варианты реализации, описанные в настоящем документе, и не предназначены для ограничения объема различных технологий, описанных в настоящем документе, и при этом:

[0005] на фиг. 1 представлена иллюстрация примера расширяемого металлического пакера, установленного вдоль колонны насосно-компрессорных труб и находящегося в стволе скважины, а также содержащего устройство регулирования давления, например клапан, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0006] на фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация примера пакера, установленного вдоль основной трубы, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0007] на фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 2, но с пакером, находящемся в другой рабочей конфигурации, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0008] на фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 3, но с пакером, находящемся в другой рабочей конфигурации, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0009] на фиг. 5 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 4, но с пакером, находящемся в другой рабочей конфигурации, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0010] на фиг. 6 представлена схематическая иллюстрация примера устройства регулирования давления, которое может применяться в пакере, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0011] на фиг. 7 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 6, но демонстрирующая при этом путь потока через устройство регулирования давления, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0012] на фиг. 8 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 7, но с устройством регулирования давления в ходе начальной стадии смещения в другое рабочее положение, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0013] на фиг. 9 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 8, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0014] на фиг. 10 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 9, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0015] на фиг. 11 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 10, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0016] на фиг. 12 представлена схематическая иллюстрация другого варианта осуществления устройства регулирования давления, которое может применяться для сохранения захваченной текучей среды внутри пакера после установки пакера, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0017] на фиг. 13 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 12, но демонстрирующая при этом путь потока через устройство регулирования давления, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0018] на фиг. 14 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 13, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0019] на фиг. 15 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 14, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

[0020] на фиг. 16 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 15, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; и

[0021] на фиг. 17 представлена схематическая иллюстрация, подобная иллюстрации, изображенной на фиг. 16, но с устройством регулирования давления, находящемся в другом рабочем положении, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] В последующем описании изложены многочисленные подробности, чтобы обеспечить понимание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что указанная система и/или методология могут быть реализованы на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.

[0023] В настоящем документе в целом раскрыты система и методология применения пакера в стволе скважины или внутри других трубчатых структур. Например, один или более пакеров могут быть размещены в стволе скважины посредством колонны скважины. Затем пакер или пакеры могут быть активированы для перехода в установленное положение для образования уплотнения с окружающей поверхностью ствола скважины, например внутренней поверхностью обсадной колонны или поверхностью необсаженного ствола, а также для изоляции секций кольцевого пространства вдоль колонны скважины.

[0024] Например, пакер может представлять собой расширяемый металлический пакер, выполненный с металлическим уплотнительным элементом. Металлический уплотнительный элемент может быть выполнен в форме металлической втулки, которая объединена с эластомерным уплотнительным элементом. Металлический уплотнительный элемент может быть установлен вокруг основной трубы, которая может представлять собой часть колонны скважины, например бурильной колонны, или другой колонны насосно-компрессорных труб. Когда пакер установлен в желаемом местоположении внутри ствола скважины или другой трубчатой структуры, металлический уплотнительный элемент может расширяться под воздействием давления текучей среды для перемещения эластомерного уплотнительного элемента в герметичное зацепление с окружающей поверхностью стенки. Например, металлический уплотнительный элемент может содержать необратимо деформируемый металлический вкладыш, например, металлическую мембрану, который деформируется в скважине под воздействием давления текучей среды, например, гидравлического прессования.

[0025] В соответствии с одним вариантом осуществления предложены система и методология применения пакера в стволе скважины или внутри других трубчатых структур. Пакер может быть выполнен с возможностью установки вокруг по существу цилиндрической основной трубы. В общем случае пакер содержит металлическую втулку, объединенную с концевыми элементами, расположенными на каждом осевом конце металлической втулки. Металлическая втулка обеспечивает уплотнение после расширения в направлении к окружающей стенке ствола скважины, например, стенке обсадной колонны. Например, металлическая втулка может быть объединена с эластомером вдоль своей наружной поверхности, причем при радиальном расширении металлической втулки эластомер обеспечивает герметичное уплотнение с окружающей стенкой ствола скважины. Дополнительно, устройство, например клапан, выполнено с возможностью регулирования давления, действующего на металлическую втулку во время спуска пакера в скважину, в процессе расширения металлической втулки и после установки пакера.

[0026] В этом варианте осуществления устройство регулирования давления может активироваться для обеспечения отсутствия сообщения по текучей среде между внутренним пространством основной трубы и окружающим кольцевым пространством во время спуска в скважину. При этом обеспечивается сообщение по текучей среде между внутренним диаметром пакера (внутренней частью пакера) и кольцевым пространством. При первом заданном давлении, прикладываемом к устройству регулирования давления, закрывается сообщение по текучей среде между внутренней частью пакера и кольцевым пространством. Кроме того, открывается сообщение по текучей среде между внутренним пространством основной трубы и внутренней частью пакера для обеспечения расширения пакера, т. е. расширения металлической втулки.

[0027] При втором заданном давлении может быть необратимо закрыто сообщение по текучей среде между внутренним пространством основной трубы и кольцевым пространством. Дополнительно, может быть повторно открыто сообщение по текучей среде между внутренней частью пакера и кольцевым пространством, чтобы компенсировать давление в кольцевом пространстве внутри пакера и улучшить его характеристику по дифференциальному давлению. Однако в некоторых вариантах осуществления может происходить запирание давления внутри пакера.

[0028] Рассмотрим в общем фиг. 1, на которой изображен пример скважинной системы 30, расположенной внутри ствола 32 скважины, например, обсаженного ствола скважины. Скважинная система 30 содержит расширяемый металлический пакер 34, установленный вдоль основной трубы 36, которая может представлять собой часть общей колонны 38 насосно-компрессорных труб, например, эксплуатационной или обсадной колонны скважины. Пакер 34 может содержать расширяемую металлическую втулку 40, которая объединена с уплотнительным элементом 41, чтобы функционировать в качестве уплотнительной структуры, которая может расширяться для герметичного зацепления с окружающей поверхностью 42 стенки ствола скважины, например, окружающей поверхностью стенки обсадной колонны или необсаженного ствола скважины.

[0029] Расширяемая металлическая втулка 40 расположена между концевыми элементами 44. Например, концевые элементы 44 могут быть соединены с расширяемой металлической втулкой 40 и расположены по одному концевому элементу 44 на каждом осевом конце расширяемой металлической втулки 40. Каждый концевой элемент 44 может содержать металлическое кольцо 46, расположенное вокруг основной трубы 36. В процессе установки пакера 34 вдоль колонны 38 насосно-компрессорных труб металлические кольца 46 могут быть пластически деформированы, например расплющены, для закрепления пакера 34 на основной трубе 36.

[0030] Пакер 34 дополнительно содержит устройство 48 регулирования давления, расположенное в подходящем местоположении внутри пакера 34. Например, устройство 48 регулирования давления может быть расположено внутри одного из концевых элементов 44 или объединено с ним. Как более подробно описано ниже, устройство 48 регулирования давления может содержать клапан, выполненный с возможностью активации для перехода между различными рабочими положениями для регулирования давления, действующего на расширяемую металлическую втулку 40 в ходе различных стадий развертывания и применения пакера 34. В соответствии с определенными вариантами осуществления устройство 48 регулирования давления может быть выборочно активировано посредством приложения заданных уровней давления вдоль, например, внутренней части колонны 38 насосно-компрессорных труб и основной трубы 36. Однако другие типы воздействий могут применяться для управления активацией устройства 48 регулирования давления.

[0031] В зависимости от применения расширяемая металлическая втулка 40 может содержать металлическую мембрану, например вкладыш, или другую металлическую структуру, которая может пластически деформироваться с образованием необратимо расширенной структуры, входящей в зацепление с окружающей поверхностью 42 стенки. В некоторых вариантах осуществления металлическая втулка 40 расширяется под воздействием давления текучей среды, например посредством процесса гидравлического прессования. Например, текучая среда под высоким давлением может подаваться вдоль внутренней части колонны 38 насосно-компрессорных труб и направляться во внутреннюю часть расширяемой металлической втулки 40 через проход или проходы, проходящие через стенку основной трубы 36, которая функционирует во взаимодействии с устройством 48 регулирования давления.

[0032] Рассмотрим в общем фиг. 2, на которой представлена схематическая иллюстрация одного варианта осуществления расширяемого металлического пакера 34. В этом примере металлическая втулка 40 изображена в радиально сжатом положении до установки расширяемого металлического пакера 34 во время спуска в скважину (RIH - англ.: running-in-hole). На этой рабочей стадии устройство 48 регулирования давления находится в положении, которое обеспечивает сообщение по текучей среде между внутренней частью 50 пакера и кольцевым пространством 52, окружающим колонну 38 насосно-компрессорных труб, как представлено стрелкой 54. В то же время устройство 48 регулирования давления блокирует сообщение по текучей среде между внутренней частью 56 основной трубы 36 и кольцевым пространством 52.

[0033] После доставки пакера 34 в желаемое положение в стволе 32 скважины заданное давление может прикладываться через внутреннюю часть 56 основной трубы к устройству 48 регулирования давления. Заданное давление вызывает активацию устройства 48 регулирования давления, например клапана, для обеспечения открытого положения, как показано на фиг. 3. В этом положении закрывается сообщение по текучей среде между внутренней частью 50 пакера и окружающим кольцевым пространством 52. При этом открыто сообщение по текучей среде между внутренней частью 56 основной трубы и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелкой 58.

[0034] Затем текучая среда под давлением может направляться вниз через внутреннюю часть 56 основной трубы, чтобы вызывать расширение пакера за счет радиального расширения металлической втулки 40 по направлению к окружающей поверхности 42 стенки ствола скважины, как показано на фиг. 4. Посредством увеличения давления во внутренней части 56 до второго заданного уровня давления устройство 48 регулирования давления активируется для обеспечения другого рабочего положения. В этом рабочем положении может быть необратимо закрыто сообщение по текучей среде между внутренней частью 56 основной трубы и кольцевым пространством 52. Дополнительно, может быть повторно открыто сообщение по текучей среде между внутренней частью 50 пакера и кольцевым пространством 52, как показано стрелкой 60 на фиг. 5. Повторное открытие сообщения между внутренней частью 50 пакера и кольцевым пространством 52 компенсирует давление в кольцевом пространстве внутри пакера 34 и улучшает характеристику по дифференциальному давлению пакера 34. Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления устройство 48 регулирования давления может быть сконструировано таким образом, что происходит запирание давления во внутренней части 50 пакера.

[0035] Рассмотрим в общем фиг. 6, на которой изображен один вариант осуществления устройства 48 регулирования давления. В этом примере устройство 48 регулирования давления выполнено в виде клапана 62, имеющего корпус 64 клапана, содержащий гидравлический контур 66. Дополнительно, открывающий поршень 68 и закрывающий и компенсационный поршень 70 установлены с возможностью скольжения внутри корпуса 64 клапана, чтобы обеспечить управление потоком текучей среды по гидравлическому контуру 66. В проиллюстрированном примере открывающий поршень 68 установлен с возможностью скольжения в соответствующем проходе 72 для поршня, который является частью гидравлического контура 66. Аналогично, закрывающий и компенсационный поршень 70 установлен с возможностью скольжения в соответствующем проходе 74 для поршня, который также является частью гидравлического контура 66.

[0036] В соответствии с проиллюстрированным вариантом осуществления открывающий поршень 68 имеет различные диаметры и включает в себя расширенные участки 76, 78, т. е. участки с более высокими значениями диаметра. В проиллюстрированном конкретном примере расширенный участок 78 содержит уплотнение 80, установленное для обеспечения выборочного уплотнения с окружающей поверхностью стенки соответствующего прохода 72 для поршня. Расширенный участок 76 может иметь участок промежуточного диаметра и участок большого диаметра, расположенные для взаимодействия с устройством 82 блокирования поршня. В качестве примера устройство 82 блокирования может содержать блокирующий поршень 84, смещаемый в направлении открывающего поршня 68, например, посредством пружины 86.

[0037] Открывающий поршень 68 также может быть связан с обратным клапаном 88 посредством пружинного элемента 90 или другого подходящего расширяющегося элемента. Обратный клапан 88 содержит расширенный участок 92, имеющий уплотнение 94, которое ориентировано для вхождения в герметичное зацепление с окружающей поверхностью стенки соответствующего прохода 72 для поршня. Первоначально открывающий поршень 68 может удерживаться при желаемом положении потока посредством удерживающего элемента 96. В качестве примера удерживающий элемент 96 может включать в себя срезной элемент 98, например разрушающееся устройство, такое как разрывной провод.

[0038] Аналогично, закрывающий и компенсационный поршень 70 может иметь различные диаметры и может включать в себя расширенные участки 100, 102, 104, т. е. участки с более высокими значениями диаметра. В проиллюстрированном конкретном примере расширенные участки 102, 104 содержат соответствующие уплотнения 106, 108, установленные для обеспечения выборочного уплотнения с окружающими поверхностями стенок соответствующего прохода 74 для поршня. Расширенный участок 100 расположен для взаимодействия с устройством 110 блокирования поршня. В качестве примера устройство 110 блокирования может содержать блокирующий поршень 112, смещаемый в направлении закрывающего и компенсационного поршня 70, например, посредством пружины 114.

[0039] Первоначально закрывающий и компенсационный поршень 70 может удерживаться при желаемом положении потока посредством удерживающего элемента 116. В качестве примера удерживающий элемент 116 может включать в себя срезной элемент 118, например разрушающееся устройство, такое как разрывной провод. Когда открывающий поршень 68 и закрывающий и компенсационный поршень 70 удерживаются в начальных положениях внутри гидравлического контура 66, гидравлический контур 66 обеспечивает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелками 120 на фиг. 7.

[0040] Как проиллюстрировано, гидравлический контур 66 находится в сообщении по текучей среде с кольцевым пространством 52 через проход 122 гидравлического контура. Гидравлический контур 66 также находится в сообщении по текучей среде с внутренней частью 50 пакера через проход 124 гидравлического контура. В ходе этой стадии сообщение по текучей среде между внутренней частью 56 основной трубы и кольцевым пространством 52 блокируется обратным клапаном 88. Эта конфигурация клапана 62 может применяться при спуске пакера 34 в желаемое положение в стволе 32 скважины, как схематически изображено на фиг. 2. Следует отметить, что стрелки 120, представляющие поток по гидравлическому контуру 66, являются частью потока, представленного стрелкой 54 на фиг. 2.

[0041] При повышении давления во внутренней части 56 основной трубы 36 обратный клапан 88 смещается к открывающему поршню 68 и сжимает пружинный элемент 90, как изображено на фиг. 8. Для смещения открывающего поршня 68 давление во внутренней части 56 повышают до первого заданного давления, чтобы высвободить удерживающий элемент 96 (например, вызывать разрушение срезного элемента/разрывного провода 98) и сместить открывающий поршень 68, как изображено на фиг. 9.

[0042] В этой конфигурации расширенный участок 78 и его уплотнение 80 были введены в герметичное зацепление с участком окружающей поверхности стенки, образующей соответствующий проход 72 для поршня. В результате этого закрывается сообщение между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 56 пакера. При этом открывается сообщение между внутренней частью 56 основной трубы и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелками 126.

[0043] В этой рабочей конфигурации клапана 62 гидравлический контур 66 находится в сообщении по текучей среде с внутренней частью 56 основной трубы через проход 128 гидравлического контура. Следует отметить, что стрелки 126, представляющие поток по гидравлическому контуру 66, являются частью потока, представленного стрелкой 58 на фиг. 3. В этой конфигурации гидравлическая текучая среда под давлением может непрерывно подаваться вдоль внутренней части 56 основной трубы 36, чтобы вызвать расширение пакера 34/металлической втулки 40 для вхождения в герметичное зацепление с окружающей стенкой 42 ствола скважины (см. фиг. 4). Дополнительно, устройство 82 блокирования поршня перемещается в положение, в котором оно взаимодействует с расширенным участком 76, что предотвращает перемещение открывающего поршня 68 обратно в его исходное положение.

[0044] После установки пакера 34 посредством расширения металлической втулки 40 давление внутри основной трубы 36 может быть повышено до второго заданного уровня давления, чтобы сместить закрывающий и компенсационный поршень 70. Например, увеличение уровня давления до второго заданного уровня давления вызывает высвобождение удерживающего элемента 116 (например, разрушение срезного элемента/разрывного провода 118) и смещение закрывающего и компенсационного поршня 70, как изображено на фиг. 10. Если возникают проблемы во время расширения пакера после открытия открывающего поршня 68 (например, проблемы с насосами, утечки в колонне, обеспечивающей давление, или проблемы с расширением), расширяемая втулка 40 пакера может находиться в частично расширенном состоянии и давление будет сброшено. При этом обратный клапан 88 способен вернуться в свою закрытую позицию и запереть текучую среду/давление внутри пакера 34. Это предотвратит сжатие втулки 40, в результате чего расширение может быть продолжено позже.

[0045] В этой конфигурации расширенные участки 102, 104 и их соответствующие уплотнения 106, 108 были введены в герметичное зацепление с участками окружающей поверхности стенки, образующей соответствующий проход 74 для поршня. В результате этого закрывается сообщение между внутренней частью 56 основной трубы и внутренней частью 50 пакера. При этом снова открывается сообщение между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелками 130. Следует отметить, что стрелки 130, представляющие поток по гидравлическому контуру 66, являются частью потока, представленного стрелкой 60 на фиг. 5. Дополнительно, устройство 110 блокирования поршня перемещается в положение, в котором оно взаимодействует с расширенным участком 100, что предотвращает перемещение закрывающего и компенсационного поршня 70 обратно в его исходное положение.

[0046] Когда происходит сброс давления во внутренней части 56 основной трубы 36, пружинный элемент 90 смещает обратный клапан 88 и его уплотнение 94 обратно в герметичное зацепление с окружающей поверхностью стенки соответствующего прохода 72 для поршня, как изображено на фиг. 11. При этом поддерживается канал для сообщения между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 50 пакера.

[0047] Рассмотрим в общем фиг. 12-17, на которых изображен другой вариант осуществления клапана 62. Однако в этом варианте осуществления, как только закрывающий и компенсационный поршень 70 переключается, происходит запирание текучей среды во внутренней части 50 пакера без обеспечения сообщения между внутренней частью пакера 34 и кольцевым пространством 52. Вариант осуществления, показанный на фиг. 12-17, очень похож на вариант осуществления, показанный на фиг. 6-11, и общие ссылочные позиции применяют для одинаковых или подобных компонентов и признаков. Однако, как показано на фиг. 12, контур соответствующего прохода 74 для поршня был изменен таким образом, что взаимодействие уплотнений 106, 108 с окружающей поверхностью прохода 74 для поршня способно запереть текучую среду внутри пакера 34 после закрытия закрывающего и компенсационного поршня 70 (после установки пакера 34).

[0048] В этом примере открывающий поршень 68 и закрывающий и компенсационный поршень 70 снова удерживаются в начальных положениях внутри гидравлического контура 66 таким образом, чтобы обеспечить сообщение по текучей среде между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелками 120 на фиг. 13. В ходе этой стадии сообщение по текучей среде между внутренней частью 56 основной трубы и кольцевым пространством 52 блокируется обратным клапаном 88. Эта конфигурация клапана 62 может аналогично применяться при спуске пакера 34 в желаемое положение в стволе 32 скважины, как схематически изображено на фиг. 2.

[0049] При повышении давления во внутренней части 56 основной трубы 36 обратный клапан 88 смещается к открывающему поршню 68 и сжимает пружинный элемент 90, как изображено на фиг. 14. Для смещения открывающего поршня 68 давление во внутренней части 56 повышают до первого заданного давления, чтобы высвободить удерживающий элемент 96 (например, вызывать разрушение срезного элемента/разрывного провода 98) и сместить открывающий поршень 68, как изображено на фиг. 15.

[0050] В этой конфигурации расширенный участок 78 и его уплотнение 80 были введены в герметичное зацепление с участком окружающей поверхности стенки, образующей соответствующий проход 72 для поршня. В результате этого закрывается сообщение между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 56 пакера. При этом открывается сообщение между внутренней частью 56 основной трубы и внутренней частью 50 пакера, как представлено стрелками 126. Когда клапан 62 находится в этом рабочем положении, гидравлическая текучая среда под давлением может непрерывно подаваться вдоль внутренней части 56 основной трубы 36, чтобы вызвать расширение пакера 34/металлической втулки 40 для вхождения в герметичное зацепление с окружающей стенкой 42 ствола скважины (см. фиг. 4).

[0051] Дополнительно, устройство 82 блокирования поршня перемещается в положение, в котором оно взаимодействует с расширенным участком 76, что предотвращает перемещение открывающего поршня 68 обратно в его исходное положение. После установки пакера 34 посредством расширения металлической втулки 40 давление внутри основной трубы 36 может быть повышено до второго заданного уровня давления, чтобы сместить закрывающий и компенсационный поршень 70. Например, увеличение уровня давления до второго заданного уровня давления вызывает высвобождение удерживающего элемента 116 (например, разрушение срезного элемента/разрывного провода 118) и смещение закрывающего и компенсационного поршня 70, как изображено на фиг. 16.

[0052] В этой конфигурации расширенные участки 102, 104 и их соответствующие уплотнения 106, 108 были введены в герметичное зацепление с участками окружающей поверхности стенки, образующей соответствующий проход 74 для поршня. В результате этого закрывается сообщение между внутренней частью 56 основной трубы и внутренней частью 50 пакера. Благодаря положению расширенного участка 102 и соответствующего уплотнения 106 и благодаря конфигурации поверхности стенки, образующей соответствующий проход 74 для поршня, сообщение между кольцевым пространством 52 и внутренней частью 50 пакера также остается закрытым. В этом положении устройство 110 блокирования поршня перемещается в положение, в котором оно взаимодействует с расширенным участком 100, что предотвращает перемещение закрывающего и компенсационного поршня 70 обратно в его исходное положение. Благодаря расположению уплотнений 80, 106, 108 и обеспечиваемой ими герметичности давление в проходе 124 не сбрасывается через клапан 62, в результате чего текучая среда под давлением остается запертой во внутренней части 50 пакера 34

[0053] Когда происходит сброс давления во внутренней части 56 основной трубы 36, пружинный элемент 90 смещает обратный клапан 88 и его уплотнение 94 обратно в герметичное зацепление с окружающей поверхностью стенки соответствующего прохода 72 для поршня, как изображено на фиг. 17. При этом текучая среда остается запертой во внутренней части 50 пакера 34.

[0054] Клапан 62 облегчает применение расширяемого металлического пакера 34 в качестве изолирующего устройства в различных операциях и окружающих средах, в которых могут иметь место высокие дифференциальные давления. Например, расширяемый металлический пакер 34 может применяться в ходе эксплуатации скважин и других областях, где желательно обеспечить изоляцию между секциями трубчатой структуры. Расширяемый металлический пакер 34 может быть выполнен с различными типами и размерами расширяемых металлических втулок 40 в зависимости от параметров данной операции. В различных скважинных применениях расширяемая металлическая втулка 40 может быть выполнена из пластически деформируемой металлической мембраны, вкладыша или другой металлической структуры, которая может радиально расширяться под воздействием давления текучей среды.

[0055] Аналогично, устройство 48 регулирования давления может содержать различные компоненты, расположенные в различных местоположениях вдоль пакера 34. В различных применениях устройство 48 регулирования давления может содержать клапан 62. Однако конкретная структура и материалы клапанов 62 могут быть подобраны исходя из параметров данного применения и/или окружающей среды. Например, клапан 62 может содержать различные типы поршней, уплотнений, пружин, корпусов поршней и/или других компонентов. Относительные площади поверхностей, обеспечиваемые поршнями/уплотнениями и соответствующими проходами для поршней, могут быть подобраны в соответствии с предполагаемыми давлениями и желаемым функционированием клапана 62 и пакера 34. В общей колонне 38 насосно-компрессорных труб также могут применяться множество различных типов компонентов, и указанная колонна может обладать различными конфигурациями, подходящими для работы и окружающей среды, в которой она применяется.

[0056] Несмотря на то, что выше подробно описаны несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможно множество модификаций без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации предназначены для включения в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения.

Claims (24)

1. Система для расширения металлического пакера в скважине, содержащая:

колонну насосно-компрессорных труб, имеющую основную трубу с внутренней частью основной трубы, причем указанная колонна насосно-компрессорных труб расположена в стволе скважины таким образом, чтобы между колонной насосно-компрессорных труб и окружающей поверхностью стенки образовывалось кольцевое пространство; и

расширяемый металлический пакер, установленный вокруг основной трубы, причем указанный расширяемый металлический пакер имеет расширяемую металлическую втулку, установленную вдоль основной трубы посредством концевых элементов, причем указанный расширяемый металлический пакер дополнительно содержит устройство регулирования давления, причем указанное устройство регулирования давления выполнено с возможностью активации для обеспечения различных положений потока посредством приложения входных давлений вдоль внутренней части основной трубы, причем указанное устройство регулирования давления содержит:

клапан, удерживаемый в первом положении потока, которое обеспечивает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера и предотвращает сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера при спуске колонны насосно-компрессорных труб в ствол скважины; причем указанный клапан выполнен с возможностью активации для обеспечения второго положения потока посредством приложения входного давления, причем второе положение потока предотвращает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера и обеспечивает сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера, чтобы обеспечить расширение расширяемой металлической втулки;

причем клапан содержит открывающий поршень, установленный с возможностью скольжения в первом проходе для поршня гидравлического контура, расположенного в корпусе клапана, и закрывающий и компенсационный поршень, установленный с возможностью скольжения во втором проходе для поршня гидравлического контура, при этом открывающий поршень и закрывающий и компенсационный поршень первоначально удерживаются на месте посредством соответственно первого удерживающего элемента и второго удерживающего элемента.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что клапан выполнен с возможностью активации для обеспечения последующего положения потока посредством приложения последующего входного давления после расширения расширяемой металлической втулки, причем указанное последующее положение потока предотвращает сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что последующее положение потока обеспечивает сообщение по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера.

4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что последующее положение потока осуществляет запирание давления текучей среды во внутренней части пакера.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый удерживающий элемент высвобождает открывающий поршень при приложении входного давления с первым заданным уровнем давления.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что второй удерживающий элемент высвобождает закрывающий и компенсационный поршень при приложении последующего входного давления со вторым заданным уровнем давления.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что открывающий поршень включает в себя расширенные участки увеличенного диаметра, причем расширенный участок содержит уплотнение, выполненное с возможностью обеспечения выборочного уплотнения с окружающей поверхностью стенки первого прохода для поршня при расположении клапана во втором положении потока.

8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что расширенный участок открывающего поршня содержит участок промежуточного диаметра и участок большого диаметра, причем участок большого диаметра расположен с возможностью взаимодействия с устройством блокирования поршня при расположении клапана во втором положении потока для предотвращения перемещения открывающего поршня обратно в его исходное положение.

9. Система по п. 2, отличающаяся тем, что закрывающий и компенсационный поршень включает в себя расширенные участки увеличенного диаметра, причем расширенный участок содержит уплотнение, выполненное с возможностью обеспечения выборочного уплотнения с окружающей поверхностью стенки второго прохода для поршня при расположении клапана в последующем положении потока.

10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обратный клапан, соединенный с открывающим поршнем посредством расширяющегося элемента, при этом обратный клапан имеет расширенный участок, содержащий уплотнение, которое ориентировано для вхождения в герметичное зацепление с окружающей поверхностью стенки первого прохода для поршня.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что обратный клапан выполнен с возможностью возврата в свою закрытую позицию для запирания текучей среды внутри пакера в случае возникновения проблем с втулкой при активировании клапана во второе положении потока.

12. Способ расширения металлического пакера в скважине, включающий в себя этапы, на которых:

располагают пакер вдоль основной трубы колонны насосно-компрессорных труб;

спускают колонну насосно-компрессорных труб в ствол скважины;

используют устройство регулирования давления пакера для поддержания сообщения по текучей среде между кольцевым пространством, окружающим колонну насосно-компрессорных труб, и внутренней частью пакера во время спуска колонны насосно-компрессорных труб в ствол скважины;

прикладывают первое заданное входное давление к внутренней части основной трубы, чтобы вызвать высвобождение первого удерживающего элемента и смещение открывающего поршня устройства регулирования давления, соединенного с ним, в первое положение, препятствующее сообщению по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера, одновременно открывая сообщение по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера; и

направляют текучую среду во внутреннюю часть пакера для расширения металлической втулки пакера, чтобы тем самым поместить пакер в герметичное зацепление с окружающей стенкой;

впоследствии прикладывают второе заданное входное давление к внутренней части основной трубы, чтобы вызвать высвобождение второго удерживающего элемента и смещение закрывающего и компенсационного поршня устройства регулирования давления, соединенного с ним, во второе положение, препятствующее сообщению по текучей среде между внутренней частью основной трубы и внутренней частью пакера.

13. Способ по п. 12, в котором этап, на котором впоследствии прикладывают второе заданное входное давление, дополнительно включает открытие сообщения по текучей среде между кольцевым пространством и внутренней частью пакера.

14. Способ по п. 12, в котором этап, на котором впоследствии прикладывают второе заданное входное давление, дополнительно включает запирание текучей среды под давлением во внутренней части пакера.

Images