Устройство, расшир емый трубчатый компонент (варианты) и способ их использовани  в буровой скважине (варианты) - RU2225497C2

Чертежи

Показать все 21 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение касается оборудования, которое можно использовать при бурении и завершении буровой скважины в подземной формации и при добыче текучих сред из таких скважин, и, в частности, устройства, расширяемого трубчатого компонента и способа их использования в буровой скважине.

Из подземной геологической формации (“коллектора”) добывают такие текучие среды, как нефть, природный газ и вода, посредством бурения скважины, проникающей сквозь несущую текучую среду формацию. После бурения скважины до определенной глубины стенку ствола скважины следует поддерживать с целью предотвращения разрушения. Обычные способы бурения скважин содержат установку колонны обсадных труб и цементирование между обсадной трубой и стволом скважины для обеспечения поддержания конструкции ствола скважины. После цементирования колонны обсадных труб на месте можно начинать бурение до больших глубин. После установки каждой последующей колонны обсадных труб через внутренний диаметр обсадных труб необходимо пропускать следующее буровое долото. Таким образом каждая смена обсадной трубы требует уменьшения диаметра ствола скважины. Это повторяемое уменьшение диаметра ствола скважины создает необходимость выполнения очень больших начальных диаметров стволов скважин для обеспечения установки трубы с приемлемым диаметром на глубине, на которой буровая скважина проникает в добывающую формацию. Необходимость использования больших стволов скважин и множества колонн обсадных труб приводит к затратам большего количества времени, материала и ресурсов, чем при бурении ствола скважин с одинаковым размером от поверхности до добывающей формации.

Проблема, с которой иногда сталкиваются во время бурения скважины, состоит в потере бурового раствора в подземные зоны. Потеря бурового раствора обычно ведет к увеличенным финансовым расходам, но может приводить к разрушению буровой скважины и дорогостоящим "ловильным работам" с целью восстановления бурильной колонны или других инструментов, которые были в скважине. Обычно используют различные добавки в буровом растворе, чтобы помогать изолировать зоны циркулирования потерь, типа кожицы хлопкового семени или синтетических волокон.

После ввода скважины в эксплуатацию приток песка из продуктивного пласта может привести к нежелательному заполнению внутри буровой скважины и может повредить клапаны и другое оборудование, связанное с производством. Предпринимали много способов для управления песком.

В патенте США № 5348095, выданном 20.09.1994 Уоррэллу и др., раскрыт способ, содержащий радиальное расширение колонны обсадных труб в буровой скважине до конфигурации с большим диаметром. При этом способе требуются очень большие усилия для сообщения радиальной деформации.

С целью уменьшения усилий, необходимых для расширения колонн обсадных труб, предложены способы, включающие расширение вкладыша с выполненными в нем продольными прорезями (патенты США № 5366012, выданный 22.11.1994 на имя Лохбела, и 5667011, выданный 16.09.1997 на имя Джилле и др.). Эти способы включают радиальное деформирование вкладыша с прорезями в конфигурацию с увеличенным диаметром посредством продвижения расширительной оправки через вкладыш с прорезями. Эти способы все еще требуют приложения значительных величин усилий по всей длине вкладыша с прорезями.

В патенте США № 5901789 от 11.05.1999, выданном на имя Донелли, описан деформируемый песчаный фильтр, объединяющий расширяемый скважинный фильтр с фильтрующим слоем. Расширяемый фильтр может быть выполнен с прорезями. Однако и в этом случае требуются значительные усилия для осуществления радиальной деформации фильтра.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение усилий, требуемых для расширения трубы из радиально сжатого состояния до радиально расширенного состояния.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для использования в буровой скважине, имеющем расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, средство перемещения, способное перемещать расширяемый трубчатый компонент к требуемому местоположению в буровой скважине, и приспособление развертывания, способное вызывать расширение расширяемого трубчатого компонента из его первой в общем трубчатой конфигурации в его вторую в общем трубчатую конфигурацию, согласно изобретению расширяемый трубчатый компонент представляет собой расширяемое бистабильное приспособление, сформированное для развертывания вблизи стенки буровой скважины, имеющее множество бистабильных ячеек, расположенных в общем в трубчатой форме и являющееся устойчивым в сжатой конфигурации и в расширенной конфигурации.

Каждая бистабильная ячейка может содержать по меньшей мере два соединенных друг с другом удлиненных элемента.

Каждая бистабильная ячейка может содержать первый элемент и второй элемент, каждый из которых содержит середину и два конца, при этом первый элемент является более гибким, чем второй элемент. Первый и второй элементы могут быть механически соединены так, что второй элемент препятствует деформации первого элемента.

Первый элемент может иметь два устойчивых положения, при этом в первом устойчивом положении середина первого элемента является смежной с серединой второго элемента, во втором устойчивом положении середина первого элемента смещена от середины второго элемента для образования зазора между серединой первого элемента и серединой второго элемента.

Второй элемент может иметь большую толщину, чем первый элемент. Отношение толщины второго элемента к толщине первого элемента может быть больше, чем приблизительно 3:1, или больше, чем 6:1.

Бистабильное приспособление может дополнительно содержать обертку, прикрепленную к его наружной поверхности. Обертка может содержать растяжимый экран.

Бистабильное приспособление может дополнительно содержать деформируемый материал, прикрепленный к его наружной поверхности. Деформируемый материал может содержать эластомер. Эластомер может быть выбран таким, чтобы он был стойким к сырым маслам, соляным растворам и кислотам, встречающимся в нефтяных и газовых скважинах.

Бистабильное приспособление в его второй в общем трубчатой конфигурации может иметь множество диаметров.

Указанный технический результат достигается и тем, что в способе использования в буровой скважине устройства, имеющего расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению для стабилизации незакрепленной обсадной трубой секции буровой скважины в подземной формации используют расширяемый трубчатый компонент, представляющий собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, размещают бистабильное приспособление в местоположении в буровой скважине вначале в первом устойчивом состоянии и затем радиально расширяют бистабильное приспособление во второе устойчивое состояние, имеющее в общем трубчатую конструкцию, без уменьшения осевой длины.

В способе можно использовать расширяемое бистабильное приспособление с закрепленной к его наружной поверхности обертки. В качестве обертки можно использовать расширяемый экран.

Дополнительно можно накладывать деформируемый материал на наружную поверхность бистабильного приспособления. В качестве деформируемого материала можно использовать эластомерный материал.

Можно радиально расширять бистабильное приспособление до множества конечных диаметров.

Указанный технический результат достигается и тем, что в способе использования в буровой скважине устройства, имеющего расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению для монтажа вкладыша внутри трубы, расположенной в скважине, используют расширяемый трубчатый компонент, представляющий собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, окружают расширяемое бистабильное приспособление расширяемым элементом вкладыша, прикрепленным к наружной поверхности бистабильного приспособления, размещают расширяемое приспособление в местоположении внутри трубы вначале в первом устойчивом состоянии и расширяют расширяемое бистабильное приспособление во второе устойчивое состояние для удержания расширяемого элемента вкладыша относительно внутреннего диаметра трубы.

В способе можно использовать дополнительно множество бистабильных приспособлений в буровой скважине таким образом, что концы соседних бистабильных приспособлений перекрываются и образуют продолжение расширяемого элемента вкладыша относительно внутреннего диаметра трубы.

В способе можно использовать расширяемое бистабильное приспособление, в котором каждая бистабильная ячейка с тонким сжатым элементом присоединена к толстому сжатому элементу.

Указанный технический результат достигается и тем, что в способе использования в буровой скважине устройства, имеющего расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению для задержания притока песка в буровую скважину используют расширяемый трубчатый компонент, представляющий собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, размещают расширяемое бистабильное приспособление в требуемом местоположении в буровой скважине и расширяют расширяемое бистабильное приспособление, по меньшей мере, частично за пределы неустойчивого диапазона по направлению к устойчивому состоянию, пока бистабильное приспособление будет способно создать силу расширяющего напряжения относительно буровой скважины.

В способе можно использовать расширяемое бистабильное приспособление с прикрепленной к его наружной поверхности оберткой. В качестве обертки можно использовать растяжимый экран.

Вышеупомянутый технический результат достигается и тем, что в способе использования в буровой скважине устройства, имеющего расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению используют расширяемый трубчатый компонент, представляющий собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, располагают расширяемое бистабильное приспособление внутри трубы буровой скважины рядом с зоной, подлежащей уплотнению, и расширяют расширяемое бистабильное приспособление относительно трубы буровой скважины посредством перемещения расширяемого бистабильного приспособления через неустойчивую область по направлению к расширенному устойчивому состоянию.

Расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению представляет собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, и имеет канал для линии связи.

Канал для линии связи может быть образован утонченной частью расширяемого бистабильного приспособления, расположенной вдоль него.

Расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению представляет собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек, имеет приспособление, прикрепленное к расширяемому бистабильному приспособлению.

Приспособление, прикрепленное к расширяемому бистабильному приспособлению, может представлять собой электрическое приспособление, измерительное приспособление, счетчик, манометр или датчик.

В способе использования в буровой скважине расширяемого трубчатого компонента, способного перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния, согласно изобретению используют расширяемый трубчатый компонент, представляющий собой расширяемое бистабильное приспособление, имеющее в общем трубчатую форму, содержащее множество бистабильных ячеек и имеющее канал для линии связи, осуществляют спуск упомянутого расширяемого бистабильного приспособления прохождением его в скважину и направляют, по меньшей мере, часть линии связи рядом с, по меньшей мере, частью упомянутого расширяемого бистабильного приспособления и расширяют расширяемое бистабильное приспособление.

В качестве линии связи можно использовать кабель, который направляют вдоль внешней части расширяемого бистабильного приспособления.

Можно осуществлять крепление линии связи к расширяемому бистабильному приспособлению при его спуске прохождением в скважину. Линию связи можно располагать в канале для линии связи. Линию связи можно располагать в канале для линии связи вдоль толстого сжатого элемента, образованного между множеством бистабильных ячеек расширяемого бистабильного приспособления.

В способе можно использовать расширяемое бистабильное приспособление, содержащее дополнительно приспособление, прикрепленное к расширяемому бистабильному приспособлению. В качестве приспособления, прикрепленного к расширяемому бистабильному приспособлению, можно использовать датчик или инструмент.

Далее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

фиг. 1А и 1В иллюстрируют усилия, прилагаемые для создания бистабильной структуры;

фиг. 2А и 2В иллюстрируют кривые прогиба сил двух бистабильных структур;

фиг. 3A-3F иллюстрируют расширенное и сжатое состояние трех бистабильных ячеек с различными соотношениями толщины;

фиг. 4А и 4В иллюстрируют бистабильную расширяемую трубу в ее расширенном и сжатом состояниях;

фиг. 4С и 4D иллюстрируют бистабильную расширяемую трубу в сжатом и расширенном состояниях внутри буровой скважины;

фиг. 5А и 5В иллюстрируют расширяемый тип пакера приспособления развертывания;

фиг. 6А и 6В иллюстрируют механический тип пакера приспособления развертывания;

фиг. 7А-7D иллюстрируют расширяемый тип оправки приспособления развертывания;

фиг. 8А-8D иллюстрируют поршневой тип приспособления развертывания;

фиг. 9А и 9В иллюстрируют пробочный тип приспособления развертывания;

фиг. 10А и 10В иллюстрируют шаровой тип приспособления развертывания;

фиг. 11 представляет схематический вид буровой скважины с использованием расширяемой бистабильной трубы;

фиг. 12 иллюстрирует приводимое в действие двигателем приспособление развертывания радиальных роликов;

фиг. 13 иллюстрирует приводимое в действие гидравлическим путем приспособление развертывания радиальных роликов;

фиг. 14 иллюстрирует бистабильную расширяемую трубу, имеющую обертку;

фиг. 14А представляет вид, подобный фиг. 14, в котором обертка включает в себя экран;

фиг. 14В представляет вид, подобный фиг. 14, иллюстрирующий другой альтернативный вариант осуществления;

фиг. 14С представляет вид, подобный фиг. 14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;

фиг. 14D представляет вид, подобный фиг. 14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;

фиг. 14Е представляет вид, подобный фиг. 14, иллюстрирующий еще один альтернативный вариант осуществления;

фиг. 15 представляет изображение в перспективе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 15А представляет вид в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 16 представляет частичное изображение в перспективе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 17А-В представляют частичное изображение в перспективе и частичный вид с торца в поперечном разрезе, соответственно, альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 18 представляет частичный вид с торца в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения.

Хотя изобретение допускает различные изменения и альтернативные формы, на чертежах в качестве примера показаны и ниже подробно описаны его определенные варианты осуществления. Однако следует понимать, что приведенное здесь описание определенных вариантов осуществления предназначено не для ограничения изобретения конкретными раскрытыми формами, а наоборот, целью его является охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения, определяемые прилагаемой формулой изобретения.

Используемые в настоящем изобретении бистабильные приспособления могут иметь преимущество принципа, иллюстрируемого на фиг. 1А и 1В. На фиг. 1А показан стержень 10, каждый конец которого прикреплен к жестким опорам 12. Если стержень 10 подвергается воздействию осевого усилия, он начинает деформироваться, как показано на фиг. 1В. При увеличении осевого усилия стержень 10 в конечном счете достигает своего предела продольного изгиба Эйлера и отклоняется к одному из двух устойчивых положений, показанных позициями 14 и 15. Если имеющий продольный изгиб стержень теперь закрепить в изогнутом положении, сила под прямым углом к длинной оси может вызывать перемещение стержня в одно из устойчивых положений, но не в другое положение. Когда стержень подвергается воздействию боковой силы, он должен переместиться на угол β, прежде чем отклониться к его новому устойчивому положению.

Бистабильные системы характеризуются кривой отклонения под действием силы, как показано на фиг. 2А и 2В. Приложенная с внешней стороны сила 16 вызывает перемещение стержня 10 фиг. 1В в направлении оси Х и достигает максимума 18 в начале сдвига от одной устойчивой конфигурации к другой. Дальнейший прогиб требует меньшую силу, потому что система теперь имеет отрицательную пружинящую скорость, и когда сила становится нулевой, происходит самопроизвольный прогиб ко второму устойчивому положению.

Кривая прогиба под действием силы для этого варианта симметрична и иллюстрируется на фиг. 2А. Посредством приложения любого предварительного изгиба к стержню или асимметричному поперечному сечению, кривую силового прогиба можно делать асимметричной, как показано на фиг. 2В. В этой системе сила 19, требуемая для того, чтобы стержень принял одно устойчивое положение, больше силы 20, требуемой для создания обратного прогиба. Сила 20 должна быть больше нуля, чтобы система имела бистабильные характеристики.

Бистабильные структуры, иногда называемые рычажными приспособлениями, использовали в промышленности для таких приспособлений, как гибкие диски, зажимы через центр, удерживающие приспособления и системы быстрого освобождения для натяжных тросов (например, в оттяжках оснастки парусных судов).

Вместо использования жестких опор, как показано на фиг. 1А и 1В, можно сконструировать ячейку, где обеспечивается ограничение посредством изогнутых сжатых элементов, соединенных на каждом конце, как показано на фиг. 3А-3F. Если оба сжатых элемента 21 и 22 имеют одинаковую толщину, как показано на фиг. 3А и 3В, кривая прогиба под действием силы является линейной, и ячейка удлиняется при ее сжатии из разомкнутого положения (фиг. 3В) в ее сомкнутое положение (фиг. 3А) . Если сжатые элементы ячейки имеют различные толщины, как показано на фиг. 3С-3F, ячейка имеет характеристики прогиба под действием силы, показанные на фиг. 2В, и не изменяет длину при перемещении между ее двумя устойчивыми положениями. Таким образом, растяжимую бистабильную трубу можно сконструировать так, чтобы при увеличении радиального размера осевая длина оставалась постоянной. В одном варианте, если отношение толщин составляет более приблизительно 2:1, более тяжелый сжатый элемент противостоит продольным изменениям. Изменяя соотношение размеров толстого и тонкого сжатых элементов, можно изменять силы их разведения и сведения. Например, фиг. 3С и 3D иллюстрируют соотношение толщин приблизительно 3:1, а фиг. 3Е и 3F иллюстрируют соотношение толщин приблизительно 6:1.

Расширяемую бистабильную трубу, типа обсадной трубы, ремонтной муфты или скважинной колонны труб, можно конструировать с рядом окружающих бистабильных соединенных ячеек 23, как показано на фиг. 4А, 4В, где каждый тонкий сжимаемый элемент 21 соединен с толстым сжимаемым элементом 22. Продольную гибкость такой трубы можно изменять посредством изменения длины ячеек и посредством соединения каждого ряда ячеек с податливым звеном. Далее, характеристики прогиба под действием силы и продольную гибкость можно также изменять посредством конструирования формы ячейки. Фиг. 4А иллюстрирует расширяемую бистабильную трубу 24 в ее расширенной конфигурации, в то время как на фиг. 4В показана расширяемая бистабильная труба 24 в ее сжатой или сложенной конфигурации. В этом применении термин "сжатый" используется для определения конфигурации бистабильного элемента или приспособления в стабильном состоянии с самым маленьким диаметром, и это не означает, что элемент или приспособление каким-то образом повреждено. В сжатом состоянии бистабильную трубу 24 легко устанавливать в буровую скважину 29, как показано на фиг. 4С. После установки бистабильной трубы 24 в требуемом местоположении в буровой скважине ее расширяют, как показано на фиг. 4D.

Геометрическая форма бистабильных ячеек такова, что поперечное сечение трубы можно расширять в радиальном направлении с целью увеличения полного диаметра трубы. При радиальном расширении трубы бистабильные ячейки эластично деформируются до достижения определенной геометрической формы. В этот момент бистабильные ячейки перемещаются, например, обжимаются до конечной расширенной геометрической формы. При некоторых материалах и/или конструкциях бистабильных ячеек можно высвободить достаточно энергии во время упругой деформации ячейки, когда каждая бистабильная ячейка сжимается после определенных геометрических размеров, чтобы расширяющиеся ячейки были способны начать расширение смежных бистабильных ячеек после критической бистабильной геометрической формы ячейки. В зависимости от кривых прогиба, часть или даже полную длину бистабильной расширяемой трубы можно расширять от одной точки.

Аналогичным образом, если радиальные сжимающие усилия приложить к расширенной бистабильной трубе, она сжимается в радиальном направлении, и бистабильные ячейки эластично деформируются до достижения критической геометрической формы. В этот момент бистабильные ячейки сжимаются до конечной сжатой структуры. Таким образом расширение бистабильных труб является реверсным и повторимым. Следовательно, бистабильная труба может быть повторно используемым инструментом, который по выбору изменяется между расширенным состоянием, как показано на фиг. 4А, и сжатым состоянием, как показано на фиг. 4В.

В сжатом состоянии, как показано на фиг. 4В, бистабильную расширяемую трубу легко устанавливать в буровую скважину и перемещать в требуемое местоположение. Затем используют приспособление развертывания, чтобы изменить конфигурацию из сжатого состояния в расширенное состояние.

В расширенном состоянии, как показано на фиг. 4А, структурное управление эластичными свойствами материала каждой бистабильной ячейки может быть таким, что стенкой трубы можно прилагать постоянное радиальное усилие для сдерживания поверхности буровой скважины. Свойства материала и геометрическую форму бистабильных ячеек можно конструировать так, чтобы получать определенные желательные результаты.

Одним вариантом конструкции для достижения желательных результатов является колонна расширяемых бистабильных труб более чем с одним диаметром по всей длине колонны. Она может быть полезна в стволах буровых скважин с изменяющимися диаметрами, независимо от того, сконструированы ли они таким способом или получены в результате незапланированных событий, типа размыва формации или уступов внутри ствола скважины. Это может быть также выгодно, когда желательно иметь часть бистабильного растяжимого приспособления, расположенную внутри укрепленной обсадной трубой секции скважины, в то время как другую часть располагают в неукрепленной обсадной трубой секции скважины. Фиг. 11 иллюстрирует один вариант этого условия. Буровую скважину 40 бурят от поверхности 42, и она включает укрепленную обсадной трубой секцию 44 и неукрепленную обсадной трубой секцию 46. Расширяемое бистабильное приспособление 48, имеющее сегменты 50, 52 с различными диаметрами, размещают в скважине. Секция 50 с большим диаметром используется для стабилизирования неукрепленной обсадной трубой секции 46 скважины, в то время как секцию 52, имеющую уменьшенный диаметр, располагают внутри укрепленной обсадной трубой секции 44 скважины.

Бистабильные втулки или соединители 24А (фиг. 4С) можно сконструировать так, чтобы обеспечить выполнение соединения между собой секций бистабильных расширяемых труб в колонну пригодных длин, используя такой принцип, как показано на фиг. 4A и 4B. Этот бистабильный соединитель 24A также включает бистабильную конструкцию ячеек, которая позволяет расширять его в радиальном отношении, используя тот же механизм, как в случае бистабильного расширяемого трубчатого компонента. Примерные бистабильные соединители имеют диаметр немного больше, чем у секций расширяемой трубы, которые подлежат соединению. Бистабильный соединитель в этом случае размещают поверх концов двух секций и механически крепят к секциям расширяемой трубы. Механические крепежные детали типа винтов, заклепок или лент можно использовать для соединения соединителя с секциями труб. Бистабильный соединитель обычно конструируют так, чтобы он имел скорость расширения, которая совместима со скоростью расширяемых секций труб, так, чтобы он продолжал соединять две секции после расширения двух сегментов и соединителя.

В качестве альтернативы бистабильный соединитель может иметь диаметр меньше, чем две соединяемых расширяемых секции труб. В этом случае соединитель вставляют внутрь концов труб и механически закрепляют, как описано выше. Другой вариант осуществления включает механическую обработку концов секций трубы либо на их внутренних, либо наружных поверхностях для образования кольцевых вырезов, в которых располагают соединитель. Соединитель, сконструированный для подгонки в вырезы, размещают в вырезах. Затем соединитель механически крепят к концам, как описано выше. Таким образом соединитель образует соединение относительно утопленного типа с секциями труб.

Средство 31 перемещения перемещает отрезки бистабильных расширяемых труб и бистабильные соединители в буровую скважину и к требуемому местоположению (фиг. 4С и 4D) . В средстве перемещения можно использовать один или несколько механизмов типа талевого троса, спирально свернутой трубы, спирально свернутой трубы с проволочной жилой, бурильной трубы, трубы для эксплуатации скважины или обсадной трубы.

Для расширения бистабильных расширяемых труб и соединителей скважины в нижний узел можно вводить приспособления 33 развертывания (фиг. 4С, 4D) . Приспособления развертывания могут быть различных типов, типа элемента надувного пакера, элемента механического пакера, расширяемой оправки, поршневого прибора, механического исполнительного механизма, электрического соленоида, прибора пробочного типа, например, приспособления конической формы, протянутого или продвинутого через трубу, прибора шарового типа или расширителя вращательного типа, как дополнительно описано ниже.

Элемент надувного пакера показан на фиг. 5А и 5В и является приспособлением с надувным вкладышем гидроциклона, элементом или сильфоном, включенным в нижний узел скважины системы бистабильной расширяемой трубы. Как показано на фиг. 5А, элемент 25 надуваемого пакера располагают внутри полной длины или части бистабильной трубы 24 начального сжатого состояния и любых бистабильных расширяемых соединителей (не показанных). После расположения бистабильной расширяемой трубы на надлежащей глубине развертывания элемент 25 надуваемого пакера расширяют в радиальном отношении посредством нагнетания текучей среды в приспособление, как показано на фиг. 5В. Надуваемую текучую среду можно нагнетать с поверхности через трубы или бурильную трубу механическим насосом или с помощью электрического насоса наклонной скважины, который питается электроэнергией по проводному кабелю. По мере расширения элемента 25 надуваемого пакера он вызывает также расширение в радиальном направлении бистабильной расширяемой трубы 24. При определенном диаметре расширения элемент надуваемого пакера заставляет бистабильные ячейки в трубе достигать критической геометрической формы, когда начинается бистабильный эффект "защелкивания" и система бистабильных расширяемых труб расширяется до ее заключительного диаметра. В заключение из элемента 25 надуваемого пакера выпускают воздух и его удаляют из размещенной бистабильной растяжимой трубы 24.

Элемент механического пакера, изображенный на фиг. 6А и 6В, представляет собой приспособление с деформируемым пластиковым элементом 26, который расширяется в радиальном направлении при сжатии в осевом направлении. Силу для сжатия элемента можно обеспечивать посредством механизма 27 сжатия, типа винтового механизма, кулачка или гидравлического поршня. Элемент механического пакера развертывает бистабильные растяжимые трубы и соединители таким же образом, как элемент надуваемого пакера. Деформируемый пластиковый элемент 26 прикладывает радиальное усилие, направленное наружу к внутренней периферии бистабильных расширяемых труб и соединителей, позволяя им в свою очередь расшириться из сжатого положения (фиг. 6А) до окончательного развернутого диаметра (фиг. 6В).

Расширяемая оправка показана на фиг. 7А-7D и содержит ряд пальцев 28, которые расположены радиально вокруг конической оправки 30. На фиг. 7А, 7С показаны виды сбоку и сверху, соответственно. При проталкивании или протягивании оправки 30 через пальцы 28 они расходятся радиально наружу, как показано на фиг. 7В, 7D. Расширяемую оправку используют таким же способом, как элемент механического пакера для развертывания бистабильной расширяемой трубы и соединителя.

Приспособление поршневого типа показано на фиг. 8А-8D и содержит ряд поршней 32, направленных радиально во внешние стороны и используемых в качестве механизма для расширения бистабильных расширяемых труб и соединителей. При подведении энергии поршни 32 прилагают радиально направленную силу, чтобы развернуть узел бистабильных расширяемых труб, как в случае элемента надувного пакера. Фиг. 8А и 8С иллюстрируют втянутые поршни, в то время как на фиг. 8В и 8D показаны выдвинутые поршни. Устройство поршневого типа можно приводить в действие гидравлическим, механическим или электрическим способом.

Исполнительный механизм пробочного типа иллюстрируется на фиг. 9А и 9В и содержит пробку 34, которую проталкивают или протягивают через бистабильные расширяемые трубы 24 или соединители, как показано на фиг. 9А. Пробку применяют такого размера, чтобы расширить бистабильные ячейки за пределы их критической точки, когда они защелкиваются в конечном расширенном диаметре, как показано на фиг. 9В.

Исполнительный механизм шарового типа показан на фиг. 10А и 10В и действует, когда шар 36 с увеличенным размером нагнетают через середину бистабильных расширяемых труб 24 и соединителей. Для предотвращения потери текучей среды через прорези ячеек основанный на расширяемом эластомере вкладыш 38 движется внутри системы бистабильных расширяемых труб. Вкладыш 38 действует как изолятор и позволяет шару 36 гидравлически нагнетаться через бистабильную трубу 24 и соединители. Действие нагнетания шара 36 через бистабильные расширяемые трубы 24 и соединители состоит в расширении геометрических форм ячейки за пределы критической бистабильной точки, позволяя осуществлять полное расширение, как показано на фиг. 10В. После расширения бистабильных расширяемых труб и соединителей эластомерный вкладыш 38 и шар 36 извлекают.

Исполнительные механизмы типа радиальных роликов можно использовать для расширения секций бистабильных труб. Фиг. 12 иллюстрирует приводимый двигателем инструмент расширяемого радиального ролика. Инструмент содержит один или несколько комплектов рычагов 58, которые расширяются до установленного диаметра посредством механизма и шарнира. На конце каждого комплекта рычагов находится ролик 60. Можно прикреплять к инструменту приспособления 62 для центровки с целью правильного его расположения внутри буровой скважины и бистабильной трубы 24. Двигатель 64 создает усилие для поворачивания всего узла, таким образом поворачивая ролик (ролики) по периферии внутри буровой скважины. Ось ролика (роликов) расположена так, чтобы позволять ролику (роликам) свободно поворачиваться при контакте с внутренней поверхностью трубы. Каждый ролик может иметь сечение конической формы для увеличения площади соприкосновения поверхности ролика с внутренней стенкой трубы. Вначале ролики втягивают и инструмент продвигают внутри сжатой бистабильной трубы. Затем инструмент вращают посредством двигателя 64, и ролики 60 перемещаются во внешнюю сторону, чтобы войти в соприкосновение с внутренней поверхностью бистабильной трубы. После вхождения в соприкосновение с трубой ролики поворачиваются во внешние стороны на большее расстояние для приложения направленного во внешние стороны радиального усилия к бистабильной трубе. Направленное наружу перемещение роликов можно выполнять посредством центробежной силы или соответствующего исполнительного механизма, подсоединенного между двигателем 64 и роликами 60.

Конечное положение поворота регулируют на точку, где бистабильная труба может быть расширена до конечного диаметра. Затем инструмент перемещают в продольном направлении по сжатой бистабильной трубе, в то время как двигатель продолжает вращать шарнир и ролики. Ролики следуют по неглубокому спиральному пути 66 внутри бистабильной трубы, расширяя бистабильные ячейки на своем пути. После развертывания бистабильной трубы вращение инструмента прекращается и ролики втягиваются. Затем инструмент извлекают из бистабильной трубы средством 68 перемещения, которое можно также использовать для вставления инструмента.

Фиг. 13 иллюстрирует приводимое гидравлическим способом приспособление развертывания радиальными роликами. Инструмент содержит один или несколько роликов 60, которые приводятся в соприкосновение с внутренней поверхностью бистабильной трубы посредством гидравлического поршня 70. Внешнее радиальное усилие, прикладываемое роликами, можно увеличивать до точки, когда бистабильная труба расширяется до ее конечного диаметра. Приспособление 62 для центровки можно крепить к инструменту с целью правильного расположения его внутри буровой скважины и бистабильной трубы 24. Ролики 60 первоначально втягиваются, и инструмент продвигают в сжатую бистабильную трубу 24. Затем ролики 60 развертывают и проталкивают относительно внутренней стенки бистабильной трубы 24 с целью расширения части трубы до ее конечного диаметра. Затем весь инструмент проталкивают или протягивают в продольном направлении по бистабильной трубе 24, расширяя весь отрезок бистабильных ячеек 23. После развертывания бистабильной трубы 24 в ее расширенном состоянии ролики 60 втягиваются, и инструмент извлекают из буровой скважины средством 68 перемещения, используемого для его вставления. Изменяя ось роликов 60, инструмент можно вращать посредством мотора при его следовании в продольном направлении по бистабильной трубе 24.

Энергию для работы устройства развертывания можно подвести от одного или комбинации источников типа: электроэнергии подаваемой или с поверхности, или накопленной в аккумуляторной батарее, расположенной вместе с приспособлением развертывания, гидравлической энергии, обеспечиваемой насосами на поверхности или в нисходящей скважине турбинами или накопителем текучей среды и механической энергии, прикладываемой через соответствующее соединение, приводимое в действие движением, обеспечиваемым с поверхности или запасенным в нисходящей скважине, например, в пружинном механизме.

Систему бистабильных расширяемых труб конструируют так, что внутренний диаметр развернутой трубы расширяется, чтобы сохранять максимальную площадь поперечного сечения вдоль расширяемой трубы. Эта особенность позволяет строить буровые моно-скважины и облегчает устранение проблем, связанных с традиционными системами обсадных труб буровых скважин, где наружный диаметр обсадной трубы должен многократно ступенчато уменьшаться, ограничивая доступ в длинных буровых скважинах.

Систему бистабильных расширяемых труб можно использовать в многочисленных применениях типа расширяемого вкладыша части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами (фиг. 14), где бистабильная расширяемая труба 24 используется для поддержания формации части буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами посредством приложения внешнего радиального усилия на поверхности буровой скважины. Когда бистабильная труба 24 радиально расширяется в направлении стрелок 71, труба перемещается в соприкосновении с поверхностью, образующей ствол 29 скважины. Эти радиальные усилия помогают стабилизовать формации и позволяют бурить скважины с меньшим количеством обычных колонн обсадных труб. Вкладыш буровой скважины, не закрепленной обсадными трубами, также может содержать материал, например обертку 72, который уменьшает темп потерь текучей среды из буровой скважины в формации. Обертку 72 можно делать из ряда материалов, включая расширяемые материалы и/или эластомерные материалы. Благодаря уменьшению потерь текучей среды в формации можно снизить расход бурового раствора и можно минимизировать риск потери циркуляции и/или сжатия ствола скважины.

Вкладыши также можно использовать внутри труб буровой скважины для целей защиты от коррозии. Одним примером коррозионной окружающей среды является окружающая среда, которая появляется, когда диоксид углерода используется для увеличения извлечения нефти из продуктивной свиты. Диоксид углерода (CO₂) легко реагирует с любой водой (H₂O), которая используется для образования угольной кислоты (Н₂СО₃) . Могут также вырабатываться другие кислоты, особенно, если присутствуют серосодержащие компоненты. Трубы, используемые для введения диоксида углерода, а также трубы, используемые в добывающих скважинах, подвергаются значительно повышенным скоростям коррозии. Настоящее изобретение можно использовать для размещения защитных вкладышей, бистабильных труб 24, внутри существующей трубы (например, трубы 73, показанной пунктирными линиями на фиг. 14), чтобы минимизировать коррозионные действия и увеличить эксплуатационную долговечность буровой скважины.

Другое применение включает использование бистабильной трубы 24, показанной на фиг. 14, в качестве расширяемого перфорированного вкладыша. Разомкнутые бистабильные ячейки в бистабильной расширяемой трубе допускают неограниченный поток из формации при обеспечении структуры для стабилизирования ствола скважины.

Еще одно применение бистабильной трубы 24 состоит в расширяемом песчаном экране, где бистабильные ячейки располагают так, чтобы они действовали в качестве экрана управления песком, или расширяемый элемент 74 экрана можно прикреплять к бистабильной расширяемой трубе, как показано на фиг. 14А, в его сжатом состоянии. Расширяемый элемент 74 экрана может быть образован в виде обертки вокруг бистабильной трубы 24. Обнаружено, что приложение сил растягивающего напряжения к стене ствола скважины само по себе помогает стабилизировать формацию и ослабляет или устраняет приток песка из продуктивных зон, даже если не используется элемент дополнительного экрана.

Другим применением бистабильной трубы 24 является укрепленный расширяемый вкладыш, где структура ячейки бистабильной расширяемой трубы укреплена цементом или смолой 75, как показано на фиг. 14В. Цемент или смола 75 обеспечивают усиленную структурную поддержку или гидравлическую изоляцию от формации.

Бистабильную расширяемую трубу 24 также можно использовать, как растяжимую систему связи для соединения традиционных отрезков обсадной трубы 76а или 76b различных диаметров, как показано на фиг. 14С. Трубу 24 также можно использовать в качестве структурного восстановительного соединения для обеспечения увеличенной прочности для существующих секций обсадной трубы.

Другое применение включает в себя использование бистабильной расширяемой трубы 24 в качестве анкера внутри буровой скважины, к которому можно крепить другие инструментальные средства или обсадные трубы, или в качестве "ловильного" инструмента, в котором бистабильные характеристики используются для возврата предметов, потерянных или застрявших в буровой скважине. Бистабильную расширяемую трубу 24 в ее сжатой конфигурации вводят в потерянную деталь 77 и затем расширяют, как показано стрелками 78 на фиг. 14D. В расширенной конфигурации бистабильная труба создает радиальные усилия, которые помогают возвращать потерянную деталь. Бистабильную трубу также можно вводить в скважину в ее расширенной конфигурации, располагать поверх и сжимать в направлении стрелок 79 вокруг потерянной детали 77 в попытке прикрепить и возвратить ее, как показано на фиг. 14Е. После захвата потерянной детали 77 бистабильной трубой 24 ее можно возвращать через буровую скважину 29.

Описанные выше бистабильные расширяемые трубы можно изготавливать различными способами, например, прорезая пути соответствующих форм через стенку цилиндрической трубы, создавая тем самым расширяемое бистабильное устройство в его сжатом состоянии; вырезая узоры в цилиндрической трубе, создавая тем самым расширяемое бистабильное устройство в его расширенном состоянии и затем сжимая устройство в его сжатое состояние; прорезая соответствующие пути через лист материала, скручивая материал в трубчатую форму и соединяя концы для образования расширяемого бистабильного устройства в его сжатом состоянии; или вырезая узоры в листе материала, скручивая материал в трубчатую форму, соединяя смежные концы для образования расширяемого бистабильного устройства в его расширенном состоянии и затем сжимая устройство в его сжатое состояние.

Материалы конструкции для бистабильных расширяемых труб могут включать в себя материалы, обычно используемые в нефтегазовой промышленности, типа углеродистой стали. Их можно также изготавливать из специальных сплавов (типа монеля, инконеля, хастеллоя или сплавов, основанных на вольфраме), если требуется их применение.

Конфигурации, показанные для бистабильной трубы 24, иллюстрируют работу основной бистабильной ячейки. Могут также подходить другие конфигурации, но представленная концепция также имеет силу для этих других конфигураций.

Фиг. 15 иллюстрирует расширяемую трубу 80, образованную бистабильными ячейками 82. Труба 80 определяет прореженную часть 84 (лучше видимую на фиг. 15), которая может иметь форму прорези, как показано, уплощение или иное прореживание части трубы 80. Прореженная часть 84 расширяется обычно в продольном направлении и может быть линейной, спиральной или следовать по некоторому другому извилистому пути. В одном варианте осуществления прореженная часть проходит от одного конца трубы к другому с целью обеспечения канала 84 линии связи для трубы 80. В таком варианте осуществления линия 86 связи может проходить по каналу 84 линии связи вдоль трубы 80. При таком способе линия 86 связи остается в обычном наружном диаметре трубы 80 или выходит только немного из наружной части этого диаметра. Хотя труба показана с одной прореживаемой часть 84, она может включать множество таких частей, которые рассредоточиваются по периферии трубы 80. Прореженная часть 84 может быть использована для размещения канала (не показанного), по которому проходят линии 86 связи или который используется для пропускания текучих сред или других материалов, типа смесей текучих сред и твердых веществ.

Используемый здесь термин "линия связи" относится к любому типу линии связи, например, электрической, гидравлической, волоконно-оптической, их комбинации и т.п.

Фиг. 15А иллюстрирует вариант прореженной части 84, сконструированной для размещения приспособления 88. Как и в случае размещения кабеля, приспособление 88, по меньшей мере, частично размещено в прореженной части трубы 80, так что степень, до которой оно проходит за пределы наружного диаметра трубы 80, уменьшается. Примерами некоторых альтернативных вариантов осуществления приспособлений 88 являются электрические приспособления, измерительные приспособления, счетчики, манометры, датчики. Более конкретные приспособления содержат клапаны, приборы для отбора проб, средство, используемое в разумном завершении скважины, термочувствительные элементы, датчики давления, регуляторы потока, средства измерения скорости потока, средства для измерения соотношения нефти/воды/газа, указатели масштаба, датчики оборудования (например, датчики вибрации), датчики обнаружения песка, датчики обнаружения воды, средства регистрации данных, датчики вязкости, датчики плотности, датчики появления первых пузырьков перед кипением, датчики состава, приспособления и датчики матрицы удельного сопротивления, акустические средства и датчики, другие телеметрические приспособления, датчики ближней инфракрасной области, детекторы гамма-излучений, детекторы H₂S, детекторы СО₂, блоки памяти наклонной скважины, контроллеры наклонной скважины. Примерами измерений, которые могут выполнять такие приспособления, являются скорость потока, давление, температура, разностное давление, плотность, относительные количества жидкости, газа и твердых веществ, водная выемка, отношение нефти и воды и другие измерения.

Как показано на фигуре, приспособление 88 может открываться для текучей среды внутри и снаружи трубы 80 через отверстия, образованные ячейками 82. Таким образом, прореженная часть 84 может соединять отверстия, а также соединения 21, 22 ячеек 82. Линия 86 связи и канал 84 линии связи в некоторых вариантах конструкции может проходить по части отрезка трубы 80. Например, если приспособление 88 размещено между концами трубы 80, канал 84 линии связи может оказаться необходимым только для прохождения от конца трубы до местоположения устройства 80.

Фиг. 16 иллюстрирует расширенную трубу 80, образованную из бистабильных ячеек 82, имеющих тонкие сжатые элементы 21 и толстые сжатые элементы 22. По меньшей мере, один из толстых сжатых элементов 90 оказывается относительно более широким, чем другие сжатые элементы трубы 80. Более широкий сжатый элемент 90 можно использовать для различных целей, например, для направления линий связи, включая кабели или устройства, типа матриц датчиков.

Фиг. 17А и 17В иллюстрируют трубу 80, имеющую сжатый элемент 90, который относительно более широкий, чем другие толстые сжатые элементы 22. Канал 92, образованный в сжатом элементе 90, облегчает размещение линии связи в скважине и проходит по трубе 80 и может использоваться для других целей. Фиг. 17В представляет собой вид в поперечном разрезе, показывающий канал 92. Канал 92 представляет альтернативный вариант осуществления канала 84 линии связи. Канал 94 может быть образован для обычного следования кривизне сжатого элемента, например, одного из толстых сжатых элементов 22, как далее показано на фиг. 17А и 17В.

Фиг. 18 иллюстрирует прореживаемую часть 84, имеющую конструкцию в виде ласточкина хвоста с относительно более узким отверстием. Линия 86 связи проходит через относительно узкое отверстие в более широкую нижнюю часть, например, посредством введения одной боковой кромки, а затем другой. Линия 86 связи удерживается на месте благодаря конструкции в виде ласточкина хвоста, как очевидно из фигур. Ширина линии 86 связи больше ширины отверстия. Линия 86 связи может содержать пучок линий, которые могут иметь одинаковые или различные формы (например, гидравлическую, электрическую и волоконно-оптическую линию, связанные вместе). Кроме того, разъемы для соединения смежных труб могут включать в себя разъем для линий связи.

Канал 84 линии связи можно использовать вместе с другими типами расширяемых труб, например, с трубами типа расширяемого вкладыша с прорезями, раскрытого в патенте США № 5366012, выданном 22 ноября 1994 г. Лобеку (Lohbeck), сложенными типами труб, раскрытыми в патенте США № 3489220, выданном 13 января 1970 г. Кинли (Kinley), патенте США № 5337823, выданном 16 августа 1994 г. Нобилю (Nobileau), патенте США № 3203451, выданном 31 августа 1965 г. Винсенту (Vincent).

Раскрытые здесь конкретные варианты осуществления изобретения являются только иллюстративными, поскольку изобретение можно изменять и осуществлять на практике различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, имеющих пользу от описанной здесь техники. Кроме того, никакие ограничения не предполагаются в отношении деталей конструкции или показанных здесь решений, кроме описанных в приведенной ниже формуле изобретения. Следовательно, очевидно, что конкретные раскрытые выше варианты осуществления можно изменять или модифицировать, и все такие видоизменения рассматриваются не выходящими за рамки сущности и объема изобретения. В соответствии с этим, найденная здесь защита такова, как изложено в нижеприведенной формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к оборудованию, которое может быть использовано при бурении и завершении буровой скважины в подземной формации и при добыче текучих сред из таких скважин. Устройство имеет расширяемый трубчатый компонент, способный перемещаться в скважину в сжатом состоянии и затем радиально расширяться до расширенного состояния. Средство перемещения способно перемещать расширяемый трубчатый компонент к требуемому месторасположению в буровой скважине. Приспособление развертывания вызывает расширение расширяемого трубчатого компонента из его первой в общем трубчатой конфигурации в его вторую в общем трубчатую конфигурацию. Компонент представляет собой расширяемое бистабильное приспособление, сформированное для развертывания вблизи стенки буровой скважины, имеющее множество бистабильных ячеек, расположенных в общем в трубчатой форме, и являющееся устойчивым в сжатой и расширенной конфигурации. Одно из двух других устройств имеет дополнительно канал для линии связи, а другое – приспособление, прикрепляемое к расширяемому бистабильному приспособлению. В первом способе компонент используют для стабилизации незакрепленной обсадной трубой секции буровой скважины в подземной формации. Размещают приспособление в местоположении в буровой скважине, вначале в первом устойчивом состоянии, а затем радиально расширяют во второе устойчивое состояние. Во втором варианте способа компонент используют для задержания притока песка в буровую скважину. Размещают компонент по ранее описанной схеме. Расширяют по меньшей мере частично за пределы неустойчивого диапазона по направлению к устойчивому состоянию, пока бистабильное приспособление будет способным создать силу расширяющего напряжения относительно буровой скважины. В следующем варианте способа компонент используют для монтажа вкладыша внутри трубы, расположенной в скважине. Расширяемое бистабильное приспособление окружают расширяемым элементом вкладыша, прикрепленным к наружной поверхности бистабильного приспособления. Размещают расширяемое приспособление в местоположении внутри трубы вначале в первое устойчивое состояние и расширяют во второе устойчивое состояние для удержания расширяемого элемента вкладыша относительно внутреннего диаметра трубы. Еще в одном варианте способа используют компонент с каналом для линии связи. Устройство опускают в скважину и направляют, по меньшей мере, часть линии связи рядом с, по меньшей мере, частью упомянутого расширяемого бистабильного приспособления и расширяют его. В другом варианте способа компонент располагают внутри трубы буровой скважины рядом с зоной, подлежащей уплотнению. Расширяют расширяемое бистабильное приспособление относительно буровой скважины посредством его перемещения через неустойчивую область по направлению к расширенному устойчивому состоянию. Использование изобретения снижает усилия, требуемые для расширения трубы из радиально сжатого состояния до радиально расширенного состояния. 8 с. и 31 з.п. ф-лы, 18 ил.

Формула