005440 -1- Настоящее изобретение относится к скважинной

005440
Настоящее изобретение относится к скважинной системе, содержащей ствол скважины, проходящий в пласт земли, трубчатый элемент, проходящий в ствол скважины, и цилиндрическую стенку, окружающую трубчатый элемент с образованием между трубчатым элементом и цилиндрической стенкой
кольцевого пространства, и по меньшей мере один уплотнительный элемент, расположенный в указанном кольцевом пространстве. Цилиндрическая стенка может быть образована, например, стенкой ствола
скважины или другим трубчатым элементом.
Известные уплотнительные элементы представляют собой, например, пакеры, которые размещают
в стволе скважины для уплотнения кольцевого пространства между обсадной колонной и насоснокомпрессорной колонной, проходящими в ствол скважины. Такой пакер выполнен с возможностью деформирования в радиальном направлении между втянутым положением, в котором пакер опускают в
ствол скважины, и расширенным положением, при котором пакер образует уплотнение. Пакер может
быть приведен в действие с помощью механических или гидравлических средств. Ограничение применимости таких пакеров проявляется в том, что уплотняемые поверхности должны быть четко определенными.
Кольцевой уплотнительный элемент другого типа образуют с помощью слоя цемента, расположенного в кольцевом пространстве между обсадной колонной скважины и стенкой ствола скважины. Несмотря на то, что, как правило, цемент обеспечивает достаточную уплотняющую способность, имеется
ряд свойственных данному виду уплотнений недостатков, таких как усадка цемента во время затвердевания, приводящая к нарушению сцепления цементной оболочки, или растрескивание цементного слоя
после затвердевания, например, вследствие скачкообразных изменений давления и температуры во время
эксплуатации скважины.
Ввиду вышесказанного существует необходимость в усовершенствованной скважинной системе,
обеспечивающей достаточное герметичное перекрытие кольцевого пространства, образованного между
трубчатым элементом, проходящим в ствол скважины, и цилиндрической стенкой, окружающей трубчатый элемент.
В соответствии с настоящим изобретением разработана скважинная система, содержащая ствол
скважины, проходящий в пласт земли, трубчатый элемент, проходящий в ствол скважины, и цилиндрическую стенку, окружающую трубчатый элемент, с образованием между трубчатым элементом и цилиндрической стенкой кольцевого пространства, по меньшей мере один уплотнительный элемент, размещенный в кольцевом пространстве и выполненный с возможностью перехода между втянутым состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет первый объем, и расширенным состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет второй объем, превышающий первый объем, и герметично перекрывает
кольцевое пространство, при этом уплотнительный элемент содержит материал, набухающий при контакте с выбранной текучей средой и вызывающий переход уплотнительного элемента из втянутого состояния в его расширенное состояние.
При вводе уплотнительного элемента в контакт с выбранной текучей средой уплотнительный элемент набухает и, тем самым, прочно зажимается между трубчатым элементом и цилиндрической стенкой. В результате обеспечивается надлежащее герметичное перекрытие кольцевого пространства даже в
том случае, если один из двух элементов или оба элемента, представляющие собой трубчатый элемент и
цилиндрическую стенку, имеют неправильную форму.
Соответственно, цилиндрическая стенка представляет собой стенку ствола скважины или стенку
обсадной колонны, проходящей в ствол скважины.
Система по изобретению также может быть использована в тех случаях применения, в которых цилиндрическая стенка представляет собой стенку наружной обсадной колонны, расположенной в стволе
скважины, и в которых трубчатый элемент представляет собой внутреннюю обсадную колонну, насоснокомпрессорную колонну или колонну-хвостовик, расположенную в стволе скважины и проходящую, по
меньшей мере, частично в наружную обсадную колонну.
Для получения еще лучшей системы уплотнения предпочтительно, чтобы трубчатый элемент был
расширен в радиальном направлении в стволе скважины. В таком случае применения уплотнительный
элемент может быть, например, размещен на наружной поверхности трубчатого элемента перед расширением трубчатого элемента в радиальном направлении для обеспечения возможности легкой установки
трубчатого элемента и уплотнительного элемента в стволе скважины. После этого трубчатый элемент
может быть расширен в радиальном направлении перед набуханием или после набухания уплотнительного элемента вследствие контакта с выбранной текучей средой. Тем не менее, для уменьшения сил, требуемых для расширения трубчатого элемента, предпочтительно, чтобы набухание уплотнительного элемента происходило после расширения трубчатого элемента.
Соответственно, выбранная текучая среда представляет собой воду или углеводородную текучую
среду, содержащуюся в пласте земли.
Предпочтительно, чтобы материал уплотнительного элемента включал одно из следующих соединений: резиновую смесь, термоотверждающееся соединение или термопластичное соединение. Резиновая смесь, соответственно, выбрана из термоотверждающейся резиновой смеси или термопластичной
резиновой смеси.
-1-
005440
Примерами соответствующих термоотверждающихся каучуков, набухающих при контакте с нефтью, являются следующие:
натуральный каучук, нитрильный каучук, гидрированный нитрильный каучук, бутадиен-акриловый
каучук, акриловый каучук, бутилкаучук (изобутиленизопреновый каучук), бромированный бутилкаучук
(бромбутилкаучук), хлорированный бутилкаучук (хлорбутилкаучук), хлорированный полиэтилен, неопреновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, сульфированный полиэтилен, этилен-акриловый каучук,
сополимер эпихлоргидрина и этиленоксида, сополимер этилена и пропилена (сшитый пероксидом), сополимер этилена и пропилена (сшитый серой), тройной этиленпропилендиеновый каучук, сополимер
этилена и винилацетата, фторсодержащие каучуки, фторсиликоновый каучук и силиконовые каучуки.
Анализ термоотверждающихся и термопластичных каучуков и их способности набухать в определенных текучих средах, таких как углеводородные среды, можно найти в авторитетных справочных изданиях, таких как 'Rubber Technology Handbook', автор Werner Hofmann (ISBN 3-446-14895-7, Hanser
Verlag Muenchen), главы 2 и 3. Предпочтительно следует выбрать каучуки, которые разбухают в значительной степени (по меньшей мере на 50 об.%) в углеводородах при типовых условиях с точки зрения
температуры и давления, с которыми сталкиваются в нефтяных или газовых скважинах, но все же остаются целостными в набухшем состоянии в течение длительных периодов времени (то есть несколько
лет). Примерами таких каучуков являются сополимер этилена и пропилена (сшитый пероксидом), также
известный как каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, сополимер этилена и пропилена (сшитый серой), также известный как каучук на основе сополимера этилена, пропилена
и диенового мономера, тройной этиленпропилендиеновый каучук, также известный как тройной этиленпропиленовый сополимер, бутилкаучук, бромированный бутилкаучук, хлорированный бутилкаучук и
хлорированный полиэтилен.
Примерами пригодных материалов, которые набухают при контакте с водой, являются привитой
сополимер крахмала и полиакриловой кислоты, привитой сополимер поливинилового спирта и ангидрида циклической кислоты, изобутиленовый малеиновый ангидрид, полиакриловые кислоты, сополимер
винилацетата и эфира акриловой кислоты, полиэтиленоксидные полимеры, полимеры типа карбоксиметилцеллюлозы, привитые сополимеры крахмала и полиакрилонитрила и т.п. и сильно разбухающие глинистые минералы, такие как натриевый бентонит, имеющий монтмориллонит в качестве основного ингредиента.
Соответствующие составы раскрыты, например, в патенте США 5011875 на коррозионно-стойкую
композицию, способную разбухать в воде, в патенте США 5290844 на гидроизоляцию, способную разбухать в воде, в патенте США 4590227 на эластомерную композицию, способную разбухать в воде, в патенте США 4740404 на гидроизоляцию, в патентах США 4366284, 4443019 и 4558875 на разбухающие в
воде эластомерные композиции, которые поставляются на рынок под такими товарными знаками, как
HYDROTITE и SWELLSTOP.
Изобретение будет описано ниже более подробно и в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:
фиг. 1 схематично показывает вариант осуществления скважинной системы согласно изобретению;
фиг. 2 - элемент скважинной системы, показанной на фиг.1.
На фиг. 1 показана скважинная система, содержащая ствол 1 скважины, пробуренной от поверхности 2 в пласт 3 земли. Ствол 1 скважины проходит через покрывающий слой 4 и коллекторную зону 6,
содержащую углеводородную текучую среду. Слой 8, содержащий пластовую воду, часто обнаруживают
под коллекторной зоной. Ствол 1 скважины имеет по существу вертикальную верхнюю часть 1а, проходящую через покрывающий слой 4, и по существу горизонтальную нижнюю часть 1b, проходящую в
коллекторную зону 6.
Трубчатая обсадная колонна 10, которая образована из ряда секций (не показанных), проходит от
оборудования устья 12 скважины на поверхности в верхнюю часть 1а ствола скважины. Дополнительная
трубчатая обсадная колонна 11 выполнена с множеством отверстий 15 (для ясности не все отверстия были обозначены ссылочными номерами), которые обеспечивают сообщение по текучей среде между внутренним пространством обсадной колонны 11 и пространством, наружным по отношению к ней. Кольцевые уплотнительные устройства 16, 18, 20, 22, 24 расположены на заданных расстояниях друг от друга в
кольцевом пространстве 26, образованном между нижней обсадной колонной 11 и стенкой нижней части
1b ствола скважины. Кроме того, насосно-компрессорная колонна 27 проходит от устья 12 скважины в
вертикальную часть 1а ствола скважины до места, расположенного у зоны перехода или рядом с зоной
перехода от вертикальной части 1а ствола скважины к горизонтальной части 1b ствола скважины. Насосно-компрессорная колонна 27 имеет открытый нижний конец 28 и снабжена уплотнительным пакером
29, который герметично перекрывает [уплотняет] кольцевое пространство между насоснокомпрессорной колонной 27 и обсадной колонной 10.
На фиг. 2 более подробно показано уплотнительное устройство 18, при этом остальные кольцевые
уплотнительные устройства аналогичны ему. Кольцевое уплотнительное устройство 18 содержит отдельные уплотнительные элементы 30, 31, 32, 33, 34, каждый из которых выполнен с возможностью перехода между его втянутым состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет первый объем, и
-2-
005440
расширенным состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет второй объем, превышающий первый объем, в результате чего уплотнительный элемент в его расширенном состоянии герметично перекрывает кольцевое пространство 26. Уплотнительные элементы 30, 32, 34 изготовлены из материала,
набухающего при контакте с углеводородной текучей средой, что вызывает переход уплотнительного
элемента 30, 32, 34 из втянутого состояния в его расширенное состояние. Уплотнительные элементы 31,
33 изготовлены из материала, набухающего при контакте с водой и вызывающего переход уплотнительного элемента 31, 33 из втянутого состояния в его расширенное состояние. Пригодным материалом для
уплотнительных элементов 30, 32, 34 является, например, каучук на основе сополимера этилена и пропилена, сшитый или серой, или пероксидом (тройной этиленпропилендиеновый каучук), бутилкаучук или
галогенированный бутилкаучук. Пригодным материалом для уплотнительных элементов 31, 33 является,
например, термоотверждающийся или термопластичный каучук, наполненный значительным количеством (60%) вещества, способного разбухать в воде, например бентонита, но могут быть использованы
любые из составов гидроизоляции, приведенных выше.
Во время нормальной эксплуатации бурят вертикальную часть 1а ствола скважины, и секции обсадной колонны 10 устанавливают в ней в процессе бурения. Каждую секцию обсадной колонны расширяют в радиальном направлении в вертикальной части 1а ствола скважины и традиционным образом цементируют в нем посредством слоя 14 цемента. После этого бурят горизонтальную часть 1b ствола скважины и устанавливают в ней нижнюю обсадную колонну 11. Перед спуском нижней обсадной колонны
11 в ствол 1 скважины кольцевые уплотнительные устройства 16, 18, 20, 22, 24 размещают вокруг наружной поверхности нижней обсадной колонны 11 на заданных расстояниях друг от друга, при этом каждый отдельный уплотнительный элемент 30, 31, 32, 33, 34 уплотнительных устройств находится во
втянутом состоянии. После установки нижней обсадной колонны 11 в нижней части 1b ствола скважины
нижнюю обсадную колонну 11 расширяют в радиальном направлении до диаметра, превышающего исходный диаметр так, что уплотнительные устройства 16, 18, 20, 22, 24 не будут находиться в контакте со
стенкой ствола скважины или будут находиться только в неплотном контакте с ней.
Когда начинается добыча нефти, задвижку (не показанную), установленную на устье 12 скважины,
открывают, и нефть проходит из коллекторной зоны 6 в нижнюю часть 1b ствола скважины. Нефть проходит через отверстия 15 в нижнюю обсадную колонну 11 и из нее через насосно-компрессорную колонну к оборудованию устья 12 скважины, откуда нефть транспортируется дальше по трубопроводу (не показанному) к соответствующему производственному оборудованию (не показанному).
Когда нефть проходит в нижнюю часть 1b ствола скважины, нефть входит в контакт с отдельными
уплотнительными элементами каждого уплотнительного устройства 16, 18, 20, 22, 24. В результате этого
уплотнительные элементы 30, 32, 34 набухают и переходят в расширенное состояние так, что при этом
они прочно зажимаются между нижней обсадной колонной 11 и стенкой ствола скважины. Таким образом, каждое уплотнительное устройство герметично перекрывает кольцевое пространство 26 и делит
горизонтальную часть 1b ствола скважины на соответствующие зоны 40, 41, 42, 43 ствола скважины, при
этом зона 40 образуется между уплотнительными устройствами 16 и 18, зона 41 образуется между уплотнительными устройствами 18 и 20, зона 42 образуется между уплотнительными устройствами 20 и 22,
и зона 43 образуется между уплотнительными устройствами 22 и 24.
После истечения некоторого времени может возникнуть ситуация, когда вода из пласта 8 будет поступать в горизонтальную часть 1b ствола скважины, например, вследствие хорошо известного явления образования конуса обводнения. Для определения зоны части 1b ствола скважины, в которой вода проходит в ствол скважины, соответствующий скважинный зонд, используемый при эксплуатации, спускают в нижнюю обсадную колонну 11 и приводят в действие. Как только будет определена зона, в которую
поступает вода, например зона 42, в нижней обсадной колонне 11 устанавливают накладку между уплотнительными устройствами 20, 22 так, чтобы закрыть отверстия 15, расположенные между уплотнительными устройствами 20, 22. Соответствующая накладка представляет собой, например, отрезок трубы (не
показанный), который расширяют в радиальном направлении до внутренней поверхности нижней обсадной колонны 11. Накладка может быть покрыта прокладкой (набивкой), разбухающей в воде.
Если уплотнительные элементы 30, 32, 34 соответствующих уплотнительных устройств 20, 22 перейдут во втянутое состояние, вследствие их прерванного контакта с углеводородной текучей средой,
наличие воды в зоне 42 гарантирует то, что уплотнительные элементы 31, 33 уплотнительных устройств
20, 22 будут набухать и перейдут в расширенное состояние. Таким образом, достигается то, что, по
меньшей мере, некоторые из уплотнительных элементов 30, 31, 32, 33, 34 уплотнительных устройств 20,
22 будут герметично перекрывать кольцевое пространство 26 независимо от того, является ли окружающая среда нефтью или водой.
В альтернативном варианте осуществления системы по изобретению расширяемый трубчатый хвостовик EST с щелевидными отверстиями (EST - представляет собой товарный знак) может быть использован вместо перфорированной нижней обсадной колонны 11, упомянутой выше. Например, может быть
использован хвостовик с перекрывающимися продольными щелевидными отверстиями, подобный описанному в патенте США 5366012. Во время расширения хвостовика в радиальном направлении металлические части хвостовика, находящиеся между щелевидными отверстиями, ведут себя подобно пластич-3-
005440
ным шарнирам так, что щелевидные отверстия расширяются и, тем самым, обеспечивают сообщение по
текучей среде между внутренним пространством хвостовика и пространством, наружным по отношению
к нему. Для изоляции заданных зон ствола скважины от других зон одну или более накладок, выполненных в виде сплошных секций обсадной колонны, можно расширить до внутренней поверхности хвостовика с щелевидными отверстиями. Такие сплошные секции обсадной колонны соответственно покрыты
чередующимися кольцевыми уплотнительными элементами из эластомеров, разбухающих в воде и в углеводородной среде. Таким образом, существует возможность перекрытия определенных секций хвостовика с щелевидными отверстиями, в которые поступила вода в процессе эксплуатации скважины.
В другом альтернативном варианте осуществления системы по изобретению расширяемый песочный фильтр ESS (ESS - это товарный знак), такой как описанный в патенте США 5901789, может быть
использован вместо перфорированной нижней обсадной колонны 11, упомянутой выше. И в данном случае накладки в виде сплошных секций обсадной колонны (предпочтительно покрытые прокладками, способными разбухать в углеводородной среде и/или в воде) могут быть расширены до внутренней поверхности расширяемого песочного фильтра с целью изоляции заданных зон. В особенности на очень длинных участках горизонтальных скважин или скважин с многими ответвлениями определенные секции
песочного фильтра, которые начнут «выдавать» воду (будут «обводнены»), и/или большие доли газа (будут «наполнены газом») могут быть заизолированы таким образом. Если не будут приняты никакие корректирующие меры, направленные против такой нежелательной выдачи [«добычи»] воды или газа, скважина очень быстро станет неэкономичной, и ее суммарная добыча углеводородных флюидов будет существенно снижена.
Возможность перекрыть обводненные или загазованные зоны ствола скважины позволяет инженеру-эксплуатационнику существенно отсрочить момент оставления скважины и максимально увеличить
суммарную добычу из скважины.
Вместо использования материала, который набухает при контакте с углеводородной текучей средой, и материала, набухающего при контакте с водой, в отдельных уплотнительных элементах такой материал может быть использован в одном уплотнительном элементе. Например, способность набухать в
углеводородной текучей среде, присущая каучуку на основе сополимера этилена и пропилена, сшитому
или пероксидом, или серой, или тройному этиленпропилендиеновому каучуку, может быть объединена
со способностью набухать в воде, присущей соответствующему наполнителю, например, такому как бентонит, в одном уплотнительном элементе, так что будет получен только один вид уплотнительного элемента с двойной функциональностью.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Скважинная система, содержащая ствол скважины, проходящий в пласт земли, трубчатый элемент, проходящий в ствол скважины, и цилиндрическую стенку, окружающую трубчатый элемент с образованием между трубчатым элементом и цилиндрической стенкой кольцевого пространства, по меньшей мере один уплотнительный элемент, размещенный в кольцевом пространстве и выполненный с возможностью перехода между втянутым состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет первый
объем, и расширенным состоянием, в котором уплотнительный элемент имеет второй объем, превышающий первый объем, и герметично перекрывает кольцевое пространство, при этом уплотнительный
элемент содержит материал, набухающий при контакте с выбранной текучей средой и вызывающий переход уплотнительного элемента из втянутого состояния в его расширенное состояние, отличающаяся
тем, что трубчатый элемент выполнен с возможностью расширения в радиальном направлении в стволе
скважины.
2. Система по п.1, в которой цилиндрическая стенка представляет собой стенку ствола скважины
или стенку обсадной колонны, проходящей в ствол скважины.
3. Система по п.1 или 2, в которой трубчатый элемент представляет собой перфорированную обсадную колонну, или хвостовик, или расширяемый трубчатый элемент с щелевидными отверстиями, или
расширяемый песочный фильтр.
4. Система по п.1, в которой цилиндрическая стенка представляет собой стенку наружной обсадной
колонны, расположенной в стволе скважины, и трубчатый элемент представляет собой внутреннюю обсадную колонну, расположенную в стволе скважины и проходящую, по меньшей мере частично, в наружную обсадную колонну.
5. Система по любому из пп.1-4, в которой множество уплотнительных элементов расположено на
заданных расстояниях друг от друга в кольцевом пространстве, и каждая секция трубчатого элемента,
расположенная между соседними уплотнительными элементами, выполнена по меньшей мере с одним
отверстием, обеспечивающим возможность сообщения по текучей среде между внутренним пространством трубчатого элемента и пластом земли, окружающим ствол скважины.
6. Система по п.5, в которой ствол скважины имеет по существу горизонтальную часть, и множество уплотнительных элементов расположено по существу в горизонтальной части.
-4-
005440
7. Система по п.5 или 6, в которой по меньшей мере одна секция трубчатого элемента, расположенная между соседними уплотнительными элементами, снабжена закрывающим средством, предназначенным для закрытия каждого указанного отверстия трубчатого элемента.
8. Система по п.7, в которой закрывающее средство включает трубу, размещенную по меньшей мере
в одной секции трубчатого элемента и расширенную в радиальном направлении к внутренней поверхности трубчатого элемента.
9. Система по любому из пп.1-8, в которой уплотнительный элемент включает по меньшей мере
один из следующих материалов: материал, набухающий при контакте с углеводородной текучей средой,
и материал, набухающий при контакте с водой.
10. Система по п.9, в которой материал уплотнительного элемента включает термопластичную резиновую смесь или термоотверждающуюся резиновую смесь.
11. Система по п.9 или 10, в которой материал уплотнительного элемента способен набухать при
контакте с углеводородной текучей средой и выбран из натурального каучука, нитрильного каучука,
гидрированного нитрильного каучука, бутадиенакрилового каучука, акрилового каучука, бутилкаучука,
бромированного бутилкаучука, хлорированного бутилкаучука, хлорированного полиэтилена, неопренового каучука, бутадиенстирольного каучука, сульфированного полиэтилена, этиленакрилового каучука,
сополимера эпихлоргидрина и этиленоксида, сополимера этилена и пропилена, сшитого пероксидом,
сополимера этилена и пропилена, сшитого серой, тройного этиленпропилендиенового каучука, сополимера этилена и винилацетата, фторсодержащих каучуков, фторсиликонового каучука и силиконовых
каучуков.
12. Система по п.11, в которой указанный материал выбран из каучука на основе сополимера этилена и пропилена, сшитого пероксидом или серой, тройного этиленпропилендиенового каучука, бутилкаучука, бромированного бутилкаучука, хлорированного бутилкаучука и хлорированного полиэтилена.
13. Система по п.9 или 10, в которой материал уплотнительного элемента способен набухать при
контакте с водой и выбран из привитого сополимера крахмала и полиакриловой кислоты, привитого сополимера поливинилового спирта и ангидрида циклической кислоты, изобутиленового малеинового ангидрида, полиакриловых кислот, сополимера винилацетата и эфира акриловой кислоты, полиэтиленоксидных полимеров, полимеров типа карбоксиметилцеллюлозы, привитых сополимеров крахмала и полиакрилонитрила и т.п. и сильно разбухающих глинистых минералов, таких как натриевый бентонит,
имеющий монтмориллонит в качестве основного ингредиента.
14. Система по любому из пп.1-13, в которой уплотнительный элемент образует часть уплотнительного устройства, содержащего по меньшей мере один другой уплотнительный элемент, включающий
материал, набухающий при контакте с углеводородной текучей средой и вызывающей переход уплотнительного элемента из втянутого состояния в его расширенное состояние, и материал, набухающий при
контакте с водой и вызывающий переход другого уплотнительного элемента из втянутого состояния в
его расширенное состояние.
Фиг. 1
-5-
005440
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-6-