Затрубный барьер, имеющий скважинный разжимной трубчатый элемент

Группа изобретений относится к затрубному барьеру, скважинной системе заканчивания скважин, способу изготовления для изготовления скважинного разжимного трубчатого элемента затрубного барьера. Техническим результатом является создание улучшенного разжимного трубчатого элемента. Затрубный барьер предназначен для разжимания в скважине в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и внутренней поверхностью обсадной колонны или ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной обсадной колонны или ствола скважины. Затрубный барьер вытянут в осевом направлении и содержит трубчатую часть, представляющую собой отдельную трубчатую часть или часть обсадной колонны для установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции. Затрубный барьер также содержит скважинный разжимной трубчатый элемент, предназначенный для разжимания в скважине в затрубном пространстве от первого наружного диаметра (D₁) до второго наружного диаметра (D₂) для примыкания к внутренней поверхности обсадной колонны или ствола скважины. Скважинный разжимной трубчатый элемент вытянут в осевом направлении и имеет первую концевую секцию, вторую концевую секцию и промежуточную секцию между первой концевой секцией и второй концевой секцией, при этом скважинный разжимной трубчатый элемент окружает трубчатую часть и каждая концевая секция скважинного разжимного трубчатого элемента соединена с трубчатой частью и вытянута вдоль осевого направления. Затрубный барьер также содержит пространство затрубного барьера между трубчатой частью и скважинным разжимным трубчатым элементом. Скважинный разжимной трубчатый элемент выполнен из одной металлической трубной заготовки, состоящей из одного металлического материала. Металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к затрубному барьеру, предназначенному для разжимания в скважине в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и внутренней поверхностью обсадной колонны или ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной обсадной колонны или ствола скважины. Настоящее изобретение дополнительно относится к затрубному барьеру, предназначенному для разжимания в затрубном пространстве, к скважинной системе заканчивания скважины и к способу изготовления для изготовления скважинного разжимного трубчатого элемента согласно настоящему изобретению.

Уровень техники

В некоторых вариантах эксплуатационного оборудования скважин часто используют затрубные барьеры для обеспечения изоляции зоны, т.е. изоляции продуктивных зон от непродуктивных зон. Затрубные барьеры устанавливают в качестве части скважинной трубчатой конструкции, при этом вокруг скважинной трубчатой конструкции размещают разжимные муфты затрубных барьеров и разжимают их для обеспечения изоляции зоны. В некоторых скважинах кольцевое пространство, окружающее затрубный барьер, настолько мало, что разжимную муфту невозможно установить посредством соединительных частей муфты, окружающих разжимную муфту, для прикрепления разжимной муфты к основной трубе. Простое соединение сваркой концов разжимной муфты с основной трубой не является достаточным, так как испытания показали, что существует вероятность разрыва разжимной муфты или ее отделения от основной трубы. Это происходит благодаря тому, что соединительные части муфты предотвращают свободное разжимание разжимной муфты и таким образом ограничивают вероятность разрыва разжимной муфты в процессе разжимания.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является полное или частичное преодоление вышеупомянутых недостатков уровня техники. Более конкретно, задачей является создание улучшенного разжимного трубчатого элемента, который может быть разжат без разрыва и без использования частей, предотвращающих свободное разжимание.

Еще одной задачей является создание улучшенного затрубного барьера, который имеет ограниченный наружный диаметр без снижения способности разжимного трубчатого элемента затрубного барьера разжиматься.

Вышеуказанные задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и признаки, очевидные из нижеследующего описания, осуществлены в решении согласно настоящему изобретению посредством затрубного барьера, предназначенного для разжимания в скважине в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и внутренней поверхностью обсадной колонны или ствола скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной и второй зоной обсадной колонны или ствола скважины, причем затрубный барьер вытянут в осевом направлении и содержит:

- трубчатую часть, представляющую собой отдельную трубчатую часть или часть обсадной колонны для установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции;

- скважинный разжимной трубчатый элемент, предназначенный для разжимания в затрубном пространстве в скважине от первого наружного диаметра до второго наружного диаметра для примыкания к внутренней поверхности обсадной колонны или ствола скважины, причем скважинный разжимной трубчатый элемент вытянут в осевом направлении и имеет первую концевую секцию, вторую концевую секцию и промежуточную секцию между первой концевой секцией и второй концевой секцией, при этом скважинный разжимной трубчатый элемент окружает трубчатую часть и каждая концевая секция скважинного разжимного трубчатого элемента соединена с трубчатой частью и вытянута вдоль осевого направления; и

- пространство затрубного барьера между трубчатой частью и скважинным разжимным трубчатым элементом;

причем скважинный разжимной трубчатый элемент выполнен из одной металлической трубной заготовки, состоящей из одного металлического материала, при этом металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции.

Кроме того, концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента могут быть наварены на трубчатую часть.

Дополнительно, металлический материал концевых секций может иметь более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции после выполнения металлообработки концевых секций и/или промежуточной секции.

Кроме того, металлообработка может быть выполнена посредством одного из следующих процессов: холодная обработка, термическая обработка, отжиг, индукционный отжиг или любая их комбинация.

Помимо этого, концевые секции могут быть подвергнуты холодной обработке или промежуточная секция может быть подвергнута термической обработке, отжигу или индукционному отжигу.

Металлообработка концевых секций может быть выполнена так, что металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции.

Также, предел текучести металлического материала концевых секций может быть по меньшей мере на 25% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, предпочтительно по меньшей мере на 40% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 50% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции.

Далее, скважинный разжимной трубчатый элемент может быть дополнительно подвергнут механической обработке с выполнением в скважинном разжимном трубчатом элементе по меньшей мере одной канавки.

Указанная механическая обработка может быть выполнена посредством фрезерования, резки, шлифования или токарной обработки.

Кроме того, предел текучести металлического материала концевых секций может составлять по меньшей мере 350 МПа при комнатной температуре.

Дополнительно, металлическая трубная заготовка может быть отлита или изготовлена посредством центробежного или вращательного литья.

Концевые секции и промежуточная секция могут иметь по существу одинаковую толщину вдоль осевого направления.

Также, металлическая трубная заготовка может быть выполнена из стали или нержавеющей стали.

Дополнительно, промежуточная секция может содержать подсекции, имеющие более высокий предел текучести, чем промежуточная секция.

Предел текучести подсекций может быть меньше предела текучести концевых секций.

Помимо этого, подсекции могут быть распределены вдоль осевого направления промежуточной секции с заданным расстоянием между ними.

Кроме того, промежуточная секция может проходить между подсекциями, так что разжимной трубчатый элемент имеет переменный предел текучести вдоль осевого направления.

Дополнительно, металлическая трубная заготовка может иметь внутренний диаметр и наружный диаметр, причем указанную заготовку обрабатывают так, чтобы увеличить внутренний диаметр и/или уменьшить наружный диаметр.

Также, скважинный разжимной трубчатый элемент может иметь длину и скважинный разжимной трубчатый элемент может быть подвергнут механической обработке вдоль всей длины.

Скважинный разжимной трубчатый элемент может содержать несколько выступов и/или по меньшей мере одну канавку.

Дополнительно, между двух смежных выступов или в канавке может быть расположен уплотнительный элемент.

Указанный уплотнительный элемент может быть выполнен из эластомера, резины, политетрафторэтилена (PTFE) или другого полимера.

Кроме того, между двух смежных выступов или в канавке может быть расположен кольцеобразный удерживающий элемент для прижатия уплотнительного элемента в осевом направлении к кромке выступа или канавки.

Кольцеобразный удерживающий элемент может представлять собой разрезное кольцо.

Далее, между кольцеобразным удерживающим элементом и уплотнительным элементом может быть расположен резервный элемент.

Дополнительно, промежуточный элемент может быть выполнен из политетрафторэтилена (PTFE) или полимера.

Также, скважинный разжимной трубчатый элемент может представлять собой часть подвески хвостовика, предназначенного для разжимания внутри обсадной колонны или скважинной трубчатой конструкции в скважине, или обсадной колонны, предназначенной для разжимания внутри другой обсадной колонны.

Дополнительно, металлическая трубная заготовка может иметь наружный диаметр заготовки, который больше первого наружного диаметра.

Кроме того, металлическая трубная заготовка может иметь толщину заготовки, которая больше толщины разжимного трубчатого элемента после выполнения металлообработки.

Затрубный барьер согласно настоящему изобретению может содержать разжимное отверстие в трубчатой части, через которое текучая среда может поступать в пространство для разжимания разжимного трубчатого элемента.

Трубчатая часть может быть выполнена из металла.

В результате может быть получен затрубный барьер с малой толщиной, что облегчает погружение, а также обеспечивает возможность вхождения затрубного барьера в меньшие по размерам стволы скважин.

Концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента могут быть насажены на трубчатую часть.

Также, концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента могут быть соединены с трубчатой частью посредством соединительных частей. Соединительные части могут быть выполнены с возможностью защиты скважинного разжимного трубчатого элемента при его погружении.

Затрубный барьер, описанный выше, может дополнительно содержать по меньшей мере один уплотнительный элемент, окружающий скважинный разжимной трубчатый элемент.

Помимо этого, между скважинным разжимным трубчатым элементом и трубчатой частью может быть расположена муфта, соединенная с трубчатой частью и скважинным разжимным трубчатым элементом, с разделением таким образом пространства на первую секцию пространства и вторую секцию пространства.

Дополнительно, скважинный разжимной трубчатый элемент может иметь отверстие, обеспечивающее соединение с возможностью передачи текучей среды между первой зоной или второй зоной и одной из секций пространства.

Выступ может представлять собой кольцеобразный выступ с увеличенной толщиной по отношению к другим частям скважинного разжимного трубчатого элемента, причем кольцеобразный выступ обеспечивает упрочнение затрубного барьера при разжимании затрубного барьера.

Настоящее изобретение также относится к скважинной системе заканчивания скважины, содержащей:

- скважинную трубчатую конструкцию; и

- затрубный барьер, описанный выше.

Трубчатая часть затрубного барьера может быть установлена в качестве части скважинной трубчатой конструкции.

Также, система заканчивания скважины может содержать множество затрубных барьеров.

Наконец, настоящее изобретение относится к способу изготовления для изготовления скважинного разжимного трубчатого элемента согласно настоящему изобретению, содержащему этапы, на которых:

- обеспечивают наличие металлической трубной заготовки, выполненной из металлического материала; и

- выполняют металлообработку концевых секций или промежуточной секции так, что металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции.

В способе изготовления, описанном выше, этап, на котором выполняют металлообработку, может содержать этапы, на которых выполняют холодную обработку промежуточной секции до толщины, которая меньше толщины концевых секций, термическую обработку промежуточной секции и холодную обработку концевых секций.

Дополнительно, этап, на котором выполняют металлообработку, может содержать этапы, на которых выполняют холодную обработку промежуточной секции и концевых секций и термическую обработку промежуточной секции.

Термическую обработку промежуточной секции могут выполнять посредством отжига, например индукционного отжига.

Способ, описанный выше, может дополнительно содержать этап, на котором выполняют механическую обработку скважинного разжимного трубчатого элемента с выполнением на нем по меньшей мере одного кольцевого выступа или канавки.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его многочисленные преимущества описаны ниже более подробно со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых с целью иллюстрации показаны некоторые не ограничивающие варианты осуществления изобретения, и на которых:

- на фиг. 1 показан вид в поперечном сечении скважинного разжимного трубчатого элемента;

- на фиг. 2 показана металлическая трубная заготовка в виде с одного конца;

- на фиг. 3 показана часть токарного станка, на котором выполняют механическую обработку металлической трубной заготовки;

- на фиг. 4 показан вид в поперечном сечении подвергнутого механической обработке скважинного разжимного трубчатого элемента;

- на фиг. 5 показан вид в поперечном сечении затрубного барьера, содержащего скважинный разжимной трубчатый элемент;

- на фиг. 6 показан вид в поперечном сечении затрубного барьера, содержащего скважинный разжимной трубчатый элемент;

- на фиг. 7 показан увеличенный вид в поперечном сечении скважинного разжимного трубчатого элемента, имеющего уплотнительный элемент и два удерживающих элемента;

- на фиг. 8 показан увеличенный вид в поперечном сечении скважинного разжимного трубчатого элемента, имеющего промежуточный элемент между уплотнительным элементом и двумя удерживающими элементами;

- на фиг. 9 показан вид в поперечном сечении другого скважинного разжимного трубчатого элемента в его неразжатом состоянии;

- на фиг. 10 показан вид в поперечном сечении скважинного разжимного трубчатого элемента, показанного на фиг. 9, в его разжатом состоянии;

- на фиг. 11 показан другой затрубный барьер, имеющий промежуточную муфту для выравнивания давления на скважинном разжимном трубчатом элементе; и

- на фиг. 12 показан вид в поперечном сечении другого затрубного барьера, содержащего скважинный разжимной трубчатый элемент.

Все чертежи являются очень схематичными и не обязательно выполнены в масштабе, при этом на них показаны только те детали, которые необходимы для пояснения изобретения, а другие детали не показаны или показаны без объяснения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении скважинного разжимного трубчатого элемента 1, предназначенного для по меньшей мере частичного разжимания в скважине 2 (как показано на фиг. 5) от первого наружного диаметра D₁ до второго наружного диаметра D₂ (показанного на фиг. 6 и 12) для примыкания к внутренней поверхности обсадной колонны или ствола скважины. Скважинный разжимной трубчатый элемент вытянут в осевом направлении 22 и вдоль осевого направления скважинный разжимной трубчатый элемент имеет первую концевую секцию 31, вторую концевую секцию 32 и промежуточную секцию 33 между первой концевой секцией и второй концевой секцией. Скважинный разжимной трубчатый элемент 1 выполнен из одной металлической трубной заготовки 6 (показана на фиг. 2), состоящей из одного металлического материала. Металлический материал заготовки имеет одинаковые свойства на всем протяжении металлической трубной заготовки. Металлический материал концевых секций 31, 32 имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции после выполнения металлообработки концевых секций 31, 32 и/или промежуточной секции 33, так что при разжимании концевые секции менее подвержены разжиманию.

При использовании скважинного разжимного трубчатого элемента 1 в качестве разжимной муфты затрубного барьера (показанного на фиг. 6), отпадает необходимость в наличии соединительных частей 30 (показаны на фиг. 12), соединяющих разжимную муфту с трубчатой частью основной трубы и управляющих разжиманием концов разжимной муфты, так как ограничение на разжимание реализовано в концевых секциях скважинного разжимного трубчатого элемента в виде разжимной муфты. Это является следствием того, что концевые секции имеют более высокий предел текучести, чем промежуточная секция, так что концевые секции ограничивают разжимание на концах и обеспечивают управление им, тогда как промежуточная секция разжимной муфты/скважинного разжимного трубчатого элемента 1 не ограничена в процессе разжимания и следовательно может соответствовать требуемой степени разжимания. Таким образом, концы скважинного разжимного трубчатого элемента 1 могут быть прикреплены к трубчатой части затрубного барьера посредством простого сварного соединения 39 (показанного на фиг. 6), таким образом, концевые секции, имеющие более высокий предел текучести, предотвращают отделение указанных концов от трубчатой части и разрушение сварного соединения. Такая простая конструкция с приваренными концами особенно полезна при изготовлении затрубного барьера, имеющего малый наружный диаметр, поскольку соединительные части занимают больше места, чем скважинный разжимной трубчатый элемент 1, который приварен непосредственно к трубчатой части.

Металлообработку выполняют посредством одного из следующих процессов: холодная обработка, термическая обработка, отжиг, индукционный отжиг или любая их комбинация. Для получения концевых секций, имеющих более высокий предел текучести, чем промежуточная секция, концевые секции подвергают холодной обработке, и/или промежуточную секцию подвергают термической обработке, отжигу или индукционному отжигу. Таким образом, концевые секции могут быть подвергнуты металлообработке, так что металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции. Предел текучести металлического материала концевых секций по меньшей мере на 25% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, предпочтительно по меньшей мере на 40% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 50% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции. Предел текучести металлического материала концевых секций составляет по меньшей мере 350 МПа при комнатной температуре.

Металлическая трубная заготовка 6 может быть отлита, например может быть изготовлена посредством центробежного или вращательного литья. По мере охлаждения или закаливания материала металлическую трубную заготовку формируют с одного конца, как показано на фиг. 2. Вблизи поверхности заготовки расположены примеси 18, и при механической обработке и удалении материала для формирования скважинного разжимного трубчатого элемента, имеющего выступы, как показано на фиг. 3, примеси 18 также удаляют с получением трубчатого элемента с очень низким содержанием примесей. Данный трубчатый элемент, выполненный из очень однородного материала или «чистого» материала с низким содержанием примесей, обозначен на фиг. 2 пунктирной линией. Материал с низким содержанием примесей имеет более высокую ковкость, чем граничный материал, имеющий более высокое содержание примесей. Металлическая трубная заготовка также может быть подвергнута холодной обработке или термической обработке без предварительного выполнения механической обработки заготовки.

Одним методом получения скважинного разжимного трубчатого элемента с концевыми секциями, имеющими более высокий предел текучести, является холодная обработка промежуточной секции металлической трубной заготовки до толщины, которая меньше толщины концевых секций, термическая обработка промежуточной секции и последующая холодная обработка концевых секций так, чтобы они имели более высокий предел текучести, чем промежуточная секция.

Другим методом получения скважинного разжимного трубчатого элемента с концевыми секциями, имеющими более высокий предел текучести, является холодная обработка промежуточной секции и концевых секций металлической трубной заготовки до толщины, которая меньше толщины заготовки, термическая обработка промежуточной секции, например посредством отжига или индукционного отжига, в результате чего для промежуточной секции обеспечивают меньший предел текучести, чем для концевых секций.

Таким образом, обеспечивают управление пределом текучести вдоль осевого направления скважинного разжимного трубчатого элемента, так чтобы удовлетворить потребность в управлении радиальным разжиманием, например, затрубного барьера, обеспечивающего изоляцию зоны 103, представляющей собой продуктивную зону 400, как показано на фиг. 5. Как показано на фиг. 5, для изоляции продуктивной зоны 400 используют два затрубных барьера 100. Между затрубными барьерами расположен клапан или секция 600 гидроразрыва, также называемые фрак-порт, так что после разжимания затрубных барьеров фрак-порт открыт и обеспечена возможность протекания текучей среды в пласт для создания разрывов в пласте для облегчения протекания углеводородосодержащей текучей среды, такой как нефть, в скважинную трубчатую конструкцию. Клапан или секция 600 гидроразрыва может также содержать впускную секцию, которая может быть такой же, как фрак-порт. Может быть предусмотрено наличие фильтра, так что обеспечена фильтрация текучей среды перед ее протеканием в обсадную колонну. Оба затрубных барьера имеют скважинные разжимные трубчатые элементы в виде разжимных муфт, причем скважинные разжимные трубчатые элементы соединены с трубчатой частью затрубного барьера посредством сварного соединения на каждом конце. Затрубные барьеры разжимают путем повышения давления в скважинной трубчатой конструкции 4 и обеспечения возможности прохождения текучей среды под давлением через разжимные отверстия 23 в трубчатой части и, как следствие, разжимания гидравлическим образом скважинного разжимного трубчатого элемента. Концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента 1 образуют переход от полностью разжатой муфты к сварному соединению с трубчатой частью.

После воздействия на скважинный разжимной трубчатый элемент с концевыми секциями, имеющими более высокий предел текучести посредством холодной обработки и/или термической обработки, скважинный разжимной трубчатый элемент может быть подвергнут механической обработке с выполнением на нем по меньшей мере одного кольцевого выступа или канавки 8, как показано на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, скважинный разжимной трубчатый элемент имеет шесть выступов 7 и две канавки 8, а заготовка обозначена пунктирной линией, иллюстрирующей материал, который был подвергнут металлообработке и может быть также удален посредством механической обработки для формирования скважинного разжимного трубчатого элемента 1 в виде единого элемента без последующего использования соединительных частей или сварного соединения колец, создающих выступы и канавки. Таким образом, скважинный разжимной трубчатый элемент всего лишь прикреплен на своих концах к трубчатой части посредством простого сварного соединения.

В результате механической обработки скважинного разжимного трубчатого элемента из заготовки, имеющей по существу увеличенную толщину стенки, скважинный разжимной трубчатый элемент может быть выполнен с увеличенной толщиной, выступами и канавками без необходимости приваривания колец на скважинный разжимной трубчатый элемент, что может привести к последующему ухудшению способности к разжиманию скважинного разжимного трубчатого элемента.

Трубная заготовка, показанная на фиг. 2, имеет внутренний диаметр D_i и наружный диаметр D_o, причем заготовка может быть подвергнута механической обработке, так чтобы увеличить внутренний диаметр D_i и уменьшить наружный диаметр D_o для удаления материала с наиболее высоким содержанием примесей. Механическую обработку выполняют посредством фрезерования, резки, шлифования, токарной обработки или посредством аналогичных методов механической обработки для удаления материала с заготовки для формирования скважинного разжимного трубчатого элемента. Как показано на фиг. 3, металлический материал удаляют с трубной заготовки на токарном станке 50 для формирования разжимного трубчатого элемента 1. Трубная заготовка закреплена между двумя точками 51, а токарный резец 52 механически удаляет материал с заготовки 6. Как показано на фиг. 3, трубная заготовка может представлять собой сплошной цилиндр или полый цилиндр, как показано на фиг. 2. Трубная заготовка может быть выполнена из любого подходящего металлического материала, например стали или нержавеющей стали. Как видно на фиг. 4, скважинный разжимной трубчатый элемент имеет длину 1, и скважинный разжимной трубчатый элемент 1 подвергнут механической обработке вдоль всей длины с удалением таким образом материала с заготовки для формирования скважинного разжимного трубчатого элемента 1 из «чистого» материала.

Как показано на фиг. 7, в канавке 8 и между двумя выступами 7 расположен уплотнительный элемент 9. Как видно на чертеже, толщина t разжимного трубчатого элемента 1 в канавке не равна толщине между двух смежных выступов, не являющихся смежными для одной и той же канавки. В другом варианте осуществления изобретения уплотнительный элемент 9 может быть расположен только лишь между двух смежных выступов, так что скважинный разжимной трубчатый элемент 1 не имеет канавок и, следовательно, имеет одинаковую толщину t между выступами 7 и напротив уплотнительного элемента 9, как показано на фиг. 6.

Как показано на фиг. 7, для удержания уплотнительного элемента 9, в том числе в процессе разжимания скважинного разжимного трубчатого элемента 1, между двумя смежными выступами 7 или в канавке 8 расположен кольцеобразный удерживающий элемент 10 для прижатия уплотнительного элемента 9 в осевом направлении к кромке 11 выступа или канавки. Удерживающий элемент 10 выполняет функцию резервного кольца для уплотнительного элемента, так чтобы уплотнительный элемент 9 не сжимался между разжимным трубчатым элементом и внутренней поверхностью ствола скважины или обсадной колонны при разжимании разжимного трубчатого элемента. Удерживающий элемент представляет собой разрезное кольцо с несколькими витками и выполнен из металлического материала. Когда разжимной трубчатый элемент разжат на 30%, удерживающий элемент 10 частично «размотан» на 30% окружности удерживающего элемента 10, и количество витков удерживающего элемента таким образом уменьшается так, что он по-прежнему может прижимать уплотнительный элемент к кромке канавки или выступа. Как показано, удерживающий элемент 10 расположен на противоположных сторонах уплотнительного элемента 9, сжимая уплотнительный элемент вдоль его кольцевых кромок. Каждый удерживающий элемент 10, показанный на фиг. 8, имеет приблизительно 3,5 витка, и после разжимания разжимного трубчатого элемента удерживающий элемент 10 имеет приблизительно 2,7 витка и таким образом сохраняет свою протяженность в осевом направлении разжимного трубчатого элемента несмотря на то, что удерживающий элемент был частично размотан.

Удерживающий элемент также может быть выполнен из пружинного материала, так что когда скважинный разжимной трубчатый элемент 1 разжат, удерживающий элемент также разжат с обеспечением наличия в удерживающем элементе присущей ему упругой силы. Однако, упругий эффект металла не оказывает существенного влияния на работу удерживающего кольца.

Как показано на фиг. 8, между кольцеобразным удерживающим элементом 10 и уплотнительным элементом 9 расположен резервный элемент 12. Уплотнительный элемент 9 обычно выполнен из эластомерного материала, а удерживающий элемент выполнен из металлического материала, и для защиты уплотнительного элемента резервный элемент, расположенный между ними, выполнен из неметаллического материала, который является менее гибким, чем уплотнительный материал.

Скважинный разжимной трубчатый элемент 1 также может быть частью подвески хвостовика, причем скважинный разжимной трубчатый элемент разжат внутри верхней обсадной колонны с формированием части скважинной трубчатой конструкции в скважине.

На фиг. 6 показан вид в поперечном сечении затрубного барьера 100, разжатого в затрубном пространстве 101 между скважинной трубчатой конструкцией 300 и внутренней поверхностью 3 ствола 5 скважины. Затрубный барьер обеспечивает изоляцию зоны между первой зоной 102 и второй зоной 103 в стволе скважины. Затрубный барьер вытянут в осевом направлении 22, совпадающем с продольным осевым направлением обсадной колонны и скважинной трубчатой конструкции. Затрубный барьер содержит трубчатую часть 20, которая может представлять собой отдельную трубчатую часть или часть обсадной колонны для установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции 300. Кроме того, затрубный барьер содержит скважинный разжимной трубчатый элемент 1, окружающий трубчатую часть, и каждый конец 31, 32 разжимного трубчатого элемента 1 соединен с трубчатой частью посредством сварных соединений. Скважинный разжимной трубчатый элемент 1 и трубчатая часть 20 образуют пространство 21 затрубного барьера, при этом в трубчатой части выполнено разжимное отверстие 23, через которое обеспечена возможность прохождения текучей среды в пространство для разжимания разжимного трубчатого элемента. Скважинный разжимной трубчатый элемент 1 разжимают до примыкания уплотнительных элементов или выступов к внутренней поверхности 3 ствола 5 скважины, так что обеспечено предотвращение свободного протекания текучей среды из первой зоны 102 во вторую зону 103.

Как показано на фиг. 9, концевые секции 31, 32 и промежуточная секция 33 имеют по существу одинаковую толщину вдоль осевого направления скважинного разжимного трубчатого элемента 1. Промежуточная секция 33 содержит подсекции 38, имеющие более высокий предел текучести, чем промежуточная секция 33. И при разжимании скважинного разжимного трубчатого элемента 1 в качестве части затрубного барьера, как показано на фиг. 10, подсекции 38 не разжимаются так сильно, как остальная часть промежуточной секции 33. Таким образом, подсекции 38 меняют форму в поперечном сечении разжатого скважинного разжимного трубчатого элемента 1 так, что он имеет форму с более выраженными выпуклыми частями с созданием полостей между скважинным разжимным трубчатым элементом 1 и внутренней поверхностью 3 ствола 5 скважины, упрочнением скважинного разжимного трубчатого элемента 1 и по существу увеличением номинального значения прочности на смятие затрубного барьера, показанного на фиг. 10. Предел текучести подсекций ниже предела текучести концевых секций. Подсекции распределены вдоль осевого направления промежуточной секции на заданном расстоянии друг от друга с созданием нескольких полостей, в которых расположены уплотнительные элементы 9. Таким образом, промежуточная секция может проходить между подсекциями, так что разжимной трубчатый элемент имеет изменяющийся предел текучести вдоль осевого направления.

Как показано на фиг. 12, концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента могут быть соединены с трубчатой частью посредством соединительных частей 30. Соединительные части 30 могут быть выполнены с возможностью защиты скважинного разжимного трубчатого элемента в процессе его погружения, и соединительные части также могут быть снабжены спиральными канавками для облегчения вставки скважинной трубчатой конструкции 4 в ствол скважины.

Как показано на фиг. 11, затрубный барьер дополнительно содержит муфту 25, расположенную между скважинным разжимным трубчатым элементом 1 и трубчатой частью 20. Муфта 25 соединена с трубчатой частью 20 и скважинным разжимным трубчатым элементом 1, тем самым разделяя пространство на первую секцию 21а пространства и вторую секцию 21b пространства. Муфта сжата между трубчатой частью и скважинным разжимным трубчатым элементом. Муфта 25 также может быть соединена с трубчатой частью другим образом, например посредством горячей запрессовки на трубчатую часть. Для выравнивания давления скважинный разжимной трубчатый элемент имеет отверстие 24, обеспечивающее соединение с возможностью передачи текучей среды между первой зоной или второй зоной и одной из секций пространства, с выравниванием таким образом давления между пространством и данной зоной. Когда, например, выполняют гидравлический разрыв пласта или другую обработку скважины, давление в одной из зон, в которой выполняют гидравлический разрыв, возрастает, и для предотвращения смятия разжимного трубчатого элемента обеспечивают возможность протекания текучей среды через отверстие 24 в первую секцию 21а пространства. Под действием повышенного давления муфта 25 перемещается в направлении трубчатой части, облегчая повышение давления в первой секции 21а пространства, и первое пространство 21а увеличивается до выравнивания давления или примыкания муфты к трубчатой части.

Пространство затрубного барьера может содержать по меньшей мере один термически разлагаемый состав, предназначенный для генерации газа или сверхкритической текучей среды при разложении. Данный состав может быть термически разлагаемым при температуре ниже 400°С и выше 100°С, предпочтительно выше 180°С. Таким образом, скважинный разжимной трубчатый элемент затрубного барьера может быть разжат посредством подачи к затрубному барьеру тепла вместо текучей среды под давлением. Состав может содержать азот в форме аммония, нитрита, азида или нитрата или может быть выбран из группы, содержащей: дихромат аммония, нитрат аммония, нитрит аммония, азид бария, азотнокислый натрий или их комбинацию.

Металлический материал концевых секций после металлообработки имеет предел текучести 250-1000 МПа при комнатной температуре, предпочтительно 300-700 МПа при комнатной температуре. Металлический материал промежуточной секции после металлообработки имеет предел текучести 200-400 МПа при комнатной температуре, предпочтительно 200-350 МПа при комнатной температуре.

Трубная заготовка может быть выполнена из любого типа металла, например железа, стали или нержавеющей стали, или из более ковких материалов, например медь, алюминий, свинец, олово, никель или их комбинации. Под заготовкой понимают предварительно отформованную заготовку или подобный промежуточный продукт.

Холодную обработку могут выполнять посредством прессования роликами на наружной поверхности заготовки или скважинного разжимного трубчатого элемента в процессе перемещения роликов вдоль осевого направления с увеличением длины заготовки или скважинного разжимного трубчатого элемента вдоль осевого направления и уменьшения толщины заготовки или скважинного разжимного трубчатого элемента.

Разжимание скважинного разжимного трубчатого элемента могут выполнять посредством изоляции, с помощью инструмента, секции скважинной трубчатой конструкции напротив отверстия 23 в трубчатой части 20 затрубного барьера, показанного на фиг. 6, с последующим повышением давления в данной секции.

Под текучей средой или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газовой смеси, присутствующей в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяной смеси, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.

Под скважинной трубчатой конструкцией, обсадной колонной или эксплуатационной обсадной колонной понимается любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и так далее, используемых в скважине при добыче нефти или природного газа.

В том случае, когда невозможно полностью погрузить инструмент в обсадную колонну, для проталкивания инструмента до нужного положения в скважине может быть использован скважинный трактор. Скважинный трактор может иметь выдвижные рычаги, имеющие колеса, причем колеса входят в контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны для продвижения трактора и инструмента вперед в скважине. Скважинный трактор представляет собой любой вид приводного инструмента, способного толкать или тянуть инструменты в скважине, например, Well Tractor®.

Хотя изобретение описано выше на примере предпочтительных вариантов его осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные прилагаемой формулой изобретения.

1. Затрубный барьер (100), предназначенный для разжимания в скважине в затрубном пространстве (101) между скважинной трубчатой конструкцией (300) и внутренней поверхностью (3) обсадной колонны (4) или ствола (5) скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной (102) и второй зоной (103) обсадной колонны или ствола скважины, причем затрубный барьер вытянут в осевом направлении (22) и содержит:

- трубчатую часть (20), представляющую собой отдельную трубчатую часть или часть обсадной колонны для установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции;

- скважинный разжимной трубчатый элемент (1), предназначенный для разжимания в скважине в затрубном пространстве от первого наружного диаметра (D₁) до второго наружного диаметра (D₂) для примыкания к внутренней поверхности (3) обсадной колонны (4) или ствола (5) скважины, причем скважинный разжимной трубчатый элемент вытянут в осевом направлении (22) и имеет первую концевую секцию (31), вторую концевую секцию (32) и промежуточную секцию (33) между первой концевой секцией и второй концевой секцией, при этом скважинный разжимной трубчатый элемент окружает трубчатую часть и каждая концевая секция скважинного разжимного трубчатого элемента соединена с трубчатой частью и вытянута вдоль осевого направления; и

- пространство (21) затрубного барьера между трубчатой частью и скважинным разжимным трубчатым элементом;

причем скважинный разжимной трубчатый элемент выполнен из одной металлической трубной заготовки, состоящей из одного металлического материала, при этом металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции.

2. Затрубный барьер по п. 1, в котором концевые секции скважинного разжимного трубчатого элемента наварены на трубчатую часть.

3. Затрубный барьер по п. 1, в котором металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции после выполнения металлообработки концевых секций или промежуточной секции.

4. Затрубный барьер по п. 3, в котором металлообработка выполнена посредством холодной обработки.

5. Затрубный барьер по п. 1 или 2, в котором концевые секции подвергнуты холодной обработке или промежуточная секция подвергнута термической обработке, отжигу или индукционному отжигу.

6. Затрубный барьер по любому из пп. 1-5, в котором предел текучести металлического материала концевых секций по меньшей мере на 25% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, предпочтительно по меньшей мере на 40% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции, более предпочтительно по меньшей мере на 50% выше, чем предел текучести материала промежуточной секции.

7. Затрубный барьер по любому из пп. 1-6, в котором предел текучести металлического материала концевых секций составляет по меньшей мере 350 МПа.

8. Затрубный барьер по любому из пп. 1-7, в котором концевые секции и промежуточная секция имеют по существу одинаковую толщину вдоль осевого направления.

9. Затрубный барьер по любому из пп. 1-8, в котором трубная заготовка выполнена из стали или нержавеющей стали.

10. Затрубный барьер по любому из пп. 1-9, дополнительно содержащий по меньшей мере один уплотнительный элемент (9), окружающий скважинный разжимной трубчатый элемент.

11. Затрубный барьер по любому из пп. 1-10, дополнительно содержащий разжимное отверстие (23) в трубчатой части, через которое обеспечена возможность протекания текучей среды в пространство для разжимания разжимного трубчатого элемента.

12. Скважинная система заканчивания скважины, содержащая:

- скважинную трубчатую конструкцию (300); и

- затрубный барьер (100) по любому из пп. 1-11.

13. Способ изготовления для изготовления скважинного разжимного трубчатого элемента затрубного барьера по любому из пп. 1-11, содержащий этапы, на которых:

- обеспечивают наличие металлической трубной заготовки (6), выполненной из металлического материала; и

- выполняют металлообработку концевых секций или промежуточной секции так, что металлический материал концевых секций имеет более высокий предел текучести, чем металлический материал промежуточной секции.

14. Способ изготовления по п. 13, в котором этап, на котором выполняют металлообработку, содержит следующие этапы:

- выполняют холодную обработку промежуточной секции до толщины, которая меньше толщины концевых секций;

- выполняют термическую обработку промежуточной секции; и

- выполняют холодную обработку концевых секций.

15. Способ изготовления по п. 13 или 14, в котором этап, на котором выполняют металлообработку, содержит этапы, на которых:

- выполняют холодную обработку промежуточной секции и концевых секций; и

- выполняют термическую обработку промежуточной секции.