RU2825300C1

RU2825300C1 - System and method for bringing packer into sealing and gripping position along wellbore

Info

Publication number: RU2825300C1
Application number: RU2022113443A
Authority: RU
Inventors: Фархан Ахмед ОМЕР; Сьюзан ВУ; Томас Эрик ДАДЛИ; Имин ФАН; Вэймин ЛАН; Нитин ВЕРРОДЖУ
Original assignee: Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Priority date: 2019-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2024-08-23

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: group of inventions relates to a system and a method for bringing a packer into a sealing and gripping position along a wellbore. System for bringing the packer into the sealing and gripping position along the wellbore comprises: a well string having a packer installed along the well string, wherein the packer comprises: a central structure having an outer surface inclined radially outward relative to the longitudinal axis of the packer; a packer element structure having a sealing element mounted on an expandable base located along an outer surface of the central structure; drive element connected to the expandable base part of the packer element structure by means of the shear element; and a plurality of wedges arranged on the drive element. Linear displacement of the drive element causes displacement of the packer element structure in the axial direction along the outer surface so that the outer surface forces the expandable base and the sealing element expand radially outward until the shearing element is sheared. Further linear movement of the drive element causes further expansion of the plurality of wedges in the radially outward direction.

EFFECT: creation of impact effect, which leads to improved engagement with wellbore wall surface.

14 cl, 8 dwg

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION

[0001] Настоящий документ основан на предварительной заявке США № 62/923575, поданной 20 октября 2019 г., и предварительной заявке США № 63/051019, поданной 13 июля 2020 г., и испрашивает приоритет по ним, содержание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. [0001] This document is based upon and claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/923,575, filed October 20, 2019, and U.S. Provisional Application No. 63/051,019, filed July 13, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY

[0002] Во многих скважинных применениях для герметизации секций ствола скважины применяют пакеры вдоль колонны скважины (см. например US 2004/0069502 A1, E21B33/12, 15.04.2004). Как правило, пакер содержит уплотнительный элемент, который может расширяться в направлении радиально наружу для формирования уплотнения между центральной оправкой пакера и окружающей поверхностью ствола скважины, например, внутренней поверхностью обсадной колонны. Пакер также может содержать или работать совместно с клиньями, которые имеют захватывающие элементы, ориентированные для зацепления окружающей поверхности ствола скважины. Клинья также могут расширяться в направлении радиально наружу до тех пор, пока они не войдут в захватывающее зацепление с окружающей поверхностью ствола скважины, чтобы надежно разместить пакер в желаемом месте вдоль ствола скважины. [0002] In many downhole applications, packers are used along the wellbore to seal sections of a wellbore (see, for example, US 2004/0069502 A1, E21B33/12, 15.04.2004). Typically, a packer includes a sealing element that can expand radially outward to form a seal between a central mandrel of the packer and a surrounding surface of the wellbore, such as the inner surface of a casing. The packer may also include or work in conjunction with slips that have gripping members oriented to engage the surrounding surface of the wellbore. The slips may also expand radially outward until they engage the surrounding surface of the wellbore to securely position the packer at a desired location along the wellbore.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION

[0003] В целом, предлагается система и способ для обеспечения возможности приведения пакера в положение уплотнения и захвата вдоль ствола скважины. Пакер может быть расположен вдоль различных колонн скважины и может содержать центральную конструкцию, например, оправку, через которую проходит проход. Конструкция пакерного элемента установлена вокруг центральной конструкции и содержит уплотнительный элемент, установленный на расширяемом основании так, что уплотнительный элемент может быть расширен в радиальном направлении. Кроме того, пакер содержит приводной элемент, соединенный с частью конструкции пакерного элемента посредством механизма высвобождения, например, работающего на срез элемента. Множество клиньев может быть расположено на приводном элементе таким образом, что линейное перемещение приводного элемента вызывает последовательное перемещение уплотнительного элемента пакера, а затем клиньев в направлении радиально наружу. Пакер может быть выполнен таким образом, что это последовательное установочное движение создает ударный эффект для обеспечения надежного вдавливания клиньев в окружающую поверхность ствола скважины, например, в поверхность обсадной колонны. [0003] In general, a system and method are proposed for providing the possibility of bringing a packer into a sealing and gripping position along a wellbore. The packer can be arranged along various wellbore columns and can comprise a central structure, for example a mandrel, through which a passage passes. The structure of the packer element is installed around the central structure and comprises a sealing element mounted on an expandable base so that the sealing element can be expanded in the radial direction. In addition, the packer comprises a drive element connected to a part of the structure of the packer element by means of a release mechanism, for example a shear element. A plurality of wedges can be arranged on the drive element so that a linear movement of the drive element causes a sequential movement of the packer sealing element and then the wedges in a radially outward direction. The packer can be designed so that this sequential installation movement creates a percussion effect to ensure reliable pressing of the wedges into the surrounding surface of the wellbore, for example into the surface of the casing.

[0004] Тем не менее, многочисленные модификации могут быть осуществлены без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации предназначены для включения в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения. [0004] However, numerous modifications can be made without materially departing from the teachings of the present invention. Accordingly, such modifications are intended to be included within the scope of the present invention as defined in the claims.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0005] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения далее в настоящем документе будут описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы. Однако следует понимать, что прилагаемые фигуры показывают различные варианты реализации, описанные в настоящем документе, и не предназначены для ограничения объема различных технологий, описанных в настоящем документе, и при этом: [0005] Some embodiments of the present invention will be further described herein with reference to the accompanying drawings, in which like reference numerals designate like elements. However, it should be understood that the accompanying figures show various embodiments described herein and are not intended to limit the scope of the various technologies described herein, and that:

[0006] на фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация примера пакера, расположенного вдоль колонны скважины, расположенной в стволе скважины, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; [0006] Fig. 1 is a schematic illustration of an example of a packer located along a well string located in a wellbore according to one embodiment of the present invention;

[0007] на фиг. 2 представлен вид в разрезе другого примера пакера, расположенного вдоль колонны скважины, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; [0007] Fig. 2 is a sectional view of another example of a packer positioned along a wellbore string according to one embodiment of the present invention;

[0008] на фиг. 3 представлена иллюстрация поперечного сечения части пакера, изображенного на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; [0008] Fig. 3 is an illustration of a cross-section of a portion of the packer shown in Fig. 2, according to one embodiment of the present invention;

[0009] на фиг. 4 представлена иллюстрация поперечного сечения, показывающая особенности примера конструкции пакерного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; [0009] Fig. 4 is a cross-sectional illustration showing features of an example of a packer element design according to one embodiment of the present invention;

[0010] на фиг. 5 представлена иллюстрация, демонстрирующая приведение в действие пакера, изображенного на фиг. 2 и 3, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; [0010] Fig. 5 is an illustration showing the actuation of the packer shown in Figs. 2 and 3 according to one embodiment of the present invention;

[0011] на фиг. 6 показана система верхних пакеров хвостовика согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения; и [0011] Fig. 6 shows a liner top packer system according to one or more embodiments of the present invention; and

[0012] на фиг. 7-8 показаны сравнительные результаты сил, испытываемых системой верхних пакеров хвостовика во время установки верхнего пакера хвостовика. [0012] Fig. 7-8 show comparative results of the forces experienced by the upper liner packer system during the setting of the upper liner packer.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0013] В последующем описании изложены многочисленные подробности, чтобы обеспечить понимание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что указанная система и/или методология могут быть реализованы на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления. [0013] In the following description, numerous details are set forth in order to provide an understanding of certain embodiments of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the described system and/or methodology may be practiced without these details and that numerous variations or modifications of the described embodiments are possible.

[0014] Настоящее изобретение в целом включает систему и способ для обеспечения возможности приведения пакера в положение уплотнения и захвата вдоль ствола скважины. Пакер сконструирован таким образом, чтобы обеспечить последовательное приведение в действие уплотнительного элемента, а затем клиньев посредством приводного входа, например, механического привода или входного сигнала давления вдоль кольцевого пространства и/или внутри колонны скважины. Пакер может быть расположен вдоль различных колонн скважины и может находиться во многих типах стволов скважин, например, в вертикальных или наклонных стволах скважины, включая обсаженные стволы скважины. [0014] The present invention generally includes a system and method for providing the ability to bring a packer into a sealing and gripping position along a wellbore. The packer is designed to provide sequential actuation of the sealing element and then the wedges by means of a drive input, such as a mechanical drive or a pressure input signal along the annular space and/or inside the wellbore string. The packer can be located along various wellbore strings and can be located in many types of wellbore, such as vertical or deviated wellbore, including cased wellbore.

[0015] Согласно одному варианту осуществления пакер может содержать центральную конструкцию, например, конструкцию оправки, через которую проходит проход. Конструкция пакерного элемента расположена вокруг центральной конструкции и содержит уплотнительный элемент, установленный на расширяемом основании так, что уплотнительный элемент может быть расширен в радиальном направлении. Уплотнительный элемент может быть выполнен из подходящего эластомерного материала, а расширяемое основание может содержать множество металлических элементов основания, которые могут быть смещены в направлении радиально наружу. Кроме того, пакер содержит приводной элемент, соединенный с частью конструкции пакерного элемента посредством механизма высвобождения, например, работающего на срез элемента. Работающий на срез элемент может содержать выступ или множество выступов, проходящих между расширяемым основанием и приводным элементом. Работающий на срез элемент эффективно обеспечивает работающий на срез механизм на радиально расширяемой конструкции пакерного элемента, выполненной из уплотнительного элемента и металлической подложки, для последовательной установки пакера. Последовательная установка включает сначала установку уплотнительного элемента, затем срез работающего на срез элемента, что позволяет затем установить клинья. Этот последовательный способ обеспечивает ударный эффект, что обеспечивает вдавливание элементов зацепления, например, зубьев, клиньев в окружающую поверхность ствола скважины или более твердый металл обсадной колонны. [0015] According to one embodiment, the packer may comprise a central structure, such as a mandrel structure, through which a passage passes. The packer element structure is located around the central structure and comprises a sealing element mounted on an expandable base so that the sealing element can be expanded in the radial direction. The sealing element may be made of a suitable elastomeric material, and the expandable base may comprise a plurality of metal base elements that can be displaced in the radially outward direction. In addition, the packer comprises a drive element connected to a part of the packer element structure by means of a release mechanism, such as a shear element. The shear element may comprise a projection or a plurality of projections extending between the expandable base and the drive element. The shear element effectively provides a shear mechanism on the radially expandable packer element structure made of the sealing element and a metal substrate for sequentially setting the packer. Sequential installation involves first installing the sealing element, then cutting the shear element, which then allows the wedges to be installed. This sequential method provides a percussive effect, which forces the engagement elements, such as teeth, wedges into the surrounding surface of the wellbore or the harder metal of the casing.

[0016] На фиг. 1 в целом изображен пример скважинной системы 30. В этом варианте осуществления скважинная система 30 содержит колонну 32 скважины, содержащую по меньшей мере один пакер 34, имеющий конструкцию 36 пакерного элемента с уплотнительным элементом 38. Пакер 34 также содержит секцию 40 клиньев, которая может иметь множество клиньев 42. В данном примере колонна 32 скважины размещена в стволе 44 скважины, например, стволе скважины, имеющем поверхность 46 ствола скважины, относительно которой может быть установлен пакер 34. В некоторых вариантах применения ствол 44 скважины может быть обсажен обсадной колонной 48, а поверхность 46 ствола скважины может представлять собой внутреннюю поверхностью обсадной колонны, окружающую пакер 34. [0016] Fig. 1 generally shows an example of a well system 30. In this embodiment, the well system 30 includes a well string 32 that includes at least one packer 34 that has a packer element structure 36 with a sealing element 38. The packer 34 also includes a slip section 40 that may have a plurality of slips 42. In this example, the well string 32 is positioned in a wellbore 44, such as a wellbore that has a wellbore surface 46 relative to which the packer 34 can be set. In some applications, the wellbore 44 may be cased with a casing string 48, and the wellbore surface 46 may be an inner surface of the casing string surrounding the packer 34.

[0017] На фиг. 2 в целом показан пакер 34 согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, пакер 34 имеет центральную конструкцию 50 с наружной поверхностью 54, которая содержит конический/наклонный участок 56, наклоненный в радиально наружном направлении относительно продольной оси 58 пакера 34. В данном примере коническая/наклонная поверхность 56 центральной конструкции 50 образована конусом 88, установленным вдоль оправки 90. Конус 88 может быть закреплен на оправке 90 с помощью различных механизмов крепления, таких как крепежные элементы 92. Как также показано на фиг. 2, пакер 34 также содержит конструкцию 36 пакерного элемента, имеющую уплотнительный элемент 38 пакера, который является расширяемым и установлен на расширяемом основании 60 (фиг. 3-4), расположенном вдоль наружной поверхности 54 центральной конструкции 50. Уплотнительный элемент 38 пакера может быть выполнен, например, из подходящего эластомерного материала. [0017] Fig. 2 generally shows a packer 34 according to one or more embodiments of the present invention. As shown, the packer 34 has a central structure 50 with an outer surface 54 that includes a conical/inclined portion 56 inclined in a radially outward direction relative to a longitudinal axis 58 of the packer 34. In this example, the conical/inclined surface 56 of the central structure 50 is formed by a cone 88 mounted along a mandrel 90. The cone 88 can be secured to the mandrel 90 using various securing mechanisms, such as fasteners 92. As also shown in Fig. 2, the packer 34 also comprises a packer element structure 36 having a packer sealing element 38 which is expandable and is mounted on an expandable base 60 (Fig. 3-4) located along the outer surface 54 of the central structure 50. The packer sealing element 38 can be made, for example, of a suitable elastomeric material.

[0018] На фиг. 2 и 3 пакер 34 может также содержать приводной элемент 62, соединенный с конструкцией 36 пакерного элемента. Как показано на фиг. 3, в одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения, например, приводной элемент 62 может быть выполнен в виде нажимной цанги 64. Как также показано на фиг. 3, приводной элемент 62 может быть соединен с расширяемым основанием 60 посредством механизма 66 высвобождения. Механизм 66 высвобождения может быть выполнен в виде работающего на срез элемента 68, например, по меньшей мере, одного работающего на срез выступа. В соответствии с изображенным вариантом осуществления на фиг. 3, работающий на срез элемент 68 может содержать по меньшей мере один работающий на срез выступ, выступающий из расширяемого основания 60 в соответствующее углубление 70 приводного элемента. Снова обратимся к фиг. 2; следует отметить, что один из способов обеспечения линейного приводного движения приводного элемента 62 включает подачу давления в кольцевом пространстве в герметичную камеру давления через отверстия 94. Давление применяется для линейного перемещения приводного элемента 62 вдоль оправки 90. [0018] In Fig. 2 and 3, the packer 34 may also comprise a drive member 62 connected to the packer member structure 36. As shown in Fig. 3, in one or more embodiments of the present invention, for example, the drive member 62 may be in the form of a compression collet 64. As also shown in Fig. 3, the drive member 62 may be connected to the expandable base 60 via a release mechanism 66. The release mechanism 66 may be in the form of a shear member 68, such as at least one shear projection. According to the illustrated embodiment of Fig. 3, the shear member 68 may comprise at least one shear projection protruding from the expandable base 60 into a corresponding recess 70 of the drive member. Referring again to Fig. 2; It should be noted that one of the methods for ensuring the linear drive movement of the drive element 62 includes supplying pressure in the annular space to the sealed pressure chamber through the openings 94. The pressure is applied for the linear movement of the drive element 62 along the mandrel 90.

[0019] Снова обратимся к фиг. 2 и 3; пакер 34 согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения также содержит конструкцию 40 с клиньями, имеющую множество клиньев 42. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения клинья 42 содержат зацепляющие элементы 76, например, зубья, выполненные с возможностью надежного зацепления с окружающей поверхностью 46 ствола скважины, например, внутренней поверхностью обсадной колонны, когда клинья 42 радиально расширяются во время установки пакера 34. Как показано на фиг. 3, например, в одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения клинья 42 и соответствующие зубья 76 расположены на приводном элементе 62, например, на нажимной цанге 64. Дополнительно, как показано на фиг. 3, часть расширяемого основания 60 имеет наклоненную наружу поверхность 80, например, коническую поверхность. В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения приводной элемент 62 может перемещаться линейно для установки уплотнительного элемента 38 пакера и последующего среза работающего на срез элемента 68. После среза работающего на срез элемента 68 продолжающееся линейное перемещение приводного элемента 62 заставляет клинья 42 радиально расширяться, когда они скользят по наклоненной наружу поверхности 80 расширяемого основания 60. [0019] Referring again to Figs. 2 and 3, the packer 34 according to one or more embodiments of the present invention also includes a slip structure 40 having a plurality of slips 42. In one or more embodiments of the present invention, the slips 42 include engaging members 76, such as teeth, configured to securely engage a surrounding surface 46 of the wellbore, such as an inner surface of the casing, when the slips 42 are radially expanded during the setting of the packer 34. As shown in Fig. 3, for example, in one or more embodiments of the present invention, the slips 42 and the corresponding teeth 76 are located on a drive member 62, such as a compression collet 64. Additionally, as shown in Fig. 3, a portion of the expandable base 60 has an outwardly inclined surface 80, such as a conical surface. In one or more embodiments of the present invention, the drive member 62 may move linearly to set the packer sealing element 38 and subsequently shear the shear member 68. After shearing the shear member 68, continued linear movement of the drive member 62 causes the wedges 42 to expand radially as they slide along the outwardly inclined surface 80 of the expandable base 60.

[0020] Более конкретно, во время операции установки пакера приводной элемент 62 смещается линейно, например, в направлении к уплотнительному элементу 38 пакера вдоль оси 58. Смещение приводного элемента 62 может быть достигнуто путем приложения давления вдоль внутреннего прохода 52 и/или вдоль кольцевого пространства между колонной 32 скважины и окружающей поверхностью 46 ствола скважины. В данной области техники известны различные способы приведения в действие поршня под давлением и другие способы приведения в действие под давлением. В некоторых вариантах применениях, однако, приводной элемент 62 может быть выполнен с возможностью его механического смещения. [0020] More specifically, during the operation of setting the packer, the drive element 62 is displaced linearly, for example, in the direction of the sealing element 38 of the packer along the axis 58. The displacement of the drive element 62 can be achieved by applying pressure along the internal passage 52 and/or along the annular space between the well string 32 and the surrounding surface 46 of the wellbore. Various methods of actuating a piston under pressure and other methods of actuating under pressure are known in the art. In some embodiments, however, the drive element 62 can be configured to be mechanically displaced.

[0021] Линейное перемещение приводного элемента 62 вызывает линейное/осевое перемещение конструкции 36 пакерного элемента вдоль наклонного участка 56 наружной поверхности 54 благодаря тому, что приводной элемент 62 соединен с расширяемым основанием 60 посредством работающего на срез элемента 68. Из-за наклона в направлении радиально наружу участка 56 расширяемое основание 60 и уплотнительный элемент 38 пакера также перемещаются в радиальном направлении наружу до тех пор, пока уплотнительный элемент 38 пакера не окажется в герметичном зацеплении с окружающей поверхностью 46 ствола скважины. [0021] The linear movement of the drive element 62 causes a linear/axial movement of the packer element structure 36 along the inclined section 56 of the outer surface 54 due to the fact that the drive element 62 is connected to the expandable base 60 by means of the shear element 68. Due to the inclination in the radially outward direction of the section 56, the expandable base 60 and the packer sealing element 38 also move in the radial outward direction until the packer sealing element 38 is in tight engagement with the surrounding surface 46 of the wellbore.

[0022] По мере того, как уплотнительный элемент 38 пакера входит в зацепление с поверхностью 46, дальнейшее линейное перемещение ограничивается. Продолжающееся линейное перемещение приводного элемента 62 затем способно срезать работающий на срез элемент 68 таким образом, чтобы освободить приводной элемент 62 от конструкции 36 пакерного элемента. В результате приводной элемент 62 может скользить по наклонной поверхности 80 расширяемого основания 60, в результате чего клинья 42 перемещаются в направлении радиально наружу до тех пор, пока зацепляющие элементы/зубья 76 не упрутся в окружающую поверхность 46 стенки. Высвобождение за счет среза работающего на срез элемента 68 создает ударный эффект во время установки клиньев 42, что приводит к улучшенному зацеплению элементов/зубьев 76 с окружающей поверхностью 46 стенки. Таким образом, пакер 34 способен самостоятельно устанавливать уплотнительный элемент 38 пакера с последующей установкой клиньев 42. [0022] As the packer sealing element 38 engages the surface 46, further linear movement is limited. The continued linear movement of the drive element 62 is then able to shear the shear element 68 so as to release the drive element 62 from the packer element structure 36. As a result, the drive element 62 can slide along the inclined surface 80 of the expandable base 60, as a result of which the wedges 42 move in a radially outward direction until the engaging elements/teeth 76 abut the surrounding wall surface 46. The release due to the shear of the shear element 68 creates a hammer effect during the setting of the wedges 42, which leads to improved engagement of the elements/teeth 76 with the surrounding wall surface 46. Thus, the packer 34 is able to independently set the packer sealing element 38 and then set the wedges 42.

[0023] Снова обратимся к фиг. 3; конструкция 36 пакерного элемента согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения имеет форму уплотнения с отклоняющимися ребрами 82. Ребра 82 проходят от радиально внутренней части расширяемого основания 60 так, что они располагаются в уплотнительном элементе 38 пакера. Ребра 82 отклоняются во время установки и при воздействии давления в стволе скважины с любой стороны, например, выше или ниже, уплотнительного элемента 38 пакера. Расширяющееся основание 60 и уплотнительный элемент 38 пакера совместно обеспечивают расширяющееся цельное уплотнение, которое приводится в действие при приложении давления. Такая конструкция 36 пакерного элемента может быть применена в различных пакерах 34, включая верхние пакеры хвостовика. В сочетании с отклоняющимися ребрами 82 конструкция 36 пакерного элемента может содержать дополнительные ребра 84, например, вертикальные ребра, выступающие наружу в уплотнительный элемент 38 пакера. [0023] Referring again to Fig. 3, the packer element structure 36 according to one or more embodiments of the present invention has the form of a seal with deflecting ribs 82. The ribs 82 extend from a radially inner portion of the expandable base 60 so that they are located in the packer sealing element 38. The ribs 82 deflect during installation and when pressure is applied in the wellbore from either side, such as above or below, the packer sealing element 38. The expandable base 60 and the packer sealing element 38 together provide an expanding one-piece seal that is actuated when pressure is applied. Such a packer element structure 36 can be used in various packers 34, including upper liner packers. In combination with the deflecting ribs 82, the structure 36 of the packer element may comprise additional ribs 84, for example, vertical ribs protruding outward into the sealing element 38 of the packer.

[0024] В изображенном примере отклоняющиеся ребра 82 находятся на верхней и нижней стороне дополнительных ребер 84. Например, нижнее отклоняющееся ребро 82 может быть ориентировано в общем направлении наружу и вниз, а верхнее отклоняющееся ребро 82 может быть ориентировано в общем направлении наружу и вверх. Центрально расположенные ребра 84 могут быть ориентированы так, чтобы выступать в направлении радиально наружу и служить для предотвращения излишнего сжатия уплотнительного элемента 38 пакера, а также служить в качестве жесткого упора, ограничивающего величину отклонения отклоняющихся ребер 82. [0024] In the illustrated example, the deflecting ribs 82 are located on the upper and lower side of the additional ribs 84. For example, the lower deflecting rib 82 can be oriented in a general direction outward and downward, and the upper deflecting rib 82 can be oriented in a general direction outward and upward. The centrally located ribs 84 can be oriented so as to protrude in a radially outward direction and serve to prevent excessive compression of the sealing element 38 of the packer, and also serve as a rigid stop limiting the amount of deflection of the deflecting ribs 82.

[0025] Отклоняющиеся ребра 82 отклоняются, когда уплотнительный элемент 38 пакера устанавливается в положение уплотнения вплотную к окружающей поверхности 46 ствола скважины посредством приложения силы. Отклонение ребер 82 эффективно накапливает энергию установки, когда уплотнительный элемент 38 находится в положении уплотнения. Преимуществом является то, что конструкция уплотнения с отклоняющимися ребрами согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения может потребовать только приблизительно 50000 фунтов-силы или менее установочной нагрузки, что составляет по меньшей мере половину того, что требуется в узлах уплотнения предшествующего уровня техники. В некоторых вариантах осуществления эластомерный материал уплотнительного элемента 38 пакера может иметь такой профиль, что при приложении давления эластомер дополнительно прижимает отклоненные ребра 82 к окружающей поверхности 46 ствола скважины, например, окружающей поверхности обсадной колонны. Это обеспечивает надежное уплотнение с окружающей поверхностью 46 ствола скважины. [0025] The deflecting ribs 82 are deflected when the packer sealing element 38 is set in a sealing position against the surrounding surface 46 of the wellbore by applying a force. The deflection of the ribs 82 effectively stores the installation energy when the sealing element 38 is in the sealing position. It is an advantage that the design of the seal with deflecting ribs according to one or more embodiments of the present invention may require only about 50,000 pounds-force or less of the installation load, which is at least half of what is required in the seal assemblies of the prior art. In some embodiments, the elastomeric material of the packer sealing element 38 may have such a profile that when pressure is applied, the elastomer further presses the deflected ribs 82 against the surrounding surface 46 of the wellbore, for example, the surrounding surface of the casing. This provides a reliable seal with the surrounding surface 46 of the wellbore.

[0026] Ребра 82, 84 и уплотнительный элемент 38 пакера взаимодействуют друг с другом, обеспечивая самоуплотняющееся уплотнение. Например, отклоняющиеся ребра 82 помогают привести в действие уплотнительный элемент 38 пакера при приложении давления, которое заставляет уплотнительный элемент 38 пакера улучшать уплотнение с окружающей поверхностью 46 ствола скважины. Такие элементы, как отклоняющиеся ребра 82, также способствуют уплотнительному действию при приложении давления в кольцевом пространстве. Например, когда давление прикладывается с одного/обоих направлений (см. правую сторону фиг. 5), отклоняющиеся ребра 82 помогают активизировать уплотнение как на наружном диаметре, так и на внутреннем диаметре конструкции 36 пакерного элемента. Эта активизация помогает уплотнительному элементу 38 удерживаться против повышенного давления в кольцевом пространстве, действующего на пакер 34, например, давления до 15000 фунтов/кв. дюйм. В различных вариантах применения отклоняющиеся ребра 82 могут быть расположены под углом вверх и вниз, чтобы отклоняться при установке и дополнительно приводиться в действие при приложении давления сверху или снизу. [0026] The ribs 82, 84 and the packer sealing element 38 interact with each other to provide a self-sealing seal. For example, the deflecting ribs 82 help activate the packer sealing element 38 when pressure is applied, which causes the packer sealing element 38 to improve the seal with the surrounding wellbore surface 46. Features such as the deflecting ribs 82 also help provide a sealing action when pressure is applied in the annular space. For example, when pressure is applied from one/both directions (see the right side of Fig. 5), the deflecting ribs 82 help activate the seal on both the outside diameter and the inside diameter of the packer element structure 36. This activation helps the sealing element 38 hold up against increased pressure in the annular space acting on the packer 34, for example, pressures up to 15,000 psi. In various applications, the deflecting ribs 82 may be angled upward and downward to deflect when installed and further actuated when pressure is applied from above or below.

[0027] В некоторых вариантах осуществления расширяемое основание 60 также может содержать внутренние металлические выступы 86, ориентированные для формирования улучшенного уплотнения металл-металл с соответствующей наружной поверхностью 54 центральной конструкции 50. Внутренние металлические выступы 86 создают высокое контактное давление, когда уплотнительный элемент 38 пакера устанавливается вплотную к окружающей поверхности 46 стенки ствола скважины. Такое уплотнение металл-металл обеспечивает более высокую устойчивость к откату. Когда давление прикладывается, например, с любой стороны пакера 34, отклоняющиеся ребра 82 и металлические выступы 86 помогают сохранить уплотнение вдоль наружной и внутренней части конструкции 36 пакерного элемента. Следует отметить, что внутреннее уплотнение 78, например, кольцевое уплотнение, может быть расположено между наружной поверхностью 54 и расширяемым основанием 60, например, между внутренними металлическими выступами 86, чтобы сформировать подходящее уплотнение вдоль внутренней части конструкции элемента. [0027] In some embodiments, the expandable base 60 may also comprise internal metal projections 86 oriented to form an improved metal-to-metal seal with the corresponding outer surface 54 of the central structure 50. The internal metal projections 86 create a high contact pressure when the packer sealing element 38 is installed against the surrounding surface 46 of the wellbore wall. Such a metal-to-metal seal provides higher resistance to rollback. When pressure is applied, for example, from either side of the packer 34, the deflecting ribs 82 and the metal projections 86 help maintain the seal along the outer and inner portions of the packer element structure 36. It should be noted that an internal seal 78, such as an annular seal, can be located between the outer surface 54 and the expandable base 60, for example, between the internal metal projections 86, to form a suitable seal along the inner portion of the element structure.

[0028] Согласно одному варианту осуществления конструкция 36 пакерного элемента может представлять собой уплотнение типа переводника, имеющее расширяемое основание 60 в виде металлической подложки. Металлическая подложка может состоять из вязкого металлического материала, например, стали 8620 или другой подходящей вязкой стали. В данном примере уплотнительный элемент 38 пакера может быть выполнен в виде подходящего эластомера, например, HNBR, соединенного с металлическим расширяемым основанием 60. В зависимости от параметров конкретного применения и/или окружающей среды, материалы и конфигурации, выбранные для расширяемого основания 60 и уплотнительного элемента 38 пакера, могут быть соответствующим образом изменены. [0028] According to one embodiment, the structure 36 of the packer element may be a sub-type seal having an expandable base 60 in the form of a metal substrate. The metal substrate may consist of a ductile metal material, such as 8620 steel or another suitable ductile steel. In this example, the sealing element 38 of the packer may be made in the form of a suitable elastomer, such as HNBR, connected to the metal expandable base 60. Depending on the parameters of a particular application and/or environment, the materials and configurations selected for the expandable base 60 and the sealing element 38 of the packer may be changed accordingly.

[0029] Согласно одному примеру клинья 42 могут быть установлены на приводном элементе 62, например, цанге 64, или выполнены как единое целое с ним, и расположены для скользящего зацепления с вспомогательным наклонным участком, созданным наклонной поверхностью 80 расширяемого основания 60 (см. фиг. 3). Вспомогательный наклонный участок/наклонная поверхность 80 помогает привести в движение клинья 42 для улучшения вдавливания клиньев при приложении давления, например, к уплотнительному элементу 38 пакера. Этот тип конструкции эффективно обеспечивает высокую удерживающую нагрузку при относительно компактной длине клиньев, позволяя привести в движение клинья 42 при приложении давления. [0029] According to one example, the wedges 42 can be mounted on the drive member 62, such as the collet 64, or formed as an integral part therewith, and are arranged for sliding engagement with an auxiliary inclined section created by the inclined surface 80 of the expandable base 60 (see Fig. 3). The auxiliary inclined section/inclined surface 80 helps to drive the wedges 42 to improve the pressing of the wedges when pressure is applied, for example, to the sealing element 38 of the packer. This type of design effectively provides a high holding load with a relatively compact length of the wedges, allowing the wedges 42 to be driven when pressure is applied.

[0030] Как также показано на фиг. 4, следует отметить, что конструкция 36 пакерного элемента может быть аналогична той, что описана со ссылкой на фиг. 3, и имеет отклоняющиеся ребра 82, центрально расположенные ребра 84, уплотнительный элемент 38 пакера и внутренние металлические выступы 86, причем этот тип конструкции уменьшает откат для улучшения давления уплотнения, как описано ранее. Например, эта конфигурация предотвращает откат уплотнительного элемента 38 пакера при приложении пониженного давления в кольцевом пространстве и обеспечивает вдавливание клиньев 42 при повышении давления (см. фиг. 5). [0030] As also shown in Fig. 4, it should be noted that the structure 36 of the packer element can be similar to that described with reference to Fig. 3, and has deflecting ribs 82, centrally located ribs 84, a packer sealing element 38 and internal metal projections 86, and this type of structure reduces rollback to improve the sealing pressure, as described earlier. For example, this configuration prevents rollback of the packer sealing element 38 when a reduced pressure is applied in the annular space and ensures that the wedges 42 are pressed in when the pressure increases (see Fig. 5).

[0031] Кроме того, как показано на фиг. 5, больший угол наклона или сложный угол наклона вспомогательного наклонного участка/наклонной поверхности 80 может быть применен для уменьшения радиальной нагрузки, испытываемой обсадной колонной 48 и оправкой 90, обеспечивая тем самым более высокую удерживающую способность. В этом примере зубья 76 клиньев 42 полностью поддерживаются вспомогательным наклонным участком/наклонной поверхностью 80, чтобы помочь каждому зубу вдавливаться в окружающую обсадную колонну 48. Как и в других вариантах осуществления изобретения, клинья 42 последовательно приводятся в действие с помощью последовательности среза, как описано выше, поэтому клинья 42 устанавливаются после того, как уплотнительный элемент 38 пакера полностью установлен. Последовательность среза может быть применена для достижения желаемого ударного эффекта, который обеспечивает вдавливание клиньев 42 в более твердые металлы, связанные с определенными типами обсадных колонн 48. [0031] Additionally, as shown in FIG. 5, a higher inclination angle or a compound inclination angle of the secondary inclined portion/inclined surface 80 can be used to reduce the radial load experienced by the casing string 48 and the mandrel 90, thereby providing a higher holding capacity. In this example, the teeth 76 of the slips 42 are fully supported by the secondary inclined portion/inclined surface 80 to help each tooth press into the surrounding casing string 48. As in other embodiments of the invention, the slips 42 are sequentially actuated using a shear sequence as described above, so that the slips 42 are set after the packer sealing element 38 is fully set. The shear sequence can be used to achieve the desired impact effect, which ensures that the slips 42 are pressed into harder metals associated with certain types of casing strings 48.

[0032] Следует отметить, что пакер 34 может быть выполнен в различных размерах и конфигурациях. Например, центральная конструкция 50, конструкция 36 пакерного элемента, приводной элемент 62 и клинья 42 могут иметь различные размеры и конфигурации. В некоторых вариантах осуществления клинья 42 выполнены как единая часть приводного элемента 60, в то время как в других вариантах осуществления клинья 42 выполнены как кольцо клиньев или другая конструкция, отдельная от приводного элемента 60. Конструкция 36 пакерного элемента может содержать различные типы материалов и конфигураций для формирования уплотнительного элемента 38 пакера, а также расширяемого основания 60. Кроме того, при формировании наклонных поверхностей 56 и/или 80 могут применяться различные встроенные или отдельные компоненты. [0032] It should be noted that the packer 34 can be made in various sizes and configurations. For example, the central structure 50, the structure 36 of the packer element, the drive element 62 and the wedges 42 can have various sizes and configurations. In some embodiments, the wedges 42 are formed as a single part of the drive element 60, while in other embodiments, the wedges 42 are formed as a ring of wedges or another structure separate from the drive element 60. The structure 36 of the packer element can contain various types of materials and configurations for forming the sealing element 38 of the packer, as well as the expandable base 60. In addition, when forming the inclined surfaces 56 and/or 80, various integral or separate components can be used.

[0033] На фиг. 6 показана система верхних пакеров хвостовика, содержащая пакерный элемент 36, конус 88 и оправку 90, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. В типичной системе верхних пакеров хвостовика весь пакерный элемент расположен на конусе в неустановленном положении. Эта типичная конфигурация уменьшает поперечное сечение пакерного элемента, поскольку внутренний диаметр (ID) пакерного элемента ограничен наружным диаметром (OD) конуса, а OD пакерного элемента ограничен OD пакера. Напротив, в системе верхних пакеров хвостовика согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, к оправке 90 под наконечником конуса добавляется подрез 96, что позволяет ID пакерного элемента быть меньше наконечника конуса и быть ограниченным только OD оправки. Как также показано на фиг. 6, пакерный элемент 36 частично отходит от конуса 88 в неустановленном состоянии, что увеличивает поперечное сечение пакерного элемента 36. Более того, благодаря добавлению подреза 96 к оправке 90, уплотнительный элемент 36 может устанавливаться на конус 88 без провисания. Такое увеличение поперечного сечения пакерного элемента 36 позволяет уменьшить OD пакера и увеличить площадь обхода пакера. Подрез 96 оправки может принимать различные формы и конфигурации, без отступления от объема настоящего изобретения. [0033] Fig. 6 shows a top liner packer system comprising a packer element 36, a cone 88 and a mandrel 90 according to one or more embodiments of the present invention. In a typical top liner packer system, the entire packer element is located on the cone in an unset position. This typical configuration reduces the cross-section of the packer element since the inside diameter (ID) of the packer element is limited by the outside diameter (OD) of the cone and the OD of the packer element is limited by the OD of the packer. In contrast, in a top liner packer system according to one or more embodiments of the present invention, an undercut 96 is added to the mandrel 90 below the tip of the cone, which allows the ID of the packer element to be smaller than the tip of the cone and to be limited only by the OD of the mandrel. As also shown in Fig. 6, the packer element 36 partially moves away from the cone 88 in the unset state, which increases the cross-section of the packer element 36. Moreover, by adding the undercut 96 to the mandrel 90, the sealing element 36 can be installed on the cone 88 without sagging. Such an increase in the cross-section of the packer element 36 makes it possible to reduce the OD of the packer and increase the bypass area of the packer. The undercut 96 of the mandrel can take various shapes and configurations without departing from the scope of the present invention.

[0034] На фиг. 7 и 8 показаны сравнительные результаты сил, испытываемых системой верхних пакеров хвостовика во время установки верхнего пакера хвостовика. В частности, на фиг. 7 показаны результирующие силы, испытываемые системой верхних пакеров хвостовика без подреза оправки, а на фиг. 8 показаны результирующие усилия, испытываемые системой верхних пакеров хвостовика, имеющей подрез оправки, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. [0034] Figs. 7 and 8 show comparative results of forces experienced by the upper liner packer system during the setting of the upper liner packer. In particular, Fig. 7 shows the resulting forces experienced by the upper liner packer system without a mandrel undercut, and Fig. 8 shows the resulting forces experienced by the upper liner packer system having a mandrel undercut, according to one or more embodiments of the present invention.

[0035] Как показано на фиг. 7, без подреза оправки, возникают чрезмерно высокие силы для прохождения пакерного элемента над краем конуса наконечника, о чем свидетельствует, например, пиковая нагрузка (обведено кружком). Однако, в результате добавления подреза оправки согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, пиковая нагрузка, показанная на фиг. 7, устранена на фиг. 8. Устранение чрезмерных нагрузочных сил во время установки верхнего пакера хвостовика таким образом особенно полезно при срезе, инициирующем установку верхнего пакера хвостовика, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения. [0035] As shown in Fig. 7, without undercutting the mandrel, excessively high forces are generated to pass the packer element over the edge of the tip cone, as evidenced, for example, by the peak load (circled). However, as a result of adding undercutting the mandrel according to one or more embodiments of the present invention, the peak load shown in Fig. 7 is eliminated in Fig. 8. Eliminating excessive loading forces during the setting of the upper liner packer in this way is particularly useful during the shear that initiates the setting of the upper liner packer according to one or more embodiments of the present invention.

[0036] Несмотря на то, что выше подробно описаны несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможно множество модификаций без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации предназначены для включения в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения. [0036] Although several embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will readily appreciate that many modifications are possible without materially departing from the teachings of the present invention. Accordingly, such modifications are intended to be included within the scope of the present invention as defined in the claims.

Claims

1. A system for bringing the packer into a compacting and gripping position along the wellbore, comprising:

a well column having a packer installed along the well column, the packer comprising:

a central structure having an outer surface inclined in a radially outward direction relative to the longitudinal axis of the packer;

a packer element structure having a sealing element mounted on an expandable base located along the outer surface of the central structure;

a drive element connected to the expandable base portion of the packer element structure via a shear element; and

a plurality of wedges arranged on a drive element, wherein linear movement of the drive element causes movement of the packer element structure in an axial direction along the outer surface in such a way that the outer surface causes the expandable base and the sealing element to expand radially outward until the shear element is sheared, wherein further linear movement of the drive element causes subsequent expansion of the plurality of wedges in a radially outward direction.

2. The system according to item 1, characterized in that

the central structure contains a mandrel through which an internal passage passes, and

wherein the outer surface of the central structure is a cone located around the mandrel.

3. The system according to item 2, characterized in that the mandrel contains an undercut.

4. The system according to item 3, characterized in that the undercut on the mandrel is located under the tip of the cone.

5. The system according to item 2, characterized in that the structure of the packer element partially moves away from the cone in an unset position.

6. The system according to item 1, characterized in that the sealing element of the packer element structure is elastomeric.

7. The system according to item 6, characterized in that the expandable base of the packer element structure is made of malleable metal.

8. The system according to item 7, characterized in that the design of the packer element contains a plurality of deflecting ribs to facilitate self-sealing of the sealing element.

9. The system according to item 1, characterized in that the drive element contains a pressure collet.

10. The system according to claim 1, characterized in that the shear element comprises at least one shear projection protruding from the expandable base into the recess of the drive element.

11. The system according to claim 1, characterized in that a plurality of wedges are located along an inclined surface of the expandable base, wherein the inclined surface forms an auxiliary inclined section that causes the plurality of wedges to move in a radially outward direction during installation of the packer.

12. The system of claim 1, further comprising a seal located between the packer element structure and the outer surface.

13. The system according to item 1, characterized in that the shear of the element operating on shear causes an impact effect, which helps to install a plurality of wedges.

14. A method for bringing a packer into a compacting and gripping position along a wellbore, comprising:

providing a packer with a radially expandable packer element structure; wedges; and a drive element removably secured to the packer element structure by means of a shear element;

moving the packer down the wellbore to the desired location; and

physically displacing the drive element to successively install the packer element structure; releasing the drive element from the packer element structure by shearing the shear element; and then installing the wedges by continuing to move the drive element.