Способ и устройство для крепления расширяемой трубы

1 Настоящее изобретение относится к способу и устройству для крепления расширяемой трубы, в частности, но не исключительно, ко второй трубе, в которой расположена первая труба. При добыче углеводородов из буровой скважины обычно бурят скважину и при этом крепят скважину обсадными трубами, которые в надлежащем месте сажают на цемент. Обсадные трубы устанавливают для того, чтобы предотвратить обрушение породы, находящейся вокруг скважины. Кроме того, обсадные трубы препятствуют протеканию в скважину нежелательных текучих сред из окружающей породы и подобным же образом препятствуют утечкам в окружающую породу текучих сред, находящихся внутри скважины. Известно использование гибкой обсадной трубы, которая может расширяться в радиальном направлении таким образом, что наружная поверхность обсадной трубы входит в соприкосновение с породой, находящейся вокруг буровой скважины. Гибкая обсадная труба подвергается пластической деформации при еe расширении обычно посредством прохождения через неe расширительного устройства, например керамического или стального конуса либо чего-то подобного. Расширительное устройство поступательно продвигается по обсадной трубе подобно ершу для чистки труб, при этом его можно толкать (используя, например, текучую среду под давлением) или тянуть (используя бурильную трубу, бурильные штанги, спиральную трубу, провод или что-то подобное). Отрезки расширяемой обсадной трубы соединяют друг с другом (обычно посредством резьбовых соединений) для получения колонны обсадных труб. Колонну обсадных труб вводят в буровую скважину в нерасширенном состоянии, после чего еe расширяют, используя расширительное устройство. Однако нерасширенную колонну обсадных труб необходимо закрепить в верхнем конце или в нижнем конце до выполнения процесса расширения и/или в течение этого процесса. Согласно первому аспекту настоящего изобретения создано устройство для крепления расширяемой трубы, при этом устройство содержит, по меньшей мере, одну формацию, выполненную на наружной поверхности расширяемой трубы, причeм формация входит в зацепление со второй трубой, в которой расположена расширяемая труба, и обеспечивает крепление и/или уплотнение расширяемой трубы, когда происходит, по меньшей мере, частичное расширение расширяемой трубы. Согласно второму аспекту настоящего изобретения создан способ крепления расширяемой трубы, который содержит стадию обеспечения расширяемой трубы, имеющей на еe наружной поверхности, по меньшей мере, одну формацию, которая входит в зацепление со вто 003447 2 рой трубой, в которой расположена первая труба, чтобы обеспечить крепление и/или уплотнение расширяемой трубы, стадию крепления расширяемой трубы ко второй трубе и стадию расширения, по меньшей мере, части расширяемой трубы, чтобы привести формацию в соприкосновение со второй трубой. Изобретение также относится к расширяемой трубе, например обсадной трубе или ей подобной, при этом труба имеет формацию на еe наружной поверхности, приспособленную для зацепления со вторым элементом, когда происходит расширение расширяемой трубы. Формация обычно содержит упругий материал, как правило, первый и второй бандажи из первого упругого материала, например из резины, при этом первый и второй бандажи отстоят друг от друга в осевом направлении, а третий бандаж из второго упругого материала,например из второй резины, расположен между первым и вторым бандажами. Предпочтительно,чтобы первый материал был твeрже второго материала. Первый и/или второй материал могут быть спрофилированы по их наружной поверхности, чтобы усилить крепление и/или уплотнение. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первый и второй бандажи представляют собой бандажи шириной 2 дюйма (приблизительно 51 мм), отстоящие друг от друга на 10 дюймов (приблизительно 250 мм). Третий бандаж обычно представляет собой бандаж шириной 10 дюймов (приблизительно 250 мм). Первая резина обычно представляет собой резину с твeрдостью 60 единиц по дюрометру. Вторая резина обычно представляет собой резину с твeрдостью 40 единиц по дюрометру. Бандажи из резины могут иметь любую приемлемую твeрдость и ширину. Как вариант, первая резина может представлять собой резину с твeрдостью 90 единиц, а твeрдость второй резины может составлять 60 единиц. В альтернативном варианте осуществления изобретения формация содержит бандаж из резины или другого приемлемого упругого материала. Предпочтительно, чтобы бандаж образовывал на наружной поверхности трубы зигзагообразную форму. Резина может иметь любую приемлемую твeрдость, но обычно твeрдость составляет порядка 40-90 единиц по дюрометру,хотя также могут быть использованы значения твeрдости, выходящие из этого диапазона. Свойства материала и конфигурацию формации или каждой формации выбирают так,чтобы они были приемлемы для конкретного применения. Расширяемая труба обычно представляет собой расширяемую обсадную трубу или облицовку. Однако расширяемая труба также может представлять собой любую приемлемую расширяемую трубу или ей подобную. 3 Как вариант, формация может быть выполнена отделяемой, причeм предпочтительно,чтобы она накладывалась на наружную поверхность трубы перед расширением. Как вариант,формация может состоять из двух или более отдельных формаций, отстоящих друг от друга в осевом направлении. Обычно вторая труба представляет собой буровую скважину, обсадную трубу, облицовку или им подобное. Расширяемая обсадная труба может входить в зацепление с любым типом труб. Способ согласно изобретению обычно включает дополнительную стадию обеспечения расширительного устройства для расширения расширяемой трубы в радиальном направлении. Расширительное устройство обычно содержит конус. Расширительное устройство может быть изготовлено из стали. Как вариант,расширительное устройство может быть изготовлено из керамического материала либо из сочетания стали и керамического материала. Как вариант, расширительное устройство выполняют гибким. Расширяемую трубу обычно временно крепят ко второй трубе, используя механическое или другое крепeжное устройство (например, башмак). Ниже варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны лишь посредством примера со ссылками на прилагаемые чертежи,на которых на фиг. 1 изображено схематическое поперечное сечение представленного в качестве примера варианта осуществления устройства для крепления расширяемой трубы к буровой скважине; на фиг. 2 а изображен вид спереди по высоте, показывающий первую конфигурацию формации, налагаемой на наружную поверхность устройства на фиг. 1; на фиг. 2b изображен торцевой вид по высоте формации на фиг. 2 а; на фиг. 2 с изображен увеличенный вид части формации на фиг. 2 а и 2b, демонстрирующий спрофилированную наружную поверхность; на фиг. 3 изображено схематическое поперечное сечение альтернативного варианта осуществления устройства для крепления расширяемой трубы к буровой скважине, имеющего другую формацию на наружной поверхности; на фиг. 4 а изображен вид спереди по высоте формации на фиг. 3; на фиг. 4b изображен торцевой вид по высоте конструкции согласно фиг. 4 а. На фиг. 1 изображен показанный в качестве примера вариант осуществления устройства для крепления расширяемой трубы 12. Как показано, расширяемая труба 12 расположена внутри обсадной трубы или облицовки 14. Обычно обсадную трубу или облицовку 14 ис 003447 4 пользуют для крепления или заключения в оболочку буровой скважины, которую бурят в породе 16 для добычи углеводородов. Однако следует заметить, что расширяемая труба 12 может представлять собой облицовку или обсадную трубу, используемую для крепления или облицовки буровой скважины. Расширяемая труба 12 может представлять собой трубу любого приемлемого типа, которая может подвергаться пластической деформации,за счeт чего она может быть расширена в радиальном направлении, по меньшей мере, на 10%,хотя еe расширение в радиальном направлении может составлять больше или меньше этой величины. На верхней части фиг. 1 изображена расширяемая труба 12 в нерасширенном состоянии,при этом в ней расположено расширительное устройство 18, используемое для воздействия силы, обеспечивающей расширение в радиальном направлении. В нижней части фиг. 1 изображена часть расширяемой трубы 12, расширенная в радиальном направлении посредством расширительного устройства 18. Расширительное устройство 18 обычно содержит конус. Расширительное устройство 18 может быть изготовлено из стали либо, как вариант, оно может быть изготовлено из керамического материала. Как вариант, расширительное устройство 18 может быть выполнено гибким, хотя это предпочтительно в том случае,когда расширительное устройство 18 требуется для расширения расширяемой трубы, которая имеет искривление или что-то подобное. Может быть использовано любое расширительное устройство 18 обычного типа. Как показано на фиг. 1, расширяемая труба 12 имеет, по меньшей мере, одну формацию, в целом обозначенную позицией 20 (на фиг. 1 показана только одна формация 20) и находящуюся на наружной поверхности 12s трубы. Формация 20 обычно содержит первый и второй бандажи 22, 24, которые отстоят друг от друга в осевом направлении вдоль продольной оси 26 расширяемой трубы 12. Первый и второй бандажи 22, 24 обычно отстоят друг от друга в осевом направлении на некотором расстоянии, например, составляющем 10 дюймов (приблизительно 250 мм). Первый и второй бандажи 22,24 предпочтительно представляют собой кольцеобразные бандажи, которые проходят по окружности вокруг наружной поверхности 12s расширяемой трубы 12, хотя необязательно выполнение именно такой конструкции. Первый и второй бандажи 22, 24 обычно представляют собой бандажи шириной 2 дюйма (приблизительно 51 мм), выполненные из резины первого типа. Конструкция 20 необязательно должна проходить по всей окружности поверхности 12s. Между первым и вторым бандажами 22, 24 расположен третий бандаж 28, выполненный из резины второго типа. Третий бандаж 28 пред 5 почтительно проходит между первым и вторым бандажами 22, 24, при этом его ширина обычно составляет 10 дюймов (приблизительно 250 мм). Первый и второй бандажи 22, 24 обычно имеют первую толщину. Третий бандаж 28 обычно имеет вторую толщину. Первая толщина обычно больше второй толщины, хотя они могут быть одинаковыми. При этом первый и второй бандажи 22, 24 выступают от поверхности 12s далее, чем третий бандаж 28, как схематически показано на фиг. 1. Предпочтительно, чтобы резина первого типа (то есть для первого и второго бандажей 22, 24) по своему составу была твeрже резины второго типа (то есть для бандажа 28). Твeрдость резины первого типа обычно составляет 60 единиц по дюрометру, в то время как твeрдость резины второго типа обычно составляет 40 единиц по дюрометру. Дюрометр имеет обычную шкалу твeрдости резины. Конкретные свойства резины могут представлять собой любые приемлемые свойства,при этом твeрдость упомянута только в качестве примера. Также следует отметить, что относительные размеры первого, второго и третьего бандажей 22, 24, 28, а также промежутки между ними приведены только в качестве примера и могут представлять собой любые приемлемые размеры и промежутки. На фиг. 2 а-2 с показана альтернативная формация 50, которая, по существу, аналогична формации 20. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2 а-2 с, формация 50 содержит первый и второй бандажи 52, 54 из первого упругого материала и расположенный между ними третий бандаж 56 из второго упругого материала. Первый и второй бандажи 52, 54 имеют ширину порядка 1 дюйма (приблизительно 25,4 мм) и отстоят друг от друга на расстоянии, примерно составляющем 3 дюйма (приблизительно 76 мм), при этом ширина третьего бандажа 56 составляет 3 дюйма (приблизительно 76 мм). Первый упругий материал первого и второго бандажей 52, 54 обычно твeрже второго упругого материала третьего бандажа 56. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2 а-2 с, первый упругий материал представляет собой резину, твeрдость которой составляет 90 единиц по дюрометру, а второй упругий материал представляет собой резину,твeрдость которой составляет 60 единиц по дюрометру. В отличие от формации 20, толщина бандажей 52, 54, 56, по существу, одинакова. Как можно видеть, в частности, на фиг. 2 с, наружная поверхность 56s третьего бандажа 56 может быть спрофилирована. Наружная поверхность 56s выполнена ребристой для усиления зажима третьего бандажа 56 на внутренней поверхности второй трубы (например, предварительно установленной части облицовки, обсадной трубы 6 или чего-то подобного либо породы буровой скважины), в которой расположена расширяемая труба 12. Можно отметить, что наружная поверхность первого и второго бандажей 52, 54 также может быть спрофилирована (например,выполнена с рeбрами). Два наружных бандажа 52, 54, выполненные из резины повышенной твeрдости, обеспечивают относительно высокотемпературное уплотнение и упорное уплотнение по отношению к сравнительно более мягкой резине третьего бандажа 56. Третий бандаж 56 обычно обеспечивает низкотемпературное уплотнение. При использовании формации 20, 50 еe накладывают на наружную поверхность 12s (нерасширенной) расширяемой трубы 12. Формация 20, 50 может быть расположена в местах,отстоящих друг от друга в осевом направлении по длине расширяемой трубы 12, при этом промежутки и количество формаций 20, 50 выбирают таким образом, чтобы они были приемлемы для конкретного применения. Затем расширяемую трубу 12 подают в буровую скважину, обсадную трубу или облицовку 14 либо в какой-то другой канал, к которому должна быть прикреплена расширяемая труба 12. Как можно видеть на фиг. 1 (верхняя часть),когда расширяемую трубу 12 вводят в обсадную трубу или облицовку 14, между наружной поверхностью 12s расширяемой трубы 12 и внутренней поверхностью 14i обсадной трубы или облицовки 14 образуется кольцевой зазор 30. Расширительное устройство 18 обычно расположено в расширенной части 12 е расширяемой трубы 12 перед подачей трубы 12 к обсадной трубе или облицовке 14. Следует отметить, что труба 12 представляет собой трубу такого типа,которая не создаeт помех, так что кольцевой зазор 30 остаeтся (хотя его размер будет уменьшен) даже тогда, когда расширяемая труба 12 расширена в радиальном направлении, то есть будет иметь место зазор между расширяемой трубой 12 и обсадной трубой или облицовкой 14. Необязательно, чтобы расширяемая труба 12 представляла собой трубу такого типа, которая не создаeт помех. Когда наружная поверхность 12s расширяемой трубы 12 не находится в непосредственном соприкосновении с внутренней поверхностью 14i обсадной трубы или облицовки 14, используют устройство 32 (например, башмак) механического или иного типа для обеспечения временного крепления, при этом, по меньшей мере, часть расширяемой трубы 12 расширена в радиальном направлении. Крепeжное устройство 32 механического или иного типа может представлять собой любое обычное устройство,при этом его, как правило, крепят у расширенной части 12 е расширяемой трубы 12 или вблизи от неe. Когда установлено крепeжное устройство 32 механического или иного типа, расшири 7 тельное устройство 18 тянут или толкают через расширяемую трубу 12 в направлении стрелки 34. Расширительное устройство 18 может поступательно перемещаться по расширяемой трубе 12 посредством использования текучей среды под давлением, либо его можно толкать вдоль расширяемой трубы 12, используя обычную болванку или тягач (не показаны). Как вариант, расширительное устройство 18 можно поступательно продвигать посредством использования груза (например, веса колонны бурильных труб) либо его можно тянуть через расширяемую трубу 12 (например, используя бурильную трубу, бурильные штанги, спиральную трубу, провод или что-то подобное). Когда расширительное устройство 18 продвигают по расширяемой трубе 12 (используя обычные средства), оно расширяет трубу 12 в радиальном направлении, как показано в нижней части фиг. 1. Когда труба 12 расширена,формация 20, 50 также расширена, за счeт чего формация 20, 50 (то есть первый, второй и третий бандажи 22, 24, 28, 52, 54, 56, выполненные из резины) входят в зацепление с частью внутренней поверхности 14i обсадной трубы или облицовки 14. Для усиления крепления и/или уплотнения предпочтительно, чтобы наружная поверхность первой и второй резиновых частей(то есть бандажей 22, 24, 52, 54) и, как вариант,третьей резиновой части (то есть бандажа 28,56) была спрофилирована (то есть была бы выполнена с рeбрами или чем-то подобным). Когда первый, второй и третий бандажи 22, 24, 28, 52, 54, 56, выполненные из резины,входят в зацепление с внутренней поверхностью 14i обсадной трубы или облицовки 14, они обеспечивают место крепления благодаря трению, создаваемому между первой и/или второй резиновыми частями и внутренней поверхностью 14i. Это место крепления обеспечивает крепление расширяемой трубы 12 к обсадной трубе или к облицовке 14. Кроме того, первая и/или вторая резиновые части также могут действовать в качестве уплотнения, что приводит к получению кольцевого уплотнения, которое препятствует действию давления и уплотняет кольцевой зазор 30. Когда обеспечены две или более формации 20,50, находящиеся в местах, отстоящих друг от друга в осевом направлении, части кольцевого зазора 30, находящиеся между конструкциями 20, 50, будут изолированы друг от друга. После того как формация 20, 50 расширена, вследствие чего первая и вторая резиновые части обеспечивают, по меньшей мере, место крепления расширяемой обсадной трубы 12 (и,как вариант, уплотнение кольцевого зазора 30),крепeжное устройство 32 механического или иного типа может быть отсоединено и, как вариант, может быть удалено из обсадной трубы или облицовки 14. 8 На фиг. 3 показана альтернативная расширяемая труба 100, которая представляет собой второй вариант осуществления устройства согласно настоящему изобретению. Расширяемая труба 100, по существу, такая же, что и расширяемая труба 12, но имеет другую альтернативную конструкцию 150 на еe наружной поверхности 100s. Расширяемая труба 100 может представлять собой приемлемую трубу любого типа,которая может выдерживать пластическую деформацию, вследствие которой она может быть расширена в радиальном направлении, по меньшей мере, на 10%, хотя еe расширение в радиальном направлении может составлять больше или меньше этого значения. Как можно видеть на фиг. 3, расширяемая труба 100 имеет предварительно расширенную часть 100 е, в которой может быть размещено расширительное устройство (например, расширительное устройство 18), когда трубу 100 вводят в буровую скважину или что-то подобное. Следует заметить, что расширительное устройство необязательно должно быть расположено в трубе 100, когда еe подают в буровую скважину; оно может быть расположено в трубе 100, когда труба установлена на место. Как показано на фиг. 3, расширительная труба 100 имеет, по меньшей мере, одну формацию, в общем обозначенную позицией 150. Показано накладывание на наружную поверхность 100s трубы 100 определeнного количества формаций 150, при этом каждая формация отстоит в осевом направлении от другой формации примерно на 12 дюймов (приблизительно 305 мм). Формация 150 наилучшим образом показана на фиг. 4 а и 4b. Альтернативной формации 150 придана зигзагообразная форма. В этом варианте осуществления изобретения формация или каждая формация 150 содержит один (предпочтительно кольцевой) бандаж из резины,твердость которой составляет 90 единиц по дюрометру, при этом его ширина составляет примерно 2,5 дюйма (приблизительно 28 мм), а толщина составляет порядка 0,12 дюйма (приблизительно 3 мм). Чтобы создать зигзагообразную форму и,следовательно, увеличить силу прижима и/или уплотнения при использовании формации 150, в ней выполняют определенное количество прорезей 152 а, 152b (например, 20), которые выполняют в бандаже из резины посредством фрезерования. Обычно прорези 152 а, 152b имеют ширину порядка 0,2 дюйма (приблизительно 5 мм) и длину порядка 2 дюймов (приблизительно 50 мм). Прорези 152 а выполняют посредством фрезерования примерно в 20 местах, отстоящих друг от друга по окружности с углом приблизительно 18 между каждой одной продольной кромкой 150 а бандажа. Затем процесс повторяют путeм фрезерования других 20 прорезей 9 152b с другой стороны 150b бандажа, при этом прорези с другой стороны смещены по окружности на 9 от прорезей 152 а с первой стороны. При использовании формации 150 еe накладывают на наружную поверхность 100s (нерасширенной) расширяемой трубы 100. Формация 150 может быть наложена в местах, отстоящих друг от друга в осевом направлении по длине расширяемой трубы 100, как показано на фиг. 3, при этом количество формаций 150 и промежутки между ними выбирают таким образом, чтобы они были приемлемы для конкретного применения. Затем расширяемую трубу 100 вводят в буровую скважину, обсадную трубу или облицовку 14 либо в какую-то другую трубу, к которой должна быть прикреплена расширяемая труба 100, при этом используют, по существу,тот же самый способ, что и в отношении описанной выше трубы 12. Используя описанные здесь способ и устройство для крепления расширяемой трубы ко второй трубе, можно заключить скважину в оболочку, используя расширяемую трубу, снабженную такой формацией, причем без использования цемента. Это позволяет получить значительные преимущества, особенно в отношении стоимости, благодаря уменьшению требуемых материалов и времени бурения. Таким образом, созданы способ и устройство для крепления расширяемой трубы ко второй трубе. В некоторых вариантах осуществления устройства и способа может быть выполнено уплотнение между расширяемой трубой и второй трубой. Некоторые варианты осуществления устройства включают формацию из различных слоев или бандажей, выполненных из упругих материалов, которые определенным образом расположены и составлены для обеспечения надeжного крепления и/или уплотнения между расширяемой трубой и второй трубой. Без отклонения от объема настоящего изобретения могут быть выполнены модификации и усовершенствования этого изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для крепления расширяемой трубы, содержащее, по меньшей мере, одну формацию, выполненную на наружной поверхности расширяемой трубы, причем формация может входить в зацепление со второй трубой, в которой размещена расширяемая труба, при этом формация обеспечивает крепление и/или уплотнение расширяемой трубы, когда расширяемая труба, по меньшей мере, частично расширена. 2. Устройство по п.1, в котором формация содержит упругий материал. 3. Устройство по п.1 или 2, в котором формация содержит первый и второй бандажи из первого упругого материала. 10 4. Устройство по п.3, в котором первый и второй бандажи отстоят друг от друга в осевом направлении, а между первым и вторым бандажами размещен третий бандаж из второго упругого материала. 5. Устройство по п.4, в котором первый упругий материал имеет большую твердость,чем второй упругий материал. 6. Устройство по п.4 или 5, в котором первый и/или второй упругие материалы спрофилированы по их наружной поверхности для усиления крепления и/или уплотнения. 7. Устройство по любому из пп.4-6, в котором первый упругий материал содержит первую резину, а второй упругий материал содержит вторую резину. 8. Устройство по п.1 или 2, в котором формация содержит бандаж из упругого материала, который образует зигзагообразную форму на наружной поверхности трубы. 9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором формацию накладывают на наружную поверхность трубы перед расширением трубы. 10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором формация состоит из двух или более формаций, отстоящих друг от друга в осевом направлении. 11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором расширяемую трубу временно крепят ко второй трубе. 12. Расширяемая труба, имеющая формацию на ее наружной поверхности, предназначенную для зацепления со вторым элементом,когда расширяемая труба расширена. 13. Расширяемая труба по п.12, в которой формация содержит упругий материал. 14. Расширяемая труба по п.12 или 13, в которой формация образует первый и второй бандажи из первого упругого материала. 15. Расширяемая труба по п.14, в которой первый и второй бандажи отстоят друг от друга в осевом направлении, а третий бандаж из второго упругого материала расположен между первым и вторым бандажами. 16. Расширяемая труба по п.15, в которой первый упругий материал имеет большую твердость, чем второй упругий материал. 17. Расширяемая труба по п.15 или 16, в которой первый и/или второй упругие материалы спрофилированы по их наружной поверхности для усиления крепления и/или уплотнения. 18. Расширяемая труба по любому из пп.15-17, в которой первый упругий материал содержит первую резину, а второй упругий материал содержит вторую резину. 19. Расширяемая труба по п.12 или 13, в которой формация содержит бандаж из упругого материала, который образует зигзагообразную форму на наружной поверхности трубы. 20. Расширяемая труба по любому из пп.12-19, в которой формация накладывается на ее наружную поверхность до расширения трубы. 21. Расширяемая труба по любому из пп.12-20, в котором формация состоит из двух или более формаций, отстоящих друг от друга в осевом направлении. 22. Расширяемая труба по любому из пп.12-21, которую временно крепят ко второй трубе, используя механическое крепежное устройство. 23. Способ крепления расширяемой трубы,содержащий стадии обеспечения расширяемой трубы, имеющей на ее наружной поверхности,по меньшей мере, одну формацию, которая входит в зацепление со второй трубой, в которой 12 размещают расширяемую трубу, чтобы облегчить крепление и/или уплотнение расширяемой трубы, крепления расширяемой трубы ко второй трубе и расширения, по меньшей мере, части расширяемой трубы, чтобы привести формацию в соприкосновение со второй трубой. 24. Способ по п.23, включающий дополнительную стадию обеспечения расширительного устройства для расширения расширяемой трубы в радиальном направлении. 25. Способ по п.23 или 24, включающий дополнительную стадию временного крепления расширяемой трубы с использованием механического крепежного устройства.