阅读说明：本技术 用于密封井眼的系统和方法 (System and method for sealing a wellbore ) 是由 维克托·卡洛斯·科斯塔德奥利韦拉 拉蒙·罗德里格斯·里科 哈立德·K·阿布埃勒纳吉 于 2018-04-11 设计创作，主要内容包括：描述了用于密封井眼的系统和方法。该系统包括：封隔元件,被配置为至少部分地进行密封以将井眼的上井部分与井眼的下井部分分隔；第一环空压力传感器位于封隔元件的上井处。第一环空压力传感器被配置为测量井眼内的封隔元件的上井处的第一压力。第二环空压力传感器位于封隔元件的下井处。第二环空压力传感器被配置为测量井眼内的封隔元件的下井处的第二压力。控制子组件被配置为位于井眼内。控制子组件被配置为通过比较第一压力和第二压力来监测系统的密封有效性。(Systems and methods for sealing a wellbore are described, the systems including a packing element configured to at least partially seal to separate an upper portion of the wellbore from a lower portion of the wellbore, an th annular pressure sensor located at the upper well of the packing element, a th annular pressure sensor configured to measure a th pressure at the upper well of the packing element within the wellbore, a second annular pressure sensor located at the lower well of the packing element, a second annular pressure sensor configured to measure a second pressure at the lower well of the packing element within the wellbore, a control subassembly configured to be located within the wellbore, and a control subassembly configured to monitor the sealing effectiveness of the system by comparing the th pressure and the second pressure.)

用于密封井眼的系统和方法

优先权声明

本申请要求于2017年4月12日递交的美国专利申请No.15/485,842的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本说明书涉及井眼封隔器，例如，监测井眼封隔器的密封有效性。

背景技术

在关于井眼进行作业时，有时需要将井眼密封较长的一段时间。密封通常需要维持较长的一段时间，以防止对工人造成伤害或环境释放。在这种情况下，可以部署封隔器以密封井眼。封隔器可以用弹性密封件密封井眼，该弹性密封件从圆柱芯部径向向外延伸以抵靠在井眼的壁上从而进行密封。

发明内容

本说明书描述了与密封井眼相关的技术。本说明书还描述了用于监测井眼封隔器的密封有效性的技术。

此处描述的主题的某些方面可以被实现为井眼监测系统。该系统包括：封隔元件，被配置为至少部分地进行密封以将井眼的上井部分与井眼的下井部分分隔；第一环空压力传感器位于封隔元件的上井处。第一环空压力传感器被配置为测量井眼内的封隔元件的上井处的第一压力。第二环空压力传感器位于封隔元件的下井处。第二环空压力传感器被配置为测量井眼内的封隔元件的下井处的第二压力。控制子组件被配置为位于井眼内。控制子组件被配置为通过比较第一压力和第二压力来监测系统的密封有效性。

在有或没有任何其他方面的情况下，该系统都可以包括圆柱形主体，该圆柱形主体支撑封隔元件、第一环空压力传感器、第二环空压力传感器和控制子组件。第一封隔器卡瓦可以被定位为与靠近圆柱形主体的下井端的程度相比更靠近圆柱形主体的上井端。第一封隔器卡瓦可以至少部分地支撑系统。第二封隔器卡瓦可以被定位为与靠近圆柱形主体的上井端的程度相比更靠近圆柱形主体的下井端。第二封隔器卡瓦可以至少部分地支撑系统。

在有或没有任何其他方面的情况下，封隔元件都可以位于第一封隔器卡瓦和第二封隔器卡瓦之间。在有或没有任何其他方面的情况下，控制组件可以包括一个或多个处理器和计算机可读介质，计算机可读介质存储可以由一个或多个处理器执行以执行操作的指令。所述操作可以包括：从井眼的地表面接收用于在井眼内执行密封操作的指令；以及，将密封指令的至少一部分发送至控制子组件。封隔元件可以响应于密封指令而至少部分地密封井眼。

在有或没有任何其他方面的情况下，操作都可以包括：从环空压力传感器中的至少一个环空压力传感器接收表示封隔元件的密封状态的状态信号；以及，将状态信号发送至井眼的地表面。

在有或没有任何其他方面的情况下，状态信号都可以包括系统的状态，该状态可以包括接合状态或脱离状态。接合状态可以包括：第一卡瓦处于延伸位置、第二卡瓦处于延伸位置、或者封隔元件处于延伸位置，延伸位置为从圆柱形主体延伸到井眼的壁。脱离状态可以包括第一封隔卡瓦、第二封隔卡瓦、封隔元件未从圆柱形主体延伸到井眼的壁。

在有或没有任何其他方面的情况下，该系统可以包括在井眼的地表面处的一个或多个发射机，该一个或多个发射机可以将密封指令发送到一个或多个处理器。该系统可以包括在井眼的地表面处的一个或多个接收机，该一个或多个接收机可以从一个或多个处理器接收状态信号。

在有或没有任何其他方面的情况下，一个或多个发射机和一个或多个接收机可以被配置为与一个或多个处理器进行无线通信。

在有或没有任何其他方面的情况下，该系统可以包括一个或多个中继器，该一个或多个中继器可以位于地表面和井眼内的控制子组件之间，并且可以增强一个或多个发射机或一个或多个接收机和一个或多个处理器之间的无线信号的强度。

在有或没有任何其他方面的情况下，控制子组件可以包括电源，该电源可以位于井眼内，可以可操作地耦接到一个或多个处理器，并且可以向一个或多个处理器提供操作电力。

在有或没有任何其他方面的情况下，该系统可以包括液压动力单元，该液压动力单元可以可操作地耦接至一个或多个处理器，并且可以从一个或多个处理器接收指令的至少一部分。

在有或没有任何其他方面的情况下，液压动力单元可以包括液压泵，液压泵流体地连接至系统，并且可以以足以启动系统的压力来供应液压流体。

此处描述的主题的某些方面可以被实现为密封井眼的方法。部署在井眼内的控制子组件从井眼的地表面接收用于在井眼内执行密封操作的密封指令。控制组件将密封指令的至少一部分发送到封隔器子组件，封隔器子组件包括：圆柱形主体；第一封隔器卡瓦，被定位为与靠近圆柱形主体的下井端的程度相比更靠近圆柱形主体的上井端；第二封隔器卡瓦，被定位为与靠近圆柱形主体的上井端的程度相比更靠近圆柱形主体的下井端；封隔元件，位于第一封隔器卡瓦和第二封隔器卡瓦之间；第一环空压力传感器，位于封隔元件的上井处；以及，第二环空压力传感器，位于封隔元件的下井处。第一井上封隔器卡瓦和第二封隔器卡瓦中的每一个可以至少部分地支撑封隔器子组件。封隔元件可以至少部分地密封井眼。第一环空压力传感器和第二环空压力传感器可以分别测量分别在井眼内的封隔元件的上井和下井处的第一压力和第二压力。封隔器子组件被启动以至少部分地密封井眼。通过比较第一压力和第二压力来确定密封的有效性。

在有或没有任何其他方面的情况下，封隔器子组件可以将表示封隔器子组件的状态的状态信号发送到控制组件。控制组件可以从封隔器子组件接收状态信号。

在有或没有任何其他方面的情况下，控制组件都可以将来自封隔器子组件的状态信号发送到井眼的地表面。

在有或没有任何其他方面的情况下，封隔器子组件可以包括液压单元，该液压单元包括液压泵。为了启动第一封隔器卡瓦、第二封隔器卡瓦以及封隔元件以至少部分地密封井眼，液压泵可以泵送液压流体以机械地启动第一封隔器卡瓦、第二封隔器卡瓦或封隔元件。

此处描述的主题的某些方面可以被实现为一种方法。为了形成可以被部署在井眼中以密封井眼的井底组件，可以组装控制组件和封隔器子组件。控制组件包括一个或多个处理器和计算机可读介质，计算机可读介质存储可以被一个或多个处理器执行以密封井眼的指令。封隔器子组件可以密封井眼。井底组件被部署在井眼中。从井眼的地表面并使用无线信号，控制子组件控制封隔器子组件以密封井眼。

在有或没有任何其他方面的情况下，控制组件都可以从封隔器子组件接收表示密封操作的状态的状态信号。控制组件可以将状态信号无线发送到井眼的地表面。

在有或没有任何其他方面的情况下，状态信号都可以包括封隔器子组件的状态。该状态可以包括开状态或关状态、以及封隔器子组件的液压。

在有或没有任何其他方面的情况下，状态信号都可以包括封隔器子组件两端的压差。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。通过说明书、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。

附图说明

图1是示例井眼被密封的侧视截面图。

图2是示例封隔器子组件的侧视图。

图3示出了示例控制系统的框图。

图4A至图4B示出了示例封隔器卡瓦(packer slip)(接合和脱离)的侧视截面图。

图5A至图5B示出了示例封隔元件(接合和脱离)的侧视截面图。

图6是示出了控制封隔器子组件的示例方法的流程图。

图7是示出了利用封隔器子组件的示例方法的流程图。

各附图中相似的附图标记和标号指示相似的要素。

具体实施方式

生产和注入井眼通常需要密封才能进行维护或维修操作。此类维修和维护可以包括：更换损坏的壳体；更换损坏的油管；检查油井部件；或任何其他必要的操作。在这样的操作期间，可以将井眼密封以允许安全进入井眼中的需要注意的部分。密封件可以帮助防止环境释放、火灾、***、窒息以及油气释放导致的任何其他潜在危害。

某些操作需要密封件就位并固定较长的一段时间。在此期间，应监测密封完整性，以确保没有油气释放。监测密封完整性会很困难，并且密封失效的可能性会随着密封件就位的时间量而增大。

封隔器可以用于在维修和维护操作期间提供必要的密封，但是标准封隔器难以坐封(set)，并且经常要进行多次尝试才能提供适当的密封。在每次尝试之间对密封件进行测试既麻烦又耗时。封隔器通常是“哑的(dumb)”。即，封隔器不能监测其自身的密封完整性。因此，经常需要辅助设备来监测封隔器的密封完整性。

本说明书讨论了可以包括在完井或测试管柱中的智能封隔器，旨在减轻此类问题。智能封隔器包括：用于为单元供电的电池组、用于控制封隔器的控制单元、用于对钻探环空(annulus)进行密封的橡胶封隔元件、确保橡胶元件的完整性/密封的上下压力传感器、以及用于将封隔器锚固到井眼的壁上的上下卡瓦套件(upper and lower set ofslips)。智能封隔器与地表面进行无线通信，并能够实时发送数据。智能封隔器能够在需要取回之前多次致动(例如，接合和脱离)它的卡瓦和橡胶元件。智能封隔器消除了诸如例如由于循环时的压差而引起的过早地坐封或释放、不能对管道进行操纵或对管道的操纵不受控制之类的风险。坐封机构确保将适当的坐封力传递到封隔元件(也称为封隔橡胶元件或封隔器橡胶元件)以保证层间隔离，并消除钢丝作业。智能封隔器可以在垂直的、水平的或有斜度的井眼中使用。

图1示出了封隔器安装系统100的示例截面图。封隔器安装系统100可以包括井架118，该井架可以将完井或测试管柱108支撑在已经在地质地层104中形成的井眼106内。尽管所示实施方式示出了经由井架118和管柱108部署井底(bottom hole)组件102，但是也可以使用连续油管设置来部署井底组件102。井底组件102位于管柱108的下井端，并且可以包括控制子组件101和封隔器子组件103。控制子组件101可以安装在井底组件上并由井底组件携带，并且可以监测封隔器安装系统100的密封有效性。封隔器子组件103将在本说明书的后面部分更详细地说明。

在地表面116处，可以将发射机113和接收机112定位为与控制子组件101通信。封隔器安装系统100还可以包括一个或多个中继器114，其可以位于地表面116与井眼106内的井底组件102之间。一个或多个中继器114可以增强控制子组件101和地表面116之间的无线信号的强度。

图2示出了示例封隔器子组件103的示意图。在所示的示例中，封隔器子组件包括：具有第一封隔器卡瓦212的圆柱形主体，第一封隔器卡瓦212比封隔器子组件103的下井(downhole)端208更靠近封隔器子组件103的上井(uphole)端202。第一封隔器卡瓦212可以至少部分地将封隔器子组件103支撑在井眼106内。第二封隔器卡瓦216被定位为与靠近封隔器子组件103的下井端202的程度相比更靠近封隔器子组件103的下井端208。第二封隔器卡瓦216可以至少部分地将封隔器子组件103支撑在井眼106内。尽管所示的实施方式包括第一封隔器卡瓦212和第二封隔器卡瓦216，但是可以使用不同数量(更少或更多)的封隔器卡瓦。例如，可以使用单个封隔器卡瓦或三个封隔器卡瓦。在所示的实施方式中，封隔元件214被定位为与靠近圆柱形主体220的任一端的程度相比更靠近圆柱形主体220的中心。封隔元件可以至少部分地密封井眼106。

第一环空压力传感器206位于封隔元件214的上井处，并测量井眼106内的在封隔元件214的上井处的压力。第二环空压力传感器218位于封隔元件214的下井处，并测量井眼中的在封隔元件214的下井处的压力。每个压力传感器可以固定地附接到封隔器子组件103的圆柱形主体220。尽管所示实施方式示出了单个封隔元件和两个压力传感器，但是可以使用附加的封隔元件和传感器。例如，如果需要监测密封，则可以增加附加的封隔元件和传感器。在封隔器子组件就位时，附加的传感器可以监测两个封隔元件之间的压力。

控制子组件101位于封隔器子组件103的一端，并且可以包括电源210和一个或多个处理器204。图3示出了控制子组件101的详细框图。控制子组件101可以包括一个或多个处理器204、以及存储可以由该一个或多个处理器204执行以执行操作的指令的计算机可读介质318。一个或多个处理器204还耦接到第一环空压力传感器206和第二环空压力传感器218。一个或多个处理器可以确定第一环空压力传感器206和第二环空压力传感器218之间的压差。在一些实施方式中，可以使用更多个传感器，并且一个或多个处理器204可以确定附加的传感器的绝对压力、或附加的传感器与任何其他传感器之间的相对压力。控制子组件101还可以包括发射机302和接收机304，发射机302和接收机304可以用于从井眼的地表面接收密封指令，以在井眼内执行密封操作，并且将密封指令的至少一部分发送到封隔器子组件103。接收机304还可以从封隔器子组件103接收表示封隔器子组件103的密封状态的状态信号。发射机302还可以将状态信号发送到井眼106的地表面116。状态信号可以包括密封子组件的状态(例如，“开”状态或“关”状态)、封隔器子组件103的液压或任何其他状态。

控制子组件还包括可位于井眼内的电源210。电源210可以可操作地耦接到一个或多个处理器204，并且可以向一个或多个处理器204提供操作电力。在一些实施方式中，电源可以是位于井眼106内的独立电源，例如锂离子电池(或其他可再充电电源)。封隔器安装系统100可以包括可操作地耦接到一个或多个处理器204的一个或多个液压动力单元(例如，第一液压动力单元310、第二液压动力单元312或第三液压动力单元314)。任何液压动力单元均可以从一个或多个处理器204接收密封指令集中的至少一部分。液压动力单元可以接收用于改变液压泵的状态(“开”命令或“关”命令)、设置液压泵的目标压力的指令以、或可以由液压动力单元执行的任何其他命令。在一些实施方式中，不同的液压动力单元可以被互连以允许每个液压动力单元之间的流体连通。互连可以允许在液压动力单元故障的情况下液压动力单元控制多个密封子组件。在一些实施方式中，每个液压动力单元可以包括其自己的一个或多个传感器，例如压力传感器或其他传感器。每个液压动力单元可以接收由它的一个或多个传感器感测的测量(或其他信息)，并将测量发送到控制子组件101。

图4A至图4B分别示出了脱离的封隔器卡瓦和接合的封隔器卡瓦的侧视截面图。所示出的实施方式可以用于第一封隔器卡瓦212、第二封隔器卡瓦216或任何其他封隔器卡瓦。封隔器子组件103包括可操作地耦接到控制子组件101的液压动力单元401。液压动力单元401可以用作前述液压动力单元之一，例如第一液压动力单元310。液压动力单元401可以从控制子组件101接收密封指令的至少一部分。密封指令的一部分可以包括：改变液压泵的状态、改变液压泵的输出压力、改变具有致动能力的(actuate-able)工具的位置、或可以由液压动力单元执行的任何其他命令。第一封隔器卡瓦212可以可操作地耦接到液压动力单元401，也就是说，响应于被控制子组件101启动，液压动力单元401可以机械地启动封隔器子组件103，以在井眼106内开始密封操作。例如，液压动力单元401本身可以包括流体连接至封隔器的第一封隔器卡瓦212的液压泵404。液压泵404可以以足以启动封隔器子组件103的压力来供应液压流体，例如存储在充满的液压贮液器402a中的液压流体。为了启动封隔器子组件103，液压动力单元401可以使封隔器的第一封隔器卡瓦212从封隔器子组件103径向向外并朝向井眼106的壁延伸。延伸的第一封隔器卡瓦212咬住井眼，并且可以至少部分地将封隔器子组件103支撑在井眼106内。封隔器子组件103还可以包括更多的传感器410，以将信息(例如，液压或封隔器卡瓦212的位置)中继回控制子组件101。

当液压动力单元401已经接收到用于启动封隔器子组件103的信号时，液压泵404将液压流体从充满的液压贮液器402a移动到未膨胀的膨胀构件406a。未膨胀的膨胀构件406a开始膨胀并变成膨胀的膨胀构件406b。类似地，在启动封隔器子组件103期间，充满的液压贮液器402a变为衰竭(depleted)的液压贮液器402b。也就是说，启动至少一个封隔器卡瓦(例如，第一封隔器卡瓦212)包括：利用液压泵404泵送液压流体以机械地启动相应的封隔器卡瓦。膨胀的膨胀构件406b使楔形心轴408朝向第一封隔器卡瓦212移动。楔形心轴408使封隔器的第一封隔器卡瓦212从封隔器子组件103径向向外并朝向井眼106的壁延伸。当密封操作完成时，控制子组件101可以向液压泵404发送信号，以将液压流体从膨胀的膨胀构件406b泵送回到衰竭的液压贮液器402b中。封隔器子组件103可以包括缩回设备(例如，弹簧)，以在从膨胀的膨胀构件406b中移除液压流体时，将楔形心轴408和封隔器的第一封隔器卡瓦212返回到缩回位置。在一些实施方式中，液压动力单元401可以流体连接至封隔器子组件103的另一部分中的单独的液压动力单元。这种连接允许在液压动力单元之一(例如，液压动力单元401)故障的情况下单个液压动力单元控制封隔器子组件103内的多个部件。

图5A至图5B示出了处于不同操作阶段的示例封隔元件214的示例截面图。在图5A中，封隔元件214处于脱离模式，而在图5B中，封隔元件214处于接合模式。封隔元件214包括可操作地耦接到控制子组件101的液压动力单元501。液压动力单元501可以用作前述液压动力单元之一(例如，第二液压动力单元312)。液压动力单元501可以从控制子组件101接收密封指令的至少一部分。密封指令的一部分可以包括：改变液压泵的状态、改变液压泵的输出压力、改变具有致动能力的(actuate-able)工具的位置、或可以由液压动力单元执行的任何其他命令。刮削工具可以可操作地耦接至液压动力单元501，也就是说，液压动力单元501可以机械地启动封隔元件214，以响应于被液压动力单元501机械地启动而开始在井眼106内进行密封操作。例如，液压动力单元501可以使封隔元件214从封隔器子组件103径向向外并朝向井眼106的壁延伸。

当液压动力单元501已经接收到用于启动封隔元件214的信号时，液压泵504将液压流体从充满的液压贮液器502a移动到未膨胀的膨胀构件506a。未膨胀的膨胀构件506a开始膨胀并变成膨胀的膨胀构件506b。类似地，在启动封隔元件214期间，充满的液压贮液器502a变为衰竭的液压贮液器502b。膨胀的膨胀构件506b使楔形心轴508朝向封隔元件214移动。楔形心轴408使封隔元件214从封隔器子组件103径向向外并朝向井眼106的壁延伸。在一些实施方式中，心轴不必是楔形的；替代地，心轴可以是扁平的，并且可以通过横向压缩封隔元件而使封隔元件径向膨胀。当密封操作完成时，控制子组件101可以向液压泵发送信号，以将液压流体从膨胀的膨胀构件506b泵送回到衰竭的液压流体贮液器502b中。封隔元件214可以包括缩回设备(例如，弹簧)，以在从膨胀的膨胀构件506b中移除液压流体时，将楔形心轴508和封隔元件214返回到缩回位置。在一些实施方式中，封隔元件214本身可以充当缩回设备。在一些实施方式中，液压动力单元501可以流体连接至封隔器子组件103的另一部分中的单独的液压动力单元。这种连接允许在液压动力单元之一(例如，液压动力单元501)故障的情况下单个液压动力单元控制封隔器子组件103内的多个部件。

图6示出了用于控制封隔器子组件103的示例方法600的流程图。在602处，由部署在井眼106内的控制子组件101从井眼106的地表面116接收用于在井眼106内执行密封操作的密封指令。在604处，由控制组件101将密封指令的至少一部分发送至封隔器子组件103。在606处，启动封隔器子组件103以至少部分地密封井眼106。在608处，通过比较第一压力和第二压力来确定密封的有效性。如果密封不成功，则封隔器子组件可以以至少一次附加地致动封隔元件214以重新尝试成功的密封。也可以致动第一卡瓦212和第二封隔器卡瓦216以重新尝试成功的密封。备选地或附加地，可以对封隔器子组件执行电子诊断测试，以评价所有传感器和系统的性能。在启动封隔器子组件103之后，从封隔器子组件103向控制组件101发送表示封隔器子组件103的状态的状态信号。由控制子组件101从封隔器子组件103接收该状态信号。控制子组件101将来自封隔器子组件103的状态信号发送到井眼106的地表面116。如果密封在较长的一段时间后失效，则可以向地表面发送警告状态，并且可以重新尝试成功的密封。备选地或附加地，密封件可以被去启动并且再次被启动。封隔器子组件103的正确操作与不正确的密封相结合，表明壳体可能泄漏(例如，由于该位置的过度磨损或某些其他原因)。致动附接至封隔器子组件103的第一封隔器卡瓦212、第二封隔器卡瓦216和封隔元件214以至少部分地密封井眼106可以包括利用液压泵泵送液压流体以机械地启动第一封隔器卡瓦212、第二封隔器卡瓦216或封隔元件214。

图7示出了用于利用封隔器子组件103的示例方法700的流程图。在702处，对能够被部署在井眼中的部件进行组装以形成用于密封井眼106的井底组件102。部件可以包括控制子组件101和用于密封井眼106的封隔器子组件103，控制子组件101具有一个或多个处理器204、以及存储可以由一个或多个处理器204执行以密封井眼106的指令的计算机可读介质318。在704处，将井底组件102部署在井眼106中。在706处，使用无线信号从井眼106的地表面116对控制子组件101进行控制，以接合封隔器子组件103从而密封井眼106。由控制子组件101从封隔器子组件103接收表示密封操作的状态的状态信号。由控制子组件101无线地向井眼106的地表面116发送状态信号。状态信号可以包括封隔器子组件103的状态(例如，“开”状态或“关”状态)、封隔器子组件的液压、封隔器子组件两端的压差或任何其他状态。

已经描述了本主题的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求的范围内。