устройство управления потоком с выдавливаемым запорным элементом

Формула изобретения

1. Устройство управления потоком для избирательного перекрытия колонны труб, запирающего поток текучей среды через нее, содержащее корпус с проходящим через него сквозным отверстием, зафиксированную в сквозном отверстии оболочку, которая выступает по радиусу внутрь сквозного отверстия, образуя в нем участок сужения проходного сечения, и представляет собой посадочное место для запорного элемента, и запорный элемент, выполненный такой формы и размера, чтобы проходить в сквозное отверстие и устанавливаться на посадочное место, причем оболочка выполнена деформируемой с обеспечением прохождения запорного элемента через участок сужения проходного сечения при приложении к запорному элементу усилия заданной величины и при этом оболочка ограничивает кольцевую камеру для текучей среды.

2. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена с возможностью упругой деформации.

3. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена с возможностью пластической деформации.

4. Устройство по п.1, в котором запорный элемент имеет сферическую форму.

5. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена из металла.

6. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена из эластомера.

7. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена из пластика.

8. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена из композиционного материала.

9. Устройство по п.1, в котором оболочка выполнена кольцевой формы.

10. Устройство по п.1, в котором кольцевая камера наполнена текучей средой.

11. Устройство по п.10, в котором текучая среда содержит азот.

12. Устройство по п.10, в котором текучая среда содержит воду.

13. Устройство по п.10, в котором текучая среда содержит силиконовое масло.

14. Устройство управления потоком для избирательного перекрытия колонны труб, запирающего поток текучей среды через нее, содержащее корпус с проходящим через него сквозным отверстием и зафиксированную в сквозном отверстии оболочку, которая выступает по радиусу внутрь сквозного отверстия, образуя в нем участок сужения проходного сечения, и представляет собой посадочное место для запорного элемента, причем оболочка выполнена деформируемой с обеспечением прохождения запорного элемента через участок сужения проходного сечения при приложении к запорному элементу заданного усилия и при этом оболочка ограничивает кольцевую камеру для текучей среды.

15. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена с возможностью упругой деформации.

16. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена с возможностью пластической деформации.

17. Устройство по п.14, содержащее также запорный элемент, выполненный такой формы и размера, чтобы проходить в сквозное отверстие и устанавливаться на посадочное место.

18. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена в основном из сплава металлов.

19. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена из эластомерного материала.

20. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена из пластика.

21. Устройство по п.14, в котором оболочка выполнена из композиционного материала.

22. Способ управления потоком в насосно-компрессорной колонне для временного перекрытия потока через нее, заключающийся в том, что

в состав колонны включают устройство управления потоком, содержащее корпус с проходящим в нем сквозным отверстием и участок сужения проходного сечения, образованный оболочкой, ограничивающей кольцевую камеру для текучей среды и выступающей по радиусу внутрь сквозного отверстия и представляющей собой посадочное место для запорного элемента,

помещают внутрь колонны запорный элемент, устанавливая его на посадочное место,

повышают давление текучей среды в колонне над запорным элементом до первого уровня с образованием уплотнения, запирающего поток текучей среды внутри колонны,

повышают давление текучей среды в колонне над запорным элементом до второго уровня с продавливанием запорного элемента через участок сужения проходного сечения и открытием колонны для прохождения через нее потока текучей среды.

23. Способ по п.22, в котором в колонну помещают второй запорный элемент, устанавливая его на посадочное место, и повышают давление текучей среды в колонне над вторым запорным элементом до указанного первого уровня с образованием уплотнения, запирающего поток текучей среды внутри колонны.

24. Способ по п.23, в котором повышают давление текучей среды в колонне над вторым запорным элементом до второго уровня с продавливанием второго запорного элемента через участок сужения проходного сечения и открытием колонны для прохождения через нее потока текучей среды.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к устройствам управления потоком для перекрытия колонн труб временными пробками. В некоторых аспектах изобретение относится также к устройствам и способам для гидравлических (опрессовочных) испытаний используемых в эксплуатационных скважинах насосно-компрессорных колонн, а также к использованию гидравлических инструментов внутри колонны труб.

Уровень техники

После того, как эксплуатационная скважина пробурена и обсажена, а при необходимости и проперфорирована, в обсаженный ствол скважины вводят насосно-компрессорную колонну. В этом случае углеводороды из вскрытых скважиной пород засасываются в колонну при помощи установленного на поверхности насоса и подаются на поверхность. Введенную в ствол насосно-компрессорную колонну перед началом извлечения добываемых флюидов необходимо проверить на герметичность. Утечки из насосно-компрессорной колонны приводят к снижению эффективности добычи, а их устранение после начала эксплуатации скважины может быть дорогостоящим.

Для гидравлического испытания насосно-компрессорной колонны внутри колонны требуется установить временную пробку или временно закупорить колонну. Затем в полость над местом закупорки подают текучую среду и повышают давление, что позволяет выявить возможную негерметичность. После испытания пробку необходимо удалить из колонны. В других случаях временная закупорка участка колонны труб может потребоваться для приведения в действие гидравлического инструмента в той части колонны труб, которая расположена над местом закупорки.

К сожалению, существующие устройства управления потоком с применением временных пробок не лишены проблем при использовании и на практике весьма ненадежны. В патенте US 5996696 (Jeffree и др.) описано решение, предусматривающее установку в насосно-компрессорную колонну перед ее введением в скважину разрывного диска, который обычно изготавливают из никеля. Устройства такого типа известны специалистам как "диафрагмы для испытаний в скважине". При решении некоторых задач известная конструкция не дает удовлетворительного результата, так как при спуске колонны в скважину она не позволяет пропускать через колонну текучие среды или скважинные инструменты. Их прохождению препятствует неповрежденный разрывной диск.

Переводник Hydro Trip, модель Е, производства компании Baker Oil Tools представляет собой еще одно устройство управления потоком, используемое для временного перекрывания колонны труб. В этом устройстве используется цанга, лепестки которой сужают проходное сечение и образуют посадочное место для шарика, на которое опирается запорный шарик, полностью перекрывающий трубу. При создании в колонне над запорным шариком заданного давления разрушается несколько срезных винтов, освобождающих расположенную в колонне втулку, которая сползает по колонне, позволяя лепесткам цанги отойти обратно в соответствующий вырез в стенке сквозного отверстия, при этом запорный шарик падает в зумпф скважины, открывая канал колонны. Это устройство может не сработать должным образом, если при расчетном давлении текучей среды срезные винты не срежутся или срежутся не одновременно, вызвав заклинивание втулки или ее преждевременное соскальзывание. Кроме того, это устройство можно использовать лишь однократно. После разрушения срезных винтов установить на посадочное место другой запорный шарик невозможно, если только колонну не извлечь из скважины, а затем спустить повторно. Разумеется, это дорогостоящая и длительная операция.

Известен также переводник со срезным посадочным местом шарика, который обеспечивает временное перекрытие участка колонны труб, если в колонну сбросить шариковый запорный элемент, который сядет на посадочное место, образованное хрупким элементом. Открытие канала в колонне происходит путем срезания хрупкого элемента, а пробка при этом падает в зумпф скважины. К сожалению, устройство этого типа можно расположить только на нижнем конце колонны труб, и ни в каких других местах колонны, что ограничивает его полезность. Разумеется, и для этого устройства возможно лишь однократное применение.

Настоящее изобретение направлено на решение проблем, присущих известным решениям.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагаются устройства и способ управления потоком текучей среды внутри насосно-компрессорной колонны, предусматривающие временное перекрытие потока и избирательное (например, осуществляемое в любое по выбору время, на любой по выбору период времени, любой по выбору рабочей средой) открытие колонны для прохождения через нее потока текучей среды, что позволяет проводить гидравлическое испытание колонны или приводить в действие гидравлический инструмент. В предлагаемом в изобретении устройстве управления потоком не предусматривается применение разрушающихся элементов, таких как срезные винты, и оно может использоваться повторно. Во время спуска устройства в скважину через него можно пропускать как текучие (рабочие) среды, так и инструменты.

В типовом варианте выполнения предлагаемое в изобретении устройство управления потоком содержит корпус с проходящим через него сквозным отверстием, имеющим участок сужения проходного сечения с меньшим диаметром канала. Участок сужения проходного сечения представляет собой посадочную поверхность для запорного элемента и образован кольцевой оболочкой, которая своей выпуклостью выступает внутрь сквозного отверстия. Оболочка может быть выполнена из металла, эластомера или другого подходящего материала и обладает податливостью, обеспечивающей прохождение через нее запорного элемента при приложении к нему достаточно высокого давления текучей среды. При проведении работ запорный элемент сбрасывают с поверхности в колонну труб, где он задерживается посадочной поверхностью. Затем в колонне труб поднимают давление текучей среды до первого уровня, соответствующего давлению испытания, рабочему давлению инструмента и т.п., и этим давлением запорный элемент вдавливается в свое посадочное место с образованием запирающего текучую среду уплотнения.

Когда запорный элемент нужно удалить из колонны труб и восстановить движение текучей среды по колонне, давление текучей среды над запорным элементом поднимают до второго, избыточного, уровня. Заглушка при этом продавливается через участок сужения проходного сечения и выталкивается из устройства в расположенный ниже зумпф скважины.

Краткое описание чертежей

Ниже сущность изобретения поясняется на примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид в продольном разрезе типовой скважины с расположенной в ней насосно-компрессорной колонной, снабженной предлагаемым в настоящем изобретении устройством для перекрытия потока выдавливаемым запорным элементом,

на фиг.2 - пример выполнения устройства для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом в продольном разрезе, где запорный элемент установлен на своем посадочном месте с обеспечением временного перекрытия колонны труб,

на фиг.2А - поперечный разрез по линии А-А фиг.2,

на фиг.3 - вид в продольном разрезе показанного на фиг.2 и 2А устройства для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом, после выдавливания из его полости запорного элемента,

на фиг.3А - поперечный разрез по линии А-А фиг.3.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

На фиг.1 схематически изображена типовая эксплуатационная скважина 10, ствол 12 которой проходит через толщу пород 14 к продуктивному пласту (на чертеже не показан). Ствол 12 скважины укреплен обсадной трубой 16. Насосно-компрессорная колонна 18 введена в ствол 12 с поверхности 20 скважины 10 в процессе подготовки к добыче углеводородов из пласта.

Насосно-компрессорная колонна 18 состоит из ряда отдельных секций 22, соединенных друг с другом резьбовыми соединениями известным из уровня техники образом. Колонна 18 труб содержит также предлагаемое в изобретении устройство 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом.

Конструкция и принцип действия устройства 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом поясняются на фиг.2, 2А, 3 и 3А. Как показано на этих чертежах, устройство 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом содержит пустотелый переводник, или корпус 26, имеющий верхний и нижний торцы 28, 30. На торцах 28, 30 переводника 26 выполнена резьба, обеспечивающая включение переводника 26 в колонну 18 труб путем его свинчивания с соседними секциями 22 колонны. Через переводник 26 в осевом направлении проходит сквозное отверстие 32, проточное для текучей среды. При соединении переводника 26 с соседними секциями 22 колонны сквозное отверстие 32 совмещается с каналами этих секций 22, благодаря чему текучие среды могут проходить через насосно-компрессорную колонну 18. Сквозное отверстие имеет участок сужения проходного сечения, в целом обозначенный позицией 34 и позволяющий запорному элементу, такому как сбрасываемый шарик 36, избирательно садиться на него с перекрытием потока текучей среды внутри колонны 18. Участок 34 сужения проходного сечения образован кольцевой выпуклой оболочкой, или диафрагмой 38 (тонкостенным элементом), которая выступает внутрь от стенок сквозного отверстия 32, образуя в нем участок сужения проходного сечения. Оболочку 38 предпочтительно выполнять из упругого материала. Оболочка не является жесткой и способна прогибаться, деформируясь упруго или пластично, при приложении к ней усилия заданной величины. В предпочтительных на данное время вариантах оболочку 38 изготавливают из сплава металлов. Кроме того, для изготовления оболочки 38 могут использоваться пластики или композиционные материалы, обладающие подходящими упругими свойствами. Оболочка 38 изогнута по радиусу внутрь сквозного отверстия и в предпочтительном варианте ограничивает кольцевую камеру 40 для текучей среды. В некоторых вариантах кольцевая камера 40 предпочтительно заполняется текучей средой, способствующей достижению контролируемой деформации оболочки 38 и ее частей. К текучим средам, подходящим для этой цели, относятся азот и вода. Кроме того, можно использовать силиконовое масло. В корпусе 26 выполнено заправочное отверстие 42, предназначенное для заполнения камеры 40 текучей средой. Когда заправочное отверстие 42 не используется, оно закрыто спускной пробкой 44. Еще одним примером выполнения участка 34 сужения проходного сечения является накачиваемый текучей средой эластомерный баллон.

Оболочка 38 фиксируется в сквозном отверстии 32 запрессовкой, такой как криогенная запрессовка, или другими известными из уровня техники способами. Как видно на фиг.2, оболочка 38 представляет собой кольцевую посадочную поверхность 46 для сбрасываемого шарика 36. Хотя на фиг.2 и 3 показан сбрасываемый шарик 36, специалистам должно быть понятно, что также можно использовать запорные элементы других подходящих форм (например, цилиндрические) при условии, что они обеспечивают достаточное уплотнение с посадочной поверхностью 46 при воздействии на запорный элемент 36 давлением текучей среды.

При осуществлении изобретения устройство 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом включают в состав насосно-компрессорной колонны 18 и затем вводят в ствол 12 скважины. При необходимости через колонну 18 и сквозное отверстие 32 устройства 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом могут проходить рабочие (технологические) среды и инструменты. После того, как колонна 18 опущена в скважину, и устройство 24 достигло заданной глубины, колонну 18 можно подготовить для испытаний, сбросив в нее с поверхности 20 шарик 36 или другой подходящий запорный элемент. Шарик 36 сядет на посадочную поверхность 46. Затем колонну 18 можно испытывать на герметичность путем подъема давления текучей среды в колонне 18 на участке от поверхности до шарика 36. Давление текучей среды поднимают только до первого уровня, который достаточен для гидравлического испытания колонны 18, но недостаточен для выдавливания шарика 36 из участка 34 сужения проходного сечения устройства 24 для перекрытия колонны выдавливаемым запорным элементом. Специалистам должно быть понятно, что помимо гидравлического испытания колонны 18 давление в ней можно также повышать для приведения в действие гидравлического инструмента, надувания пакера и т.п.

При создании заданного избыточного давления сбрасываемый шарик 36 будет продавлен через участок 34 сужения проходного сечения и упадет в зумпф (не показан) на дне скважины 10. Под действием шарика 36 оболочка 38 упруго деформируется, и ее части выгнутся наружу по радиусу сквозного отверстия, пропустив шарик 36. При этом шарик 36 будет вытолкнут из устройства 24 управления потоком и упадет в зумпф (на чертеже не показан) на дне ствола 12 скважины.

Следует отметить, что устройство 24 управления потоком можно использовать повторно, после того как шарик 36 был вытолкнут из участка 34 сужения проходного сечения, так как оболочка 38 стремится вернуться к своей исходной, недеформированной форме, вновь создавая посадочную поверхность 46 для второго сбрасываемого шарика 36, который на нее упадет. Второй сбрасываемый шарик 36 можно избирательно продавить через устройство 24, как это описано выше. Возможность многократного использования устройства 24 является существенным преимуществом, поскольку она позволяет, например, проводить гидравлические испытания по прошествии определенного периода эксплуатации.

Специалистам должно быть очевидно, что осуществление изобретения возможно с различными изменениями и дополнениями, внесенными в рассмотренные выше варианты конструкции, а объем правовой охраны изобретения определяется только патентными притязаниями, изложенными в прилагаемой формуле изобретения, и их эквивалентами.