устройство для подачи управляющей жидкости к специальному инструменту

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ИНСТРУМЕНТУ, включающее корпус с осевым каналом, цилиндрической полостью и двумя смещенными друг относительно друга отверстиями для сообщения цилиндрической полости со специальным инструментом и осевым каналом корпуса, установленное в цилиндрической полости опорное кольцо, подвижный в осевом направлении дифференциальный золотник, выполненный из концентрично установленных относительно друг друга подпружиненной относительно опорного кольца втулки и упора с фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с опорным кольцом, отличающееся тем, что упор выполнен в виде стержня, установлен внутри втулки и связан с ней срезным элементом, при этом расстояние от торца стержня в исходном его положении до опорного кольца больше длины втулки, а расстояние от торца стержня в положении его крайнего совместного перемещения с втулкой до опорного кольца меньше длины втулки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к креплению нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано для приведения в действие уплотнительных элементов гидравлических и гидромеханических пакеров.

Известно устройство для приведения в действие уплотнительного элемента пакера, размещенное в пазу тела корпуса-патрубка с возможностью сообщения полости уплотнительного элемента пакера посредством каналов, выполненных в теле корпуса-патрубка с центральной полостью последнего, включающее подпружиненную дифференциальную втулку с ограничителем ее перемещений, подвижную пробку и подвижную втулку, удерживающую подвижную пробку в канале [1]

Недостатком указанного устройства является необходимость создания избыточного давления в затрубном пространстве на глубине его установки для освобождения канала от подвижной пробки и сообщения центральной полости устройства с полостью уплотнительного элемента. Это приводит к ограничению области применения данного устройства, так как во многих случаях не удается создать перепада заколонного и внутриколонного давлений.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство (запорный клапан) для подачи управляющей жидкости к уплотнительному элементу пакера фирмы "Лайенс", установленному на обсадной колонне, размещенное в пазу тела корпуса-патрубка с возможностью сообщения полости уплотнительного элемента посредством каналов, выполненных в теле корпуса-патрубка, с центральной полостью последнего, включающее рабочий орган в виде разобщающего упомянутые каналы и взаимодействующего с возвратной пружиной дифференциального золотника [2]

Устройство-прототип служит для предотвращения преждевременного поступления жидкости в полость уплотнительного элемента во время спуска обсадной колонны и цементирования скважины. Данное устройство приводится в действие повышением давления внутри обсадной колонны. Дифференциальный золотник в этом устройстве закреплен срезным штифтом, и диаметральным размером штифта определяется то избыточное внутреннее давление в устройстве, которое необходимо создать для его срабатывания.

Недостатком этого устройства является низкая надежность предотвращения преждевременного поступления жидкости к специальному инструменту (уплотнительному элементу пакера). В случае непредвиденного повышения давления в обсадной колонне может произойти подача жидкости к уплотнительному элементу пакера раньше времени. Увеличение же диаметра срезного штифта дифференциального золотника приводит к необходимости повышения избыточного давления внутри устройства для его срабатывания, что предъявляет повышенные требования к прочности обсадной колонны, ограничивает глубину спуска специального инструмента с указанным устройством.

Цель изобретения повышение надежности и расширение области применения устройства за счет подготовки к срабатыванию путем последовательных увеличения и уменьшения до заданных величин избыточного внутреннего давления в нем по отношению к наружному.

Цель достигается тем, что устройство для подачи управляющей жидкости к специальному инструменту, установленному на обсадной колонне, например, к уплотнительному элементу пакера, размещено в пазу тела корпуса-патрубка с возможностью сообщения упомянутого инструмента посредством каналов, выполненных в теле корпуса-патрубка, с центральной полостью последнего. Устройство включает рабочий орган в виде разобщающего упомянутые каналы и взаимодействующего с возвратной пружиной дифференциального золотника. Данный золотник выполнен составным из установленных между соответствующими осевыми упорами и соединенных между собой срезным штифтом стержня и насаженной на него втулки. Возвратная пружина установлена во взаимодействии с втулкой, а стержень с возможностью взаимодействия в конце хода с фиксатором его положения, причем разность ходов стержня и втулки меньше длины зоны охвата стержня втулкой, а ход стержня больше упомянутой длины.

Благодаря такому выполнению при использовании предлагаемого устройства исключается преждевременная подача управляющей жидкости к специальному инструменту практически во всех технологически значимых ситуациях, а именно: при возникновении в нем падения или скачков вверх избыточного внутреннего давления в пределах, не превышающих заданного давления разрушения срезного штифта (что обеспечивается и в устройстве-прототипе); при непредвиденном, но технологически необходимом проведении заключительной стадии процесса цементирования скважины с повышением рабочего давления выше заданного давления разрушения срезного штифта (что в устройстве-прототипе не обеспечивается).

Описанное выше конструктивное выполнение дифференциального золотника, его установка и взаимодействие втулки с возвратной пружиной, а стержня с фиксатором положения, соотношение ходов стержня, втулки и зоны охвата стержня втулкой обеспечивают срабатывание устройства путем последовательных увеличения и уменьшения до заданных величин избыточного внутреннего давления в нем.

Таким образом обеспечивается повышение надежности и расширение области применения устройства за счет подготовки к срабатыванию путем последовательных увеличения и уменьшения до заданных величин избыточного внутреннего давления в нем по отношению к наружному.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что дифференциальный золотник выполнен составным из установленных между соответствующими осевыми упорами и соединенных между собой срезным штифтом стержня и насаженной на него втулки, возвратная пружина установлена во взаимодействии с втулкой, а стержень с возможностью взаимодействия в конце хода с фиксатором его положения, причем разность ходов стержня и втулки меньше длины зоны охвата стержня втулкой, а ход стержня больше упомянутой длины.

На фиг.1 изображено устройство в транспортном положении; на фиг.2 то же, после создания давления в обсадной колонне, не превышающего давления разрушения срезного штифта; на фиг.3 то же, после создания давления в обсадной колонне, соответствующего разрушению срезного штифта; на фиг.4 то же, после разрушения срезного штифта и снятия давления в цементировочной головке (после его срабатывания).

Устройство (фиг. 1) размещено в пазу корпуса-патрубка 1 и включает взаимодействующую с возвратной пружиной 2 втулку 3 и соединенный с ней срезным штифтом 4 стержень 5. Паз в корпусе-патрубке 1 закрыт пробкой 6, а на его дне установлены лепестковый пружинный фиксатор 7 и упорное кольцо 8, которые удерживаются от осевого перемещения с помощью возвратной пружины 2. В теле корпуса-патрубка 1 выполнены канал 9, сообщающий кольцевую полость 10, образованную корпусом-патрубком 1, втулкой 3, стержнем 5 и пробкой 6, с его центральной полостью, и канал 11 для подачи управляющей жидкости к специальному инструменту (в продольном разрезе не показан) из паза корпуса-патрубка 1. Соединенные сpезным штифтом 4 стержень 5 и насаженная на него втулка 3 представляют рабочий орган в виде дифференциального золотника, установленного между осевыми упорами пробкой 6 и упорным кольцом 8, разобщающего каналы 9 и 11. Для ограничения осевого перемещения втулки 3 паз корпуса-патрубка 1 выполнен ступенчатым и имеет упорный выступ 12. Ограничителем осевого перемещения стержня 5 является упорное кольцо 8. Стержень 5 установлен с возможностью взаимодействия в конце хода с фиксатором 7 посредством сцепления последнего со специальной канавкой 13 стержня 5. Разность ходов стержня 5 и втулки 3 меньше длины зоны охвата стержня 5 втулкой 3, а ход стержня 5 больше упомянутой длины. Это обеспечивает подачу жидкости через каналы 9 и 11 к специальному инструменту из центральной полости корпуса-патрубка 1, в котором размещено устройство, после его срабатывания. Необходимая герметичность соединений в устройстве обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами 14.

Для защиты устройства в процессе спуска и цементирования обсадной колонны от передачи в него рабочего давления из центральной полости канал 9 может быть перекрыт срезным полым винтом (не показан), который разрушает цементировочная пробка (не показана) при прохождении через центральную полость корпуса-патрубка 1, устраняя перекрытие канала 9.

Устройство работает следующим образом.

После спуска специального инструмента с устройством для подачи жидкости к нему на обсадной колонне в заданный интервал скважины создают избыточное давление в центральной полости корпуса-патрубка 1 (фиг.2), которое через канал 9 передается в кольцевую полость 10 и перемещает соединенные срезным штифтом 4 стержень 5 и насаженную на него втулку 3. Втулка 3 сжимает возвратную пружину 2, перемещаясь в осевом направлении до упора с выступом 12. При дальнейшем повышении избыточного внутреннего давления в центральной полости корпуса-патрубка 1 (фиг.3) до заданной величины разрушается срезной штифт 4, а стержень 5 после перемещения до упора с упорным кольцом 8 фиксируется в канавке 13 фиксатором 7. При этом герметичность соединения стержня 5 и втулки 3 с помощью уплотнительного кольца 14 сохраняется. После снижения избыточного давления в центральной полости корпуса-патрубка 1 (фиг. 4) втулка 3 под действием сжатой возвратной пружины 2 перемещается обратно в исходное положение. Благодаря тому, что разность ходов стержня 5 и втулки 3 меньше длины зоны охвата стержня 5 втулкой 3, а ход стержня 5 больше упомянутой длины, после указанных движений втулки 3 и стержня 5 происходит сообщение каналов 9 и 11. При повышении давления в обсадной колонне жидкость из центральной полости корпуса-патрубка 1 через каналы 9 и 11 поступает к специальному инструменту, например, к уплотнительному элементу пакера.

Технические преимущества предлагаемого устройства состоят в наличии: составного дифференциального золотника из установленных между соответствующими осевыми упорами и соединенных между собой срезным штифтом стержня и насаженной на него втулки; возвратной пружины, установленной во взаимодействии с втулкой, и стержня, установленного с возможностью взаимодействия в конце хода с фиксатором его положения.

Общественно полезным преимуществом предлагаемого устройства является повышение надежности его работы и расширение области его применения ввиду исключения преждевременной подачи управляющей жидкости к специальному инструменту из его центральной полости при увеличении избыточного внутреннего давления в нем до величины, превышающей давление разрушения защитного срезного штифта в устройстве.

Экономический эффект в денежной форме от использования предлагаемого устройства может быть представлен по фактическим результатам внедрения на конкретных буровых предприятиях, поскольку в отрасли отсутствует методика определения ожидаемой экономической эффективности технических средств, направленных на повышение качества крепления скважин.