ТЕРМИЧЕСКИЙ РАЗЪЕДИНЯЮЩИЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
THERMAL UNCOUPLING MECHANISM FOR WELL TOOLS

[1] Данная заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Application No. 13/481099, поданной 25 мая 2012 г., и полностью включена в данном документе в виде ссылки.
Область техники
[2] Изобретение относится к разъединяющим механизмам, применяемым для обеспечения приведения в действие скважинных инструментов и, в частности, к термическим разъединяющим механизмам, которые вначале удерживают исполнительный механизм в положении для спуска в скважину до момента времени достижения заданной температуры, при которой разъединяющий механизм деблокирует исполнительный механизм для приведения в действие скважинного инструмента.
Уровень техники
[3] Некоторые скважинные инструменты должны удерживаться не установленными в рабочее положение до надлежащей установки в скважине. Только после установки надлежащим образом в скважине скважинный инструмент приводится в рабочее положение с приведением в действие самого скважинного инструмента или исполнительного устройства, которое механически перемещает скважинный инструмент в рабочее положение. Одной известной методикой приведения в действие скважинных инструментов является создание окна или проходного канала в скважинном инструменте или исполнительном устройстве, открывающего воздействию окружающей среды ствола скважины элемент приведения в действие, например поршень скважинного инструмента или исполнительного устройства, например воздействию гидростатического давления в стволе скважины. Гидростатическое давление действует на элемент приведения в действие скважинного инструмента, перемещая элемент приведения в действие и, следовательно, устанавливая скважинный инструмент в рабочее положение, в котором скважинный инструмент приводится в действие. В данной методике создание окна или проходного канала не напрямую приводит в действие скважинный инструмент.
[4] В других скважинных инструментах или исполнительных устройствах текучая среда, перекачиваемая в скважине, используется для разрушения срезных штифтов на скважинных инструментах, при котором деблокируется элемент приведения в действие, при этом скважинный инструмент перемещается в свое рабочее положение. В других скважинных инструментах или исполнительных устройствах заряд ВВ взрывается детонатором, соединенным с наземным оборудованием скважины электролинией или соединенным с батареей на скважинном инструменте или исполнительном устройстве. Сила взрыва заряда ВВ действует на элемент приведения в действие и скважинный инструмент либо напрямую или не напрямую через приведенный в действие исполнительный механизм.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[5] В общем плане, разъединяющий механизм или спусковое устройство для скважинных инструментов содержит пару из соединительных устройств, разъемно скрепленных друг с другом. Одно из соединительных устройств содержит первый материал с первым коэффициентом термического расширения, и другое соединительное устройство содержит второй материал со вторым коэффициентом термического расширения, который отличается от первого коэффициента термического расширения. Разница коэффициентов термического расширения двух материалов обеспечивает одному из соединительных устройств большее расширение в сравнении с другим соединительным устройством, когда одно или оба соединительных устройства нагреваются. В результате расширения соединительного устройства с более высоким коэффициентом термического расширения скрепленная пара соединительных устройств разъединяется, при этом деблокируется исполнительный механизм, до этого удерживавшийся разъединяющим механизмом. Деблокирование исполнительного механизма обеспечивает перемещение исполнительного механизма, которое обуславливает установку скважинного инструмента в рабочее положение или приведение в действие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[6] На Фиг. 1 показано сечение одного конкретного варианта осуществления разъединяющего механизма в скрепленном положении.
[7] На Фиг. 2 показана часть сечения скважинного инструмента, имеющего разъединяющий механизм Фиг. 1, причем скважинный инструмент показан в положении спуска в скважину.
[8] На Фиг. 3 показано сечение скважинного инструмента Фиг. 2 с разъединяющим механизмом Фиг. 1, скважинный инструмент показан приведенным в действие.
[9] На Фиг. 4 показано сечение другого конкретного варианта осуществления разъединяющего механизма в скрепленном положении.
[10] Хотя изобретение описано ниже на примере предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что изобретение не ограничивается вариантами осуществления. Наоборот, изобретение охватывает все альтернативы, модификации и эквиваленты, которые может включать в себя сущность и объем изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[11] Показанный на Фиг. 1-3 в одном конкретном варианте осуществления разъединяющий механизм 20 содержит первое соединительное устройство 30, второе соединительное устройство 40, нагревательный элемент 50 и источник 60 электропитания. В варианте осуществления Фиг. 1-3 первое соединительное устройство 30 показано как муфта, имеющая первый конец 31, второй конец 32, наружную поверхность 33 и внутреннюю поверхность 34 стенки, образующей канал 35 муфты. Как показано на Фиг. 1, верхний конец 36 канала 35 муфты частично закрыт и имеет выпускное отверстие 37. Выпускное отверстие 37 обеспечивает текучей среде уход из канала 35 муфты во время соединения первого соединительного устройства 30 со вторым соединительным устройством 40. Таким образом, выпускное отверстие 37 облегчает соединение первого и второго соединительных устройств 30, 40 друг с другом.
[12] В варианте осуществления Фиг. 1-3, первое соединительное устройство 30 также включает в себя крепежный элемент, показанный как отверстие 38. Отверстие 38 обеспечивает соединение первого соединительного устройства 30 со вторым соединительным устройством 40, например, с помощью работающего на растяжение элемента 39 соединительного устройства, скрепляющего первый конец 31 первого соединительного устройства 30 с первым концом 41 второго соединительного устройства 40. Работающий на растяжение элемент 39 соединительного устройства прикладывает к первому и второму соединительным устройствам 30, 40 растягивающие усилия, смещая или разводя первое и второе соединительные устройства 30, 40 к разъединенному положению. Другими словами, работающий на растяжение элемент 39 соединительного устройства прикладывает усилия для разрыва соединения между первым и вторым соединительными устройствами 30, 40. Работающий на растяжение элемент 39 соединительного устройства может представлять собой полосу, одножильную проволоку, многожильную проволоку и т.п. В некоторых вариантах осуществления работающий на растяжение элемент 39 соединительного устройства содержит металлическую полосу или одну или несколько металлических проволок.
[13] В варианте осуществления Фиг. 1-3, второе соединительное устройство 40 показано как ниппель, имеющий первый конец 41, второй конец 42, наружную поверхность 43 стенки и внутреннюю поверхность 44 стенки, образующей полость 45, имеющую первый конец 46 полости, который является глухим. В полости 45 размещен заливочный материал 47. В одном варианте осуществления заливочный материал 47 имеет высокую теплопроводность. Подходящие заливочные материалы 47 включают в себя высокотемпературные припои, например, содержащие медь и серебро, а также высокотемпературные бронзовые материалы.
[14] В заливочном материале 47 размещен нагревательный элемент 50. Нагревательный элемент 50 функционально связан с источником 60 электропитания проводами 62, 64. В одном частном варианте осуществления нагревательный элемент 50 является электрическим устройством, например электрическим нагревательным элементом, вырабатывающим тепло, когда электрический ток пропускается через него, при этом источник электропитания является, например, батареей, которая размещается вблизи разъединяющего механизма 20. В другом варианте осуществления электрический ток, пропускаемый через нагревательный элемент 50, получают из другого источника, либо в колонне скважинного инструмента или в наземном оборудовании скважины. В одном варианте осуществления нагревательный элемент 50 функционально связан с источником 60 электропитания проводами 62, 64, соединенными с выключателем на монтажной плате. После активирования выключателя электрический ток проходит по нагревательному элементу 50, который нагревает первое и второе соединительные устройства 30, 40 и заливочный материал 47.
[15] В варианте осуществления Фиг. 1-3, первое и второе соединительные устройства 30, 40 находятся в скрепленном положении (Фиг. 1), созданном посадкой с натягом на внутреннюю поверхность 34 стенки первого соединительного устройства 30 наружной поверхности 43 стенки второго соединительного устройства 40. Посадка с натягом может выполняться с применением гидравлического пресса для вставления второго соединительного устройства 40 в канал 35 муфты. Альтернативно, первое и второе соединительные устройства 30, 40 могут нагреваться до температуры обжига, например 800°F (427°C), материалов, образующих первое и второе соединительное устройство 30, 40, и затем второе соединительное устройство 40 вставляется в канал 35 муфты. После охлаждения должна создаваться посадка с натягом, создающая весьма высокую силу поверхностного контакта и, таким образом, высокую силу трения. Посадка с натягом обеспечиваетвыдерживание соединением между первым и вторым соединительными устройствами 30, 40 высокой растягивающей нагрузки при номинальных температурах, например, ниже 400°F (204°C).
[16] Первое соединительное устройство 30 содержит первый материал, имеющий первый коэффициент термического расширения. Второе соединительное устройство 40 содержит второй материал, имеющий второй коэффициент термического расширения. Первый коэффициент термического расширения и второй коэффициент термического расширения являются не одинаковыми. Таким образом, когда вместе нагреваются первое соединительное устройство 30 и второе соединительное устройство 40, одно из соединительных устройств должно расширяться в большей степени, чем другое соединительное устройство. Данное более значительное расширение одного из соединительных устройств обеспечивает разъединение первого соединительного устройства 30 и второго соединительного устройства 40 из скрепленного положения (Фиг. 1). При этом исполнительный механизм, например поршень 76, рассмотренный более подробно ниже и показанный на Фиг. 2-3, деблокируется так, что поршень 76 может перемещаться и, следовательно, приводить в действие скважинный инструмент.
[17] В варианте осуществления Фиг. 1-3, первый материал первого соединительного устройства 30 имеет коэффициент термического расширения больше коэффициента термического расширения второго материала второго соединительного устройства 40. Соответственно, при подаче питания на нагревательный элемент 50 с источника 60 электропитания и проходе тока через нагревательный элемент 50 первое соединительное устройство 30 увеличивается в диаметре значительнее второго соединительного устройства 40. В результате, обеспечивается выход наружной поверхности 43 стенки второго соединительного устройства 40 из канала 35 муфты к разъединенному положению. Разъединенное положение определяется как точка, в которой первое соединительное устройство 30 и второе соединительное устройство 40 достаточно переместились относительно друг друга так, что исполнительный механизм скважинного инструмента больше не удерживается разъединяющим механизмом 20. Таким образом, разъединенным положение может являться, когда первое и второе соединительные устройства 30, 40 больше не соприкасаются; или разъединенным положение может являться в любой точке во время ухода первого соединительного устройства 30 от второго соединительного устройства 40. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления разъединяющего механизма 20, показанного на Фиг. 1, разъединенным положение может являться, когда второе соединительное устройство 40 полностью вышло из канала 45 муфты или находится в любой точке вдоль линии перемещения второго соединительного устройства 40 из канала 45 муфты.
[18] Показанный на Фиг. 2-3 скважинный инструмент 70 содержит шпиндель 71, имеющий верхнее окно 72, нижнее окно 73 и внутреннюю поверхность стенки 74, образующей канал 75. Исполнительный механизм, размещенный в канале 75 и частично скользящий во взаимодействии с внутренней поверхностью стенки 74, показан как поршень 76. Поршень 76 включает в себя верхнее и нижнее уплотнения 77, 78. Показанное на Фиг. 2-3 верхнее уплотнение 77 меньше нижнего уплотнения 78, таким образом создается смещение вниз на поршне 76, т.е. поджатие поршня 76 к положению срабатывания.
[19] Поршень 76 вначале блокирует нижнее окно 73. Поршень 76 поддерживается в положении для спуска в скважину (Фиг. 2) разъединяющим механизмом 20, расположенным на наружной поверхности 82 стенки зажимной конусной втулки 80. Зажимная конусная втулка 80 скрепляется со шпинделем 71 любым подходящим способом или устройством, известным в технике. Например, зажимная конусная втулка 80 может скрепляться с внутренней поверхностью стенки 74 резьбой (не показано). Альтернативно, зажимная конусная втулка 80 может скрепляться со шпинделем 71 фиксатором, таким как крепежный винт, установленный с проходом через фланцевый участок зажимной конусной втулки 80, проходящей через шпиндель 71.
[20] Пружина 86 размещается в камере, образованной поршнем 76 и зажимной конусной втулкой 80. Пружина 86 смещается вниз, при этом поджимая поршень 76 к положению срабатывания (Фиг. 3).
[21] При эксплуатации скважинного инструмента 70 и, следовательно, разъединяющего механизма 20 скважинный инструмент 70 устанавливается в колонне скважинного инструмента (не показано). Колонна скважинного инструмента затем спускается на глубину, т.е. устанавливается в скважине (не показано) на месте, на котором скважинный инструмент должен приводиться в действие. Когда колонна скважинного инструмента спускается в скважину, гидростатическое давление (не показано) в скважине проходит через окно 72, действуя на верхнюю поверхность поршня 76. В дополнение, поршень стремится сместиться вниз, благодаря верхнему уплотнению 77, которое меньше нижнего уплотнения 78, и действию пружины 86, давящей на поршень 76 в направлении вниз. Поршень 76, при этом, удерживается от перемещения зажимной конусной втулкой 80 и разъединяющим механизмом 20. После достижения требуемого места в скважине источник 60 электропитания активируется, подавая электрический ток через нагревательный элемент 50. При этом нагревательный элемент вырабатывает тепло, которое проводится через заливочный материал 47, второй материал второго соединительного устройства 40 и первый материал первого соединительного устройства 30. С увеличением температуры первый материал первого соединительного устройства 30 расширяется со скоростью расширения больше, чем у второго материала второго соединительного устройства 40, поскольку первый материал имеет более высокий коэффициент термического расширения в сравнении с коэффициентом термического расширения второго материала. В результате силы, создающие посадку с натягом между наружной поверхностью 43 стенки второго соединительного устройства 40 и внутренней поверхностью 34 стенки первого соединительного устройства 30, уменьшаются, что обеспечивает выход второго соединительного устройства 40 из канала 35 муфты. При этом первое и второе соединительные устройства 30, 40 перемещаются к разъединенному положению, в это время обеспечивается перемещение поршня 76, приводящего в действие скважинный инструмент (на Фиг. 3 показано положение после приведения в действие).
[22] Хотя температура, требуемая для разъединения соединения между первым и вторым соединительными устройствами 30, 40 ("температура обжига"), составляет приблизительно 800°F (204°C), малая масса разъединяющего механизма 20 обеспечивает весьма быстрое достижение температуры обжига с использованием существующих батарей и нормальных электрических схем.
[23] В одном частном варианте осуществления работающий на растяжение элемент 39 соединительного устройства соединяет первое соединительное устройство 30 со вторым соединительным устройством 40 и, при этом, создает предварительные растягивающие усилия, которыми тянет первое и второе соединительные устройства 30, 40 к разъединенному положению. Таким образом, когда посадка с натягом между первым и вторым соединительными устройствами ослабевает вследствие разницы термического расширения между первым соединительным устройством 30 и вторым соединительным устройством 40, предварительные растягивающие усилия, созданные работающим на растяжение элементом 39 соединительного устройства, поджимают первое и второе соединительные устройства 30, 40 к положению разъединения.
[24] Показанный на Фиг. 4 в другом конкретном варианте осуществления разъединяющий механизм 120 включает в себя первое соединительное устройство 130 и второе соединительное устройство 140. На Фиг. 4 показан разъединяющий механизм 120 в скрепленном положении. За исключением профилей, рассмотренных здесь, первое соединительное устройство 130 и второе соединительное устройство 140 являются идентичными первому соединительному устройству 30 и второму соединительному устройству 40 соответственно вариантов осуществления Фиг. 1-3.
[25] Для содействия удержанию первого и второго соединительных устройств 130, 140 в скрепленном положении наружная поверхность 43 стенки второго соединительного устройства 140 и внутренняя поверхность 34 стенки первого соединительного устройства 130 выполняются соответственно профилированными для взаимодействия друг с другом, например с профилями, содержащими резьбу или упоры по типу затвора. Дополнительные профили 139, 149 на наружной поверхности 43 стенки второго соединительного устройства 140 и внутренней поверхности 34 стенки первого соединительного устройства 130, соответственно, обеспечивают приложение более высоких растягивающих усилий к первому и второму соединительным устройствам 130, 140 без перемещения первого и второго соединительного устройства 130, 140 к разъединенному положению. В результате, более высокие нагрузки могут прикладываться к разъединяющему механизму 120 без преждевременного разъединения разъединяющим механизмом исполнительного механизма скважинного инструмента.
[26] Работа разъединяющего механизма 120 является аналогичной работе разъединяющего механизма 20 Фиг. 1-3 за исключением того, что первое соединительное устройство 120 и второе соединительное устройство 130 должны дополнительно расширяться для преодоления сопротивления профилированного соединения между первым соединительным устройством 120 и вторым соединительным устройством 130.
[27] Как понятно специалисту в данной области техники, первый материал и второй материал могут являться любыми требуемыми или необходимыми материалами, обеспечивающими нужную разницу коэффициентов термического расширения для обеспечения перемещения первого и второго соединительного устройства 30, 40, 130, 140 из скрепленного положения в разъединенное положение. Подходящие материалы включают в себя алюминий, сталь, инвар, магний, углерод, керамические материалы, а также их смеси и комбинации. В одном конкретном варианте осуществления первый материал содержит алюминий, и второй материал содержит сталь.
[28] Следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными деталями конструкции, эксплуатации, конкретными материалами или вариантами осуществления, которые показаны и описаны, их модификации и эквиваленты понятны специалисту в данной области техники. Например, разъединяющие механизмы, раскрытые в данном документе, можно использовать для открытия клапана, закрытия клапана, выпуска шара, разъединения трубных клиньев, фиксаторов или разрезных колец для обеспечения аксиального перемещения, которое может инициировать дополнительные внутрискважинные работы или любую другую операцию, известную в технике. Дополнительно, приведение в действие скважинного инструмента после перемещения разъединяющего механизма в разъединенное положение может выполняться с помощью гидростатического давления, действующего на исполнительный механизм, с помощью выпуска аккумулированной энергии, например, обеспечивая расширение пружины или любого другого способа или устройства, известного в технике. В дополнение, взаимодействующие фиксирующие профили на наружной поверхности стенки одного соединительного устройства и внутренней поверхности стенки другого соединительного устройства могут являться любыми профилями, которые при нагреве обеспечивают перемещение соединительных устройств в разъединенное положение и обеспечивают приемлемую прочность на растяжение для предотвращения преждевременного активирования разъединяющего механизма. Соответственно, изобретение поэтому не ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.