СИСТЕМА ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ОТКРЫТИЯ ОТВЕРСТИЙ ВДОЛЬ СКВАЖИНЫ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОДАЧИ ЧЕРЕЗ НИХ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SYSTEM FOR THE SEQUENTIAL OPENING OF OPENINGS ALONG THE WELLS TO ENSURE THE OPPORTUNITY TO FEED THROUGH THEIR FLOW ENVIRONMENT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА
В настоящей заявке испрашивается конвенционный приоритет по принадлежащей одному и тому же правообладателю заявке US 14/697271, поданной 27 апреля 2015 г., и заявке СА 2867207, поданной 18 сентября 2015 г., причем обе заявки имеют название "Система для последовательного открытия отверстий вдоль скважины для обеспечения возможности подачи через них текучей среды".
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к многозонным хвостовикам, используемым в необсаженной скважине или в обсаженных секциях, для подачи текучих сред в последовательных соседних точках вдоль скважины для формирования множественных разрывов в пласте, содержащем углеводороды.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеописанный уровень техники и соответствующие документы указаны в качестве известной информации, которую заявитель считает имеющей отношение к настоящему изобретению, и которая, по его мнению, обеспечивает возможность специалисту понять все достоинства и преимущества изобретения по сравнению с устройствами и способами, известными заявителю, но которые могут быть неизвестны специалистам. Нижеприведенное не является признанием и не должно толковаться как признание того, что нижеуказанные документы или способы, известные заявителю, составляют правомерные противопоставления настоящему изобретению.
После того как через пласт, содержащий углеводороды, будет пробурена нефтяная или газовая скважина, необходимо выполнить заканчивание зон, представляющих интерес, для чего обычно осуществляют операцию гидроразрыва пласта, чтобы как можно быстрее извлечь максимальное количество нефти и/или газа из каждой такой зоны. Если для зоны, представляющей интерес, необходим определенный вид гидроразрыва, например, гидроразрыв с использовании жидкости на кислотной основе или гидроразрыв с использованием жидкости с проппантом, то эта зона должна быть изолирована, чтобы можно было сосредоточить на ней всю интенсивность гидроразрыва и предотвратить гидроразрыв в других зонах, в которых он может быть нежелателен.
Перед проведением операции гидроразрыва может использоваться компоновка хвостовика, которая может проходить в необсаженной или в обсаженной скважине.
При интенсификации притока в наклонных и горизонтальных скважинах может возникнуть необходимость в обработке множества участков в одной зоне в процессе интенсификации притока с помощью одной операции гидроразрыва. Также может возникнуть необходимость в обработке более одной зоны в процессе интенсификации притока с помощью одной операции гидроразрыва для экономии времени и расходов, связанных с несколькими операциями гидроразрыва, а также времени, необходимого на подъем и спуск трубных колонн и скважинных инструментов.
Для интенсификации притока путем обработки (гидроразрыва) на нескольких смежных участках одной зоны используются различные скважинные инструменты и системы. Для многих таких инструментов и систем необходимы компоненты внутри прохода хвостовика на каждом клапане, в результате чего ограничивается поток текучей среды через внутренний проход хвостовик при выполнении операций нагнетания жидкости гидроразрыва, а также, в той степени, в которой такие системы или их части остаются в хвостовике, аналогичным образом ограничивается добыча углеводородов. Из-за таких ограничений потока падает давление, в результате чего снижается эффективность выполнения операций, поскольку падение давления происходит до того, как жидкость гидроразрыва доходит до нужной зоны. В общем случае для более эффективной интенсификации притока с помощью гидроразрыва на каждом участке желательно, чтобы падение давления было как можно меньше. Кроме того, для таких инструментов и способов необходимо выфрезеровывать такие компоненты в каждой точке нахождения клапана перед переключением на добычу углеводородов из продуктивных зон. Желательно сократить количество материалов/компонентов, которые необходимо выфрезеровывать из прохода хвостовика непосредственно перед началом добычи углеводородов из продуктивных зон.
Имеются многочисленные патенты и действующие заявки, относящиеся к устройствам и системам для открытия множества отверстий в хвостовике, находящемся в скважине, во множестве смежных участков по длине скважины для обеспечения возможности нагнетания текучей среды из хвостовика в пласт, содержащий углеводороды, обычно с целью гидроразрыва пласта на указанных участках.
Например, в патенте US 8215411 описывается система открывающих муфт/групповых клапанов, расположенных вдоль хвостовика для обработки скважины, причем для открытия муфты на каждом клапане используется шаровой элемент или пробка для обеспечения прохождения флюида из внутреннего прохода хвостовика наружу через отверстие в корпусе муфты. Однако в этом изобретении необходимо седло шарового элемента для каждой муфты в групповом клапане, что потенциально приводит к ограничению потока. Наличие у каждого клапана седла шарового элемента, суживающего проходное сечение у каждой муфты клапана, приводит к существенному падению давления по длине узла групповых клапанов.
В патенте US 8395879 описывается скользящая муфта, работающая под действием гидростатического давления. Как и в предыдущем случае, в такой конструкции используется один шаровой элемент, однако в конструкции каждой скользящей муфты должно быть свое седло для шарового элемента.
В патенте US 4893678 описывается многоэлементный скважинный инструмент и способ, в котором используется один шаровой элемент. Как и в предыдущих случаях, для каждого клапана необходимо седло, выполненное как одно целое со скользящей муфтой и остающееся с каждым клапаном/отверстием. Когда муфта/седло перемещается под действием шарового элемента и в результате открывает отверстие, лепестки разрезной пружинной втулки (цанги) расходятся наружу, освобождая шаровой элемент, который может перемещаться дальше в скважине для приведения в действие (открытия) следующих отверстий.
В заявке US 2014/0102709 описывается инструмент и способ гидроразрыва скважины, в которых используется один шаровой элемент, и каждый клапан снабжен деформируемым седлом для шарового элемента. Как и в предыдущих случаях, каждый клапан снабжен седлом, которое остается с каждым клапаном/отверстием.
В других патентах и опубликованных заявках проблема седла для шарового элемента, которое остается с каждым клапаном/отверстием, отсутствует и обеспечивается шаровой элемент или наконечник, который приводит в действие группу клапанов (открывает группу отверстий). Однако такие конструкции имеют свои собственные недостатки.
Например, в заявке US 2013/0068484, опубликованной 21 марта 2013 г., среди прочего, на фигуре 6 (и аналогично в заявке US 2004/0118564, опубликованной 24 июня 2004 г., также на фигуре 6) указана скользящая муфта 322, установленная с возможностью перемещения в аксиальном направлении, которая может приводить в действие (то есть, открывать) группу муфт 325а, 325b с отверстиями для открытия соответствующих отверстий 317а, 317а', которые нормально закрыты муфтой 325а с отверстиями, и для аналогичного последующего открытия соответствующих отверстий 317b, 317b', которые нормально закрыты муфтой 325b с отверстиями. Скользящая муфта 322 удерживается в трубной колонне с помощью срезного штифта 350. Пробка/шаровой элемент 324 вводится в трубную колонну, и давление текучей среды заставляет пробку 324 опускаться в трубной колонне и упираться в скользящую муфту 322, в результате чего срезной штифт 350 срезается, и муфта 322 перемещается вниз. Затем пружинные лепестки 351 на внешней поверхности скользящей муфты 322 захватывают внутренний профиль 353а на скользящей муфте 325а и заставляют ее перемещаться вниз (благодаря давлению текучей среды, действующему на пробку 324), в результате чего открываются отверстия 317а, 317а'. Как указывается в абзаце [0071] заявки, продолжающееся давление текучей среды заставляет пружинные лепестки 351 отходить, в результате чего муфта 322 выходит из зацепления с внутренним профилем 353а на скользящей муфте 325, и муфта 322 может перемещаться дальше вниз в колонне и аналогичным образом приводить в действие (то есть, открывать) следующие муфты. Хотя это не показано и не упоминается в явной форме в заявке US 2013/0068484, в предлагаемой конструкции должны использоваться уплотнения пружинных лепестков 351 для создания разности давлений, когда действует указанное продолжающееся давление текучей среды, чтобы обеспечивалось отведение этих лепестков для выхода из зацепления с первой муфтой и возможность перемещения наконечника после этого вниз для приведения в действие следующих нижерасположенных муфт. Необходимость уплотнений для пружинных лепестков 351 неизбежно усложняет конструкцию, и появляется вероятность того, что муфта 322 не выйдет из зацепления при нарушении этих уплотнений, поскольку в этом случае не будет создаваться разность давлений.
В заявке WO 2013/048810 "Многозонная система обработки", опубликованной 4 апреля 2013 г., описывается система и способ последовательного открытия расположенных вдоль трубной колонны устройств регулирования расхода (в качестве которых могут использоваться скользящие муфты), начиная с самого нижнего клапана и открытия муфты в этом месте, путем последовательного введения дополнительных наконечников, продвигающихся постепенно вверх по трубной колонне для открытия следующих вышерасположенных муфт. В этом случае трубная колонна снабжена множеством регуляторов расхода, таких как скользящие муфты, разнесенные по длине колонны, причем каждый регулятор снабжен кольцевым углублением, имеющим уникальный профиль, отличающийся от профилей углублений других регуляторов. Вводят первый наконечник, имеющий сопрягающуюся часть, форма и размеры которой соответствуют выбранному кольцевому углублению самого нижнего устройства регулирования расхода, и этот наконечник проходит для приведения в действие этого устройства для открытия отверстия. Этот процесс последовательно повторяется для других вышерасположенных регуляторов расхода путем введения дополнительных наконечников, имеющих сопрягающиеся профили, соответствующие профилям выбранных регуляторов расхода. Затем наконечники высверливают для обеспечения извлечения углеводородов из пласта. Недостатком предложенной конструкции и способа является то, что один наконечник может открыть только одно отверстие, и, соответственно, множество разнесенных отверстий нельзя открыть одним наконечником, используя предложенную конструкцию, в результате чего увеличивается продолжительность работ.
В документе СА 2842568 "Устройство и способ для перфорирования обсадной колонны скважины, а также устройство и способ гидроразрыва пласта", опубликованном 29 мая 2014 г., описываются, среди прочего, наконечники, аналогичные наконечникам, описанным в заявке WO 2013/048810, причем каждый такой наконечник имеет уникальную форму и размеры для сопряжения с соответствующим кольцевым углублением на скважинных скользящих муфтах для их открытия, причем конструкции таких скользящих муфт обеспечивают возможность одному наконечнику после открытия одной муфты перемещаться вниз для открытия других муфт, имеющих аналогичные кольцевые углубления. В этой конструкции отсутствует цанга, и в кольцевом углублении самой нижней муфты используется прямая боковая стенка (без скосов) для удерживания наконечника от дальнейшего продвижения вниз. Недостатком этой конструкции, по сравнению с системой, предлагаемой в настоящем изобретении, является то, что конфигурация наконечника, имеющего подпружиненный профиль и манжетное уплотнение, по существу требует, чтобы наконечник был сплошным, в результате чего он представляет собой долговременное препятствие в скважине после открытия группы скользящих муфт. Если необходимо привести в действие дополнительные вышерасположенные муфты с использованием второго наконечника (имеющего более узкий подпружиненный профиль по сравнению с первым использованным наконечником), то первый наконечник должен быть установлен с использованием локатора и впоследствии извлечен, после приведения в действие множества муфт и соответствующих им отверстий с использованием этого инструмента, как показано на фигурах 9A-9D. Такая система требует использования с поверхности многочисленного оборудования и перепускного отверстия, которое должно открываться и закрываться для обеспечения возможности эффективного выполнения работ, включая установку и извлечение локатора. Эти стадии и конструктивные особенности усложняют работы с такими системами, в результате чего увеличиваются материальные и временные затраты.
Существует потребность в более эффективной упрощенной системе, которая извлекается из скважины на поверхность вместе с инструментами для открытия прохода лифтовой колонны после открытия отверстий.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание альтернативных вариантов существующих систем и способов открытия близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль трубной колонны в скважине, для обеспечения возможности нагнетания текучей среды в пласт, содержащий углеводороды.
Другой целью настоящего изобретения, достигаемой в некоторых вариантах его осуществления, является создание системы, которая может обеспечивать выборочное открытие групп близких отверстий, расположенных вдоль компоновки хвостовика, для обеспечения раздельного осуществления гидроразрыва в различных зонах, содержащих углеводороды, которые могут быть расположены вдоль компоновки хвостовика в скважине, проходящей в продуктивном пласте.
Еще одной целью настоящего изобретения является система, которая обеспечивает выполнение вышеуказанных функций, однако с минимальным сужением внутреннего прохода в компоновке хвостовика для обеспечения максимального дебита скважины.
Еще одной целью, достигаемой в некоторых вариантах осуществления изобретения, является система, обеспечивающая выполнение вышеуказанных функций, однако после открытия всех отверстий и выполнения гидроразрыва с использованием этой системы нет необходимости в высверливании остающихся внутри компоновки хвостовика препятствий для потока, и, соответственно, сокращается количество операций, которые необходимо выполнить перед началом извлечения углеводородов из скважины.
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается система для последовательного открытия множества близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль скважины, содержащая:
i) компоновку хвостовика с внутренним проходом, содержащую:
a) множество указанных отверстий, расположенных продольно и поблизости на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика;
b) соответствующее множество цилиндрических скользящих муфт, каждая из которых выполнена с возможностью скольжения в продольном направлении в указанном внутреннем проходе, причем каждая скользящая муфта сконфигурирована таким образом, чтобы в исходном закрытом положении она перекрывала соответствующее ей отверстие из указанных отверстий и, чтобы после перемещения со скольжением в открытое положение она открывала указанное соответствующее ей отверстие, причем каждая из указанных скользящих муфт имеет внутренний кольцевой желобок;
с) срезной элемент, первоначально прикрепляющий указанные скользящие муфты к указанной компоновке хвостовика в указанном исходном закрытом положении и срезаемый, когда на соответствующую муфту из указанных скользящих муфт действует сила;
ii) приводное устройство, установленное в указанном внутреннем проходе и содержащее:
a) цилиндрическую цангу, снабженную выступом, смещаемым и выступающим наружу в радиальном направлении, причем указанный выступ выполнен для последовательного вхождения с зацеплением в каждый из указанных соответствующих внутренних кольцевых желобков на указанных скользящих муфтах, причем указанный выступ имеет ширину, по существу равную или меньше, чем ширина указанных кольцевых желобков на каждой из указанных скользящих муфт, причем указанный выступ может быть вдавлен внутрь для обеспечения возможности указанной цанге с указанным выступом на ней выйти из зацепления с указанным кольцевым желобком;
b) пробку, расположенную внутри указанной цанги и в первом положении находящуюся на ее верхнем конце, причем пробка, по меньшей мере в течение ограниченного времени, вместе с указанной цангой по существу препятствует прохождению текучей среды по указанному внутреннему проходу, когда указанная цанга и указанная пробка вместе расположены в указанном внутреннем проходе;
c) срезной штифт, прикрепляющий указанную пробку к верхнему концу указанной цанги с возможностью ее освобождения и срезаемый, когда на указанную пробку действует сила, для ее перемещения в указанной цанге вниз во второе положение, препятствуя после этого вдавливанию указанного выступа внутрь, в результате чего указанный выступ удерживается в положении зацепления с указанным кольцевым желобком;
причем давление текучей среды, действующее на верхний конец указанного приводного устройства, заставляет указанное приводное устройство продвигаться вниз и последовательно входить в зацепление с указанным кольцевым желобком каждой из указанных скользящих муфт и перемещать указанные скользящие муфты вниз, так чтобы в результате они открывали каждое из указанного множества отверстий;
давление текучей среды, необходимое для срезания указанных срезных элементов всех указанных скользящих муфт, за исключением самой нижней из скользящих муфт, меньше давления текучей среды, необходимого для срезания указанных срезных штифтов, прикрепляющих указанную пробку к указанному верхнему концу указанной цанги; и
указанная пробка, при открытии самой нижней скользящей муфты, срезает указанный срезной штифт и продвигается вниз в указанной цанге из указанного первого положения в указанное второе положение, препятствуя, таким образом, вдавливанию внутрь указанного выступа.
В другом варианте компоновка хвостовика также снабжена разрывными пластинами, закрывающими каждое из указанных отверстий, причем указанные разрывные пластины выполнены с возможностью разрыва для обеспечения возможности сообщения по текучей среде указанного внутреннего прохода с указанным отверстием в том случае, когда давление текучей среды в указанном внутреннем проходе превышает давление текучей среды, необходимое, чтобы:
i) заставить указанную пробку и указанную цангу срезать указанный срезной элемент; и
ii) заставить указанную пробку срезать указанный срезной штифт и переместить указанную пробку в указанное второе положение.
Еще в одном варианте пробка выполнена растворимой, и после ее перемещения в указанное второе положение она через некоторое время растворяется в текучей среде в указанном внутреннем проходе. Достоинством этого варианта является исключение необходимости введения высверливающего инструмента в компоновку хвостовика, после завершения нагнетания текучей среды в пласт через открытые отверстия, чтобы подготовить компоновку хвостовика к получению продукции, так чтобы углеводороды из пласта в зонах гидроразрыва могли поступать на поверхность.
В другом варианте вышеописанной системы обеспечиваются средства для запирания скользящих муфт в открытом положении, после того они перемещаются пробкой с цангой из закрытого положения в открытое положение для открытия отверстий. Например, в предпочтительном варианте обеспечивается пружинное кольцо, связанное с каждой скользящей муфтой, которое запирает каждую скользящую муфту в открытом положении, после того как она перемещается в это открытое положение. Специалистам в данной области техники будут понятны и другие возможные средства для запирания скользящих муфт в открытом положении, которые также могут использоваться в системе по настоящему изобретению.
Еще в одном варианте пробка после перемещения в указанное второе положение препятствует вдавливанию указанного выступа внутрь, и в результате предотвращается дальнейшее перемещение вниз указанного приводного устройства.
Еще в одном варианте используется множество приводных устройств, каждое из которых содержит цангу с выступом отличающейся ширины, для открытия множества групп отдельных отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем каждая группа отверстий в компоновке хвостовика расположена в разных зонах пласта. В этом случае обеспечивается возможность нагнетания текучей среды в отдельные зоны пласта, причем время и последовательность выполнения операций гидроразрыва определяет инженер по заканчиванию скважин, который управляет всем процессом гидроразрыва наиболее оптимальным образом для обеспечения извлечения из скважины максимально возможного количества углеводородов.
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается система для последовательного открытия по меньшей мере двух отдельных групп близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль скважины, содержащая:
i) компоновку хвостовика с внутренним проходом, содержащую:
a) множество первых отверстий, расположенных продольно на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика;
b) соответствующее множество первых цилиндрических скользящих муфт, каждая из которых выполнена с возможностью скольжения в продольном направлении в указанном внутреннем проходе, причем каждая скользящая муфта сконфигурирована таким образом, чтобы в исходном закрытом положении она перекрывала соответствующее ей отверстие из указанных первых отверстий и, после перемещения со скольжением в открытое положение она не перекрывала указанное первое отверстие, причем каждая из указанных скользящих муфт имеет внутренний кольцевой желобок, имеющий первую ширину;
c) множество вторых отверстий, расположенных продольно и поблизости на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика, причем указанные вторые отверстия расположены в указанной компоновке хвостовика ниже указанных первых отверстий;
d) соответствующее множество вторых цилиндрических скользящих муфт, каждая из которых выполнена с возможностью скольжения в продольном направлении в указанном внутреннем проходе, причем каждая скользящая муфта сконфигурирована таким образом, чтобы в исходном закрытом положении она перекрывала соответствующее ей отверстие из указанных вторых отверстий и, после перемещения со скольжением в открытое положение она не перекрывала указанное соответствующее ей второе отверстие, причем каждая из указанных вторых скользящих муфт имеет внутренний кольцевой желобок, имеющий вторую ширину, которая больше указанной первой ширины;
е) срезные элементы, соответственно удерживающие указанные первые и вторые скользящие муфты в указанном исходном закрытом положении и срезаемые, когда на соответствующую скользящую муфту из указанных первых и вторых скользящих муфт действует сила;
ii) первое приводное устройство, установленное во внутреннем проходе и содержащее:
a) цилиндрическую цангу, имеющую множество удлиненных, проходящих в продольном направлении лепестков, снабженных выступом, отходящим наружу в радиальном направлении, причем указанный выступ выполнен для последовательного вхождения с зацеплением в указанный соответствующий внутренний кольцевой желобок на каждой из указанных вторых скользящих муфт, причем ширина указанного выступа по существу равна указанной второй ширине, но больше указанной первой ширины, и под действием давления текучей среды, прилагаемого к верхней стороне указанного первого приводного устройства, указанный выступ вдавливается внутрь для обеспечения возможности выхода указанной цанги с указанным выступом из зацепления с указанным кольцевым желобком в указанных вторых скользящих муфтах;
b) пробку, расположенную внутри указанной цанги и находящуюся на верхнем конце указанной цанги в первом положении, причем указанная пробка, по меньшей мере в течение ограниченного времени, вместе с указанной цангой по существу препятствует прохождению текучей среды по указанному внутреннему проходу, когда указанная цанга и указанная пробка вместе расположены в указанном внутреннем проходе;
c) срезной штифт, прикрепляющий, с возможностью освобождения, указанную пробку к верхнему концу указанной цанги и срезаемый, когда на указанную пробку действует сила, для обеспечения возможности перемещения указанной пробки в указанной цанге вниз во второе положение, препятствуя после этого вдавливанию указанных лепестков внутрь, в результате чего указанный выступ удерживается в положении зацепления с указанным кольцевым желобком;
причем давление текучей среды, действующее на верхний конец указанного первого приводного устройства, заставляет указанное первое приводное устройство продвигаться вниз, заставляет указанную цангу последовательно входить в зацепление с указанным вторым кольцевым желобком каждой из указанных вторых скользящих муфт и перемещать каждую из указанных вторых скользящих муфт вниз, так что они открывают каждое из указанного множества вторых отверстий;
давление текучей среды, необходимое для срезания указанных срезных элементов всех указанных вторых скользящих муфт, за исключением самой нижней из указанных скользящих муфт, меньше давления текучей среды, необходимого для срезания указанных срезных штифтов, прикрепляющих указанную пробку к указанному верхнему концу указанной цанги; и
указанная пробка в указанном первом приводном устройстве, при открытии самой нижней второй скользящей муфты, срезает указанный срезной штифт и продвигается вниз в указанной цанге из указанного первого положения в указанное второе положение, препятствуя, таким образом, вдавливанию внутрь указанного выступа;
указанная система содержит также:
iii) второе приводное устройство, установленное в указанном внутреннем проходе и содержащее:
a) цилиндрическую цангу, имеющую множество удлиненных, проходящих в продольном направлении лепестков, снабженных выступом, отходящим наружу в радиальном направлении, причем указанный выступ выполнен для последовательного вхождения с зацеплением в указанный соответствующий внутренний кольцевой желобок на каждой из указанных первых скользящих муфт, его ширина по существу равна указанной первой ширине, но меньше указанной второй ширины, и указанный выступ может быть вдавлен внутрь для обеспечения возможности выхода указанной цанги с указанным выступом из зацепления с указанным первым кольцевым желобком в каждой из указанных первых скользящих муфт;
b) пробку, установленную внутри указанной цанги и находящуюся на верхнем конце указанной цанги в первом положении, причем указанная пробка, по меньшей мере в течение ограниченного времени, вместе с указанной цангой по существу препятствует прохождению текучей среды по указанному внутреннему проходу, когда указанная цанга и указанная пробка вместе расположены в указанном внутреннем проходе;
с) срезной штифт, прикрепляющий, с возможностью освобождения, указанную пробку к верхнему концу указанной цанги и срезаемый, когда на указанную пробку действует сила, для обеспечения возможности перемещения указанной пробки в указанной цанге вниз во второе положение, препятствуя после этого вдавливанию указанных лепестков внутрь, в результате чего указанный выступ удерживается в положении зацепления с указанным кольцевым желобком;
причем давление текучей среды, действующее на верхний конец указанного второго приводного устройства, заставляет указанное второе приводное устройство продвигаться вниз, заставляет цангу указанного второго приводного устройства последовательно входить с зацеплением в указанные кольцевые желобки каждой из указанных первых скользящих муфт и перемещать вниз каждую из указанных первых скользящих муфт, так что они открывают каждое из указанного множества первых отверстий; и
давление текучей среды, необходимое для срезания указанных срезных элементов всех указанных первых скользящих муфт, за исключением самой нижней из указанных первых скользящих муфт, меньше давления текучей среды, необходимого для срезания указанных срезных штифтов, прикрепляющих указанную пробку к указанному верхнему концу указанной цанги.
В другом варианте пробка в указанном втором приводном устройстве, при открытии самой нижней скользящей муфты, срезает срезные штифты и продвигается вниз в указанной цанге из указанного первого положения в указанное второе положение, препятствуя вдавливанию внутрь указанного выступа.
Еще в одном варианте пробка во втором приводном устройство и/или в первом приводном устройстве может быть растворимой в текучей среде, нагнетаемой в скважину.
Еще в одном варианте аналогичным образом могут обеспечиваться разрывные пластины, закрывающие каждое из указанных первых и вторых отверстий, причем указанные разрывные пластины выполнены с возможностью разрыва и обеспечения возможности сообщения по текучей среде указанного внутреннего прохода с указанным отверстием только в том случае, когда давление текучей среды во внутреннем проходе превышает:
i) давление текучей среды, необходимое для того, чтобы заставить указанную пробку в указанных первом и втором приводных устройствах и указанную связанную цангу срезать срезной элемент; и
ii) давление текучей среды, необходимое для того, чтобы заставить указанную пробку в указанных первом и втором приводных устройствах срезать срезной элемент и перемещать указанную пробку во второе положение в каждой указанной цанге.
Таким образом, поскольку операции гидроразрыва обычно выполняют, начиная с самой нижней части скважины, можно постепенно выполнять гидроразрыв в каждой зоне, начиная с самой нижней зоны скважины.
В другом варианте в настоящем изобретении предлагается система, в которой используются по меньшей мере два приводных устройства (скользящие наконечники), которые имеют профили выступа разных размеров (или разных конфигураций), так что профиль выступа на цанге каждого приводного устройства является уникальным. Первое такое приводное устройство, имеющее выступ с таким уникальным профилем последовательно входит в зацепление по меньшей мере с одной скользящей муфтой и предпочтительно последовательно входит в зацепление со скользящими муфтами первой группы, которые имеют одинаковым образом сконфигурированные внутренние кольцевые желобки или группы желобков, в которые входит с зацеплением профиль выступа на приводном устройстве, в результате чего приводное устройство открывает группу отверстий вдоль компоновки полого хвостовика. Пробка, обычно шаровой элемент, подаваемый вниз в компоновку хвостовика под действием давления, препятствует прохождению потока текучей среды через каждое приводное устройство, в результате чего обеспечивается движущая сила, толкающая вниз каждое из по меньшей мере двух приводных устройств. Затем после открытия по меньшей мере одного отверстия, а предпочтительно группы отверстий, первым из по меньшей мере двух приводных устройств может быть подано вниз под действием давления второе приводное устройство, имеющее профиль других размеров или другой конфигурации, для аналогичного перемещения вниз и открытия второй группы скользящих муфт, в результате чего обеспечивается возможность открытия в другие моменты времени второй группы отверстий вдоль компоновки хвостовика.
Таким образом, множество групп отверстий может быть выборочно открыто множеством приводных устройств, профили выступов которых имеют разные размеры или конфигурации.
В таком другом варианте нет необходимости в том, чтобы пробка, которая в этом варианте представляет собой шаровой элемент, была прикреплена к цанге приводного устройства срезными штифтами.
Соответственно, в настоящем изобретении предлагается система для последовательного открытия по меньшей мере двух отдельных групп близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль трубной колонны, расположенной в скважине. Такая система содержит:
i) компоновку хвостовика с внутренним проходом, содержащую:
a) множество указанных отверстий, расположенных продольно и поблизости на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика;
b) соответствующее множество цилиндрических скользящих муфт, каждая из которых связана с соответствующим ей отверстием из указанного множества отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем каждая скользящая муфта выполнена с возможностью скольжения в указанной компоновке хвостовика и сконфигурирована таким образом, чтобы в исходном закрытом положении она перекрывала соответствующее ей отверстие из указанных отверстий и, чтобы после перемещения со скольжением в открытое положение она открывала указанное соответствующее ей отверстие, причем каждая из указанных скользящих муфт имеет внутренний кольцевой желобок, ширина которого в указанных скользящих муфтах, связанных с первой группой близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, отличается от ширины указанных внутренних кольцевых желобков в указанных скользящих муфтах, связанных со второй группой близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга;
c) срезной элемент, первоначально прикрепляющий указанные скользящие муфты в указанном исходном закрытом положении и срезаемый, когда на соответствующую муфту из указанных скользящих муфт действует сила;
ii) первое приводное устройство, установленное в указанном внутреннем проходе и содержащее:
а) цилиндрическую цангу с профилем, выступающим и смещаемым наружу, причем указанный профиль выполнен таким образом, чтобы он входил с зацеплением в указанные внутренние цилиндрические желобки в указанных скользящих муфтах, связанных с первой группой из указанных по меньшей мере двух групп отверстий, но не входил с зацеплением в указанные внутренние цилиндрические желобки, связанные со скользящими муфтами, которые в исходном положении закрывают указанную вторую группу отверстий;
b) растворимую пробку, размеры которой обеспечивают возможность ее установки и удерживания внутри указанной цанги указанного первого приводного устройства на верхнем конце указанной цанги, причем указанная пробка, по меньшей мере в течение ограниченного времени, когда она не растворена, вместе с указанной цангой по существу препятствует прохождению текучей среды по указанному внутреннему проходу, когда указанная цанга и указанная растворимая пробка вместе расположены в указанном внутреннем проходе, и растворяется после закачивания в указанную скважину указанной текучей среды;
причем давление текучей среды, действующее на верхний конец указанного первого приводного устройства, заставляет указанное первое приводное устройство продвигаться вниз и входить в зацепление с указанным кольцевым желобком указанной по меньшей мере одной скользящей муфты, связанной с указанной первой группой отверстий, и не входить в зацепление с указанными кольцевыми желобками, имеющими другую ширину, остающихся цилиндрических скользящих муфт, связанных с указанной второй группой отверстий, и перемещать вниз каждую скользящую муфту, связанную с указанной первой группой отверстий таким образом, чтобы открывать указанные отверстия из указанной первой группы отверстий; и
iii) второе приводное устройство, установленное в указанном внутреннем проходе и содержащее:
a) цилиндрическую цангу с профилем, выступающим и смещаемым наружу, причем указанный профиль выполнен таким образом, чтобы он входил с зацеплением в указанные внутренние цилиндрические желобки в указанных скользящих муфтах, связанных со второй группой из указанных по меньшей мере двух групп отверстий;
b) растворимую пробку, размеры которой обеспечивают возможность ее установки и удерживания внутри указанной цанги указанного второго приводного устройства на верхнем конце указанной цанги, причем указанная пробка, по меньшей мере в течение ограниченного времени, когда она не растворена, вместе с указанной цангой по существу препятствует прохождению текучей среды по указанному внутреннему проходу, когда указанная цанга и указанная растворимая пробка вместе расположены в указанном внутреннем проходе, и растворяется после закачивания в указанную компоновку хвостовика указанной текучей среды;
причем давление текучей среды, действующее на верхний конец указанной растворимой пробки после нагнетания текучей среды в указанную компоновку хвостовика, заставляет указанное второе приводное устройство продвигаться вниз и входить с зацеплением с указанным кольцевым желобком указанной по меньшей мере одной скользящей муфты, связанной с указанной второй группой отверстий, и перемещать вниз каждую скользящую муфту, связанную с указанной второй группой отверстий таким образом, чтобы открывать указанные отверстия из указанной второй группы отверстий.
Как уже указывалось, такая система особенно подходит для последовательного открытия по меньшей мере двух отдельных групп близких отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль компоновки хвостовика. В предпочтительных вариантах на нижней стороне внутренних желобков и/или указанного выступающего профиля, смещаемого наружу под действием сил упругости, на нижней стороне указанных первого и/или второго приводных устройств обеспечиваются скосы, чтобы обеспечить возможность, после того как указанный профиль, смещаемый наружу под действием сил упругости, на указанном первом и втором приводных устройствах вошел с зацеплением в соответствующий желобок из указанных внутренних кольцевых желобков, выхода указанного профиля на указанном первом и/или втором приводном устройстве из указанного зацепления при продолжающемся действии давления текучей среды сверху на указанную пробку, в результате чего обеспечивается возможность указанным первому и/или второму приводным устройствам продолжать продвижение вниз для открытия других требуемых нижних отверстий вдоль такой компоновки хвостовика.
В предпочтительной модификации этого варианта каждая из скользящих муфт снабжена на самом нижнем конце отходящими лепестками, смещаемыми наружу в радиальном направлении, которые входят в зацепление с вырезом в компоновке хвостовика, когда соответствующая скользящая муфта из указанных скользящих муфт перемещается для открытия соответствующего отверстия, причем лепестки при зацеплении с вырезом предотвращают перемещение вверх соответствующей скользящей муфты из указанных скользящих муфт, в результате чего соответствующее ей отверстие может быть закрыто.
В другой модификации указанные первое и второе приводные устройства могут быть снабжены на их нижних концах кольцом, диаметр которого по существу равен диаметру скользящих муфт, с фаской для содействия продвижению указанного приводного устройства вниз в компоновке хвостовика.
Еще в одной модификации указанные первое и/или второе приводные устройства могут растворяться через некоторое время в текучей среде во указанном внутреннем проходе. Достоинством такого варианта является то, что после открытия отверстий вдоль компоновки хвостовика устраняются любые остающиеся препятствия в проходе компоновки хвостовика, и обеспечивается максимальное сечение внутреннего прохода в компоновке хвостовика для прохождения углеводородов после выполнения операций гидроразрыва. Таким образом, в результате устранения таких препятствий максимально снижаются требования к мощности внутрискважинных насосов, подающих наверх добываемые углеводороды.
В настоящем изобретении также предлагается способ последовательного открытия множества отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, вдоль компоновки полого хвостовика. Предлагаемый способ включает:
i) введение первого приводного устройства, на котором имеется профиль первой ширины, вниз в указанную компоновку хвостовика, содержащую множество скользящих муфт, закрывающих соответствующее множество указанных отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика;
ii) обеспечение вхождения с зацеплением указанного профиля на указанном первом приводном устройстве во внутренний кольцевой желобок на самой нижней скользящей муфте из указанных скользящих муфт, и, после создания давления текучей среды вверху указанного первого приводного устройства, проталкивание вниз указанной скользящей муфты для открытия связанного с ней отверстия из указанных отверстий в указанной компоновке хвостовика;
iii) растворение пробки в указанном первом приводном устройстве текучей средой в указанной компоновке хвостовика, так чтобы обеспечивалась возможность прохождения потока текучей среды в указанной компоновке хвостовика через указанное первое приводное устройство;
iv) введение вниз в указанную компоновку хвостовика еще одного приводного устройства, на котором выполнен профиль меньшей ширины;
v) обеспечение вхождения с зацеплением указанного профиля указанной меньшей ширины во внутренний кольцевой желобок на скользящей муфте, расположенной выше указанной самой нижней скользящей муфты, и после создания давления текучей среды вверху указанного другого приводного устройства проталкивание вниз указанной верхней скользящей муфты, в результате чего открывается связанное с ней другое отверстие из указанных отверстий в указанной компоновке хвостовика;
vi) растворение пробки в указанном другом приводном устройстве текучей средой в указанной компоновке хвостовика, так чтобы обеспечить возможность прохождения потока текучей среды в указанной компоновке хвостовика через указанное другое приводное устройство; и
vii) повторение стадий iv) - vi), до тех пор, пока не будут открыты все отверстия из указанного множества отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль указанной компоновки хвостовика.
Вышеприведенное краткое изложение сущности настоящего изобретения может не описывать все его признаки. Для полного описания изобретения ниже рассматриваются некоторые предпочтительные варианты его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи и приведена его формула.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие достоинства и другие варианты осуществления изобретения будут понятны из нижеприведенного подробного описания различных конкретных вариантов вместе с прилагаемыми чертежами, которые не должны рассматриваться как ограничения объема изобретения и на которых показано:
фигуры 1A-1D - последовательные виды компоновки хвостовика, содержащего систему по настоящему изобретению, причем:
фигура 1А - первоначальный вид компоновки хвостовика с отверстиями и соответствующими муфтами в закрытом положении;
фигура 1В - следующий вид, на котором компоновка хвостовика показана с введенным в нее приводным устройством, причем пружинная разрезная втулка (цанга) и выступы на ее лепестках находятся в зацеплении с первой скользящей муфтой;
фигура 1С - следующий вид, на котором приводное устройство показано прошедшим через самую верхнюю скользящую муфту, так что оно срезало срезные элементы и продвинуло эту скользящую муфту вниз для открытия соответствующего ей отверстия, после чего приводное устройство вышло из зацепления с этой скользящей муфтой и продвигается дальше вниз для аналогичного продвижения следующей скользящей муфты и открытия соответствующего ей отверстия;
фигура 1D - следующий вид, на котором приводное устройство показано находящимся в зацеплении с самой нижней скользящей муфтой, так что оно срезало удерживающие ее срезные элементы и продвинуло эту муфту вниз для открытия соответствующего ей отверстия, причем запирающий элемент (пробка) также срезал удерживающие его срезные штифты и продвинулся внутри цанги вниз, в результате чего выступы на ее лепестках будут удерживаться в положении сцепления с соответствующей скользящей муфтой, а запирающий элемент вместе с цангой удерживается от дальнейшего продвижения вниз;
фигуры 2A-2D - последовательные виды компоновки хвостовика, в котором установлен модифицированный вариант системы по настоящему изобретению, а именно, содержащий два разных типа скользящих муфт, которые могут приводиться в действие раздельно с помощью разных приводных устройств, причем:
фигура 2А - вид компоновки хвостовика с отверстиями и соответствующими муфтами в закрытом положении, причем в этом варианте используются два типа скользящих муфт, из которых муфта первой группы (самая верхняя из показанных муфт) имеет кольцевой желобок меньшей ширины по сравнению с кольцевыми желобками нижерасположенных соседних скользящих муфт, и приводное устройство, введенное в компоновку хвостовика, показано прошедшим вместе с цангой и выступами на ее лепестках сквозь первую скользящую муфту и продолжающим движение дальше вниз;
фигура 2В - следующий вид, на котором приводное устройство показано прошедшим сквозь самую верхнюю скользящую муфту внутри компоновки хвостовика и вошедшим во вторую скользящую муфту второй группы скользящих муфт, причем выступы на лепестках цанги вошли в зацепление с соответствующим кольцевым желобком на этой второй скользящей муфте;
фигура 2С - следующий вид, на котором приводное устройство показано срезавшим срезные элементы, удерживающие вторую скользящую муфту в исходном положении, и продвинувшим эту скользящую муфту вниз, в результате чего открывается соответствующее ей отверстие, и приводное устройство вышло из зацепления со второй скользящей муфтой и продвигается дальше вниз;
фигура 2D - следующий вид, на котором приводное устройство показано находящимся в зацеплении с самой нижней скользящей муфтой, так что оно срезало ее срезные штифты и продвинуло эту муфту вниз для открытия соответствующего ей отверстия, причем запирающий элемент (пробка) также срезал удерживающие его срезные штифты и продвинулся внутри цанги вниз, в результате чего выступы на ее лепестках будут удерживаться в положении сцепления с соответствующей скользящей муфтой, а запирающий элемент вместе с цангой удерживается от дальнейшего продвижения вниз;
фигуры 3А, 3В - виды двух разных типов скользящих муфт, причем в скользящей муфте первого типа, показанной на фигуре 3А, выполнен кольцевой желобок шириной W1, а в скользящей муфте второго типа, показанной на фигуре 3В, выполнен кольцевой желобок шириной W2;
фигуры 4-8 - увеличенные последовательные виды самой нижней скользящей муфты и соответствующего ей отверстия, когда муфта приводится в действие приводным устройством, причем:
фигура 4 - вид приводного устройства, введенного в компоновку хвостовика, и приближающегося к самой нижней скользящей муфте;
фигура 5 - вид приводного устройства, выступы которого вошли в зацепление с кольцевым желобком в самой нижней скользящей муфте;
фигура 6 - вид, на котором приводное устройство показано срезавшим срезные штифты, удерживающие его в верхней части цанги, в результате чего запирающий элемент (пробка) переместился к нижнему концу цанги, предотвращая выход выступов на лепестках цанги из зацепления с кольцевым желобком;
фигура 7 - вид, на котором цанга и пробка показаны срезавшими срезные элементы, удерживающие скользящую муфту в закрытом положении, в результате чего скользящая муфта перемещается в открытое положение;
фигура 8 - вид самой нижней скользящей муфты в открытом положении, причем пробка растворилась;
фигура 9 - вид в перспективе сечения модифицированной системы, в которой используются модифицированные муфты, приспособленные для введения них наконечника с растворимым шаровым элементом, причем каждая муфта снабжена кольцевым желобком, имеющим уникальные размеры и форму, с которым входит в зацепление только наконечник, имеющий сопрягающийся наружный профиль;
фигура 10 - вид сечения муфты и наконечника, когда уникальный профиль наконечника, смещаемый под действием сил упругости, входит для зацепления в соответствующий кольцевой желобок скользящей муфты, имеющий такие же уникальные размеры и форму;
фигура 11 - аналогичный вид сечения этой же муфты и наконечника, на котором показано положение наконечника через некоторое время, когда давление текучей среды, обеспечиваемое вверху, превышает усилие срезания срезных винтов, удерживающих скользящую муфту в исходном положении, в котором она закрывает отверстие/щели в трубной оправке (мандреле), и перемещает муфту вниз, так что она открывает отверстие, и при этом обеспечивается возможность зацепления лепестков цанги на наконечнике с прорезью в трубе для удерживания муфты в таком положении открытого отверстия;
фигура 12 - увеличенный вид в перспективе компонентов, показанных на фигуре 10;
фигура 13 - увеличенный вид в перспективе компонентов, показанных на фигуре 10, когда давление текучей среды, обеспечиваемое вверху, заставляет наконечник вместе муфтой, находящейся с ним в зацеплении, перемещаться вниз для начала открытия отверстий в трубной оправке;
фигура 14 - увеличенный вид в перспективе компонентов, показанных на фигуре 10, через некоторое время, когда давление текучей среды, обеспечиваемое вверху, заставляет наконечник вместе муфтой, находящейся с ним в зацеплении, перемещаться дальше вниз для полного открытия отверстий в трубной оправке;
фигура 15 - другой вид скользящей муфты и наконечника с шаровым элементом, на котором показано положение после открытия отверстий;
фигура 16 - аналогичный вид скользящей муфты и наконечника через некоторое время, когда шаровой элемент растворился, в результате чего трубная колонна открывается для потока;
фигура 17 - вид наконечника, продвигающегося вниз в трубной колонне.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеприведенном описании сходные компоненты на чертежах указываются соответствующими одинаковыми ссылочными номерами.
Система, предлагаемая в настоящем изобретении, предназначена для доведения скважины до необходимого состояния (то есть, для заканчивания скважины, в терминологии специалистов по нефтедобыче) перед началом добычи углеводородов из этой скважины.
В частности, настоящее изобретение может быть полезным для обеспечения возможности подачи текучей среды под давлением в нужных оптимальных местах пласта, содержащего углеводороды, для осуществления первоначального гидроразрыва пласта и/или подачи в пласт агентов, улучшающих приток углеводородов в скважину (таких как кислоты, вещества, улучшающие приток и/или проппанты) с целью повышения количества углеводородов, извлекаемых после этого из пласта, содержащего углеводороды.
Компоновка 200 хвостовика, введенная в пробуренную скважину, служит для различных целей, одна из которых заключается в укреплении скважины и предотвращении обрушения ее стенок, и другая цель заключается в обеспечении возможности подачи под давлением текучих сред гидроразрыва в нужные места пласта, содержащего углеводороды, через отверстия, разнесенные по длине компоновки хвостовика.
На фигуре 1А показана часть компоновки 200 хвостовика, которую вводят в пробуренную горизонтальную скважину (не показана) и которая содержит части системы по настоящему изобретению.
Компоновку 200 хвостовика обычно собирают из стальных трубных секций 211, 212, 213 одинаковой длины, соответствующие концы которых соединяют с использованием резьбы. Выпускаемые производителями трубные секции 211, 212, 213 обычно характеризуются различными стандартными длинами, диаметрами, толщиной стенок и прочностью материала, которые выбираются в соответствии с глубиной и диаметром скважины, а также с давлениями, которым будет подвергаться компоновка 200 хвостовика в скважине. Компоновка 200 хвостовика обычно имеет внутренний проход 210, и в его стенках имеется множество отверстий, таких как отверстия 206, 206', 206'', которые в определенных условиях могут сообщаться с проходом 210. Отверстия 206, 206', 206'' первоначально закрыты при введении компоновки 200 хвостовика в скважину, чтобы предотвращать проникновение во внутренний проход 210 различных материалов, таких как остаточная выбуренная порода, имеющаяся в скважине, которая могла бы забить отверстия 206, 206', 206'' и/или проход 210, в результате чего будет затрудняться поступление углеводородов в хвостовик и/или затрудняться извлечение этих углеводородов на поверхность.
На фигурах 1B-1D показана компоновка 200 хвостовика вместе с приводным устройством 202, которое используется для выборочного открытия отверстий 206, 206', как это будет описано ниже. На фигурах 1B-1D показано последовательно действие приводного устройства 202 на множество скользящих муфт 204, 205 в компоновке 200 хвостовика для последовательного открытия соответствующих отверстий 206, 206' в стенках хвостовика. Вышеуказанные компоненты вместе составляют систему по настоящему изобретению.
Как можно видеть на всех прилагаемых фигурах, внутри компоновки 200 хвостовика обеспечиваются полые цилиндрические скользящие муфты 203, 204, 205, каждая из которых первоначально находится в закрытом положении, в котором она перекрывает и, соответственно, закрывает соответствующие отверстия 206, 206', 206'', в результате чего предотвращается возможность прохождения текучих сред между внутренним проходом 210 и любым из отверстий 206, 206', 206''. Каждая из скользящих муфт 203, 204, 205 снабжена кольцевым желобком или вырезом 220 постоянной ширины W, как показано на фигурах 1A-1D. Вместо этого, в другом варианте осуществления настоящего изобретения, который будет описан ниже более подробно, одна группа скользящих муфт снабжена кольцевыми желобками 220, имеющими постоянную ширину W1, в то время как другая группа скользящих муфт снабжена кольцевыми желобками 220, имеющими постоянную ширину W2, как это показано на фигурах 2A-2D.
Срезные элементы, которые в одном из вариантов представляют собой срезные винты или срезные штифты 222, обеспечивают, по меньшей мере первоначально, прикрепление скользящих муфт 203, 204, 205, 203 к компоновке 200 хвостовика, в результате чего скользящие муфты 203, 204, 206 в исходном закрытом положении перекрывает соответствующих им отверстия 206, 206', 206''. Срезные винты 222 выполнены таким образом, что они срезаются под действием усилия, прикладываемого к соответствующим скользящим муфтам 203, 204, 205, которое превышает заданную величину, так чтобы обеспечивать возможность перемещения скользящих муфт 203, 204, 205 для открытия соответствующих им отверстий 206, 206', 206''.
Работа системы по настоящему изобретению для открытия одной группы близких отверстий 206', 206'', отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, как показано на фигурах 1A-1D, обеспечивается с помощью приводного устройства 202, которое может быть установлено во внутреннем проходе 210. Приводное устройство 202 содержит цилиндрическую разрезную пружинящую втулку 232 (цангу). Эта цанга 232 снабжена по меньшей мере одним выступом 234, который отходит наружу в радиальном направлении и может отклоняться наружу пружинным лепестком цанги. В предпочтительном варианте цанга 232 содержит множество пружинных удлиненных лепестков 240, проходящих в продольном направлении и в свободном состоянии отклоняющихся наружу в радиальном направлении, причем каждый пружинный лепесток 240 снабжен выступом 234, отходящим наружу в радиальном направлении.
Выступ 234 выполнен таким образом, что его ширина равна или немного меньше ширины W кольцевого желобка 220, в результате чего выступ 234 может входить в каждый из соответствующих внутренних кольцевых желобков 220 в каждой из скользящих муфт 206', 206''. Пружинные лепестки 240 цанги, смещаемые наружу в радиальном направлении, могут быть сжаты для обеспечения возможности сжатия цанги 232 и ее выступов 234 для выхода цанги 232 из зацепления с соответствующей скользящей муфтой в результате выхода выступов 234 из кольцевого желобка 220, когда соответствующая скользящая муфта 204, 205 перемещается таким образом, что открывается соответствующее отверстие 206', 206'', так что приводное устройство 202 получает возможность продолжения перемещения вниз для привода в действие (открытия) всех остающихся скользящих муфт 204, 205 с кольцевыми желобками 220, имеющими ширину W.
Внутри цанги 232 приводного устройства 202 обеспечивается запирающий элемент (пробка) 250. Пробка 250 первоначально прикреплена к цанге 232 с помощью срезных штифтов 275 на верхнем конце цанги 232, как показано, например, на фигурах 1В, 1С, 2В, 2С и 5. Следует иметь в виду, что во всех случаях термин "срезной штифт", используемый в настоящем описании, охватывает любые срезные винты, срезные штифты, ломкие сварные или паяные соединения, обеспечивающие первоначальное прикрепление пробки 250 к верхнему концу цанги 232.
Когда давление текучей среды, действующее на верхнюю сторону пробки 250, превышает заданную величину, срезные штифты 275 срезаются, так что пробка 250 отсоединяется от верхней стороны цанги 232 и после этого она может перемещаться внутри цанги 232 к нижней ее части, где дальнейшее перемещение пробки 250 предотвращается конечной частью (скошенным выступом 255) цанги 232.
Давление текучей среды, действующее на верхний конец приводного устройства 202 и на пробку 250, заставляет цангу 232 перемещаться вниз по скважине, как показано на последовательных видах фигур 1B-1D и на последовательных видах фигур 2B-2D, и входить с зацеплением в кольцевые желобки 220 в соответствующих нижерасположенных скользящих муфтах 204, 205 для последовательного перемещения этих муфт вниз, в результате чего открываются соответствующие отверстия 206', 206''.
Давление текучей среды, необходимое для срезания срезных элементов 222, прикрепляющих скользящие муфты 204, 205, меньше, чем давление, необходимое для срезания срезных штифтов 275, прикрепляющих пробку 250 к верхнему концу цанги 232, за исключением давления текучей среды, необходимого для срезания срезных элементов 220, прикрепляющих самую нижнюю скользящую муфту 205.
Соответственно, когда открывается самая нижняя в скважине скользящая муфта 205, то благодаря более высокому усилию срезания срезных элементов 222 по сравнению с усилием срезания срезных штифтов 275, пробка 250 сначала срезает срезные штифты 275, после чего она может перемещаться вниз в цанге 232 из первого положения наверху (фигура 5) в цанге 232 во второе положение (фигура 6), где она останавливается скошенными выступами 255 на пробке 250. Перемещение пробки 250 во второе положение (см. фигуры 1D и 6) предотвращает вдавливание внутрь выступов 234. Последующее увеличение давления, действующего сверху на пробку 250, приводит к срезанию срезных элементов 222, крепящих самую нижнюю скользящую муфту 205, в результате чего эта муфта перемещается вниз, и открывается самое нижнее отверстие в группе отверстий 206', 206''.
В системе, показанной на фигурах 1A-1D, а также для системы, в которой обеспечиваются отдельные группы отверстий, которые необходимо открывать выборочно, например, верхние первые отверстия 206 и вторая группа вторых нижних отверстий 206', 206'', причем каждое из первых отверстий 206 и вторых отверстий 206', 206'' должно открываться отдельно, как показано на фигурах 2A-2D, могут обеспечиваться разрывные пластины 300, закрывающие каждое из отверстий 206, 206' и 206. Разрывные пластины 300, как показано на фигурах 1A-1D, рассчитаны на разрыв, в результате которого устанавливается сообщение по текучей среде между внутренним проходом 210 и соответствующим отверстием 206', 206'', когда давление текучей среды в проходе 210: превышает давление, необходимое для срезания срезных элементов 222 под действием пробки 250 и цанги 232, включая срезные элементы 220, прикрепляющие самую нижнюю скользящую муфту 205; и когда давление текучей среды в проходе 210 также превышает давление, необходимое для срезания срезных штифтов 275 пробкой 250, после чего она перемещается во второе положение внутри цанги 232. Разрывные пластины 300, закрывающие первую группу отверстий 206, могут обеспечиваться с давлениями разрыва, которые отличаются от давлений разрыва разрывных пластин 300, закрывающих отверстия 206', 206''. В частности, когда первые отверстия 206 расположены выше вторых отверстий 206', 206'', как показано на фигурах 2A-2D, разрывные пластины, закрывающие вторые отверстия 206', 206'', могут иметь меньшее давление разрыва по сравнению с разрывными пластинами, закрывающими верхние первые отверстия 206.
На фигурах 2A-2D показан вариант вышеописанной системы, в котором обеспечиваются отдельные группы отверстий, а именно, первые отверстия 206 и вторые отверстия 206', 206'', причем необходимо, чтобы первые отверстия 206 и вторые отверстия 206', 206'' открывались раздельно, но при этом разрывные пластины 300 не используются.
В таком варианте обеспечивается серия/группа первых верхних скользящих муфт 203, как показано на фигурах 2A-2D и лучше всего показано на увеличенном виде фигуры 3А. Каждое из первых отверстий 206 связано с соответствующей скользящей муфтой 203, которая в закрытом положении перекрывает отверстие 206, блокируя его сообщение с внутренним проходом 201. Верхняя скользящая муфта 203 имеет кольцевой желобок 220 шириной W1, в который может входить с зацеплением сопрягающийся с ним выступ 234 на приводном устройстве 202, чтобы давление текучей среды вверху приводного устройства 202, содержащего цангу 232 и пробку 250, толкало его вниз, в результате чего скользящая муфта 203, находящаяся в зацеплении с приводным устройством 202, будет также перемещаться вниз, открывая отверстие 220. Наклонные боковые стенки 221 желобка 220 и продолжающееся действие на приводное устройство 202 давления текучей среды обеспечивает сжатие цанги 232, в частности вдавливание ее лепестков 240 внутрь в радиальном направлении, так что выступы 234 на этих лепестках будут отходить назад, выходя из зацепления с желобком 220, в результате чего приводное устройство 202 будет продолжать свое движение вниз для приведения в действие нижерасположенных скользящих муфт с желобками 220, имеющими ширину, не превышающую W1.
В варианте системы 200, который иллюстрируется на фигурах 2A-2D, вторая серия/группа (вторых) отверстий 206', 206'' расположена ниже первых отверстий 206, причем каждое из вторых отверстий 206', 206'' связано с соответствующими вторыми скользящими муфтами 204, 205. Каждая из таких скользящих муфт 204, 205 имеет кольцевой желобок 220 ширины W2, причем W2>W1.
Действие предпочтительного варианта системы, показанного на фигурах 2А-2D, 3А-8.
Способ управления системой 200 для открытия двух отдельных групп отверстий, а именно, первых отверстий 206 и второй группы (вторых) отверстий 206', 206'', как показано на фигурах 2А-2D, 3А-8, описывается ниже и в сущности представляет собой повторение вышеприведенного описания работы системы, показанной на фигурах 1А-1D, однако во втором случае верхние скользящие муфты 203 закрывают группу первых отверстий 206, причем на таких скользящих муфтах 203 (иллюстрируется на фигуре 3А) выполнены кольцевые желобки 220 шириной W1, которая меньше чем ширина W2 кольцевых желобков 220, выполненных на соответствующих скользящих муфтах 204, 205 (показаны на фигуре 3В), закрывающих соответствующие (вторые) отверстия 206', 206''.
В частности, при использовании системы 200, обеспечивающей открытие двух отдельных групп отверстий, сначала во внутренний проход 210 вводят первое приводное устройство 220, выступ 234 которого имеет ширину W2, и приводное устройство продвигается вниз под действием давления текучей среды в проходе 210. Первое приводное устройство 220 с цангой 232, на которой расположен выступ 234 шириной W2, не входит с зацеплением в кольцевой желобок 220 на (первой) (верхней) скользящей муфте 203, закрывающей первое отверстие 206, поскольку ширина W2 выступа 234 на первом приводном устройстве 220 больше ширины W1 кольцевого желобка 220 на первой скользящей муфте 203. Первое приводное устройство 220 продолжает продвигаться дальше вниз в компоновке 200 хвостовика.
Затем первое приводное устройство 202, продвигающееся дальше вниз, входит в скользящую муфту 204, закрывающую второе отверстие 206' (из второй группы вторых отверстий 206', 206''), и выступ 234 входит с зацеплением в кольцевой желобок 220 муфты 204, поскольку ширина W2 выступа 234 на первом приводном устройстве равна (или немного меньше) ширине W2 кольцевого желобка 220 на цанге 232. Давление текучей среды на верхней стороне приводного устройства 202 толкает его дальше вниз, в результате чего скользящая муфта 204 тоже будет двигаться вниз, открывая соответствующее ей отверстие 206'. В этом открытом положении скользящей муфты 204 с ней в зацепление может входить пружинное кольцо 270 для удерживания скользящей муфты 204 в таком положении открытия соответствующего ей отверстия 206'.
Благодаря наклонным стенкам 221 кольцевого желобка 220 цанга 232 сжимается, и в частности лепестки 240 цанги и выступы 234 на них вдавливаются внутрь, когда давление текучей среды продолжает действовать на приводное устройство 202, и выступы 234 выходят из зацепления с кольцевым желобком 220. В результате первое приводное устройство 202 может продолжать свое продвижение дальше вниз для открытия других отверстий в группе вторых отверстий 206', 206''.
На фигурах 2С, 2D, а также на фигурах 4-7, на которых приведены увеличенные виды, иллюстрирующие перемещение самой нижней скользящей муфты 205, когда она приводится в действие первым приводным устройством 202, показана работа системы по приведению в действие самой нижней скользящей муфты, открывающей соответствующее ей самое нижнее (второе) отверстие 206''.
После того как выступы 234 шириной W2 на приводном устройстве 202 подходят к кольцевому желобку 220 на самой нижней скользящей муфте 205, закрывающей соответствующее ей нижнее отверстие 206'', они входят с зацеплением в этот кольцевой желобок 220. Однако поскольку усилие, необходимое для срезания срезных винтов 222, прикрепляющих скользящую муфту 205 к соответствующей трубной секции 213, больше усилия, необходимого для срезания срезных штифтов 275, прикрепляющих пробку 250 к верхнему концу цанги 232, то продолжающееся действие давления текучей среды на приводное устройство 202 приводит к срезанию срезных штифтов 275, в результате чего пробка 250 может перемещаться со скольжением во второе положение внутри цанги 232, а именно, к нижнему концу цанги 232, как это показано на фигуре 6, где выступы 255 на цанге 232 препятствуют дальнейшему продвижению вниз пробки 250. Когда пробка 250 находится в этом втором положении, она препятствует отведению внутрь лепестков 240 вместе с расположенными на них выступами 234, и, таким образом, препятствует выходу выступов 234 из зацепления с кольцевым желобком 220 (см. фигуру 6). Затем продолжающееся действие давления текучей среды в проходе 210 вверху первого приводного устройства 202 вызывает дальнейшее перемещение вниз пробки 250, в результате чего вместе с ней будет перемещаться вниз скользящая муфта 205, открывающая соответствующее ей отверстие 206''. В этом открытом положении скользящей муфты 205 с ней в зацепление может входить пружинное кольцо 270 для удерживания скользящей муфты 204 в таком положении открытия соответствующего ей отверстия 206'', как показано на фигуре 7. После этого текучая среда может нагнетаться в пласт через открытые отверстия 206', 206'', для обеспечения гидроразрыва в зоне этих отверстий.
Если в приводном устройстве используется растворимая пробка 250, текучая среда, остающаяся во внутреннем проходе 210, растворяет пробку, в результате чего освобождается сквозной проход в трубных секциях 212, 213 для обеспечения возможности притока углеводородов из пласта через открытые отверстия 206, 206' и 206'' в компоновку хвостовика для последующего подъема углеводородов на поверхность.
В другом варианте пробка 250 выполнена из нерастворимого материала, и может быть рассверлена с помощью спущенного скважинного инструмента (не показан), в результате чего приводное устройство 202 вместе с пробкой 250 может быть извлечено из компоновки 200 хвостовика для устранения препятствия потоку флюидов.
В этом модифицированном варианте для открытия дополнительных верхних отверстий 206 аналогичным способом используется другое (второе) приводное устройство 202, также снабженное выступами 234. Второе приводное устройство 202 отличается от первого приводного устройства 202 только тем, что выступы 234 на нем имеют ширину W1, которая меньше ширины W2 выступов 234 на первом приводном устройстве 202. Действие второго приводного устройства 202 на верхнюю скользящую муфту 203 для открытия соответствующего ей верхнего (первого) отверстия 206 идентично вышеописанному действию первого приводного устройства 202 на нижние скользящие муфты 204, 205 для открытия вторых отверстий 206', 206''. Как и в предыдущих случаях, если это необходимо, в этом открытом положении скользящей муфты 203 с ней в зацепление может входить пружинное кольцо 270 для удерживания скользящей муфты 203 в таком положении открытия соответствующего ей отверстия 206.
Как и в предыдущих случаях, если это необходимо, на каждом из отверстий 206, 206', 206'' могут обеспечиваться разрывные пластины. Аналогичным образом, в таком другом варианте, использующем группы отверстий, разрывные пластины 300, закрывающие каждое из этих отверстий во множестве групп отверстий, выполнены таким образом, чтобы они разрывались, обеспечивая сообщение отверстий с внутренним проходом 210, только тогда, когда давление текучей среды в проходе превышает:
i) давление текучей среды, необходимое для срезания первым и вторым приводными устройствами 202, содержащими пробку 250 и цангу 232, срезных винтов 222; и
ii) давление текучей среды, необходимое для срезания пробкой 250 в первом и втором приводных устройствах 202 срезных штифтов, прикрепляющих пробку 250 к верхней стороне цанги 232, в результате чего обеспечивается возможность перемещения пробки 250 во второе положение в цанге 232, когда приводное устройство 202 открывает самую нижнюю скользящую муфту.
Другой вариант осуществления изобретения и соответствующий ему способ будут описаны со ссылками на фигуры 9-17, иллюстрирующие различные аспекты этого варианта.
На фигуре 9 показана часть компоновки 200 хвостовика по настоящему изобретению, когда она установлена в скважине, перед введением в компоновку 200 приводного устройства 202. Скользящие муфты 203, 204 показаны в их исходном (закрытом) положении, в котором они закрывают соответствующие им отверстия 206, 206' в стенках хвостовика. В варианте, показанном на фигуре 9, каждая из скользящих муфт 203, 204 снабжена на самом нижнем конце отходящими наружу лепестками 400, концы 402 которых отходят вверх и которые имеют такую конфигурацию, которая обеспечивает возможность вхождения с зацеплением в прорезь 410 в стенке хвостовика, когда одна из скользящих муфт 203, 204 перемещается для открытия соответствующего ей отверстия 206, 206', причем концы 402 лепестков 400 при зацеплении с прорезью 410 предотвращают перемещение скользящих муфт 203, 204 вверх, в результате чего отверстия 206, 206' могут быть закрыты.
На фигурах 10 и 11 показана последовательность операций, осуществляемых одним приводным устройством 202, когда приводное устройство 202 с пробкой 250, такой как сферический элемент 250', проталкивается вниз под действием давления текучей среды, нагнетаемой с поверхности в компоновку 200 хвостовика.
В частности, на фигуре 10 показано исходное положение, в котором выступ 234 шириной W1, смещаемый наружу в радиальном направлении, на приводном устройстве 202 вошел с зацеплением во внутренний кольцевой желобок 220 шириной W1 в скользящей муфте 203.
На фигуре 11 показано следующее положение скользящей муфты 203 после нагнетания текучей среды вверху приводного устройства 202 с шаровым элементом 250', когда приводное устройство 202 толкает скользящую муфту 203 с лепестками 400 вниз, так что открываются отверстия 206, и концы 402 лепестков 400 входят в прорезь 410 в стенке хвостовика, в результате чего предотвращается обратное перемещение вверх скользящей муфты 203.
Важно отметить, что на фигурах 10, 11 показаны прямые боковые стенки 702 на нижней стороне каждого внутреннего желобка 220 и прямые боковые стенки 700 на выступах 234, которые вместе предотвращают дальнейшее перемещение вниз приводного устройства 202 внутри компоновки 200 хвостовика. Приводные устройства 202 с прямыми стенками выступов 234 могут использоваться только для вхождения в зацепление с одной скользящей муфтой 203 для ее перемещения вниз, что может быть необходимо для некоторых операций гидроразрыва, в которых нужно открывать лишь одно отверстие 206 в стенке хвостовика для выполнения операции гидроразрыва в одном месте.
Однако, если необходимы перемещения других скользящих муфт (например, таких как дополнительная нижняя скользящая муфта 204), то необходимо использовать другое приводное устройство 202'. В таком варианте будет полезно, если приводное устройство 202 с цангой 231 и выступами 234 на ее лепестках будет выполнено из растворимого материала, а именно, из растворимого материала, который сравнительно быстро растворяется в текучей среде, такой как в высокой степени щелочная или кислотная текучая среда, которая может нагнетаться в компоновку 200 хвостовика, для удаления из нее приводного устройства 202.
На фигурах 12, 13 и 14 приведены виды в перспективе сечений, показанных как двумерные проекции на фигурах 10, 11, причем на фигуре 12 показан выступающий профиль 234 шириной W1 на приводном устройстве 202, первоначально входящий во внутренний кольцевой желобок 220 шириной W1 в скользящей муфте 203. На фигурах 12-14 иллюстрируются последовательные стадии i) - iii) способа, описанного в разделе "Краткое изложение сущности изобретения".
Важно отметить, что на фигурах 12, 13 и 14 показан вариант профиля выступающего профиля 234 и внутреннего желобка 220, в которых нижняя боковая стенка внутреннего желобка 220 и/или нижняя боковая стенка выступающего профиля 234 представляют собой скосы 800 и 802, соответственно. Достоинством такой конфигурации является то, что после того как приводное устройство 202 вошло в зацепление с внутренним кольцевым желобком 220 на соответствующей скользящей муфте 203 и сдвинуло эту муфту вниз для открытия соответствующего ей отверстия 206, упруго смещаемый наружу выступ 234, на приводном устройстве 202 выходит из зацепления с кольцевым желобком 220 при продолжающемся действии давления текучей среды на пробку 250'. Таким образом, приводное устройство 202 может затем продолжать свое продвижение вниз по компоновке 200 хвостовика, как показано на фигуре 9, для последующего приведения в действие дополнительной нижней скользящей муфты 204, имеющей аналогичный внутренний кольцевой желобок 220 шириной W1, в результате чего будет открыто дополнительное нижнее отверстие 206' и, возможно, другие нижние отверстия в группе, которые необходимо открыть, одним приводным устройством 202 (см. фигуру 9).
На фигуре 12 показано приводное устройство 202, снабженное выступающим профилем 234 шириной W1, вошедшим в сопрягающийся кольцевой желобок 220 шириной W1.
На фигуре 13 показано приводное устройство 202, сдвинувшее частично скользящую муфту 203, в результате чего частично открываются отверстия 206 в стенке хвостовика.
На фигуре 14 показано приводное устройство 202, полностью сдвинувшее скользящую муфту 204, в результате чего полностью открываются отверстия 206' в стенке хвостовика, так что лепестки 400, в частности их выступающие концы 402, вошли в прорезь 410 в стенке хвостовика, в результате чего предотвращается обратное перемещение вверх этой скользящей муфты, то есть, отверстия 206' не будут снова закрыты. Дополнительное давление текучей среды, действующее на шаровой элемент 250' и приводное устройство 202, приводит к тому, что выступ 234 будет выходить из кольцевого желобка 220 в результате скольжения наклонной стенки 802 выступа по наклонной стенке 800 желобка, в результате чего приводное устройство будет проходить дальше вниз для приведения в действие аналогичных скользящих муфт с кольцевыми желобками 220, пока не встретится кольцевой желобок 220 в скользящей муфте, имеющий прямую боковую стенку, и на этой скользящей муфте дальнейшее продвижение вниз приводного устройства 202 может быть остановлено. Это произойдет в том случае, когда выступ 234 приводного устройство будет иметь не наклонную, а прямую боковую стенку 700, как показано на фигурах 10, 11, и это в сочетании с прямой боковой стенкой 700 кольцевого желобка 220 будет препятствовать выходу приводного устройства 202 из зацепления со скользящей муфтой, так что приводное устройство 202 будет оставаться в этой муфте.
На фигуре 15 показано положение приводного устройства 202 с шаровым элементом 250' после открытия отверстий 206.
На фигуре 16 иллюстрируется следующая стадия способа, на которой пробка 250 (шаровой элемент 250') растворилась.
Вышеописанный процесс может повторяться для аналогичных скользящих муфт 203 с кольцевыми желобками 220 шириной W1, имеющими наклонную боковую стенку на нижней стороне, так же как и выступ 234 приводного устройства 202, для обеспечения возможности его расцепления с соответствующей скользящей муфтой после ее открытия, и дальнейшего продвижения приводного устройства 202 вниз для приведения в действие других аналогичных скользящих муфт с аналогичной конфигурацией кольцевых желобков 220.
Для других групп верхних скользящих муфт, кольцевые желобки 220 которых имеют меньшую ширину, может использоваться приводное устройство, такое как приводное устройство 202', показанное на фигуре 17, с выступающим профилем 234 меньшей ширины W0, для последующего приведения в действие скользящих муфт в такой группе.
Как можно видеть на фигуре 17, приводное устройство 202' может быть снабжено кольцом 600, диаметр которого по существу равен диаметру скользящих муфт, для обеспечения продвижения приводного устройства 202' вниз в компоновке 200 хвостовика. На кольце 600 может дополнительно обеспечиваться фаска 602, также способствующая выполнению этой функции.
Вышеприведенное описание некоторых вариантов системы и способа по настоящему изобретению дает возможность специалисту в данной области техники реализовать или использовать это изобретение.
Для полного определения изобретения и его заявляемого объема необходимо обратиться к части "Краткое изложение сущности изобретения" описания и к прилагаемой формуле изобретения, с учетом вышеприведенного описания и чертежей.
Указание элемента в единственном числе не должно пониматься как "один и только один", если специально не указано иное, а должно пониматься как "один или несколько". Кроме того, когда дается указание "флюид (текучая среда)", предполагается, что этот термин означает все жидкости и газы, имеющие свойства текучей среды
Указания "самый нижний", "нижний", "самый верхний" и "верхний" и производные от них означают указание положения компонента, когда он находится в вертикальной скважине.