КОРПУС СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА С ЭРОЗИОННОСТОЙКИМ ОТВЕРСТИЕМ ДЛЯ СКВАЖИННОГО КЛАПАНА ИЛИ РЕГУЛЯТОРА РАСХОДА (ВАРИАНТЫ)
CASE OF DOWN HOLE TOOL WITH EROSION-RESISTANT OPENING FOR DOWN HOLE VALVE OR FLOW REGULATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к скважинным инструментам, а более конкретно к форме выполненных в их корпусах проходных отверстий для скважинных клапанов или проходных регуляторов расхода, в частности для клапанов или инструментов по типу скользящей муфты, применяемых в нагнетательных скважинах.
Когда добыча в некоторой зоне пласта становится малорентабельной, одним из способов ее активизации является нагнетание больших количеств флюида (текучей среды), например воды или пара, в нагнетательную скважину в одной точке такой зоны или зон и отбор дополнительного количества продукта из другой скважины или скважин пласта. В нагнетательной скважине используется насосное оборудование для подачи больших количеств флюида в скважину для повышения уровня добычи. Нагнетательная скважина может иметь клапан, обычно представляющий собой скользящую муфту, для обеспечения доступа в одну зону в один момент времени и для поочередного обслуживания многих зон в случае необходимости. Такие золотниковые клапаны имеют втулку с проходом, который выборочно может выравниваться в определенное положение относительно охватывающего кожуха. Нагнетательная скважина может иметь срок службы 15 лет и более. На протяжении всего срока службы огромные объемы флюида и большие количества содержащихся в нем твердых частиц могут прокачиваться через один золотниковый клапан, когда он находится в открытом положении. При работе нагнетательной скважины расходы нагнетания порядка 45000 баррелей являются обычными величинами. То есть в течение срока службы скважины может в целом прокачиваться порядка 250 миллионов баррелей флюида. Далее, при содержании твердых частиц порядка одного фунта на 1000 баррелей общее количество твердых частиц, перекачиваемых таким образом через отверстие в течение ожидаемого срока службы скважины, может достигать 250000 фунтов мелкого песка, песчинки которого размерами не более 50 микрон имеют в общем случае угловатую форму с острыми краями.
При поддержании указанных расходов нагнетания в течение длительного времени возникает проблема эрозии отверстия (образующих его поверхностей) в инструменте и, что более существенно, в охватывающем кожухе.
Группой инженеров компании Halliburton Energy Services Inc. была выполнена работа, касающаяся перепускных устройств, связанных с интенсивным нагнетанием больших объемов жидкости, содержащей расклинивающий агент. Работа была опубликована в 2003 г. в издании 03-NTCE-18 Американской ассоциации инженеров-буровиков (AADE). В указанной работе фигурировали большие объемы жидкости, содержащие значительно большее удельное количество твердых частиц, чем в применяемых для нагнетания флюидах. В конструкции, испытания которой описывались в публикации, и корпус инструмента, и скользящая муфта имели совмещаемые отверстия, которые были выполнены сверлом, направленным под заданным углом к оси инструмента, при этом сверление осуществлялось в направлении вверх сквозь корпуса инструмента и муфту. При такой технологии получается овальное отверстие, если смотреть по направлению, перпендикулярному к оси инструмента. Отверстие получается уже в верхней и нижней частях из-за наклона при сверлении и имеет практически параллельные наклоны в верхней и нижней частях опять же из-за наклона при сверлении. Хотя в публикации сообщалось о положительных результатах, полученных для работ, связанных с нагнетанием больших объемов жидкостей с высоким содержанием твердых частиц, однако общие объемы закачиваемых жидкостей в этом случае были существенно ниже, чем объемы флюидов и количества твердых частиц, закачиваемых в течение строка службы нагнетательной скважины.
Для избежания этого были проведены работы по моделированию (например, с использованием моделей динамики флюидов или моделей, предназначенных для оценки эффективности проходов) и работы на реальных скважинах, позволившие получить улучшенную конфигурацию проходов, обеспечивающую минимизацию эрозионного действия на окружающую обсадную колонну и на сами проходы. Полученные конструкции характеризуются удлиненными отверстиями с увеличивающимся расширением в направлении вниз по скважине. Другими особенностями является выходное отверстие скважинного инструмента, состоящее из наклонных плоских и/или криволинейных поверхностей. Эти и другие особенности изобретения станут более понятными для специалистов в данной области техники после ознакомления с изложенными ниже сущностью изобретения и описанием предпочтительных вариантов его осуществления.
В изобретении предлагается корпус скважинного инструмента, имеющий тело корпуса, в котором выполнен проход, имеющий продольную ось, по меньшей мере одно отверстие, имеющее относительно ствола скважины верхний и нижний концы и выполненное в теле корпуса с возможностью выпуска из него флюида с твердыми частицами под давлением, причем отверстие из условия минимизации эрозионного воздействия на обсадную колонну и сам проход имеет плоские или наклонные плоские, или наклонные плоские и криволинейные поверхности, образующие расширение в направлении от верхнего конца отверстия к его нижнему концу.
Предлагаемая конфигурация отверстия обеспечивает минимизацию эрозии окружающего кожуха и самого отверстия и в особенности эффективна при использовании в нагнетательных скважинах, для которых предполагается перекачивание больших количеств флюидов, содержащих захваченные твердые частицы. Отверстие предпочтительно имеет удлиненную форму с расширением в направлении вниз. Нижний конец отверстия представляет собой выходное отверстие, расширяющееся в нижнем направлении и имеющее несколько наклонных поверхностей с закругленными переходами. Могут быть предложены и другие варианты формы отверстия.
В частности, расширение может быть выполнено с одним углом или с переменным углом. Расширение может быть выполнено с использованием комбинации плоских поверхностей, расположенных под разными углами, или с использованием комбинации криволинейных поверхностей. В частности, расширение может быть выполнено с использованием по меньшей мере одной плоской поверхности и по меньшей мере одной криволинейной поверхности.
Нижний конец отверстия может содержать дополнительно второе расширение в направлении от продольной оси к нижнему концу, которое может иметь более одной поверхности, в частности по меньшей мере одну плоскую поверхность или по меньшей мере одну криволинейную поверхность.
Расширение может быть выполнено под углом примерно 1-30°.
Может иметься первая поверхность, расположенная ближе к продольной оси и с большим углом наклона по отношению к продольной оси по сравнению со второй поверхностью, находящейся дальше от продольной оси. При этом первая и вторая поверхности плоские и разделены криволинейной поверхностью. Первая поверхность предпочтительно образует по отношению к продольной оси угол примерно от 50 до 90°, а вторая поверхность образует по отношению к продольной оси угол примерно от 1 до 50°.
Верхний конец отверстия может содержать дополнительно второе расширение в направлении от продольной оси к нижнему концу.
Нижний конец отверстия может содержать дополнительно второе расширение в направлении от продольной оси к нижнему концу, причем второе расширение содержит более одной поверхности. При этом верхний конец отверстия содержит дополнительно третье расширение в направлении от продольной оси к нижнему концу.
В изобретении также предлагается корпус скважинного инструмента, имеющий тело корпуса, в котором выполнен проход, имеющий продольную ось, по меньшей мере одно отверстие, имеющее относительно ствола скважины верхний и нижний концы и выполненное в теле корпуса с возможностью выпуска из него флюида с твердыми частицами под давлением, причем отверстие из условия минимизации эрозионного воздействия на обсадную колонну и сам проход имеет плоские или наклонные плоские, или наклонные плоские и криволинейные поверхности, образующие расширение нижнего конца отверстия в направлении от продольной оси.
В еще одном варианте осуществления предлагается корпус скважинного инструмента, имеющий тело корпуса, в котором выполнен проход, имеющий продольную ось, по меньшей мере одно отверстие, имеющее относительно ствола скважины верхний и нижний концы и выполненное в теле корпуса с возможностью выпуска из него флюида с твердыми частицами под давлением, причем отверстие из условия минимизации эрозионного воздействия на обсадную колонну и сам проход имеет плоские или наклонные плоские, или наклонные плоские и криволинейные поверхности, образующие расширение верхнего конца отверстия в направлении от продольной оси к нижнему концу.
В нижеприведенном описании варианты осуществления изобретения раскрываются со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид в перспективе предпочтительного варианта осуществления изобретения;
на фиг.2 - вид по линии 2-2 сечения конструкции, приведенной на фиг.1;
на фиг.3 - вид в плане отверстия, сечение которого представлено на фиг.2;
на фиг.4-7 - виды альтернативных вариантов конструкции, представленной на фиг.1-3, однако эти варианты могут уступать по характеристикам предпочтительному варианту осуществления изобретения.
На фиг.1 представлен внешний вид отверстия (прохода в виде прорези) 10 в теле корпуса 12. Соответствующее отверстие имеется на скользящей муфте (не показана), которая может перемещаться в известном инструменте между открытым и закрытым положениями. На одной колонне труб в скважине может быть смонтировано несколько таких узлов, что позволяет выбирать зоны, в которые должен нагнетаться флюид. Конструкция, показанная на фиг.1-3, обычно окружена обсадной колонной (не показана). Поток выходит из отверстия 10 и поступает во внутреннее пространство обсаженной скважины. Отверстие 10 имеет верхний конец 14 (выше по стволу скважины) и нижний конец 16 (ниже по стволу скважины). Количество отверстий может варьироваться в зависимости от предполагаемых расходов нагнетания для поддержания скорости в требуемом диапазоне. Предпочтительными являются скорости в диапазоне 35-65 фут/сек.
На фиг.2 и 3 можно видеть, что отверстие 10 имеет удлиненную форму. Если смотреть изнутри (см. фиг.2), то можно видеть, что отверстие 10 имеет наклонную поверхность 18, причем предпочтительным углом ее наклона является угол 45 градусов. Хотя на фиг.2 показано, что наклонная поверхность 18 содержит одну плоскость, однако также можно использовать несколько наклонных плоскостей, причем между ними могут быть промежуточные переходные поверхности. В качестве альтернативного варианта может использоваться сочетание плоских и криволинейных поверхностей, причем дуги закруглений могут иметь постоянные или переменные радиусы. Предпочтительным является вариант, когда больший радиус закругления на поверхности 18 находится выше по скважине так, что на внешней поверхности 20 корпуса 12 кривизна будет более ярко выражена.
На нижнем конце 16 предпочтительная форма поверхности 22 между внутренней поверхностью 24 и внешней поверхностью 20 содержит начальную наклонную плоскость 26 с углом наклона примерно 55 градусов, после которой следует сегмент 28 скругления с радиусом примерно 1 1/4 дюйма и далее выходная наклонная плоскость 30 с углом наклона примерно 15 градусов.
На фиг.3 показано отверстие 10, расширяющиеся с постоянным углом примерно 10 градусов, в результате чего отверстие 10 шире возле нижнего конца 16, чем у верхнего конца 14.
В то время как указанные сочетания параметров составляют предпочтительный вариант осуществления изобретения, в пределах объема изобретения возможны и другие сочетания параметров. В другом варианте форма отверстия 10 может характеризоваться тем, что расширение сверху вниз может выполняться по прямой, по дуге или же используется сочетание прямых линий и дуг, причем сегменты дуг могут иметь одинаковый радиус или же их радиусы могут отличаться. Кроме того, поверхности могут располагаться в любой последовательности между внутренней поверхностью 20 и внешней поверхностью 24. Уже одна эта особенность (кроме других, показанных на фиг.1-3) будет обеспечивать улучшение эрозионной стойкости по сравнению с простым прямоугольным отверстием (см. фиг.4), имеющим параллельные стенки 32 и 34, то есть в случае конструкции фиг.4 какое-либо расширение отверстия, имеющего в основном прямоугольную форму, отсутствует. На фиг.4 можно видеть, что верхняя поверхность 36 и нижняя поверхность 38 отверстия плоские и представляют собой одиночные плоскости, перпендикулярные оси инструмента. В то время как поверхности 36 и 38 показаны перпендикулярными к оси инструмента, они могли бы быть повернуты вниз по стволу скважины для улучшения характеристик. В то время как угол расширения в 10 градусов является предпочтительным, он может изменяться в зависимости от диаметра корпуса 12, количества и длины отверстий 10 и от необходимости размещения линий управления (не показаны), которые устанавливаются в стороне от траектории движения флюида через отверстия 10. Так, углы прямолинейного скоса могут быть в диапазоне от примерно одного градуса до примерно 30 градусов, хотя возможны также и большие углы. Этот угол расширения также может увеличиваться для одного и того же отверстия в направлении вниз по стволу скважины, причем это увеличение может быть ступенчатым или плавным со скруглением или же может использоваться сочетание того и другого.
Другой признак, который также может самостоятельно обеспечивать повышение эрозионной стойкости, помимо вышеуказанного расширения по длине отверстия, - это форма выхода на нижнем конце 16. Его главной особенностью является использование нескольких поверхностей. Одиночная плоская выходная поверхность 42 показана на фиг.6. Необходимо иметь в виду, что хотя отверстие на фиг.6 становится шире в направлении изнутри корпуса 12 наружу, как показано линиями 44 и 46, однако на чертеже эти линии параллельны так, что в конструкции, приведенной на фиг.6, отсутствует какое-либо увеличение ширины отверстия. Соответственно, одно только усовершенствование выхода на нижнем конце 16 без использования других описанных признаков, будет обеспечивать уменьшение эрозии. Могут использоваться две плоские поверхности, причем поверхность, которая находится ближе к внутренней поверхности 24 корпуса 12, имеет больший угол наклона. Эта особенность также иллюстрируется на фиг.5, где поверхность 46 имеет больший угол наклона, чем поверхность 48. Другие альтернативные варианты предусматривают использование плоских поверхностей без скругления переходов или криволинейных поверхностей различных радиусов или сочетаний в любой последовательности плоских и криволинейных поверхностей, причем криволинейные поверхности могут иметь один и тот же радиус кривизны или разные радиусы. В качестве альтернативного варианта также возможно использование одиночной криволинейной поверхности постоянного радиуса, кроме того, предусматривается также использование криволинейной поверхности, представляющей собой соединение нескольких криволинейных поверхностей, имеющих разные радиусы.
Для верхнего конца 14 также могут использоваться такие же возможности, как те, что были описаны выше в отношении нижнего конца 16, и если это будет единственным используемым признаком, то он позволит уменьшить эрозию, но так же, как и в предыдущем случае, с меньшим эффектом, как и в случае, когда аналогичный признак является единственным признаком, используемым в отношении нижнего конца 16.
Конечно, более предпочтительным было бы снабдить верхний конец 14 и нижний конец 16 в каждом отверстии одинаковыми поверхностями, если не сочетаниями углов и радиусов, однако обработка поверхности на каждом из концов не должна быть совершенно одинаковой. Действительно, они не одинаковы, как показано на виде сечения, приведенного на фиг.2. При использовании варианта двух плоских поверхностей для концов отверстия первая плоскость может быть наклонена под углом, находящимся в диапазоне от примерно 50 градусов до примерно 90 градусов, причем близким к оптимальному является значение 80 градусов, и вторая плоскость в направлении движения потока может быть наклонена под углом, находящимся в диапазоне от примерно 1 градуса до примерно 50 градусов.
Конструкции, представленные на фиг.5-7, являются альтернативными вариантами в рамках объема изобретения, которые показывают некоторые различные видоизменения базовой конфигурации удлиненного отверстия, предпочтительно имеющего прямоугольную форму, которое все-таки имеет лучшие характеристики, чем отверстия, выполненные в соответствии с известными способами с использованием сверления под наклоном к продольной оси корпуса. На фиг.4 показана базовая конструкция, которая сходна с конструкцией, используемой в настоящее время, отличающейся тем, что плоские и квадратные поверхности нижнего и верхнего конца имеют скругления. Особенностью известных конфигураций проходных отверстий компании Halliburton является то, что ряд проходов располагается последовательно в направлении потока и их размеры в направлении потока уменьшаются. Уменьшение размеров проходов в направлении потока приводит к увеличению расхода через верхние проходы или наблюдалось бы существенное уменьшение скоростей потока. В противном случае проходы, находящиеся ниже по потоку, подвергались бы наибольшей эрозии.
Вышеприведенное описание представляет собой иллюстрацию предпочтительного варианта осуществления изобретения, а его полный объем может быть определен на основании нижеприведенной формулы изобретения.