УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЗАГЛУШКИ
DEVICE FOR PLUG REMOVAL

Настоящее изобретение относится к устройству для удаления заглушки, используемой в скважине, трубопроводе или подобном устройстве для проведения испытаний на герметичность, содержащему трубчатый кожух, в котором в гнезде установлена заглушка, как описано в ограничительной части п.1 формулы изобретения. Устройство, которое также может быть частью конструкции заглушки, содержит дробильный элемент.
Хорошо известно, что перед тем, как скважину начинают использовать для добычи углеводородов, ее закрывают для проведения испытаний на герметичность, чтобы убедиться что все ее элементы не допускают утечки и могут выдерживать заданное давление текучей среды. Для этого в скважину устанавливают временную заглушку из стекла или керамического материала и подают в скважину текучую среду под давлением для проверки герметичности.
По окончании испытаний заглушку удаляют, например с помощью зарядов взрывчатого вещества, установленных на заглушке или возле нее, или путем механического дробления заглушки.
Заряды взрывчатого вещества часто помещают на верхнюю поверхность заглушки, но в некоторых случаях их можно разместить в центре заглушки. Для инициирования взрыва используются многочисленные механизмы.
В известных технических решениях заглушку устанавливают в пучок труб, вставленный в добывающий трубопровод/трубчатый кожух в скважине, проходящей через нефтеносную/газоносную породу. Взрывчатые элементы в виде двух колонок устанавливают на верхнюю поверхность заглушки, выполненной из стекла, керамики или подобного материала.
После вставки заглушки в скважину могут быть проведены испытания на предмет отсутствия утечек и способности выдерживать заданное давление текучей среды.
После проведения испытаний заглушку удаляют путем ее разрушения взрывом от двух зарядов взрывчатого вещества. Взрыв может производиться различными способами. Как правило, текучую среду из скважины под заданным давлением подают в корпус, содержащий заряды взрывчатого вещества, и текучая среда толкает вниз запальный штифт, который ударяют по воспламенителю, вызывающему детонацию заряда взрывчатого вещества, расположенного ниже. В результате стекло разрывается с образованием мелкой пыли, которая не причиняет никакого ущерба скважине. Взрывчатые элементы тоже разрываются на мелкие кусочки, но от взрывчатых элементов этого типа в текучей среде остается много более крупных кусков (которые считаются мусором), что нежелательно.
В современных системах с зарядами взрывчатого вещества после удаления заглушки остаются нежелательные обломки; кроме того, взрывчатые вещества представляют потенциальную опасность для пользователей.
Известны также технические решения, в которых в скважину опускают инструмент для механического дробления заглушки путем ударов или сверления. Здесь взрывчатые вещества не используются. Известно также, что заглушку можно удалить путем повышения давления текучей среды в скважине до тех пор, пока заглушка не будет раздроблена.
Для потребителей также неприемлемо, если взрывчатые вещества находятся внутри заглушки, хотя в этом случае опасность, которую они могут представлять, будет чисто теоретической.
В современном решении, когда несколько заглушек установлены одна над другой и между ними находится текучая среда, дробление может достигаться без применения взрывчатых веществ.
Это решение основано на том, что регулируемое количество текучей среды между заглушками не может сжиматься и потому восприятию осевой нагрузки верхней заглушкой будут содействовать заглушки, расположенные ниже.
Недостаток этой системы в том, что падение предметов в скважину может привести к разлому верхней заглушки, которая не может одна выдерживать большую механическую нагрузку. В результате заглушка может открыться в самый неподходящий момент. Кроме того, возможны утечки текучей среды между заглушками, что тоже может привести к преждевременному открыванию заглушки.
Другой недостаток этого технического решения состоит в том, что разрушение заглушек должно происходить после удаления находящейся между ними текучей среды и поэтому их толщина должна быть такой, что дробление происходит при умеренном давлении. Стекло, являющееся подходящим материалом для заглушки, имеет рекомендованный запас прочности, равный 3, что может приводить к тому, что в неблагоприятных ситуациях заглушка не будет разрушаться при более низком давлении, которое имеет место после открывания заглушки.
Другим неблагоприятным обстоятельством является то, что нужно нагнетать давление в скважине после приведения в действие системы открывания заглушки. Это может вызвать повреждение резервуара, когда заглушка разрушается при давлении, превышающем гидростатическое давление в скважине.
Устройство для удаление заглушки согласно изобретению отличается тем, что оно содержит элемент, который под действием приложенной силы может входить в материал заглушки так, что этот материал дробится, причем указанный элемент подвергается действию указанной силы со стороны другого элемента, расположенного над ним.
Указанный элемент предпочтительно представляет собой кожух, нижний конец которого выполнен так, что может вдавливаться в радиальном направлении в заглушку при осевом перемещении поршня под действием гидравлического давления.
Нижний конец кожуха имеет отходящий радиально внутрь фланец, который в результате осевого перемещения поршня перемещается радиально внутрь к заглушке.
В трубчатом кожухе имеется пустое пространство, в котором установлен кольцевой кожух с указанным фланцем.
Внутренний конец фланца образует заостренный носик из материала, твердость которого значительно больше твердости заглушки, например имеющий твердое металлическое, керамическое или алмазное покрытие.
Поршень установлен в камере с возможностью вертикального перемещения под действием гидравлического давления при инициировании и удара сверху по заднему краю кожуха, при этом поршень благодаря своей форме вдавливает заостренный носик кожуха в заглушку, в результате чего происходит ее дробление. Кожух и поршень установлены в отверстии/отверстиях трубчатого кожуха, установленного внутри пучка труб с заглушкой, причем этот кожух также определяет гнездо для заглушки.
Кожух содержит инициирующий механизм, содержащий клапан, который при активизации открывается для впуска текучей среды под давлением в канал и инициирует движение поршня, в результате чего он перемещается в осевом направлении вниз и ударяет по задней стороне кожуха.
Инициирующий механизм устройства выполнен с возможностью "считывания/обнаружения" импульсов давления в трубопроводе с помощью механического, акустического, электрического, ультразвукового или гидравлического датчика и после получения соответствующего сигнала открывает клапан.
Заглушка имеет область, предварительно ослабленную мелкими трещинами, по которой край фланца ударяет своим заостренным носиком при перемещении к заглушке.
В стенке кожуха могут быть выполнены прорези, проходящие в осевом направлении от его нижнего края на некоторое расстояние вверх к верхнему краю. В корпусе по окружности выполнены предпочтительно две расположенные диаметрально противоположно прорези или несколько прорезей, так что нижняя часть кожуха может загибаться внутрь, т.е. каждая нижняя секция кожуха между соседними прорезями может загибаться внутрь, когда на него снаружи давит поршень.
Заглушка выполнена предпочтительно из дробимого материала, такого как стекло или керамика.
Удаление заглушки может быть выполнено без применения взрывчатых веществ.
Этот кольцевой элемент предпочтительно снабжен в нижней части зубом, ориентированным в сторону центра заглушки. Носик зуба предпочтительно выполнен из твердого металла, алмаза или другого материала, более твердого, чем материал самого зуба. Этот носик из твердого металла должен вонзаться в материал заглушки для ее дробления.
Такая система механического дробления позволяет избежать проблем, связанных с использованием взрывчатых веществ, представляющих угрозу безопасности, а также исключить попадание в скважину обломков корпусов для зарядов взрывчатых веществ. Дробимые заглушки могут использоваться для всех видов скважин. Дробление стеклянных и керамических заглушек путем воздействия на них сбоку в радиальном направлении показало очень хорошие результаты. Кроме того, важно отметить, что для дробления в осевом направлении, в отличие от дробления в радиальном направлении, требуется слишком много пространства, что может уменьшить эффективный внутренний диаметра трубопровода.
Большим преимуществом является то, что можно исключить из современных систем заряды взрывчатых веществ и вместо них использовать устройства механического дробления заглушки.
Хорошие результаты достигаются в особенности при использовании стеклянных заглушек, боковая поверхность которых отшлифована и потому уже имеет мелкие трещины.
В современных системах уже используются стеклянные заглушки с отшлифованной боковой поверхностью. Ударный элемент из твердого металла или другого существенно более твердого материала, перемещающийся к боковой поверхности заглушки, раскалывает стекло с образованием на нем мелких трещин. Если используется закаленное стекло, то оно будет дробиться на мелкие кусочки или превращаться в пыль, как автомобильное стекло.
Благодаря отсутствию дорогостоящих компонентов, каковыми являются взрывчатые вещества, устройство будет значительно дешевле в изготовлении. При этом намного упрощается транспортировка и логистика.
При работе устройства согласно изобретению давление в скважине подается в камеру с атмосферным давлением и инициирует осевое механическое перемещение, которое преобразуется в радиальное механическое перемещение, в ходе которого кольцевой элемент и его внутренний край с твердым заостренным зубом со значительной силой вдавливается в заглушку. По мере радиального перемещения кольцевого элемента заглушка дробится по мелким трещинам, образованным при шлифовании. Вследствие увеличения трещин при внедрении в заглушку твердого металлического зуба она будет разрушаться под действием давления из скважины.
Поршень имеет такую форму, что он будет толкать заднюю сторону снабженного прорезями кожуха, который окружает заглушку. Благодаря наличию в кожухе прорезей его нижний конец может под действием поршня загибаться внутрь и смещаться к центру заглушки.
Перемещение поршня может инициироваться электрическим сигналом или ультразвуковыми, акустическими или гидравлическими импульсами, подаваемыми в скважину посредством механической или электрической системы.
Решение согласно изобретению обеспечивает надежное открывание заглушки, поскольку в нем не используются взрывчатые вещества, которые могут потеряться. Это важно в плане безопасности, поскольку при использовании в современных системах взрывчатых веществ всегда существует теоретическая вероятность того, что в скважине могут остаться неподорванные взрывчатые вещества.
Изобретение направлено на создание устройства, позволяющего разрушать заглушку без применения взрывчатых веществ и не имеющего ограничений, свойственных современным устройствам, не использующим взрывчатых веществ, в отношении толщины заглушки и опасности повреждения скважины при подаче давления, превышающего гидростатическое давление в скважине.
Далее изобретение описано со ссылками на чертежи, на которых
фиг.1 изображает устройство согласно изобретению в нормальном закрытом положении, когда заглушка не разрушена и находится в гнезде,
фиг.2 - устройство согласно изобретению в положении, когда элемент ударяет в радиальном направлении по заглушке и входит в нее, так что в заглушке образуются трещины, приводящие к ее разрушению,
фиг.3А - кожух согласно изобретению с двумя диаметрально противоположными вертикальными прорезями,
фиг.3В - вертикальный разрез поршня 2 в положении, когда он перемещается вниз и толкает нижнюю часть кожуха в радиальном направлении внутрь, и
фиг.4 - типичное применение испытательной заглушки 25, установленной на конце трубы 27. В скважине между трубами 27 и трубчатым кожухом 38 показаны уплотнительные прокладки.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показан кожух 4, вставленный, например, в добывающий трубопровод 110, проходящий через горную породу 100. Позицией 10 обозначено внутреннее пространство трубопровода, по которому транспортируются углеводороды при эксплуатации скважины.
Кожух 4 имеет гнездо 13 для заглушки 3, выполненной из дробимого материала, например стекла, и внутренний канал 30 (в части 5 основного кожуха 4) с впускным отверстием 32 для транспортируемой по трубопроводу текучей среды 10. В верхней части канала 30 установлен клапан 6, который в исходном положении закрыт и открывается для пропускания текучей среды под давлением из канала 10 трубопровода. Открытие клапана может производиться посредством дистанционного управления, как будет описано ниже. Нижняя часть канала 30 образует расширенный канал 8, в котором с возможностью скольжения установлен поршень 2. В данном случае поршень 2 может иметь кольцевую форму и прилегать по окружности к внутренней стенке канала. Поршень 2 имеет сечение в виде перевернутой буквы L, а его ширина соответствует ширине канала 8.
В нижней части канала 8 под поршнем 2 расположен кольцевой кожух 1, вставленный в узкий проход вблизи дна канала 8 так, что нижний конец 2а поршня 2 частично находится между наружной поверхностью кожуха 1 и наружной стенкой 33 канала 8.
Более подробно кожух 1 показан на фиг.3а. В стенке кожуха выполнено несколько прорезей 24, проходящих в осевом направлении от его нижнего края 35 на некоторое расстояние к верхнему краю 37. В данном примере показаны две диаметрально противоположные прорези, но может быть несколько прорезей, расположенных по окружности. На нижнем крае 35 кожуха по всей его окружности выполнен отходящий внутрь фланец 16, имеющий заостренный конец 23 (в виде зуба), направленный радиально внутрь, что лучше видно на фиг.3В. Благодаря прорезям 24 и узкому проходу для кожуха в канале 8 нижняя часть кожуха может быть загнута внутрь.
Когда под давлением текучей среды, поступающей сверху через канал, поршень 2 перемещается вертикально вниз (по стрелке Pv), он вклинивается между кожухом 1 и стенкой 33 и заостренный конец 23 (зуб) ударяет (по стрелке Ph) по стеклянной заглушке 3, расположенной относительно него внутри в радиальном направлении.
Стеклянная заглушка 3 выполнена или отшлифована с образованием на ее окружности так называемой «узкой полоски» для создания мелких трещин в стекле. Когда зуб 23 ударяет по заглушке, как показано на фиг.2, мелкие трещины распространяются внутрь стекла, которое в результате раскалывается и измельчается.
На фиг.4 показано типичное применение такой испытательной заглушки 25, установленной на конце трубопровода 27. Горная порода, через которую проходит испытуемый трубопровод/скважина обозначена позицией 100, морское дно - позицией 130, поверхность моря - позицией 150 и добывающая установка в виде платформы - позицией 140.
ОПИСАНИЕ СПОСОБА
Поршень 2 удерживается в верхней части кожуха 5 срезным штифтом 11. Кожух 5 также удерживает заглушку 3 в гнезде 13. Кожух 5 закреплен с помощью гайки 14.
Нижняя часть кожуха 5 расположена непосредственно над кольцевым кожухом 1 с прорезями, на нижнем конце которого имеется зуб 16 с твердым металлическим носиком 23. Кольцо 1 с зубом 16 и твердым металлическим носиком 23 находится в кольцевом пространстве 15, приспособленном для поршня 2.
Когда открывается клапан 6, поршень 2 под действием гидравлического давления ударяет по верхней части кольцевого кожуха 1 так, что зуб 16 и твердый металлический носик 23 входят в заглушку 3. При продвижении поршня 2 в кольцевом пространстве 15, в котором установлено кольцо 1, последнее сжимается и вдавливается в заглушку 3.
Поршень 2 выполнен так, что он ударяет по наружной поверхности кожуха 1, имеющего прорези, и толкает его внутрь к центру заглушки 3.
Осевое перемещение поршня 2 вниз происходит вследствие того, что кольцевое пространство 15 находится под атмосферным давлением, а на поршень 2, после открывания клапана 6 в канале 30 с помощью системы управления, действует гидростатическое давление из верхней части скважины. Таким образом, поршень 2 подвергается большому перепаду давления, в результате чего кольцо 1 с зубом 16 действует сила, достаточная для внедрения зуба внутрь заглушки 3.
Клапан 6 открывающего элемента представляет собой устройство, реагирующее на импульсы давления в скважине, поступающие от верхней поверхности заглушки 3. После приема соответствующих импульсов давления, приложенных к верхней поверхности заглушки, этот клапан открывается. Сигнал, заставляющий клапан 6 открываться для пропускания текучей среды, может быть электрическим, механическим, гидравлическим, акустическим или ультразвуковым.
Поршень 2 содержит уплотнительный элемент 17 и 33 для обеспечения герметичности камеры 8. Для создания давления в камере 8 срезные штифты 11, установленные в отверстии 12, имеют заглушку 18. Для подачи на клапан 6 давления из скважины гайка 14 имеет сквозные отверстия. Для герметичности камеры 15 кожух 5 имеет уплотнительные элементы 20 и 21. Главное назначение уплотнительного элемента 20 в том, чтобы противостоять давлению с обращенной к скважине стороны 24 заглушки 3.
Когда поршень 2 под действием давления, поступающего через клапан 6, перемещается вниз, зуб 16 с твердым металлическим носиком 23 входит внутрь заглушки 3.
Твердый металлический носик 23 зуба 16 ударяет по заглушке 3 в точке или области 22, которая предварительно была ослаблена. В этой ослабленной области заглушки 3 имеются мелкие трещины, что позволяет в значительной степени уменьшить силу, необходимую для ее разрушения 3.
Согласно изобретению предпочтительно (наиболее практично), чтобы сила, действующая на поршень 2, была обусловлена давлением в скважине над внутренним пространством 10, однако он может перемещаться вниз под действием пружины сжатия. Кроме того, можно использовать патрон со сжатым газом, который выпускается посредством дистанционного управления.
Согласно альтернативному решению поршень 2 может быть установлен в кожухе 5 горизонтально, но могут быть также предусмотрены несколько отверстий для нескольких поршней, приводящих в действие несколько отдельных обращенных внутрь зубьев, вместо кольца, имеющего на нижнем конце кольцевой зуб. Эти поршни могут перемещаться внутрь или наружу относительно центральной оси заглушки 3, когда это требуется.
Благодаря настоящему изобретению достигается существенный технический прогресс в области испытательных заглушек, изготовленных из дробимого/измельчаемого материала.