ЗАЖИМНАЯ ВТУЛКА С ШАРИКОВЫМ РАСШИРЯЕМЫМ УПЛОТНИТЕЛЕМ И/ИЛИ РАДИАЛЬНО РАСШИРЯЕМЫМИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ДАВЛЕНИЯ ЛЕПЕСТКАМИ
CLAMP SLEEVE WITH BALL EXPANDABLE SEAL AND / OR RADIALLY EXPANDABLE PETALS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к скважинному инструменту, который применяют при гидравлическом разрыве пласта, и, в частности, к проточным зажимным втулкам, которые применяют с целью приведения в действие манжетных клапанов для открытия выбранных отверстий в эксплуатационной колонне.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Скважинные инструменты широко применяют в нефтегазовой отрасли. Во многих скважинных инструментах предусмотрены клапаны, которые срабатывают под действием давления. Так, известное техническое решение манжетного клапана, срабатывающего под действием шарика, предусматривает трубчатый корпус клапана с каналом, в этот канал входит скользящая муфта. В верхней по стволу скважины части скользящей муфты предусмотрено седло шарика, и она изначально рассчитана на закрытое положение в сторону вверх по стволу скважины, в этом положении она закрывает одно или более отверстий для текучей среды на боковой стенке корпуса клапана. Для приведения манжетного клапана в действие сбрасывают шарик и он плотно садится на седло шарика скользящей муфты. Затем к шарику прикладывают давление текучей среды, чтобы перевести скользящую муфту в открытое положение в нижней по стволу скважины части с тем, чтобы открыть отверстия для текучей среды в корпусе клапана.
В процессе гидравлического разрыва пласта для образования трещин в подземной толще горных пород могут применять один или более манжетных клапанов, срабатывающих под действием шарика. Однако проблема последовательного включения множества манжетных клапанов, срабатывающих под действием шарика, с целью гидравлического разрыва пласта заключается в том, что канал манжетного клапана ниже по стволу скважины должен быть меньше, чем канал манжетных клапанов выше от них по стволу скважины с тем, чтобы шарик меньшего размера проходил через эти манжетные клапаны, находящиеся выше по стволу скважины, и попадал в нужный манжетный клапан ниже по стволу скважины. Другими словами, каналы расположенных последовательно манжетных клапанов должны уменьшаться в направлении вниз по стволу скважины, чтобы обеспечивать безотказную работу, тем самым приводя к снижению расхода на конце, расположенном ниже по стволу скважины.
В патенте США №4,043,392, выданном компании Gazda, описана скважинная система для избирательной фиксации скважинных инструментов вдоль проводящего поток канала в стволе скважины и комплект инструментов для применения в проводящем поток канале, включая стыковочный сердечник, приспособление для сдвига муфты и предохранительный клапан. Система избирательной фиксации имеет профиль с пазами для посадки и фиксации, включая упоры, обращенные и вверх и вниз. Один из видов системы фиксации представляет собой золотниковый клапан и включает в себя механизм отсоединения кулачкового упора для освобождения селектора и фиксирующей шпонки при перемещении золотникового клапана между положениями, находящимися на расстоянии друг от друга в продольном направлении. Другой вид запорной системы может быть расположен вдоль установочного патрубка и для него может требоваться, чтобы для освобождения селектора и инструментов фиксации был отключен зафиксированный в ней скважинный инструмент. Приспособление для сдвига муфты предусматривает устройства для открывания и закрывания золотникового клапана, включая шпонки с упорами, обращенными вверх и вниз, и профиль с пазами, которые совместимы с профилем с пазами для посадки и фиксации золотникового клапана или с пазами установочного патрубка. Приспособление для сдвига муфты могут применять также в качестве стыковочного сердечника. Избирательность обеспечивается за счет изменения профилей посадки и фиксации и профилей шпонок.
Согласно патенту США №4,043,392, профили подпружиненных шпонок являются взаимоисключающими. Профиль шпонки будет входить в зацепление только с золотниковым клапаном, имеющим сопряженный внутренний профиль.
В патенте США №4,436,152, выданном Fisher и др., описан усовершенствованный толкатель, соединяемый с комплектом скважинных инструментов и пригодный для зацепления скользящей муфты и размещения ее в устройстве скользящей муфты в проводящем поток канале скважины. Избирательные профилированные шпонки толкателя обеспечивают лучшее прилегание и большую площадь контакта между шпонками и скользящими муфтами. Когда находящаяся в зацеплении скользящая муфта не может быть перемещена вверх и толкатель автоматически не отсоединяется, могут применять средства аварийного отсоединения путем приложения к толкателю усилия, направленного вверх и достаточного для срезания штифтов, при этом все шпонки на обоих концах должны быть отведены внутрь для полного отсоединения с целью удаления толкателя из устройства скользящей муфты.
В патенте США №5,305,833, выданном Collins, описан толкатель для золотниковых клапанов, предназначенный для применения в нефтяных и газовых скважинах, который имеет фиксирующие защелки, которые применяют для избирательного размещения и зацепления стопора внутри клапана. Основные шпонки зацепляют и избирательно перемещают скользящую муфту в положение уравнивания, а также предотвращают преждевременное перемещение в полностью открытое положение. Также в комплект входит устройство для избирательного предотвращения перемещения после выравнивания. Дополнительные шпонки сдвигают основные шпонки в направлении перемещения, захватывают муфту и переводят ее в полностью открытое зафиксированное положение. Также происходит избирательное отсоединение толкателя от золотникового клапана, что позволяет извлечь толкатель из скважины. Кроме того, описан способ избирательного и последовательного перемещения скользящей муфты для золотникового клапана из закрытого положения в положение уравнивания, а затем из положения уравнивания в полностью закрытое положение.
В частности, в патенте США №5,305,833 описаны две отдельных подпружиненных шпонки, при этом первая из двух шпонок может подходить к профилю второй из двух шпонок. Однако вторая шпонка не может подходить к профилю первой шпонки.
В патенте США №5,309,988, выданном Shy и пр., описана подземная система управления дебитом скважины, включающая в себя ряд устройств типа подвижной муфты для управления потоком, которые установлены в проводящем поток канале скважины в разных флюидсодержащих трещинных зонах, и толкатель, движущийся по каналу и пригодный для избирательного перемещения любого выбранного количества частей муфт в устройствах для управления потоком в любом направлении между их открытыми и закрытыми положениями, без извлечения инструмента из канала. Наборы выдвижных в радиальном направлении анкеров и шпонок сдвигающего устройства вводят в отверстия боковых стенок корпуса инструмента, и их соответственно настраивают на фиксированное сцепление с наборами бороздок на внутренней стороне корпуса и подвижными частями муфты любого из устройств управления потоком. Наборы шпонок подпружинены в радиальном направлении наружу, в направлении выдвинутых положений, и система электромеханического привода, расположенная в корпусе инструмента, предназначена для выдвигания наборов шпонок в радиальном направлении и перемещения набора шпонок сдвигающего устройства вдоль оси к набору шпонок анкера или от него. Это позволяет перемещать инструмент внутрь любого устройства управления потоком и через него в любом направлении вдоль оси, при этом инструмент зафиксирован на этом устройстве, его приводят в действие для полного или частичного перемещения частей муфты в любом направлении, и затем отсоединяют от устройства управления потоком и перемещают к любому другому устройству управления потоком для перемещения его муфты. Сцепленные друг с другом треугольные резьбовые соединения на корпусе и частях муфты каждого из устройств управления потоком способствуют временной фиксации части муфты в частично смещенном положении.
В патенте США №5,309,988 также описаны два взаимоисключающих профиля шпонок.
В патенте США №5,730,224, выданном Williamson и др., описана подземная конструкция для доступа регулировочного инструмента к боковому стволу, отходящему от ствола скважины. В подземной конструкции предусмотрена переводная муфта, которая расположена в стволе скважины вблизи отверстия в боковой ствол скважины и которая имеет окно доступа через него для обеспечения доступа инструмента к горизонтальной скважине через это отверстие. Переводная муфта также оснащена скользящим устройством контроля доступа, соединенным с ней соосно. В комплект также входит переключатель, который может входить в зацепление со скользящим устройством управления доступом с тем, чтобы заставить скользящее устройство управления доступом скользить между открытым положением, в котором инструмент может проходить через окно и отверстие и в боковой ствол скважины, и закрытым положением, в котором инструмент не может проходить через окно и отверстие и в боковой ствол скважины. Этот патент также описывает способ управления доступом инструмента к боковому стволу скважины, отходящему от ствола скважины. В предпочтительном способе предусмотрены стадии: 1) размещения переводной муфты в стволе скважины рядом с отверстием в боковой ствол скважины, при этом в переводной муфте имеется окно доступа, через которое обеспечивают доступ инструмента в боковой ствол скважины, переводная муфта дополнительно имеет подвижное устройство контроля доступа, соединенное с ней соосно; 2) зацепление подвижного устройства контроля доступа и сдвигающего устройства для плавного перемещения подвижного устройства контроля доступа относительно переводной муфты; и 3) плавное перемещение подвижного устройства контроля доступа между открытым положением, при котором инструмент может проходить через окно и отверстие и в боковой ствол скважины, и закрытым положением, при котором инструмент не может проходить через окно и отверстие в боковой ствол скважины.
В патенте США №5,730,224 описаны два профиля втулок, при этом один из них обратный по отношению к другому.
В патентах США №№7,325,617 и 7,552,779, выданных Murray, описана система, которая позволяет последовательно обрабатывать участки некоторой зоны. Доступ к каждой части может быть осуществлен при помощи скользящей муфты, которая имеет определенный внутренний профиль. Могут применять пробки, продавливаемые по бурильной колонне, которые имеют определенный профиль и фиксируют пробку на определенной муфте. Давление на пробку, находящуюся в зафиксированном состоянии, позволяет последовательно открывать муфты, в то время как уже обработанные зоны, находящиеся ниже, изолированы. Пробки, продавливаемые по бурильной колонне, имеют отверстие, изначально перекрытое материалом, который со временем исчезает в предполагаемых скважинных условиях. В результате когда все части зоны обработаны, поток флюида через различные зафиксированные пробки восстанавливают. Пробки также могут выдувать из скользящей муфты после их использования, и они могут быть оснащены шпонкой, которая впоследствии предотвращает вращение пробки на ее оси, если позднее требуется разбурить ее.
В патенте США №9,611,727, выданном Campbell и др., описано устройство и способ гидравлического разрыва пласта в скважине, пробуренной в нефтегазосодержащей толще горных пород. Устройство предусматривает клапанный узел в сборе с участками обсадной трубы, что образует крепление ствола скважины. Клапанный узел предусматривает скользящий поршень, который закреплен на месте для изоляции портов, которые обеспечивают сообщаемость между внутренним пространством обсадной трубы скважины и продуктивной зоной в толще горных пород. Дротик с манжетным уплотнением могут спускать в обсадную трубу скважины и продвигать за счет давления жидкости гидроразрыва пока дротик не достигнет клапанного узла и не перекроет обсадную трубу скважины ниже клапанного узла. Давление жидкости гидроразрыва на дротик и его манжетное уплотнение проталкивает поршень вниз, он срезает штифты и открывает отверстия. Затем жидкость гидроразрыва может выходить из отверстий и вызывать образование трещин в продуктивной зоне толщи горных пород.
В патенте США №9,739,117, выданном Campbell и др., описан способ и устройство для избирательного приведения в действие скважинного инструмента в трубе. Приводное устройство имеет оправку привода с отверстием, проходящим через привод, и перепускное устройство и профильную шпонку для избирательного сцепления со скважинным инструментом. Скважинный инструмент имеет один или более профильных ресиверов, приспособленных для приведение в действие скважинного инструмента. Приводное устройство спускают в трубу и, если шпонка профиля и ресивер профиля подходят друг к другу, приводное устройство и скважинный инструмент входят в зацепление, и приводной механизм и скважинный инструмент не входят в зацепление, если шпонка профиля и приемник профиля не подходят друг к другу. Флюид могут прокачивать через канал приводного устройства для смыва или промывки перед приводным устройством.
В опубликованной заявке на патент США №2003/0173089 от Westgard описана полнопроходная избирательная система установки и ориентации, предусматривающая патрубок, который устанавливают в колонну труб, и имеющая внутренние приспособления для установки и ориентации известной конфигурации и установочное устройство, работающее внутри колонны труб и имеющее приспособления для установки и ориентации, которые входят в зацепление с упомянутыми внутренними приспособлениями упомянутого патрубка. Способ установки и ориентации скважинного инструмента, предусматривающий установку цилиндрического ниппеля, имеющего определенную конфигурацию и внутренние размеры, в колонне труб, которая спускает установочное устройство, имеющее комплементарные наружные размеры и конфигурацию и поворачивающее упомянутое установочное устройство в положение, при котором смещенный элемент выдвигается из упомянутого установочного устройства в углубление упомянутого цилиндрического элемента.
В опубликованной заявке на патент США №2015/0226034, выданный Jani, описаны устройство и соответствующие способы избирательного приведения в действие скользящих муфт в переводниках, при этом муфты размещены в стволе скважины для того, чтобы открыть отверстия в таких переводниках для обеспечения возможности гидравлического разрыва пласта в скважине или детонации зарядов взрывчатого вещества на них для перфорации ствола скважины, либо для обоих действий. Применяют упрощенный дротик и муфту, что сокращает количество операций с каждым из них. Предпочтительно, чтобы дротик был оснащен устройствами соединения, позволяющими присоединить к нему инструмент для извлечения из скважины, при таком соединении с инструментом для извлечения это обеспечивает работу перепускного клапана, что способствует извлечению дротика из переводников клапана. Движение вверх инструмента для извлечения из скважины позволяет клинообразному элементу отсоединить дротик от соответствующей муфты, чтобы дротик можно было извлечь.
В патенте США №2014/0209306, выданном Hughes и др., описан инструмент для обработки ствола скважины, предназначенный для посадки с опорой на ограничивающую стенку в стволе скважины, в которой размещают инструмент для обработки скважины. Инструмент для обработки скважины включает в себя корпус инструмента, который включает в себя первый конец, форма которого допускает соединение с колонной труб, и противоположный конец; узел непроходной шпонки, который включает в себя цилиндрический кожух и непроходную шпонку, цилиндрический кожух, определяющий внутренний канал, который подходит вдоль цилиндрического кожуха, и обращенная наружу поверхность, к которой прикреплена непроходная шпонка, причем непроходная шпонка рассчитана на закрепление непроходной шпонки и цилиндрического корпуса в зафиксированном положении относительно ограничивающей стенки, цилиндрический корпус, скрепленный муфтой с корпусом инструмента, который установлен во внутреннем канале цилиндрического корпуса; и уплотнительный элемент, окружающий корпус инструмента и расположенный между первым компрессионным кольцом на корпусе инструмента и вторым компрессионным кольцом на цилиндрическом кожухе, при этом уплотнительный элемент расширяется и образует кольцевое уплотнение вокруг корпуса инструмента за счет уплотнения между первым уплотнительным кольцом и вторым уплотнительным кольцом.
В патенте США №2015/0218916, выданном Richards и др., описаны циркуляционные клапаны, которые могут быть открытыми и закрытыми, а также постоянно закрытыми. Система заканчивания предусматривает эксплуатационную колонну с расположенным в ней подвижным циркуляционным клапаном, циркуляционный клапан с профилем посадки на его наружной цилиндрической поверхности и профиль смещения на его внутренней цилиндрической поверхности, рабочий инструмент, рассчитанный по меньшей мере на размещение в эксплуатационной колонне и предусматривающий толкатель с одной или более шпонками, рассчитанными на совмещение с профилем смещения. Когда подвижные шпонки занимают свое положение и совмещаются с профилем смещения, осевая нагрузка, приложенная к рабочему инструменту, перемещает циркуляционный клапан вдоль оси, а узел спускового упора, расположенный внутри эксплуатационной колонны и содержащий спусковый упор, который определяет канал, рассчитанный на прием фиксирующего устройства, оказывается зажатым в канале до тех пор, пока стопорный узел не сместится в осевом направлении.
Патент Канады №2,412,072, выданный Fehr и др., описывает компоновку насосно-компрессорной колонны для обработки ствола скважины флюидом. Насосно-компрессорную колонну могут применять для поэтапной обработки ствола скважины флюидом, при этом выбранный участок ствола скважины обрабатывают в то время как другие участки изолированы. Насосно-компрессорную колонну могут также применять в тех случаях, когда необходимо спустить насосно-компрессорную колонну с отверстием в загерметизированном состоянии, а позднее оно должно быть открыта.
Для индустрии гидравлического разрыва пласта чрезвычайный интерес всегда представляют альтернативные и/или усовершенствованные конструкции, которые обеспечивают последовательное и надежное зацепление и приведение в действие подземных клапанов, а также улучшенное уплотнение.
Сущность настоящего изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предусмотрена специальная зажимная втулка для применения с манжетным клапаном с целью открытия выбранных отверстий в стволе скважины.
Манжетный клапан содержит корпус клапана, имеющий проходящий через него продольный канал и одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части его боковой стенки, и скользящую муфту, расположенную в канале корпуса клапана и выполненную с возможностью перемещения между закрытым положением выше по стволу скважины с закрытием одного или более отверстий для текучей среды и открытым положением ниже по стволу с открытием одного или более отверстий для текучей среды, при этом скользящая муфта содержит продольный канал для расположения в нем зажимной втулки.
Важно отметить, что зажимная втулка для применения с указанным выше манжетным клапаном, содержит:
- седло шарика, имеющее поверхность седла шарика, которое наклонено внутрь в радиальном направлении сверху вниз по стволу скважины под острым углом наклона к продольной оси зажимной втулки;
- расширяемая в радиальном направлении часть, расположенная в непосредственной близости и проходящая по окружности вокруг указанного седла шарика;
при этом расширяемая в радиальном направлении часть выполнена с возможностью расширения наружу в радиальном направлении по меньшей мере на 0,09% под давлением по меньшей мере 150 фунтов на квадратный дюйм (psi), которое действует на шарик, сидящий в упомянутом седле шарика, так что образует уплотнение в месте контакта между зажимной втулкой и продольным каналом скользящей муфты, когда зажимная втулка расположена в скользящей муфте.
Следовательно, преимущество состоит в том, что если конфигурация зажимной втулки обеспечивает расширение в радиальном направлении, это позволяет уменьшить общий наружный диаметр зажимной втулки. Такой диаметр, уменьшенный не только в области седла шарика, но также и в области профиля зажимной втулки, позволяет зажимной втулке и области ее профиля более свободно проходить вниз по стволу скважины, меньше взаимодействуя с различными скользящими муфтами, которые нежелательно приводить в действие, тем самым уменьшают износ при трении профилированной области зажимной втулки и поддерживают целостность профилей зажимной втулки, а также лучше обеспечивают способность достаточного и надежность сцепления профиля зажимной втулки с профилем требуемой скользящей муфты, которую желательно привести в действие по ее достижении втулкой, и при этом одновременно создают уплотнение для повышения давления на стороне шарика, расположенной выше по стволу скважины, чтобы тем самым срезать срезные штифты, которые удерживают скользящую муфту на месте, и скользящая муфта получает возможность двигаться вниз по стволу скважины, тем самым открывая требуемые отверстия ниже по стволу скважины.
Согласно другому аспекту этого изобретения, настоящее изобретение предусматривает манжетный клапан, имеющий зажимную втулку с описанной выше функциональностью. Соответственно, согласно такому варианту осуществления настоящего изобретения, это изобретение предусматривает манжетный клапан, который содержит:
- корпус клапана, имеющий продольный канал и одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части его боковой стенки;
- скользящую муфту, расположенную в канале корпуса клапана и выполненную с возможностью перемещения между закрытым положением выше по стволу скважины, в котором закрыто одно или более отверстий для текучей среды, и открытым положением ниже по стволу скважины, в котором открыто одно или более отверстий для текучей среды, причем скользящая муфта содержит продольный канал; и
- зажимную втулку для расположения в канале скользящей муфты;
при этом зажимная втулка содержит: поверхность седла шарика, которая имеет поверхность седла шарика, которая радиально наклонена внутрь сверху вниз по стволу скважины под острым углом наклона к продольной оси зажимной втулки; и расширяемую в радиальном направлении часть, расположенную в непосредственной близости и проходящую по окружности вокруг указанного седла шарика; и
при этом расширяемая в радиальном направлении часть выполнена с возможностью расширяться наружу в радиальном направлении по меньшей мере на 0,09% под давлением по меньшей мере 150 фунтов на квадратный дюйм, которое действует на шарик, сидящий в упомянутом седле шарика, так что образует уплотнение в месте контакта между зажимной втулкой и продольным каналом скользящей муфты, когда зажимная втулка расположена в скользящей муфте.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, для успешного достижения целей в отношении функциональности зажимной втулки, часть зажимной втулки, расширяемая в радиальном направлении, выполнена с возможностью расширения наружу в радиальном направлении по меньшей мере на 0,2% при приложении к шарику указанного давления текучей среды.
Согласно другому варианту осуществления, зажимная втулка, по меньшей мере в ее расширяемой в радиальном направлении части, выполнена с возможностью расширения наружу в радиальном направлении по меньшей мере на 0,2% относительно наружного диаметра зажимной втулки при приложении давления около 1500 фунтов на квадратный дюйм или больше.
Угол наклона предпочтительно составляет от около 25° до около 70°, и предпочтительно от около 35° до около 55°. Седло шарика и расширяемая в радиальном направлении часть указанной зажимной втулки каждый вместе расположены в непосредственной близости от верхнего по стволу скважины конца указанной зажимной втулки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, расширяемая в радиальном направлении часть изготовлена из материала, имеющего модуль упругости, составляющий около 29 000 000 фунтов на квадратный дюйм.
Согласно другому варианту осуществления, по меньшей мере расширяемая в радиальном направлении часть зажимной втулки в области седла шарика изготовлена из металла или содержит металл.
Согласно другому варианту осуществления, расширяемая в радиальном направлении часть зажимной втулки в области седла шарика содержит сталь класса N80 согласно Американскому нефтяному институту (API N80).
Согласно другому варианту осуществления, расширяемая в радиальном направлении часть зажимной втулки в области седла шарика изготовлена из стали класса API P110.
В усовершенствованном виде зажимная втулка может дополнительно содержать:
- цилиндрическую часть выше по стволу скважины;
- цилиндрическую часть ниже по стволу скважины; и
- по меньшей мере один гибко-упругий лепесток, расположенный на внешней кольцевой поверхности упомянутой зажимной втулки, при этом каждый лепесток соединен с частью, расположенной выше по стволу скважины, и частью, расположенной ниже по стволу скважины, соответственно, на двух ее противоположных друг другу концах;
при этом по меньшей мере один лепесток содержит на его наружной поверхности профиль зажимной втулки, соответствующий профилю муфты на внутренней поверхности скользящей муфты.
Обеспечивая преимущество, принимая во внимание вышеупомянутое усовершенствование, когда вышеупомянутый лепесток зажимной втулки входит в сопряженное сцепление с профилем муфты, и при приложении давления текучей среды к шарику, когда указанный шарик сидит в указанном седле шарика, указанный по меньшей мере один гибко-упругий лепесток изгибается наружу в радиальном направлении, так что профиль зажимной втулки дополнительно и в большей степени входит в сопряженное сцепление с профилем муфты на внутренней поверхности указанной скользящей муфты.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предусмотрена зажимная втулка для применения с манжетным клапаном. Манжетный клапан содержит корпус клапана, имеющий проходящий через него продольный канал и одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части его боковой стенки, и металлическую скользящую муфту, расположенную в канала корпуса клапана и выполненную с возможностью перемещения между закрытым положением вверх по стволу скважины, закрывая одно или более отверстий для текучей среды, и открытым положением вниз по стволу, открывая одно или более отверстий для текучей среды, при этом скользящая муфта содержит профиль муфты на ее внутренней поверхности и продольный канал для расположения зажимной втулки.
В свою очередь, зажимная втулка содержит:
- седло шарика, имеющее поверхность седла шарика, которая наклонена внутрь в радиальном направлении сверху вниз по стволу скважины под острым углом наклона к продольной оси зажимной втулки;
- цилиндрическую часть выше по стволу скважины;
- цилиндрическую часть ниже по стволу скважины; и
- множество гибко-упругих лепестков, соответственно соединенных с частью выше по стволу скважины и частью ниже по стволу скважины на их двух продольно-противоположных концах;
при этом каждый из указанных лепестков содержит на его наружной поверхности профиль зажимной втулки, соответствующий профилю муфты;
при этом при сопряженном сцеплении указанных лепестков с указанным профилем муфты и при посадке шарика в указанное седло шарика и при приложении давления текучей среды к указанному шарику, когда упомянутый шарик сидит в указанном седле шарика, указанные гибко-упругие лепестки выполнены с возможностью изгиба наружу в радиальном направлении, так что профиль зажимной втулки дополнительно и в большей степени входит в сопряженное сцепление с профилем муфты на внутренней поверхности указанной скользящей муфты.
Согласно еще одному дополнительному аспекту настоящего изобретения, изобретение предусматривает способ приведения в действие скользящей муфты, имеющей продольный канал. Способ включает:
- предоставление зажимной втулки, выполненной с возможностью расположения в канале скользящей муфты, при этом указанная зажимная втулка содержит расширяемую наружу в радиальном направлении металлическую часть, расположенную рядом с расположенным выше по стволу скважины концом зажимной втулки, и седло шарика, имеющее поверхность седла шарика, наклоненную внутрь в радиальном направлении сверху вниз по стволу скважины под острым углом наклона к продольной оси зажимной втулки;
- инициирование течения зажимной втулки вниз в ствол скважины и ее фиксации в канале скользящей муфты;
- течение шарика вниз в ствол скважины и посадка шарика в седло шарика;
- приложение первого давления текучей среды сверху по стволу скважины, чтобы прижать шарик к седлу шарика и вызвать расширение части зажимной втулки в области седла шарика наружу в радиальном направлении с тем, чтобы образовать уплотнение в месте контакта зажимной втулки в области седла шарика и скользящей муфты; и
- приложение второго давления текучей среды сверху по стволу скважины для срезания срезных штифтов и скольжения скользящей муфты вниз по стволу скважины и открытия отверстия.
Краткое описание фигур
Дополнительные преимущества и другие варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидны из вышеизложенного, а также последующего подробного описания разных конкретных примеров осуществления настоящего изобретения, взятых вместе с прилагаемыми чертежами, каждый из которых не имеет ограничительного характера:
На фиг. 1 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения представлен вид в разрезе скважинного инструмента в виде манжетного клапана, предусматривающего корпус клапана и подвижную скользящую муфту в нем, при этом скользящая муфта находится в закрытом положении, а также показана задействованная защитная муфта.
На фиг. 2 представлен вид в разрезе корпуса клапана скважинного инструмента, показанного на фиг. 1, без защитной муфты.
На фиг. 3 представлен вид в разрезе скользящей муфты скважинного инструмента, показанного на фиг. 1, включая изображение дополнительной защитной муфты.
На фиг. 4 представлен вид в разрезе корпуса скользящей муфты, показанной на фиг.
3.
На фиг. 5 представлен вид в разрезе защитной муфты скользящей муфты, показанной на фиг. 3.
На фиг. 6 представлен вид в разрезе стопорного кольца скользящей муфты, показанной на фиг. 3.
На фиг. 7 представлен вид в разрезе скользящей муфты в разобранном виде, показанной на фиг. 3, продемонстрирован процесс сборки скользящей муфты.
На фиг. 8 представлен вид в разрезе зажимной втулки для приведения в действие соответствующего манжетного клапана, показанного на фиг. 1.
На фиг. с 9 по 12А представлены виды в разрезе зажимной втулки, показанной на фиг. 8, и соответствующего манжетного клапана, показанного на фиг. 1, продемонстрирован процесс входа зажимной втулки в соответствующий манжетный клапан и фиксация в ней.
На фиг. 12В представлен увеличенный вид в разрезе фрагмента фиг. 12А, показывающий профилированные участки зажимной втулки и соответствующего манжетного клапана, когда зажимная втулка зафиксирована в соответствующей скользящей муфте.
На фиг. 13 представлен схематический вид в разрезе, показывающий зажимную втулку, изображенную на фиг. 8, которая зафиксирована в соответствующем манжетном клапане, показанном на фиг. 1, а также шарик, сброшенный в манжетный клапан для перевода манжетного клапана в открытое положение.
На фиг. 14 представлен схематический вид в разрезе, демонстрирующий скользящую муфту манжетного клапана, показанного на фиг. 13, которая давлением шарика и зажимной втулки переведена в открытое положение, чтобы открыть проходные отверстия для гидравлического разрыва пласта.
На фиг. 15А согласно другому варианту осуществления представлен схематический вид в разрезе, демонстрирующий скользящую муфту манжетного клапана, переведенную под давлением шарика и зажимной втулки в открытое положение, чтобы открыть проходные отверстия для гидравлического разрыва пласта, при этом лепестки зажимной втулки под воздействием давления способны расширяться наружу в радиальном направлении, когда сверху по стволу скважины приложено давление текучей среды и сжатие зажимной втулки вынуждает лепестки расширяться наружу в радиальном направлении таким образом, чтобы дополнительно войти в зацепление со скользящей муфтой для лучшего сцепления и, тем самым, дополнительного сопротивления давлению.
На фиг. 15В представлен увеличенный вид в разрезе фрагмента фиг. 15А, демонстрирующий расширенную вовне в радиальном направлении зажимную втулку в сцеплении со скользящей муфтой.
На фиг. 16 представлена принципиальная схема, демонстрирующая обсадную трубу со множеством манжетных клапанов, показанных на фиг. 1, выдвинутых в ствол скважины для гидравлического разрыва пласта в подземной толще горных пород согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 17А представлен вид в разрезе зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления.
На фиг. 17В представлен увеличенный вид в разрезе фрагмента фиг. 17А, демонстрирующий седло шарика на зажимной втулке.
На фиг. 18 представлен разрез конкретного примера зажимной втулки, показанной на фиг. 17А и находящейся в скользящей муфте, которая показана на фиг. 3, а также шарик в зажимной втулке, которая рассчитана на расширение в радиальном направлении в расширяемой металлической части зажимной втулки для формирования плотного соединения металл-металл между зажимной втулкой и скользящей муфтой после посадки шарика на седло в зажимной втулке и приложения к шарику давления текучей среды сверху по стволу скважины.
На фиг. 19 представлен вид в разрезе зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления.
На фиг. с 20А по 20D представлены принципиальные схемы, демонстрирующие множество профилей муфты и соответствующих им профилей зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления.
На фиг. 21А представлена принципиальная схема, демонстрирующая профиль муфты и соответствующий профиль зажимной втулки для иллюстрации параметров, связанных с конструкцией этих профилей.
На фиг. 21В представлена принципиальная схема, демонстрирующая совмещение профиля зажимной втулки и профиля муфты.
На фиг. 21С представлена принципиальная схема, демонстрирующая профиль зажимной втулки и профиль муфты, показанные на фиг. 21В, при этом профиль зажимной втулки совмещен с профилем муфты.
На фиг. с 22 по 49 представлены принципиальные схемы, демонстрирующие различные варианты профилированных участков скользящей муфты и зажимной втулки.
На фиг. 50 представлена принципиальная схема, демонстрирующая пример колонны труб со множеством манжетных клапанов согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 51 представлена принципиальная схема, демонстрирующая ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 52 представлена принципиальная схема, демонстрирующая ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно еще некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 53 представлена принципиальная схема, демонстрирующая ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно некоторым дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. с 54 по 57 представлены принципиальные схемы, демонстрирующие ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. с 58 по 61 представлены принципиальные схемы, демонстрирующие ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно еще некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 62 представлена принципиальная схема, демонстрирующая ряд расширенных профилей муфты и зажимной втулки согласно некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения; и
На фиг. с 63А по 63F представлены принципиальные схемы, демонстрирующие профиль зажимной втулки на зажимной втулке и профиль муфты на скользящей муфте; согласно некоторым вариантам осуществления, в которых лепестки зажимной втулки под воздействием давления способны расширяться вовне в радиальном направлении, когда сверху по стволу скважины приложено гидравлическое давление и сжатие зажимной втулки вынуждает лепестки расширяться наружу в радиальном направлении таким образом, чтобы дополнительно вступить в зацепление со скользящей муфтой для лучшего сцепления и, тем самым, дополнительного сопротивления давлению.
Подробное описание некоторых вариантов осуществления
Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, раскрывают изобретение манжетного клапана, который срабатывает под действием давления. Далее в описании термин «ниже по стволу скважины» означает направление вдоль ствола скважины к концу ствола скважины и может совпадать (например, в вертикальном стволе скважины) или не совпадать (например, в горизонтальном стволе скважины) с направлением «вниз». Термин «выше по стволу скважины» означает направление вдоль ствола скважины к поверхности и может совпадать (например, в вертикальном стволе скважины) или не совпадать (например, в горизонтальном стволе скважины) с направлением «вверх».
Согласно некоторым вариантам осуществления, манжетный клапан содержит корпус клапана, имеющей продольный канал и одно или более отверстий для текучей среды в его боковой стенке. Скользящая муфта расположена в канале и выполнена с возможностью перемещения между закрытым положением выше по стволу скважины, блокируя отверстия для текучей среды, и открытым положением ниже по стволу скважины, открывая отверстия для текучей среды.
Скользящая муфта содержит профилированный участок на ее внутренней стороне, представленный кольцевыми бороздками и выступами, которые образуют профиль муфты. Участок профиля содержит упор на его нижнем по стволу скважины конце для фиксации элемента зажимной втулки (для простоты описания его также называют «зажимной втулкой»), который имеет соответствующий профиль зажимной втулки на его наружной поверхности. Термин «соответствующий» в настоящем документе означает условие, при котором профиль зажимной втулки соответствует профилю скользящей муфты таким образом, что профилированный участок зажимной втулки может входить в профилированный участок скользящей муфты для фиксации зажимной втулки в скользящей муфте манжетного клапана.
Согласно некоторым вариантам осуществления, верхняя по стволу скважины поверхность стопорного кольца имеет радиальный наклон внутрь снизу вверх по стволу скважины, образуя упор 194 с острым углом а к продольной оси стопорного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления, упор образован стопорным кольцом, примыкающим к профилированному участку скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления, стопорное кольцо изготовлено из высокопрочного материала, например, карбида вольфрама, кобальтохромовых сплавов и/или тому подобных.
Согласно некоторым вариантам осуществления, зажимная втулка выполнена в виде клетки и предусматривает часть, расположенную выше по стволу скважины, часть, расположенную ниже по стволу скважины, и множество лепестков, прикрепленных противоположными концами к частям втулки выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины. Один или более или все продольные лепестки являются гибкими и профилированы для формирования профиля зажимной втулки.
Согласно некоторым вариантам осуществления, расположенная выше по стволу скважины часть зажимной втулки содержит седло шарика для расположения в нем шарика из верхней части ствола скважины для приведение в действие манжетного клапана.
Согласно некоторым вариантам осуществления, зажимная втулка содержит металлическую часть выше по стволу скважины, которая расширяется наружу в радиальном направлении так, что при расположения зажимной втулки в соответствующем манжетном клапане и посадке шарика в седло в зажимной втулке давление текучей среды, приложенное к шарику, может приводить к тому, что расширяемая расположенная выше по стволу скважины часть расширяется наружу в радиальном направлении и прижимается ко внутренней поверхности манжетного клапана, тем самым образуя плотное соединение металл-металл на контакте между манжетным клапаном и зажимной втулкой.
Согласно некоторым вариантам осуществления, седло шарика на зажимной втулке содержит наклонную поверхность.
Согласно некоторым вариантам осуществления, угол наклона θ наклонной поверхности седла шарика составляет около 55° к продольной базовой оси. Согласно некоторым вариантам осуществления, угол наклона θ составляет около 35°. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона θ находится в диапазоне от около 50° до около 60°. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона 6 находится в диапазоне от около 40° до около 70°. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона 6 находится в диапазоне от около 30° до около 80°.
Рассмотрим фиг. 1, где скважинный инструмент показан и в целом обозначен как позиция номер 100. Согласно этим вариантам осуществления, скважинный инструмент 100 находится в форме расположенного ниже по стволу скважины манжетного клапана и предусматривает цилиндрический корпус 102 клапана с продольным каналом 104 и скользящую муфту 106, расположенную в канале 104. Скользящая муфта 106 зафиксирована одним или более срезными штифтами 108 в закрытом положении выше по стволу скважины для закрытия одного или более отверстий для текучей среды 110 на цилиндрическом корпусе 102 и содержит продольный канал для расположения соответствующей зажимной втулки (описана ниже). Под давлением, направленным сверху вниз по стволу скважины, зажимная втулка может переводить скользящую муфту 106 в направлении вниз по стволу скважины из закрытого положения в открытое для открытия одного или более отверстий для текучей среды 110 с целью гидравлического разрыва пласта в подземной толще горных пород (описано ниже).
Как видно из фиг. 2, цилиндрический корпус 102 содержит цилиндрический корпус 112 клапана, который находится в разъемном соединении с верхним переводником 114 и нижним переводником 116, соответственно, выше и ниже по стволу скважины посредством резьбового соединения 118 и стопорного винта 120, и с уплотнительной манжетой 122 для уплотнения этого соединения. Согласно этим вариантам осуществления нижний по стволу скважины конец верхнего переводника 114 и верхний по стволу скважины конец нижнего переводника 116 образуют верхний по стволу скважины и нижний по стволу скважины стопоры 124 и 126 для ограничения движения скользящей муфты 106 между ними.
Согласно этим вариантам осуществления, у верхнего переводника 114 предусмотрена коническая внутренняя поверхность 128, скошенная от его конца, расположенного выше по стволу скважины, к концу, расположенному ниже по стволу скважины, так что внутренний диаметр верхнего переводника 114 постепенно уменьшается от его конца, расположенного выше по стволу скважины, к концу, расположенному ниже по ствол скважины, чтобы облегчить вход зажимной втулки в манжетный клапан 100 (описано ниже).
Корпус 112 клапана на его боковой стенке содержит одно или более отверстий 110 для текучей среды рядом с расположенным выше по стволу скважины концом 132 для выхода жидкости для гидроразрыва в подземную толщу горных пород при перемещении скользящей муфты 106 из закрытого положения в открытое положение под действием давления срабатывания. В корпусе 112 клапана также содержит одно или более отверстий 136 для выдвижения одного или более срезных штифтов 108 (см. фиг. 1) с целью фиксации скользящей муфты 106 в закрытом положении для закрытия отверстий 110. Корпус 112 клапана дополнительно содержит одно или более храповых соединений 138 на его внешней поверхности рядом с расположенным ниже по стволу скважины концом 136.
На фиг. 3 представлен вид в разрезе скользящей муфты 106 и корпуса муфты 152 с каналом 151. Наружный диаметр (OD) скользящей муфты 106 равен или более меньше, чем внутренний диаметр корпуса 112 клапана с тем, чтобы обеспечить возможность перемещения скользящей муфты 106 в корпусе 112 клапана. Согласно этим вариантам осуществления, скользящая муфта 106 содержит корпус 152 муфты, в котором при помощи резьбовых соединений 156 на внутренней поверхности корпуса 152 муфты располагается по меньшей мере соединительная часть 153 защитной муфты 154 ниже от нее по стволу скважины (фиг. 4), и соответствующее резьбовое соединение 158 на наружной поверхности защитной муфты 154 (фиг. 5) для разъемного соединения с защитной муфтой 154.
Как видно из фиг. 4, корпус 152 муфты на его наружной поверхности может содержать одну или более кольцевых уплотнительных манжет 168, которые расположены в подходящих местах, например, рядом с верхним концом 164 корпуса 152 муфты для уплотнения контакта между корпусом 112 клапана и скользящей муфтой 106 (фиг. 1).
Корпус 152 муфты также содержит одно или более отверстий или углублений 170 в местах, соответствующих отверстиям 136 на корпусе 112 клапана, для входа срезных штифтов 108 при установке скользящей муфты 106 в канал 104 корпуса 112 клапана в закрытом положении, и одно или более храповых колец 172 рядом с его нижним по стволу скважины концом 166 для задействования храпового соединения 138 на внутренней поверхности корпуса 112 клапана, когда скользящая муфта 106 находится в открытом положении.
На своей внутренней поверхности, корпус 152 муфты изготовлен из подходящего материала, например, стали, и содержит седло 180 стопорного кольца, расположенное ниже по стволу скважины, расположенное выше по стволу скважины от резьбового соединения 156 и доступное с конца 166 корпуса 152 муфты, расположенного ниже по стволу скважины, для расположения и удержания высокопрочного стопорного кольца 192, и профилированный участок 182 выше по стволу скважины от седла 180 стопорного кольца и рядом с ним (соответственно, другой участок внутренней поверхности скользящей муфты 106 обозначен как непрофилированный участок).
Профилированный участок 182 на корпусе 152 муфты содержит одну и предпочтительно две или более кольцевых бороздок 184, например, бороздок 184А и 184В, образующих уникальный фиксирующий профиль (который также называют «профилем муфты»). Каждая бороздка 184 имеет стенку в верхней по стволу скважины части с радиальным наклоном внутрь в направлении сверху вниз по стволу скважины, образующую тупой угол с продольной осью корпуса 152 муфты. Каждая бороздка 184 также содержит стенку, расположенную ниже по стволу скважины и расположенную под прямым или острым углом. То есть, стенка каждой бороздки 184, расположенная ниже по стволу скважины, либо перпендикулярна продольной оси корпуса 152 муфты, либо наклонена в радиальном направлении внутрь снизу вверх по стволу скважины и образует острый угол к продольной оси корпуса 152 муфты. С помощью бороздок 184 в профилированный участок 182 может входить зажимная втулка 200 с соответствующим профилем 212 на ее наружной поверхности (в настоящем документе - «соответствующая зажимная втулка»), и через него могут проходить зажимные втулки 200 с несоответствующими наружными профилями (в настоящем документе - «несоответствующие зажимные втулки») (описано ниже).
В зависимости от количества бороздок 184 внутренний диаметр профилированного участка 182 на скользящей муфте 106 могут изменять в разных местоположениях вдоль него благодаря наличию в нем бороздок 184. Однако минимальный внутренний диаметр профилированного участка 182, включающий в себя стопорное кольцо 192, обычно представляет собой минимальный внутренний диаметр скользящей муфты 106. Другими словами, скользящая муфта 106 имеет минимальный внутренний диаметр в области профилированного участка 184 и стопорного кольца 192.
Наружный диаметр профиля 212 зажимной втулки 200 больше минимального внутреннего диаметра профилированного участка 182 на корпусе 152 муфты, что допускает минимальное начальное зацепление в случае соответствия зажимной втулки профилю 212 зажимной втулки на такой соответствующей зажимной втулке 200 с профилированным участком 182 на корпусе 152 муфты, но под давлением текучей среды, приложенным к зажимной втулке 200, наружный диаметр профилированного участка 212 может значительно превышать минимальный внутренний диаметр профилированного участка 182 на корпусе 152 муфты для максимального сцепления профилированного участка 212 на зажимной втулке 200 с профилированным участком 182 способом, который более подробно описан ниже.
В частности, наружный диаметр зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика на ней первоначально меньше внутреннего диаметра и канала 151 и профилированного участка 184 на корпусе 152 муфты. Однако зажимная втулка 200 способна расширяться в радиальном направлении наружу в области седла 214 шарика при приложении давления текучей среды сверху по стволу скважины действующего на шарик 242, который находится в седле 214 шарика, способом, который подробно описан ниже, и вызывает его расширение в радиальном направлении (то есть, увеличение наружного диаметра зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика), при этом его диаметр становится очень близким или равным внутреннему диаметру канала 151 в корпусе 152 муфты, чтобы тем самым обеспечить достоинства и преимущества, которые более подробно описаны ниже.
Стопорное кольцо 192 изготовлено из материала, твердость которого превышает твердость материала скользящей муфты 106. Так, стопорное кольцо 192 изготавливают из высокопрочного материала, например, карбида вольфрама, кобальтохромовых сплавов (например, стеллитовых сплавов), азотированных сталей и/или других подходящих высокопрочных сплавов или их сочетания с целью обеспечения повышенной устойчивости к давлению и износу.
Согласно некоторым вариантам осуществления, твердость упомянутого упора 194 упомянутого стопорного кольца 192 (более подробно описано далее) повышена по меньшей мере до твердости, превышающей твердость материала скользящей муфты 106, или предусматривает материал, имеющий твердость, которая превышает твердость скользящей муфты 106.
На фиг. 6 представлен вид в разрезе высокопрочного стопорного кольца 192. Стопорное кольцо 192 имеет наружный диаметр, подходящий для посадки на седло 180 стопорного кольца в корпусе 152 муфты и имеет высоту сечения «h», достаточную для расширения наружу в радиальном направлении за внутренний край седла 180 стопорного кольца. Согласно этим вариантам осуществления, верхняя по стволу скважины поверхность стопорного кольца 192 имеет радиальный наклон внутрь снизу вверх по стволу скважины, образуя на своем краю, расположенном выше по стволу скважины, упор 194, образующий острый угол а с продольной осью манжетного клапана 100. Ниже будет более подробно описано как упор 194 стопорного кольца 192 приспособлен для опоры части профиля зажимной втулки и сцепления с соответствующим упором зажимной втулки, когда профиль зажимной втулки входит в сцепление с профилем 182 муфты и предотвращает движение зажимной втулки 200 вниз по стволу скважины относительно скользящей муфты. Таким образом, стопорное кольцо 192 могут также называть «замковым кольцом» для фиксации зажимной втулки снизу.
Как видно из фиг. 7, скользящая муфта 106 может быть собрана путем помещения стопорного кольца 192 в корпус 152 муфты с посадкой на седло 180 стопорного кольца. Затем защитную муфту 154 «привинчивают» к нижнему по стволу скважины концу корпуса 152 муфты при помощи резьбы 158 на защитной муфте 154 и резьбы 156 на корпусе 152 муфты. Верхний по стволу скважины конец 160 защитной муфты 154 прижимает стопорное кольцо 192 к седлу 180 стопорного кольца, чтобы прочно зажать стопорное кольцо 192 в нужном положении. Скользящая муфта 106 в сборе представлена на фиг. 3.
Затем манжетный клапан 100 может быть собран путем помещения скользящей муфты 106 в канал 104 корпуса 112 клапана с любого его конца до закрытого положения с фиксацией скользящей муфты 106 на месте за счет выдвижения срезного штифта или срезного винта 108 через отверстие 136 в корпусе 112 клапана в отверстие 170 корпуса 152 муфты и затем соединения корпуса 112 клапана с верхним переводником 114 и нижним переводником 116. Манжетный клапан 100 в сборе представлен на фиг. 1.
Как видно из фиг. 1, длина скользящей муфты 106 в продольном направлении больше, чем расстояние между стопорами 124 и 126 корпуса 112 клапана, так что при закрытом положении скользящей муфты 106 защитная муфта 154 находится в контакте со внутренней поверхностью нижнего переводника 116 для изоляции кольцевого пространства 196, расположенного в радиальном направлении между корпусом 112 клапана и скользящей муфтой 106, и между нижним по стволу скважины концом 166 скользящей муфты 106 и упором 126 в продольном направлении, от канала 104 для предотвращения попадания цемента в кольцевое пространство 196 и нарушения работы клапана.
Как описано выше, манжетный клапан 100 предусматривает профилированный участок 182 внутренней поверхности с уникальным фиксирующим профилем, который позволяет принимать и фиксировать соответствующую зажимную втулку, а также пропускать через клапан несоответствующую зажимную втулку.
На фиг. 8 представлен вид в разрезе зажимной втулки 200, которая в этом варианте осуществления имеет форму цилиндрической клетки с продольным каналом 202. Зажимная втулка 200, как правило, имеет наружный диаметр (за исключением выступов 222, описанных ниже), который несколько меньше, чем минимальный внутренний диаметр скользящей муфты 106, и предусматривает одну или более кольцевых уплотнительных манжет 204 на ее наружной поверхности в тех местах, где это необходимо для уплотнения контакта между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106, когда зажимная втулка 200 зафиксирована в скользящей муфте 106.
Как видно, зажимная втулка 200 предусматривает цилиндрическую часть 206 выше по стволу скважины, цилиндрическую часть 208 ниже по стволу скважины и среднюю часть 210, предусматривающую профилированный участок 212 с уникальным фиксирующим профилем.
Согласно этим вариантам осуществления, находящаяся выше по стволу скважины часть 206 предусматривает на ее внутренней поверхности седло 214 шарика для посадки шарика, который бросают в скважину сверху по стволу скважины. Находящаяся выше по стволу скважины часть 206 также предусматривает уплотнительную манжету 216 на ее внутренней поверхности для уплотнения контакта между шариком и находящейся выше по стволу скважины части 206 зажимной втулки 200.
Средняя часть 210 содержит множество лепестков 218, распределенных по окружности и соединенных с частями 206 и 208, находящимися выше и ниже по стволу скважины. Согласно этим вариантам осуществления, зажимная втулка 200 изготовлена из металлической трубки путем резки, вырубки или другого способа формирования множества продольных прорезей 220 в средней части 210 с целью формирования лепестков 218.
Один или более или все лепестки 218 изготовлены из упруго-гибкого материала с достаточной эластичностью и каждый из них предусматривает профиль, представляющий собой один или более выступов 222, при этом выступы 222А и 222В на профилированном участке 212 расширяются наружу в радиальном направлении от наружной поверхности лепестков, образуя гибкий в радиальном направлении фиксирующий профиль (также называемый «профилем зажимной втулки»). Местоположения и размеры выступов 216 выбирают так, чтобы максимальный наружный диаметр зажимной втулки 200 был больше,
чем минимальный внутренний диаметр скользящей муфты 106, и профиль ее зажимной втулки соответствовал профилю муфты соответствующей скользящей муфты 106. Таким образом, когда зажимная втулка 200 входит в манжетный клапан 100, имеющий соответствующую скользящую муфту 106 (так как манжетный клапан 100 также называют «соответствующим манжетным клапаном 100»), зажимная втулка 200 может быть зафиксирована в соответствующем манжетном клапане 106. Самый нижний по стволу скважины выступ 222В предусматривает упор 236 на его нижней по стволу скважины стороне с тем же острым углом а к продольной оси манжетного клапана 100, что и у упора 194.
На фиг. с 9 по 12 представлен пример входа зажимной втулки 200 в соответствующий манжетный клапан 100 с его верхней по стволу скважины стороны. Как видно из фиг. 9, когда зажимная втулка 200 входит в манжетный клапан 100, коническая внутренняя поверхность 128 верхнего переводника 114 направляет зажимную втулку 200 для входа в канал 104.
Как видно из фиг. 10, когда профилированный участок зажимной втулки 200 входит в канал 104 и поскольку максимальный наружный диаметр зажимной втулки 200 превышает минимальный внутренний диаметр скользящей муфты 106, профилированные лепестки 218 отклоняются вовнутрь и зажимная втулка 200 продолжает двигаться в направлении вниз по стволу скважины.
Как видно из фиг. 11, когда профилированный участок 212 зажимной втулки 200 полностью перекрывает соответствующий профилированный участок 182 скользящей муфты 106, профилированные лепестки 218 не отклоняются из-за их эластичности. Таким образом, зажимная втулка 200 в направлении сверху вниз входит в скользящую муфту 106. Как показано на фиг. 12А и 12В, зажимная втулка 200 может дополнительно перемещаться вниз по стволу скважины пока упор 236 самого нижнего выступа 222В не вступит в зацепление с упором 194 высокопрочного стопорного кольца 192.
На фиг. 12В представлен увеличенный вид профилированных участков 182 и 212 скользящей муфты 106 и зажимной втулки 200. Как видно, профиль каждого из профилированных участков 182, 212 предусматривает чередующиеся бороздки и выступы. В примере, показанном на фиг. 12В, профиль профилированного участка 182 предусматривает две бороздки 184А и 184В и продольный выступ 232 между ними. Профиль профилированного участка 212 предусматривает два выступа 222А и 222В и бороздку 234 между ними. Чтобы обеспечить соответствие профилированных участков 182 и 212 между собой, ширина бороздки на каждом из двух профилированных участков 182 и 212 должна быть равной или большей, чем ширина соответствующего выступа на каждом из двух профилированных участков 182 и 212, чтобы в них входил соответствующий выступ. В примере, показанном на фиг. 12В, ширина бороздки (например, бороздки 184А, 184В или 234) достаточно больше ширины соответствующего продольного выступа (например, продольного выступа 222А, 232 или 222В), так что после фиксации зажимной втулки 200 снизу в скользящей муфте 106, зажимная втулка 200 может перемещаться дальше вниз по стволу скважины, пока самый нижний выступ 222В не войдет в зацепление с высокопрочным стопорным кольцом 192.
Как видно из фиг. 12В, высокопрочное стопорное кольцо 192 применяют для зацепления самого нижнего по стволу скважины выступа 222В с целью усиления фиксации скользящей муфты 106 и зажимной втулки 200 ниже по стволу скважины под действием высокого давления. Кроме того, форма стопорного кольца 192 предусматривает упор 194 в верхней по стволу скважины части, при этом упор находится под острым углом к продольной оси манжетного клапана 100, а расположенная ниже по стволу скважины сторона самого нижнего по стволу скважины выступа 222В также образует упор 236 с соответствующим острым углом так, что зацепление упоров 194 и 236 обеспечивает повышенную устойчивость к действию давления, приложенного к зажимной втулке 200 в направлении вниз по стволу скважины. Согласно этим вариантам осуществления, когда упоры 194 и 236 находятся в зацеплении друг с другом, другие соответствующие продольные выступы зажимной втулки 200 и скользящей муфты 106, например, продольные выступы 222А и 232, также входят в зацепление для дополнительного повышения устойчивости к действию давления, приложенного к зажимной втулке 200 в направлении вниз по стволу скважины.
Как видно из фиг. 13, после того, как зажимная втулка 200 зафиксирована в скользящей муфте 106, с поверхности могут бросить шарик 242 и он войдет в манжетный клапан 100. Шарик 242 изготовлен из жесткого материала, например, из керамики или металла, и имеет размер, подходящий для посадки в седло 214 шарика на зажимной втулке 200.
После того, как шарик 242 входит в зацепление с седлом 214 шарика и герметично закрывает канал 202 зажимной втулки 200, сверху по стволу скважины к шарику 242 и зажимной втулке 200 прикладывают давление текучей среды. После того, как зажимная втулка 200 зафиксирована снизу к скользящей муфте 106, скользящую муфту 106 приводят в действие и она срезает срезной штифт 108 и перемещается вниз по стволу скважины в открытое положение для открытия отверстий для текучей среды 110. Как видно из фиг. 14, храповые кольца 172 на скользящей муфте 106 входят в зацепление с храповым соединением 138 на корпусе 112 клапана, чтобы предотвратить движение скользящей муфты 106 в направлении вверх по стволу скважины. Затем вниз по стволу скважины могут под высоким давлением закачивать жидкость гидроразрыва, которая будет сильной струей выходить из отверстий для текучей среды 110 для гидравлического разрыва пласта в толще горных пород.
Жидкость гидроразрыва, как правило, находится под высоким давлением, и любая неисправность в манжетном клапане 100 может вызвать сбой в процессе гидравлического разрыва пласта. Например, если зацепление между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106 не срабатывает, находящаяся под высоким давлением жидкость гидроразрыва может переместить зажимную втулку 200 ниже по стволу скважины, что вызовет сбой в процессе гидравлического разрыва пласта.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что согласно вышеупомянутым вариантам осуществления, манжетный клапан 100 предусматривает высокопрочное стопорное кольцо 192 для усиления зацепления между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106, что существенно снижает риск сбоя.
Согласно некоторым вариантам осуществления, наружный диаметр зажимной втулки 200 на ее выступах 222А и 222В меньше, чем внутренний диаметр скользящей муфты 106 в ее бороздках 184А и 184В. Как показано на фиг. 15А и 15В, согласно этим вариантам осуществления после того, как жидкость гидроразрыва под высоким давлением закачивают вниз по стволу скважины и она переводит скользящую муфту 106 в открытое положение, жидкость гидроразрыва под высоким давлением дополнительно немного смещает зажимную втулку 200 вниз по стволу скважины, так что лепестки 218 расширяются наружу в радиальном направлении, так что выступы 222А и 222В зажимной втулки 200 дополнительно входят в зацепление с бороздками 184А и 184В скользящей муфты 106, тем самым обеспечивая повышенное сопротивление давлению.
Согласно некоторым вариантам осуществления, для гидравлического разрыва пласта в подземной толще горных пород могут применять скважинную систему гидравлического разрыва пласта, содержащую множество манжетных клапанов 100. На фиг. 16 представлен пример гидравлического разрыва пласта в подземной толще горных пород с применением манжетного клапана 100. В этом примере пробурена горизонтальная скважина, которая предусматривает горизонтальную часть 272 ствола скважины в подземной толще 274 горных пород. Затем обсадную колонну 276, содержащую множество манжетных клапанов 100, помещают в часть 272 ствола скважины. Каждая скользящая муфта 100 предусматривает уникальный профиль муфты. При необходимости между манжетными клапанами 100 могут располагать другие переводники.
После установки обсадной колонны 276 могут выполнять цементирование путем закачки цементного раствора в ствол скважины через обсадную колонну 276. Как описано выше со ссылкой на фиг. 1, в каждом манжетном клапане 100 защитная муфта 154 не позволяет цементу попадать в кольцевое пространство 196 и нарушать работу клапана. После цементирования в ствол скважины могут закачивать промывочную жидкость для очистки переводников и манжетных клапанов 100. При необходимости для очистки могут также применять скребки.
В этом примере предполагают выполнение гидроразрыва толщи 274 горных пород рядом с участком 278 ствола скважины и необходимо открыть манжетные клапаны 100В и 100С. Поэтому первую зажимную втулку (не показана), соответствующую манжетному клапану 100С, закачивают в ствол скважины по обсадной колонне 276. Поскольку первая зажимная втулка не соответствует манжетным клапанам 100А и 100В (то есть, профиль зажимной втулки первой зажимной втулки не соответствует профилю муфты скользящих муфт 100А и 100В и не может входить в них), первая зажимная втулка проходит через скользящие муфты 100А и 100В и фиксируется в манжетном клапане 100С.
Для открытия отверстий для текучей среды манжетного клапана 100С сбрасывают шарик, который вступает в зацепление с седлом шарика первой зажимной втулки и закрывает канал первой зажимной втулки. Затем для приведения в действие находящегося в зацеплении шарика прикладывают давление текучей среды, первая зажимная втулка и скользящая муфта срезают срезной штифт манжетного клапана 100С и перемещают скользящую муфту вниз по стволу скважины в открытое положение для открытия отверстий для текучей среды в скользящей муфте 100С.
После открытия манжетного клапана 100С, вторую зажимную втулку, соответствующую манжетному клапану 100В, прокачивают вниз по стволу скважины, чтобы зафиксировать манжетный клапан 100В. Затем сбрасывают шарик, чтобы он вступил в зацепление со второй зажимной втулкой, и прикладывают давление текучей среды, чтобы открыть манжетный клапан 100В.
После того, как на участке 278 ствола скважины открыты все манжетные клапаны 100В и 100С, шарики в этих манжетных клапанах, за исключением шарика в самом нижнем по стволу скважины манжетном клапане, удаляют, например, путем разбуривания, растворения, извлечения на поверхность и/или подобными способами. В примере, показанном на фиг. 16, шарик находится в манжетном клапане 100С, а из манжетного клапана 100В шарик удален. Затем в обсадную колонну 276 под высоким давлением закачивают жидкость гидроразрыва, которая сильной струей выходит из отверстий для текучей среды манжетных клапанов 100В и 100С с целью гидравлического разрыва пласта в толще 274 горных пород.
В приведенном выше примере для изоляции участка ствола скважины, в котором выполняют гидравлический разрыв пласта, могут применять устройства для изоляции ствола скважины, например, пакеры, которые известны в данной области техники, поэтому они не описаны в настоящем документе.
Как можно видеть из приведенных выше примеров, в процессе гидравлического разрыва пласта могут применять множество скользящих муфт 100, имеющих, как правило, одинаковый размер каналов 104, что обеспечивает одинаковую пропускную способность в отношении потока флюида. Зажимная втулка 200 и шарики 242 могут также иметь одинаковый размер, что упрощает логистику и снижает затраты на заканчивание скважин.
Согласно упомянутым выше вариантам осуществления, как показано на фиг. с 3 по 7, защитная муфта 154 находится в разъемном соединении с корпусом 152 муфты посредством резьбовых соединений 158 и 156. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, защитную муфту 154 могут соединять с корпусом 152 муфты при помощи других подходящих устройств. Например, согласно одному варианту осуществления, защитная муфта 154 может иметь постоянное сварное соединение с корпусом 152 муфты.
Согласно упомянутым выше вариантам осуществления, зажимная втулка 200 имеет форму цилиндрической клетки со множеством лепестков, прикрепленных к цилиндрической части 206 выше по стволу скважины и цилиндрической части 208 ниже по стволу скважины, что исключает применение внешних устройств, таких как пружины для приведения в действие в радиальном направлении или видоизменения зажимной втулки 200 с целью зацепления со скользящей муфтой и фиксации в ней. Согласно еще одному конкретному варианту осуществления, прикрепление гибких лепестков за их продольно-противоположные концы к частям 206 и 208, находящимся выше и ниже по стволу скважины, и дополнительная компоновка зажимной втулки с тем, чтобы упомянутые лепестки при начальном зацеплении со внутренним профилем 184 в скользящей муфте 106, при приложении давления текучей среды, направленного вверх по стволу скважины, к шарику, находящемуся в седле 214 шарика на зажимной втулке 200, преимущественно позволяет лепесткам на зажимной втулке 200 дополнительно изгибаться, что приводит к дополнительному и более сильному сцеплению лепестков, имеющих профиль 212 зажимной втулки в профиле 184 скользящей муфты 106, тем самым снижая риск незацепления зажимной втулки 200 с выбранной муфтой или, согласно другому варианту, снижая риск возможного расцепления сопряженного профиля зажимной втулки 200 с сопряженным профилем 184 скользящей муфты 106 при приложении давления гидроразрыва сверху по стволу скважины, что в случае сбоя предотвратит закачку жидкости гидроразрыва под высоким давлением из скважины в открытое отверстие 110.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, для гидравлического разрыва на участке ствола скважины могут применять скважинную систему гидравлического разрыва пласта, предусматривающую колонну труб с одним или более манжетными клапанами 100. Ствол скважины может быть обсаженным стволом скважины или необсаженным стволом скважины.
Несмотря на то, что в примере, показанном на фиг. 16, манжетные клапаны 100 применяют для гидравлического разрыва пласта в горизонтальной части ствола скважины, специалистам в данной области техники будет понятно, что согласно некоторым другим вариантам осуществления, манжетные клапаны 100 могут применять для гидравлического разрыва пласта в вертикальной части ствола скважины.
В упомянутых выше вариантах осуществления зажимная втулка 200 может предусматривать одну или более уплотнительных манжет 204 на ее наружной поверхности для уплотнения контакта между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106, когда зажимная втулка 200 входит в манжетный клапан 100. Однако во время нахождения зажимной втулки в стволе скважины такие уплотнительные манжеты 204, как правило, могут подвергаться износу и становиться неэффективными при движении зажимной втулки 200 в скользящей муфте 106, что приводит к сбою в работе манжетного клапана 100. Кроме того, при прокачке зажимной втулки через несоответствующие скользящие муфты обычно требуется большое давление текучей среды для преодоления трения, вызванного движением уплотнительных колец 204 вдоль наружной поверхности скользящей муфты 106.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, на наружной поверхности зажимной втулки 200 не предусмотрено уплотнительных колец 204. Согласно этим вариантам осуществления, манжетный клапан 100 представляет собой такой же клапан, как показан на фиг. 1, и непрофилированный участок зажимной втулки 200 имеет наружный диаметр, которые несколько меньше минимального внутреннего диаметра скользящей муфты 106, что позволяет избежать трения, которое в других случаях вызывают уплотнительные кольца 204 и, таким образом, позволяет зажимной втулке 200 под меньшим давлением текучей среды проходить через соответствующий манжетный клапан 100.
Согласно этим вариантам осуществления, скользящая муфта изготовлена из подходящего металла, например, из стали. Как показано на фиг. 17А и 17В, расположенная выше по стволу скважины часть 206 зажимной втулки 200 спроектирована так, что имеет металлическую часть 206', которая расширяется в радиальном направлении наружу, а седло 214 шарика предусматривает поверхность 282 седла шарика, которая имеет наклон внутрь в радиальном направлении снизу вверх по стволу скважины под острым углом к продольной оси 284 зажимной втулки 200.
После того, как зажимная втулка 200 зафиксирована в манжетном клапане 100, шарик 242 подходящего размера под воздействием давления текучей среды в направлении вниз по стволу скважины сажают на седло 214 шарика. При приложении давления текучей среды к верхней по стволу скважины стороне шарика 242, шарик 242 оказывает давление на наклонную поверхность 282 седла 214 шарика и преобразует давление текучей среды, направленное вниз по стволу скважины, в радиальное давление наружу и расширяет в радиальном направлении расширяющуюся металлическую часть 206' зажимной втулки 200, чтобы существенно уменьшить зазор между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106 или даже привести наружную поверхность расширяющейся металлической части 206' в плотное зацепление с внутренней поверхностью скользящей муфты 106, образуя тем самым плотное соединение металл-металл на контакте между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106.
Как видно из фиг. 17В, поверхность 282 седла 214 шарика наклонена под углом θ к продольному базовому направлению 284. Согласно некоторым вариантам осуществления, угол наклона θ составляет около 55°. Угол наклона, составляющий около 55°, представляет собой угол, достаточный для передачи на зажимную втулку 200 достаточной радиально направленной наружу силы и достижения достаточного расширения зажимной втулки 200 в радиальном направлении, чтобы сформировать достаточно плотное соединение металл-металл со скользящей муфтой 106, для металлической зажимной втулки с модулем упругости стали класса N80 согласно Американскому институту нефти (API), где номинальный диаметр седла 214 шарика на зажимной втулке 200 составляет 4,555 дюймов при номинальной толщине зажимной втулки 0,23 дюйма и давлении на шарик 242 номинального диаметра 4,250 дюймов, которое составляет около 1500 фунтов на квадратный дюйм, и где зажимная втулка 200 первоначально, до расширения в радиальном направлении, имеет зазор с наружным диаметром скользящей муфты 106 в диапазоне от 0,004 до 0,014 дюймов (см. Пример А ниже и фиг. 18).
Согласно другим вариантам осуществления, где зажимная втулка 200 может быть изготовлена из более твердого или менее эластичного материала (например, имеющего более высокий модуль упругости) и/или может иметь большую толщину, и/или где имеется исходная разница между диаметром зажимной втулки 200 и диаметром скользящей муфты 106, при этом разница больше диапазона от 0,004 до 0,014 дюймов, и/или где давление на шарик 242 меньше 1500 фунтов на квадратный дюйм, угол наклона θ необходимо уменьшить до около 35° с тем, чтобы седло 214 шарика было способно передавать достаточную радиально направленную наружу силу для достижения достаточного радиального увеличения диаметра зажимной втулки 200, и чтобы тем самым достигнуть требуемого плотного соединения металл-металл с каналом.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона θ находится в диапазоне от около 50° до около 60°. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона θ находится в диапазоне от около 40° до около 70°. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, угол наклона θ находится в диапазоне от около 30° до около 80°.
Соответственно, поэтому, когда зажимная втулка 200 рассчитана на то, что допускает радиальное расширение, это позволяет сократить общий наружный диаметр зажимной втулки 200. Такой диаметр, уменьшенный не только в области седла 214 шарика, но также и в области профиля 212 зажимной втулки, тем самым позволяет зажимной втулке 200 и области профиля 212 легче проходить и меньше взаимодействовать с областями профиля 184 разных расположенных выше по стволу скважины скользящих муфт 106, которые не требуется приводить в действие, посредством этого уменьшают износ при трении такого профилированного участка 212 зажимной втулки 200, но в то же время сохраняют способность зажимной втулки 200 в конечном счете создавать уплотнение в области седла 214 шарика при контакте с зажимной втулкой 200 по ее достижении и далее в области профиля 212 зажимной втулки на ней вступать в зацепление с предназначенной для этого муфтой 106 ниже по стволу скважины и соответствующим требуемым сопряженным профилем 184 на ней.
В частности, что важно, за счет использования такой способности зажимной втулки 200 к расширению в радиальном направлении происходит снижение износа профилей 212 зажимной втулки на ней, тем самым поддерживают техническую исправность профилей 212 зажимной втулки и обеспечивают, чтобы при достижении зажимной втулкой 200 требуемой скользящей муфты 106, которую требуется привести в действие, соответствующий профиль 212 на ней был способен достаточно и надежно входить в зацепление и одновременно создавать начальное плотное соединение металл-металл, чтобы повышать давление на стороне шарика 242, расположенной выше по стволу скважины. После того, как зажимная втулка 200 вошла в фиксированное сцепление со скользящей муфтой 106, повышенное давление на стороне шарика 242, расположенной выше по стволу скважины, в свою очередь вызывает «эффект домино», при котором такое повышение давления вызывает (дополнительное) расширение зажимной втулки 200 в радиальном направлении, что в свою очередь приводит к более плотному соединению металл-металл, которое вызывает дальнейшее повышение давления, которое снова вызывает еще большее расширение в радиальном направлении и, тем самым, еще более плотное соединение металл-металл. Давление выше по стволу скважины будут продолжать повышать таким способом до тех пор, пока не это приведет к сдвигу срезных штифтов 108, удерживающих на месте скользящую муфту 106, а затем позволит скользящей муфте 106 двигаться вниз по стволу скважины в клапане 100, чтобы тем самым открыть проходные отверстия 110.
На фиг. 18 представлен пример зажимной втулки 200 согласно настоящему изобретению, причем зажимная втулка по посадке скольжения вставлена в скользящую муфту 106, причем зажимная втулка 200 представляет собой упомянутый выше предпочтительный вариант осуществления. В частности, согласно такому предпочтительному варианту осуществления, зажимная втулка 200 в области седла 214 шарика имеет такую толщину и изготовлена из такого материала и имеет такую исходную разницу в радиальном направлении с каналом 151 в корпусе 152 муфты, чтобы при посадке шарика 242 на седло 214 шарика и приложении к нему давления текучей среды по меньшей мере в 150 фунтов на дюйм, происходило увеличение наружного диаметра наружу в радиальном направлении на величину, превышающую 0,09%, и это обеспечивало бы достаточное плотное соединение металл-металл между наружным диаметром зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика и каналом 151 в корпусе 152 муфты. В частности, наружный диаметр зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика может расширяться вовне в радиальном направлении под воздействием давления текучей среды на шарик 242, находящийся в седле, причем расширение в радиальном направлении происходит предпочтительно на величину, составляющую по меньшей мере 0,09%, и предпочтительно на величину, составляющую по меньшей мере 0,2%, и более предпочтительно на величину, составляющую по меньшей мере 0,3%, под действием давления текучей среды сверху по стволу скважины величиной по меньшей мере 150 фунтов на дюйм, чтобы тем самым обеспечить лучший начальный зазор профилированного участка 212 на зажимной втулке 200 с несоответствующими профилями, но при взаимодействии с требуемым профилированным участком 184 на выбранной скользящей муфте 106 обеспечить уплотнение между зажимной втулкой 200 в области седла 214 шарика, достаточное для возникновения «эффекта домино» и дополнительного расширения зажимной втулки 200 в радиальном направлении, чтобы усилить плотное соединение металл-металл, так что расширения вовне в радиальном направлении и плотного соединения металл-металл достаточно для приложения дополнительного давления величиной, достаточной для срезания срезных штифтов 108.
Согласно описанным выше вариантам осуществления, зажимная втулка 200 изготовлена из металлической трубки путем резки, вырубки или другого способа формирования множества продольных прорезей 220 в средней части 210 с целью формирования лепестков 218. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, лепестки 218 могут соединять с частями 206 и 208, находящимися выше и ниже по стволу скважины, при помощи других подходящих средств, например, сварки, скрепления винтами или подобных им средств.
Пример А
Как отмечено выше, на фиг. 18 представлен пример зажимной втулки 200 согласно настоящему изобретению, причем зажимная втулка по посадке скольжения вставлена в скользящую муфту 106. На зажимной втулке 200 в области седла 214 шарика предусмотрена радиально расширяющаяся часть 206'.
В частности, в этом примере, зажимная втулка 200 в области седла 214 шарика выполнена из стали класса API NP 80, имеющей модуль упругости 29 000 000 и коэффициент Пуассона 0,29. Скользящая муфта 106 также изготовлена из стали класса API N80.
Согласно этому выбранному примеру у зажимной втулки 200 был обеспечен начальный зазор в радиальном направлении на контакте между наружным радиальным краем зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика и внутренним каналом 151 корпуса 152 муфты, причем зазор составляет от 0,002 до 0,007 дюйма, что было определено путем применения допусков материала зажимной втулки 200, а именно, разности между максимальными и минимальными размерными допусками наружного диаметра зажимной втулки 200 и диаметра внутреннего канала 151 скользящей муфты 106 [(то есть, (4,567-4,553)/2 и (4,562-4,558)/2)].
Номинальная толщина зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика, а именно на стороне седла 214 шарика, расположенной выше по стволу скважины, составляла от 0,149 до 0,1515 дюймов [то есть, от (4,553-4,255)/2 до (4,558-4,255)/2], и на стороне седла 214 шарика, расположенной ниже по стволу скважины, составляла от 0,2305 до 0,233 дюймов [то есть, от (4,553-4,092/2 до (4,558-4,092)/2].
Угол наклона θ седла 214 шарика на зажимной втулке 200 составлял 55°. Номинальный диаметр шарика 242 составлял 4,250 дюйма.
После посадки шарика 242 на седло 214 шарика, к шарику 242 было приложено давление текучей среды величиной 1500 фунтов на квадратный дюйм в направлении вниз по стволу скважины, при этом упомянутого выше начального радиального зазора величиной 0,002-0,007 дюймов достаточно для начального частичного прекращения потока флюида через этот контакт. При продолжении закачки флюида под давлением, в присутствие такого частичного начального препятствия давление текучей среды выше по стволу скважины от шарика 242 повышается. В ответ на силу, приложенную к шарику 242 под действием давления текучей среды, расширяемая в радиальном направлении часть 206' зажимной втулки 200 благодаря углу наклона θ седла 214 шарика создает силу, направленную радиально наружу и приложенную к цилиндрической зажимной втулке 200 в области седла 214 шарика. Эта приложенная наружу в радиальном направлении сила вызывает расширение металлической части 206' наружу в радиальном направлении, за счет чего в итоге ликвидируют или существенно уменьшают упомянутый выше зазор величиной от 0,002 до 0,007 дюйма и на контакте между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106 устанавливают плотное соединение металл-металл.
В частности, металлическая часть 206', расширяющаяся наружу в радиальном направлении, расширяется по меньшей мере на 0,09% (в случае, когда наружный диаметр металлической части 206', расширяющейся наружу в радиальном направлении, составляет максимум 4,558 дюйма, и внутренний диаметр канала скользящей муфты составляет минимум 4,558 дюйма, а именно (4,562-4,558/4,558)), и номинально расширяется в радиальном направлении на 0,02% (в случае, когда наружный диаметр металлической части 206', расширяющейся вовне в радиальном направлении, составляет номинально 4,555 дюйма и внутренний диаметр канала скользящей муфты составляет номинально 4,565 дюйма, а именно (4,565-4,555/4,555)) и расширяется в радиальном направлении по меньшей мере на 0,03% (в случае, когда наружный диаметр металлической части 206', расширяющейся вовне в радиальном направлении, составляет минимум 4,553 дюйма и внутренний диаметр скользящей муфты составляет максимум 4,567 дюйма, а именно (4,567-4,553/4,553)), что во всех случаях приводит тем самым к уменьшению радиального зазора и образованию плотного соединения металл-металл между зажимной втулкой 200 и скользящей муфтой 106.
Теперь специалистам в данной области техники будет несомненно понятно, что для достижения требуемого результата - обеспечения зажимной втулки, которая расширяется в радиальном направлении, преимущество которой состоит в том, что тем самым она способна уменьшать контакт со скользящими муфтами выше по стволу скважины при прохождении через них к требуемой скользящей муфте 106, и таким образом поддерживая допуски размеров зажимной втулки 200, могут производить изменения в конкретных перечисленных выше параметрах, в частности, на участках ее профиля 212 и наружного диаметра в области седла 214 шарика, и для последующего более легкого прохождения вниз по стволу скважины, за счет уменьшенных диаметров, но после фиксированного сцепления с требуемой выбранной муфтой и приложения давления текучей среды, может «вырасти» для поддержания эффективного уплотнения и обеспечения возможности достаточного повышения давления, чтобы срезать срезные винты 108.
В этом примере для иллюстрации скользящая муфта 106 и зажимная втулка 200 изготовлены из стали класса API N80. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в различных других вариантах осуществления скользящая муфта 106 и зажимная втулка 200 могут изготавливать из другого подходящего материала, например, стали класса API P110, имеющей похожий модуль упругости, чтобы тем самым добиваться аналогичного расширения в радиальном направлении для приложенного давления 1500 фунтов на квадратный дюйм.
Однако согласно другому варианту, для уменьшения величины давления закачки, но тем не менее, достижения аналогичной величины расширения в радиальном направлении (то есть, номинального увеличения в радиальном направлении 0,02%), зажимную втулку 200 могут изготавливать из материала, имеющего модуль упругости на порядок меньший, чем у стали класса API NP 80 (то есть, 1/10 от значения модуля упругости у стали класса API NP 80). Тогда это может привести к тому, что приложенное давление также должно составлять только 1/10 от приложенного давления, а именно, 150 фунтов на квадратный дюйм, чтобы по-прежнему достигать требуемого номинального расширения в радиальном направлении величиной 0,02%.
Аналогично, уменьшая или увеличивая угол наклона θ седла 214 шарика на зажимной втулке 200, как видно из фиг. 18, действующую в радиальном направлении вовне силу воздействия шарика 242 на край зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика, могут изменять, тем самым увеличивая или уменьшая, соответственно, величину силы, приложенной в радиальном направлении к зажимной втулке 200.
Так, например, при постоянном давлении текучей среды величиной 1500 фунтов на квадратный дюйм, уменьшение угла наклона θ с 55° до 30° увеличит приложенную силу, а снижение требуемого давления текучей среды от 1500 фунтов на квадратный дюйм или применение материала с пропорционально меньшим модулем упругости (то есть, применение менее жесткого материала с большим изгибом в радиальном направлении в расчете на единицу приложенной силы) может тогда обеспечить достижение аналогичного увеличения расширения в радиальном направлении (номинально 0,02%).
Специалисты в данной области техники могут теперь производить дополнительные изменения и комбинировать упомянутые выше переменные для достижения упомянутого выше увеличения в радиальном направлении.
Например, если угол наклона 6 был увеличен с 55° до 80°, тем самым уменьшая силу, действующую на зажимную втулку 200 наружу в радиальном направлении, для достижения аналогичного расширения зажимной втулки 200 в радиальном направлении (номинально 0,02%) потребуется одно или более из перечисленных ниже условий:
(i) замена материала, из которого изготовлена зажимная втулка 200, на материал с меньшим понижением модуля упругости (то есть, меньшей жесткостью);
(ii) повышение приложенного давления текучей среды величиной 1500 фунтов на квадратный дюйм, действующего на шарик 242, для достижения той же тангенциальной силы, что была приложена ранее при угле наклона θ, равном 55°; или
(iii) уменьшение толщины зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика (при условии, что приложенное давление и результирующая сила, действующая в радиальном направлении, не превышает предельного напряжения сдвига зажимной втулки 200 в области седла 214 шарика).
Продолжение описания
На фиг. 19 согласно некоторым другим вариантам осуществления представлена зажимная втулка 200. Согласно этим вариантам осуществления, манжетный клапан 100 представляет собой такой же клапан, как показан на фиг. 1.
Как видно из фиг. 19, согласно этим вариантам осуществления зажимная втулка 200 предусматривает закрытый конец 284, расположенной выше по стволу скважины. Другие части зажимной втулки 200 такие же, как показано на фиг. 8.
Согласно этим вариантам осуществления, для приведения в действие манжетного клапана 100 не требуется шарик 242. Вместо этого для приведения в действие манжетного клапана 100 соответствующую зажимную втулку 200 закачивают под давлением вниз по стволу скважины и фиксируют в манжетном клапане 100. К закрытому вверх по стволу скважины концу 284 зажимной втулки 200 прикладывают давление текучей среды и в результате срезают срезной штифт 108 и приводят в действие скользящую муфту 106 манжетного клапана 100, которая смещается вниз по стволу скважины в открытое положение. Как описано выше, высокопрочное стопорное кольцо 192 обеспечивает повышенную устойчивость к давлению и износу.
Согласно описанным выше вариантам осуществления, скользящая муфта 106 предусматривает высокопрочное стопорное кольцо 192 в ее нижней по стволу скважины части профилированного участка 182, образуя упор 194 для фиксации соответствующей зажимной втулки 200. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, стопорное кольцо 192 изготовлено из того же материала, что и скользящая муфта 106, но предпочтительно из более высокопрочного и/или упрочненного материала и/или азотированного материала, такого как, помимо прочего, карбида вольфрама. Согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере упор 194 стопорного кольца 192 упрочнен до жесткости или предусматривает жесткость фактически или приблизительно равную жесткости расположенной ниже по стволу скважины части профиля соответствующей зажимной втулки 200.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, скользящая муфта 106 не предусматривает стопорного кольца 192. Вместо этого расположенный ниже по стволу скважины конец защитной муфты 154 образует упор 194 для фиксации соответствующей зажимной втулки.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, корпус 152 муфты и защитная муфта 154 объединены и образуют скользящую муфту 106, которая предусматривает расширяющийся наружу в радиальном направлении кольцевой выступ, образующий упор 194. Таким образом, согласно этим вариантам осуществления, скользящая муфта 106 не предусматривает стопорного кольца 192.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, скользящая муфта 106 предусматривает только корпус 152 муфты и не предусматривает защитной муфты 154. Согласно этим вариантам осуществления, стопорное кольцо 192 приварено, смонтировано или другим способом интегрировано в корпус 152 муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления, может быть получено множество профилей муфты и профилей зажимной втулки, и профили зажимной втулки могут быть использованы на одной и той же колонне труб в скважинной системе для гидравлического разрыва пласта.
Например, на фиг. с 20А по 20D представлены четыре профиля муфты 182-1 ÷ 182-4 (общий номер для обозначения этой позиции - 182) на внутренней поверхности скользящих муфт 106-1 ÷ 106-4, соответственно, и соответствующие им профили зажимной втулки 212-1 ÷ 212-4 (общий номер для обозначения этой позиции - 212) на внутренней поверхности зажимных втулок 200-1 ÷ 200-4, соответственно.
Видно, что каждый профиль 106-1 ÷ 106-4 предусматривает по меньшей мере две бороздки 184А и 184В (далее в настоящем документе они также называются «бороздками муфты) и один продольный выступ 232 (далее в настоящем документе он называется «продольным выступом муфты»), проходящий между двумя бороздками 184А и 184В.
Соответственно, каждый профиль 200-1 ÷ 200-4 предусматривает по меньшей мере два продольных выступа 222А и 222В (далее в настоящем документы они также называются «продольными выступами зажимной втулки») и одну бороздку 234 (далее в настоящем документы она также называется «бороздкой зажимной втулки») между двумя продольными выступами 222А и 222В. Кроме того, длина каждой бороздки 184А, 184В, 234 больше или равна длине каждого продольного выступа 222А, 222В, 232, чтобы профиль зажимной втулки 200-1 ÷ 200-4 мог входить в соответствующий профиль 106-1 ÷ 106-4 муфты.
b
b
b
b
Изменяя длины бороздок 184А и 184В и продольного выступа 232, можно получить множество уникальных и индивидуальных профилей муфты (и соответствующие уникальные и индивидуальные муфты зажимной втулки). Согласно этим вариантам осуществления, разность длин двух профилей муфты, например, разность длин профилей 182-2 и 182-3 муфты, представляет собой целочисленное умножение заданного расчетного параметра L, где L>0. Кроме того, разность длин между соответствующими бороздками и продольными выступами двух профилей муфты, например, разность длин бороздок 184А профилей 182-1 и 182-2 муфты, или разность длин бороздок 184В профилей 182-1 и 182-2 муфты также представляет собой целочисленное умножение заданного расчетного параметра L, где L>0.
Как видно из фиг. 21А, для профиля 182 муфты используют следующие параметры (все они больше нуля):
s
L - длина профиля 182 муфты в продольном направлении;
g1
S - длина бороздки 184А профиля 182 муфты в продольном направлении;
r
S - длина продольного выступа 232 профиля 182 муфты в продольном направлении; и
g2
S - длина бороздки 184В профиля 182 муфты в продольном направлении.
s
g1
r
g2
Параметры L, S, S и S измеряют в диаметрально противоположных, самых дальних друг от друга точках профиля 182 муфты.
Для профиля 182 зажимной втулки используют следующие параметры (все они больше нуля):
c
L - длина профиля 212 зажимной втулки в продольном направлении;
r1
C - длина продольного выступа 222А профиля 212 зажимной втулки в продольном направлении; и
g
C - длина бороздки 234 профиля 212 зажимной втулки в продольном направлении; и
r2
C - длина продольного выступа 222В профиля 212 зажимной втулки в продольном направлении.
c
r1
g
r2
Параметры L, C, C и C также измеряют в диаметрально противоположных самых дальних друг от друга точках профиля 212 зажимной втулки.
g1
g2
g
r1
r2
r
g1
r1
g2
r2
g
r
Как описано выше, длины бороздок в паре соответствующих профиля зажимной втулки и профиля муфты, включая длины S, S и C бороздок 184А и 184В муфты и бороздки 234 зажимной втулки, должны быть больше или равны длинам соответствующих продольных выступов, включая длины C, C и S продольных выступов 222А и 222В зажимной втулки и продольного выступа 232, то есть, S≥C, S≥C и C≥S, чтобы профиль 212 зажимной втулки входил в соответствующий профиль 182 муфты.
Согласно этим вариантам осуществления, расположенные вверх по стволу скважины поверхности бороздок 184А и 184В муфты и стопорное кольцо 192 наклонены так, что они расширяются внутрь в радиальном направлении вверх по стволу скважины. Расположенные вверх по стволу скважины продольные выступы 222А и 222В зажимной втулки и расположенная вниз по стволу скважины поверхность продольного выступа 222В наклонены так, что они расширяются наружу в радиальном направлении вниз по стволу скважины. Эти наклоны влияют на то, как бороздка 232 муфты и продольные выступы 222А и 222В могут входить в бороздку 234 зажимной втулки и бороздки 184А и 184В муфты.
Для простоты описания в этих вариантах осуществления наклонные скосы расположенных выше по стволу скважины поверхностей бороздок 184А, 184В муфты, стопорного кольца 192, продольных выступов 222А, 222В зажимной втулки и расположенная ниже по стволу скважины поверхность продольного выступа 222В зажимной втулки фактически одинаковы.
1
Как показано на фиг. 21В и 21С, за счет описанных выше наклонных скосов, после совмещения профиля 212 зажимной втулки с соответствующим профилем 182 муфты, зажимная втулка 200 может расширяться наружу в радиальном направлении и двигаться дальше вниз по стволу скважины на короткое расстояние ε, которое представляет собой расчетный параметр, заданный описанными выше наклонными скосами и степенью сцепления, чтобы входить в профиль 182 муфты до тех пор, пока расположенная ниже по стволу скважины поверхность продольного выступа 222В зажимной втулки не войдет в зацепление с упором 194 стопорного кольца 192.
r
Как видно из фиг. 21А, длине S продольного выступа 232 на профиле 182 муфты определяют как:
a
a
b
b
r
a
n
n
n
где 1≥δ≥0 представляет собой заданный расчетный параметр, L представляет собой заданный расчетный параметр и L>0,  представляет собой целое число и ≥0, L представляет собой заданный расчетный параметр и L>0. Таким образом, когда =0, продольный выступ 232 имеет минимальную длину S=δL.
g1
g1
Длины S и S бороздок 184А и 184В определяют как:
m
m
m
m
1
1
2
2
где  представляет собой целое число и ≥1, и  представляет собой целое число и >1. Кроме того,
m
m
1
2
где K>2 представляет собой целое положительное число, при этом для профилей муфты с одинаковым K, увеличение  будет уменьшать , тем самым эффективно изменяя местоположение продольного выступа 232 на профиле муфты.
s
Тогда длина L профиля 182 муфты:
a
b
s
Поскольку L и L представляют собой заданные расчетные параметры, выбирая разные n и K, можно получить множество профилей 182 муфты с разными длинами L.
r1
r2
g
На профиле 212 зажимной втулки длины C, C, C продольных выступов 222А и 222В и бороздки 234 зажимной втулки определяют как:
1
2
2
1
2
2
c
где t, t и ε представляет собой заданные расчетные параметры причем 1≥t≥0, 1≥t≥0 и ε≥0. Длина L профиля 212 зажимной втулки:
2
2
2
Параметр ε определяет только будет ли расположенная ниже по стволу скважины поверхность продольного выступа 222А зажимной втулки входить в зацепление с расположенной ниже по стволу скважины поверхностью бороздки 184А муфты. Согласно некоторым вариантам осуществления, ε=0, так что когда зажимная втулка 200 входит в сцепление с муфтой 106 под давлением, приложенным сверху по стволу скважины, поверхность продольного выступа 222А зажимной втулки, расположенная ниже по стволу скважины, вступает в зацепление с расположенной ниже по стволу скважины поверхностью бороздки 184А муфты и расположенная ниже по стволу скважины поверхность продольного выступа 222В вступает в зацепление с упором 194, обеспечивая тем самым сопротивление давлению. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, ε>0 совместно с другими условиями (описанными ниже) обеспечивает дополнительное расширение лепестков 218 наружу в радиальном направлении и изгиб под действием давления текучей среды для улучшенного сцепления зажимной втулки 200 со скользящей муфтой 106.
2
1
b
1
2
b
2
Как видно из фиг. 21А, в вариантах осуществления, согласно которым ε=0, при t=1 существует максимальная разность длин L бороздки 184А муфты и продольного выступа 222А зажимной втулки; когда t=0, бороздка 184А муфты и продольный выступ 222А зажимной втулки имеют одинаковую длину. Аналогично, при t=1 существует максимальная разность L длин бороздки 184В муфты и продольного выступа 222В зажимной втулки; при t=0 бороздка 184В муфты и продольный выступ 222В зажимной втулки имеют одинаковую длину.
a
b
1
2
Согласно некоторым вариантам осуществления, расчетные параметры заданы как L=L, t=t=t и 1≥t≥0. Тогда параметры профиля 182 муфты приобретают вид:
Параметры профиля 212 зажимной втулки приобретают вид:
2
b
2
b
С учетом ε, параметр t определяет разность длин бороздок и соответствующих им продольных выступов. Если t=0, профиль 182 муфты и профиль 212 зажимной втулки имеют одинаковую длину. Если t=1, профиль 182 муфты и профиль 212 зажимной втулки имеют максимальную разность длин L. Согласно вариантам осуществления, где ε=0, если t=0, бороздки и соответствующие им продольные выступы имеют одинаковую длину. Если t=1, бороздки и соответствующие им продольные выступы имеют максимальную разность длин L.
Можно получить различные профили муфты и профили зажимной втулки. Для простоты описания профили муфты и профили зажимной втулки сгруппированы в наборы профилей, и наборы профилей сгруппированы в категории профилей. Далее в настоящем документе профиль муфты обозначен в виде «S({буквенное обозначение категории}{номер набора}-{номер профиля})», где «{буквенное обозначение категории» может быть буквой А, В, С, …, это отражает категорию профиля, к которой принадлежит муфта, «{номер набора}» может быть цифрой 1, 2, 3, …, это отражает набор профилей, к которому принадлежит профиль муфты, и {номер профиля} может быть цифрой 1, 2, 3, …, это отражает порядковый номер профиля муфты в наборе. Например, профиль муфты «S(A1-1)» обозначает первый профиль муфты в наборе А1.
Аналогично, профиль зажимной втулки обозначают в виде «С({буквенное обозначение категории}{номер набора}-{номер профиля}». Например, профиль зажимной втулки «C(B2-3)» обозначает третий профиль втулки в наборе В2.
n
n
n
1
1
1
Как можно видеть, изменяя значения , K и m, получают множество профилей 182 муфты и профилей 212 зажимной втулки. Таким образом, для простоты описания профиль муфты могут также обозначать как S[, K, m], а профиль зажимной втулки могут обозначать как С[, K, m].
b
s
c
s
b
c
b
n
n
n
Согласно этим вариантам осуществления, для данной L сумма (+K) определяет длину L профиля муфты и длину L профиля зажимной втулки. В частности, профили муфты в каждой категории профилей (например, «А») имеют одинаковую длину L=(+K+1)L, и профили зажимной втулки в одной категории профилей имеют одинаковую длину L=(+K+1-t)L.
n
n
n
r
b
g
b
2
Параметр  определяет длину продольного выступа 232 муфты и длину бороздки 234 зажимной втулки. Таким образом, профили муфты в каждом наборе профилей (например, «А1») имеют одинаковую длину продольного выступа 232, которую определяют как S=(+δ)L, и профили зажимной втулки в одном наборе профилей имеют одинаковую длину бороздки 234, которую определяют как C=(+t+δ)L+ε.
n
n
n
n
n
s
b
r
b
c
b
g
b
2
Каждый набор профилей содержит (K-2) профилей муфты и (K-2) соответствующих профилей зажимной втулки с одинаковым  и одинаковым K, в которых все (K-2) профилей муфты имеют одинаковую длину L=(+K+1)L и одинаковую S=(+δ)L, и все (K-2) профилей зажимной втулки имеют одинаковую длину L=(+K+1-t)L и одинаковую C=(+t+δ)L+ε.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что если t равно или близко к 0, тогда профиль зажимной втулки полностью или почти полностью совпадает с профилем муфты, и поэтому может существовать риск, что профиль зажимной втулки не сможет войти в соответствующий профиль муфты, например, из-за большого допуска на изготовление профиля зажимной втулки и/или профиля муфты, и/или большой скорости входа зажимной втулки 200 в скользящую муфту 106, так что у смещенного профиля зажимной втулки недостаточно времени, чтобы возвратиться в несмещенное положение прежде, чем зажимная втулка 200 выйдет из скользящей муфты 106.
b
С другой стороны, если t равно или близко к 1, бороздки и соответствующие им продольные выступы имеют максимальную разность длин L, и может существовать риск того, что профиль зажимной втулки может ошибочно войти в несоответствующий профиль муфты (описано ниже).
Согласно некоторым вариантам осуществления, t могут выбирать достаточно большим нуля и достаточно меньшим единицы, чтобы обеспечить следующее:
(i) профиль зажимной втулки, соответствующий профилю муфты в наборе, легко может быть не принят любым другим профилем муфты в том же наборе; и
(ii) разность длин между бороздкой и соответствующим ей продольным выступом (например, разность длин между бороздкой 184А муфты и продольным выступом 222А зажимной втулки, разность длин между бороздкой 234 зажимной втулки и продольным выступом 232 муфты, или разность длин между бороздкой 184В муфты и продольным выступом 222В зажимной втулки) достаточна для легкого входа продольного выступа в бороздку.
Например, согласно одному варианту осуществления, t могут выбирать согласно выражению 0.9≥t≥0.1. Согласно другим вариантам осуществления t могут выбирать согласно выражению 0.8≥t≥0.2. Согласно другим вариантам осуществления t могут выбирать согласно выражению 0.7≥t≥0.3. Согласно другим вариантам осуществления t могут выбирать согласно выражению 0.6≥t≥0.4. Согласно другим вариантам осуществления, t могут выбирать равным около 0,5.
n
s
b
На фиг. 22 представлен набор А1 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей зажимной втулки, где =0 и K=6, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=7L.
n
s
b
На фиг. 23 представлен набор В1 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей зажимной втулки при =0 и K=8, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 24 представлен набор С1 из восьми профилей муфты и восьми соответствующих профилей зажимной втулки, где =0 и K=10, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 25 представлен набор D1 из десяти профилей муфты и десяти соответствующих профилей зажимной втулки, где =0 и K=12, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 26 представлен набор А2 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей зажимной втулки, где =1 и K=5, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=7L.
n
s
b
На фиг. 27 представлен набор В2 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей зажимной втулки при =1 и K=7, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 28 представлен набор С2 из семи профилей муфты и семи соответствующих профилей зажимной втулки, где =1 и K=9, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 29 представлен набор D2 из девяти профилей муфты и девяти соответствующих профилей зажимной втулки, где =1 и K=11, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 30 представлен набор A3 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей зажимной втулки, где =2 и K=4, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=7L.
n
s
b
На фиг. 31 представлен набор В3 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей зажимной втулки, где =2 и K=6, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 32 представлен набор С3 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей зажимной втулки при =2 и K=8, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 33 представлен набор D3 из восьми профилей муфты и восьми соответствующих профилей зажимной втулки, где =2 и K=10, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 34 представлен набор А4 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля зажимной втулки, где =3 и K=3, при этом профиль муфты имеет длину L=7L.
n
s
b
На фиг. 35 представлен набор В4 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей зажимной втулки, где =3 и K=5, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 36 представлен набор С4 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей зажимной втулки при =3 и K=7, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 37 представлен набор D4 из семи профилей муфты и семи соответствующих профилей зажимной втулки, где =3 и K=9, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 38 представлен набор В5 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей зажимной втулки, где =4 и K=4, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 39 представлен набор С5 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей зажимной втулки, где =4 и K=6, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 40 представлен набор D5 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей зажимной втулки при =4 и K=8, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 41 представлен набор В6 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля зажимной втулки, где =5 и K=3, при этом профиль муфты имеет длину L=9L.
n
s
b
На фиг. 42 представлен набор С6 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей зажимной втулки, где =5 и K=5, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 43 представлен набор D6 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей зажимной втулки при =5 и K=7, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 44 представлен набор С7 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей зажимной втулки, где =6 и K=4, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 45 представлен набор D7 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей зажимной втулки, где =6 и K=6, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 46 представлен набор С8 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля зажимной втулки, где =7 и K=3, при этом профиль муфты имеет длину L=11L.
n
s
b
На фиг. 47 представлен набор D8 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей зажимной втулки, где =7 и K=5, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 48 представлен набор D9 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей зажимной втулки, где =8 и K=4, при этом профили муфты имеют одинаковую длину L=13L.
n
s
b
На фиг. 49 представлен набор D8 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля зажимной втулки, где =9 и K=3, при этом профиль муфты имеет длину L=13L.
b
b
b
b
Таблица 1 содержит сводные данные по наборам профилей, представленных на фиг. с 22 по 49. Можно видеть, что ограничивая длины профиля муфты величинами 7L, 9L, 11L и 13L, можно получать всего 122 профиля муфты и 122 соответствующих профиля зажимной втулки и применять их для гидравлического разрыва пласта в скважине.
Согласно вариантам осуществления, в которых на колонне труб используют два или более манжетных клапанов 100 с описанными выше профилями муфты, порядок расположения профилей муфты должен быть следующим:
n
1
(a) манжетные клапаны должны иметь разные профили муфты; другими словами, для любых двух манжетных клапанов по меньшей мере одно из , K и m у них отличается;
s
s
n
K
n
К
(b) манжетные клапаны с меньшей длиной L следует располагать выше по стволу скважины, чем те, у которых длина L больше; другими словами, манжетные клапаны с меньшим значением (+) располагают выше по стволу, чем те, у которых (+) больше;
s
r
r
п
n
n
(c) в случае манжетных клапанов одинаковой длины L те, у которых S больше, следует располагать выше по стволу скважины по сравнению с теми, у которых S меньше; другими словами, для манжетных клапанов с одинаковым значением (+K) те, у которых  больше, располагают выше по стволу скважины от тех, у которых  меньше; и
n
1
(d) манжетные клапаны с одинаковым набором профилей, то есть, с одинаковым  и одинаковым K, но с разными m, могут располагать в любом порядке.
s
s
s
Другими словами, манжетные клапаны, обозначенные буквой «более низкой» категории (например, «А»), то есть, манжетные клапаны с меньшей длиной L профиля муфты следует располагать выше по стволу скважины по сравнению с теми, которые обозначены буквой «более высокой» категории (например, «D»), то есть, имеющими большее значение длины L профиля муфты. Среди манжетных клапанов, обозначенных буквой одной и той же категории, то есть, имеющих одинаковую длину L профиля муфты, те, что имеют меньший номер набора (например, «А1»), следует располагать ниже по стволу скважины, чем те, которые имеют больший номер набора (например, «A3»). На фиг. 50 представлен пример колонны труб (например, обсадной колонны или колонны насосно-компрессорных труб) со множеством манжетных клапанов 100, расположенных в описанном выше порядке.
b
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, в которых t равно или близко к 1, а бороздки и соответствующие им продольные выступы имеют максимальную разность длин L и поэтому два «соседних» профиля муфты и зажимной втулки являются совместимыми.
То есть, профиль зажимной втулки может входить не только в соответствующий профиль муфты, но также и в профиль муфты, который обозначен буквой той же категории, с тем же номером набора и «соседним» номером профиля (то есть, на 1 большим или меньшим). Например, профиль зажимной втулки С(А1-2), то есть, С[0, 6, 2], может входить в предыдущий и последующий профили муфты S(A1-1) и S(A1-2), то есть, S[0, 6, 1] и S[0, 6, 3], но не может входить в другие профили муфты из набора профилей А1, например, S(A1-4).
n
n
n
n
Другими словами, профиль муфты может входить в предыдущий и следующий профили муфты из того же набора профилей, но не может входить в другие профили муфты из того же набора профилей. То есть, профиль зажимной втулки С[, K, i] может входить в профили муфты S[, K, i+1] и S[, K, i-1], но не может входить в другие профили муфты, то есть, в профили муфты S[, K, j], где j≠i, j≠i+1 и j≠i-1.
Таким образом, согласно вариантам осуществления, в которых t=1 и на колонне труб используют два или более манжетных клапанов 100 с такими профилями муфты, как показаны на фиг. с 22 по 49, порядок расположения профилей муфты должен быть следующим:
n
1
(a) манжетные клапаны должны иметь разные профили муфты; другими словами, для любых двух манжетных клапанов по меньшей мере одно из , K и m у них отличается;
n
n
n
1
2
1
2
1
(b) в каждом наборе профилей не следует использовать на одной и той же колонне труб два профиля муфты S[, K, j] и S[, K, j], если ⏐j-j⏐≤1; другими словами, для любых двух манжетных клапанов с одинаковым  и одинаковым K, разность между их m должна быть больше 1;
s
s
n
n
(c) манжетные клапаны с меньшей длиной L следует располагать выше по стволу скважины, чем те, у которых длина L больше; другими словами, манжетные клапаны с меньшим значением (+K) располагают выше по стволу скважины, чем те, у которых (+K) больше;
s
r
r
n
n
n
(d) в случае манжетных клапанов одинаковой длины L те, у которых S больше, следует располагать выше по стволу скважины по сравнению с теми, у которых S меньше; другими словами, для манжетных клапанов с одинаковым значением (+K) те, у которых  больше, располагают выше по стволу скважины от тех, у которых  меньше; и
n
1
(е) манжетные клапаны с одинаковым набором профилей, то есть, с одинаковым  и одинаковым K, но с разными m, могут располагать в любом порядке.
Согласно некоторым другим вариантам осуществления, описанные выше профили муфты и профили зажимной втулки могут соединять последовательно или каскадом вместе с другими подходящими профилями для получения удлиненных профилей. Например, на фиг. 51 представлен набор удлиненных профилей муфты и профилей зажимной втулки, который получен путем последовательного соединения одного и того же профиля 286 между профилем в наборе профилей А1 и стопорным кольцом 192. Как видно из фиг. 52, согласно некоторым вариантам осуществления, для получения удлиненных профилей один и тот же профиль 286 могут соединять последовательно вверх по стволу скважины с профилями из набора А1.
Согласно некоторым вариантам осуществления, профили в одном и том же наборе могут соединять последовательно с различными профилями для получения удлиненных профилей. Например, на фиг. 53 представлены профили набора А1 соединенные последовательно с первыми четырьмя профилями из набора В2 для получения удлиненных профилей.
Согласно представленным выше вариантам осуществления, профиль муфты находится на внутренней поверхности корпуса 152 муфты, так что упор 194 стопорного кольца 192 находится ниже по стволу скважины от него. Согласно некоторым другим вариантам осуществления, например, показанным на фиг. с 54 по 56, профиль муфты предусматривает часть профиля на внутренней поверхности корпуса 152 муфты, как описано выше, и часть профиля на внутренней поверхности защитной муфты 154, так что упор 194 стопорного кольца 192 находится в профиле муфты.
Соответственно, зажимная втулка 200 может иметь профиль зажимной втулки, находящийся и на корпусе 152 муфты, и на защитной муфте 154 для соответствия профилю муфты. Чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение через стопорное кольцо 192 передней или расположенной ниже по стволу скважины части зажимной втулки 200, каждый выступ 292 на зажимной втулке 200, который соответствует профилю на защитной муфте 154, имеет тупой угол на стороне, расположенной ниже по стволу скважины.
b
b
Профиль на защитной муфте 154 может иметь любую подходящую форму и его могут комбинировать с корпусом 152 муфты любого подходящего профиля, например, как те, что представлены на фиг. с 22 по 49. Например, на фиг. с 54 по 57 показана защитная муфта 154 с бороздкой 294 длиной 2L, которая сочетается с наборами профилей A1, В1, С1 и D1, соответственно, показанными на фиг. с 22 по 25. Соответственно, профиль зажимной втулки на зажимной втулке 200 предусматривает выступ или продольный выступ 292 длиной L для соответствия бороздке 294.
b
b
Согласно некоторым вариантам осуществления, бороздка 294 может иметь другие подходящие длины. Например, на фиг. с 58 по 61 показана защитная муфта 154 с бороздкой 294 длиной 3L, которая сочетается с наборами профилей A1, B1, С1 и D1, соответственно, показанными на фиг. с 22 по 25. Соответственно, профиль зажимной втулки на зажимной втулке 200 предусматривает выступ или продольный выступ 292 длиной 2L для соответствия бороздке 294.
Согласно некоторым вариантам осуществления, профиль защитной муфты 154 может предусматривать одну или более бороздок и/или один или более продольных выступов.
Согласно некоторым вариантам осуществления, профиль защитной муфты 154 может представлять собой профиль, выбранный из тех, что представлены на фиг. с 22 по 49. Например, набор удлиненных профилей может быть получен путем их последовательного соединения в наборе профилей А1 с первыми четырьмя профилями в наборе профилей В2, при этом первые четыре профиля в наборе профилей В2 расположены ниже по стволу скважины от стопорного кольца 192 или на защитной муфте 154.
Как видно из фиг. 62, согласно некоторым другим вариантам осуществления, профиль муфты (например, профиль муфты в наборе профилей А1) могут располагать ниже по стволу скважины от стопорного кольца 192. Поэтому упор 194 расположен выше по стволу скважины от профиля муфты. Согласно этим вариантам осуществления, каждый выступ на зажимной втулке 200 имеет тупой угол на стороне, расположенной ниже по стволу скважины, чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение стопорного кольца 192 зажимной втулкой 200.
Как описано выше и показано на фиг. 15А и 15В, скользящую муфту 126 манжетного клапана 100 могут переводить в открытое положение под давлением шарика 242 и зажимной втулки 200, чтобы открыть проходные отверстия для гидравлического разрыва пласта, при этом лепестки 218 зажимной втулки 200 под воздействием давления способны расширяться наружу в радиальном направлении, когда сверху по стволу скважины приложено давление текучей среды и сжатие зажимной втулки приводит к тому, что профиль 212 зажимной втулки вступает в зацепление с упором 194 стопорного кольца 192, вынуждая лепестки 218 расширяться наружу в радиальном направлении для дополнительного зацепления скользящей муфты 106 для лучшего сцепления и, тем самым, дополнительного сопротивления давлению. На фиг. с 63А по 63F более детально показан профиль 212 зажимной втулки, расширяющейся наружу в радиальном направлении.
Как видно из фиг. 63А, для простоты описания считается, что бороздки 184А и 184В муфты имеют одинаковый внутренний диаметр, и считается, что продольные выступы 222А и 222В зажимной втулки имеют одинаковый наружный диаметр.
sg1
sr
sg2
Глубину H расположенной выше по стволу скважины бороздки 184А муфты измеряют в радиальном направлении между ее наиболее удаленной от центра поверхностью (то есть, их «дном») и ее наиболее близким к центру краем (то есть, ее «верхним» краем, расположенным выше по стволу скважины). Высоту H продольного выступа 232 муфты измеряют в радиальном направлении между его наиболее близкой к центру поверхностью (то есть, ее «верхом») и его наиболее удаленным от центра краем (то есть, его «нижним» краем). Глубину H расположенной ниже по стволу скважины бороздки 184В муфты измеряют в радиальном направлении между ее наиболее удаленной от центра поверхностью и ее наиболее близким к центру краем, который также представляет собой наиболее близкий у центру край упора 194.
cr1
cg
cr2
Аналогично, высоту H расположенных выше по стволу скважины продольных выступов 222А зажимной втулки измеряют в радиальном направлении между их наиболее удаленной от центра поверхностью (то есть, их «верхом») и их наиболее близким к центру краем, расположенным выше по стволу скважины (то есть, их «нижним» краем, расположенным выше по стволу скважины). Глубину H продольного выступа 234 зажимной втулки измеряют в радиальном направлении между его наиболее близкой к центру поверхностью (то есть, ее «дном») и его наиболее удаленным от центра краем (то есть, его «верхним» краем). Высоту H расположенных ниже по стволу скважины продольных выступов 222В зажимной втулки измеряют в радиальном направлении между их наиболее удаленной от центра поверхностью (то есть, их «верхом») и их наиболее близким к центру краем, расположенным ниже по стволу скважины (то есть, их «нижним» краем, расположенным ниже по стволу скважины).
sg1
sg2
sr
s
cr1
cr2
cr
s
cr
cg
cr
2
s
cr
cg
cr
2
Согласно некоторым вариантам осуществления, как показано на фиг. с 63А по 63С, H=H=H=H и H=H=H. Как видно из фиг. 63В, для того, чтобы обеспечить возможность расширения профиля 212 зажимной втулки наружу в радиальном направлении, когда профиль 212 зажимной втулки входит в зацепление с профилем 182 муфты, необходимо, чтобы между каждой из бороздок 184А м 184В и бороздкой 234 зажимной втулки и каждым из продольных выступов 222А и 222В и продольным выступом 232 муфты сохранялся просвет. Другими словами, H-H>0, H-H>0 и ε>0. Поэтому согласно этим вариантам осуществления, H>H, H>H и ε>0.
sg1
sg2
sr
s
cr1
cr2
cr
s
cr
cg
cr
2
s
cr
cg
cr
cg
cr
s
cr
2
cg
s
cr
2
cg
s
cr
2
Согласно некоторым вариантам осуществления, где H=H=H=H и H=H=H и бороздка 234 зажимной втулки находится в местоположении около центра длинной оси профиля 212 зажимной втулки, бороздка 234 зажимной втулки представляет собой наиболее расширенную часть, где лепестки 218 расширены наружу в радиальном направлении или изогнуты (фиг. 63С). Согласно этим вариантам осуществления, необходимо, чтобы H>H, H>H и ε>0. Предпочтительно, чтобы просвет между бороздкой 232 зажимной втулки и продольным выступом 232 муфты был больше или равен просвету между бороздкой 184А/184В муфты и соответствующим продольным выступом 222А/222В зажимной втулки. Другими словами, H-H>0, H-H>0, H-H>H-H и ε>0. Поэтому согласно этим вариантам осуществления, H≥H>H и ε>0. Согласно некоторым вариантам осуществления, предпочтительно, чтобы H=H>H и ε>0 так, чтобы когда профиль 212 зажимной втулки расширен наружу в радиальном направлении в профиле 182 муфты, продольный выступ 234 зажимной втулки мог полностью вступать в зацепление с продольным выступом 232 муфты и закрывать просвет между ними.
Как показано на фиг. 63В и 63С, после того, как зажимная втулка 200 вступает в зацепление со скользящей муфтой 106, дополнительное давление сверху по стволу скважины от нее может перемещать зажимную втулку 200 дальше вниз по стволу скважины, заставляя лепестки 218 расширяться наружу в радиальном направлении или изгибаться и дополнительно еще сильнее вступать в сопряженное зацепление со скользящей муфтой 106.
sg1
sr
s
sg2
s
cr1
cr2
cr
Согласно некоторым вариантам осуществления, как показано на фиг. с 63D по 63F, глубина бороздки 184А муфты, находящейся выше по стволу скважины, такая же, как и высота продольного выступа 232 муфты. Однако бороздка 184В муфты, находящаяся ниже по стволу скважины, имеет глубину, которая больше глубины находящейся выше по стволу скважины бороздки 184А муфты. То есть, H=H=H и H>H. Высоты продольных выступов 222А и 222В зажимной втулки и глубина бороздки 234 зажимной втулки одинаковы. То есть, H=H=H.
cg
sg2
cr
s
sg2
cr
2
Как видно из фиг. 63Е, согласно этим вариантам осуществления, H+H-H-H>0, H-H>0 и ε>0, чтобы обеспечить расширение профиля 212 зажимной втулки наружу в радиальном направлении, когда профиль 212 зажимной втулки вступает в зацепление с профилем 182 муфты.
sg1
sr
s
sg2
s
cr1
cr2
cr
Согласно некоторым вариантам осуществления, где H=H=H, H>H, H=H=H и бороздка 234 зажимной втулки находится в местоположении около центра длинной оси профиля 212 зажимной втулки, бороздка 234 зажимной втулки представляет собой наиболее расширенную часть, где лепестки 218 расширены наружу в радиальном направлении (фиг. 63Е).
cg
sg2
cr
s
sg2
cr
2
cg
sg2
cr
s
sg2
cr
sg2
cr
cg
s
2
sg2
cr
cg
s
2
Согласно этим вариантам осуществления, H+H-H-H>0, H-H>0 и ε>0. Предпочтительно, чтобы просвет между бороздкой 232 зажимной втулки и продольным выступом 232 муфты был больше или равен просвету между бороздкой 184А/184В муфты и соответствующим продольным выступом 222А/222В зажимной втулки. Другими словами, H+H-H-H≥H-H. Поэтому согласно этим вариантам осуществления, H>H, H≥H и ε>0. Согласно некоторым вариантам осуществления, предпочтительно, чтобы H>H, H=H и ε>0 так, чтобы когда профиль 212 зажимной втулки расширен наружу в радиальном направлении в профиле 182 муфты, продольный выступ 234 зажимной втулки мог полностью вступать в зацепление с продольным выступом 232 муфты и закрывать просвет между ними.
Несмотря на то, что варианты осуществления были описаны выше со ссылкой на прилагаемые фигуры, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть внесены изменения и дополнения, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
Для полного определения настоящего изобретения и его предполагаемого объема следует ссылаться на краткое изложение сущности изобретения и прилагаемую формулу изобретения вместе с подробным описанием и чертежами, включенными в настоящий документ, согласно их целенаправленного толкования.