АППАРАТ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИННЫМ УСТРОЙСТВОМ
APPARATUS AND METHOD OF CONTROLLING WELL DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу и аппарату для управления скважинными устройствами.
Существует необходимость в управлении действиями скважинных клапанов и других механизмов с поверхности. Часто необходимо осуществлять открытие и закрытие клапанов или других скважинных механизмов на различных этапах бурения, эксплуатации и обслуживания ствола скважины, поэтому существует потребность в приборах управления для дистанционного открытия и закрытия клапана.
Активация и деактивация скважинных устройств зачастую включает в себя такие меры, как сбрасывание с поверхности шаров для активации или деактивации. Недостаток таких способов заключается в том, что промежуток времени между сбрасыванием шара с поверхности и его приземлением на седло соответствующего механизма является переменным фактором. В скважинах с большой протяженностью включение механизма может занять, к примеру, до 40 минут, и еще 40 минут потребуется для отключения механизма с помощью второго шара. Также в этих способах ограничено число возможных циклов включения/выключения, поскольку ограничено количество шаров, которые могут быть сброшены и удержаны в устройстве захвата шаров, после заполнения которого механизм необходимо поднимать на поверхность и опустошать устройство захвата шаров, прежде чем продолжать работу.
Также хорошо известен способ управления механизмами в скважине с помощью изменения давления, передающегося посредством жидкости в стволе скважины для перемещения муфты, связанной осью с пальцем. Такие конфигурации обычно называют устройствами с байонетными пазами, поскольку муфта оснащена пазом в форме буквы J, в котором перемещается палец. Муфта вращается относительно закрепленного пальца, движение которого ограничено байонетным пазом. При повышении давления муфта движется вниз, палец находится в одном положении в пазе, к примеру, клапан открыт, а когда давление уменьшается, муфта движется вверх относительно пальца, увлекаемого в другое положение относительно паза, в котором клапан закрывается. Паз может быть выполнен в виде петли с соединенными концами вокруг муфты, что позволяет муфте непрерывно вращаться вокруг своей оси, последовательно открывая и закрывая клапан. В качестве действующего на муфту давления может использоваться давление в скважине или давление в трубопроводе управления.
Настоящее изобретение предлагает аппарат для управления скважинным устройством для работы в нефтяной, газовой или водяной скважине. Корпус аппарата оснащен пазом управления с пальцем; паз управления и палец располагаются на раздельных деталях и перемещаются относительно друг друга таким образом, что движение пальца относительно паза управления включает и выключает скважинное устройство. Паз имеет первый контур, где палец может перемещаться между различными холостыми конфигурациями пальца и паза, в которых устройство находится в выключенном состоянии, и отдельный второй контур вокруг корпуса; относительно первого контура; палец может перемещаться по второму контуру между различными конфигурациями пальца и паза, соответствующими включенным и выключенным конфигурациям скважинного устройства. Палец может перемещаться между первым и вторым контурами. Возможно циклическое перемещение пальца между различными конфигурациями в каждом контуре без перемещения между первым и вторым контурами.
Также изобретение предлагает способ управления скважинным устройством в нефтяной, газовой или водяной скважине. Аппарат, корпус которого содержит паз управления и палец на раздельных перемещающихся относительно друг друга компонентах, предусматривает перемещение паза и расположенного в нем пальца относительно друг друга с включением и выключением скважинного оборудования. Способ предусматривает движение пальца по первому контуру паза с различными холостыми конфигурациями пальца и паза, в которых устройство выключено, и движение пальца по второму отдельному контуру паза, располагающемуся на корпусе отдельно от первого контура и предусматривающему различные конфигурации пальца и паза, которые соответствуют включенным и выключенным конфигурациям скважинного оборудования. Способ предусматривает перемещение пальца между первым и вторым контурами и циклическое движение пальца между различными конфигурациями в каждом из контуров без перемещения между первым и вторым контурами.
Обычно палец может оставаться на первом или втором контуре без перемещения между ними, двигаясь между различными конфигурациями пальца и паза в каждом соответствующем контуре. Обычно палец циклически перемещается между двумя различными конфигурациями пальца и паза в каждом контуре, переходя из одного положения в другое до тех пор, пока не перемещается на другой контур. Обычно палец циклически перемещается из начального положения в первом или втором контуре во второе положение в контуре и обратно в начальное положение того же контура. Первый и второй контуры могут быть соединены с третьим или другими контурами или дорожками, которые могут иметь те же или иные функции. Соответственно такие третьи или другие контуры могут обеспечивать циклическое перемещение тем же образом, как первый и второй контуры, но поскольку первый и второй контуры предусматривают циклическое перемещение, нет необходимости в подобном поведении других контуров или дорожек.
Обычно геометрические свойства паза ограничивают движение пальца в одном контуре до перехода в другой контур.
Обычно каждый контур включает в себя первую дорожку и вторую дорожку; вторая дорожка возвращает палец в начальное положение первой дорожки. Обычно палец перемещается между двумя дорожками в противоположных направлениях относительно оси. Обычно палец может перемещаться между первым и вторым контурами посредством второй возвратной дорожки. Обычно переключение осуществляется путем реверсирования осевого направления движения пальца и паза относительно друг друга, обычно путем реверсирования осевого направления движения муфты, в которой сформирован паз. Обычно переключение осуществляется тогда, когда палец находится в переходной части второй возвратной дорожки, обычно после прохождения развязки (обычно Y-образной развязки), ведущей к следующему контуру. Обычно Y-образная развязка инвертирована, и перемещение между контурами осуществляется в момент, когда палец находится в объединенном канале Y-образной развязки и направляется от точки слияния разделенных каналов Y-образной развязки. Обычно разделенные каналы Y-образной развязки являются элементами различных контуров. Обычно один из каналов (к примеру, канал, соединенный со вторым контуром) соосен с объединенным каналом Y-образной развязки.
Обычно корпус оснащен поршнем, реагирующим на изменения давления в скважине и перемещающимся по оси в стволе аппарата в результате соответствующего изменения давления. Обычно движение поршня в стволе вызывает движение пальца и паза относительно друг друга.
Обычно паз располагается на муфте, движущейся относительно корпуса, а палец - на корпусе, однако в других конструктивных исполнениях на муфте может располагаться палец, а на корпусе - паз. Муфта обычно интегрирована с поршнем. Таким образом, возможен вариант с расположением на поршне паза или раздельного исполнения муфты с пазом, соединенной с поршнем.
Обычно начальная и конечная точки первой и второй дорожек, где палец переходит между двумя дорожками разнесены по оси вдоль муфты/поршня, и/или они могут быть разнесены по окружности, но в некоторых вариантах исполнения начальная и конечная точки первой и второй дорожек в каждом контуре могут быть выровнены вдоль оси корпуса. Конечная точка каждой дорожки, соответствующая начальной точке другой дорожки, обычно выполняется в углу паза, обеспечивающем изменение направления движения пальца относительно паза, а также выполняющем роль стопора, требующего изменения осевого направления движения пальца относительно паза. К примеру, первая дорожка может начинаться на одном конце муфты или поршня, например, на нижнем конце, и проходить вдоль оси муфты/поршня (обычно с боковым или окружным компонентом, в дополнение к осевому компоненту) до конечной точки первой дорожки, выполненной в форме перевернутой буквы V в положении, удаленном в осевом направлении на муфте/поршне от начальной позиции первой дорожки, к примеру, рядом с верхним концом муфты/поршня. Перевернутая V-образная конфигурация обеспечивает переход между первой и второй дорожками. От вершины перевернутой V-образной конфигурации палец направляется на вторую дорожку.
Обычно первый участок первой и второй дорожек является прямолинейным (например, вдоль оси), располагается параллельно оси (к примеру, оси корпуса или муфты и поршня) и не создает вращательного перемещения компонентов пальца и паза относительно друг друга. Второй участок этих дорожек обычно также включает в себя прямолинейные участки, но также может отклоняться от первого участка и, таким образом, обычно располагается вдоль оси или вдоль окружности, обеспечивая тем самым вращение компонентов пальца и паза (обычно обеспечивается перемещение муфты/поршня относительно неподвижного пальца) в соответствии с углом отклонения второй дорожки относительно оси. В некоторых вариантах исполнения первый прямолинейный и второй отклоненный участки могут располагаться под углом к основной оси поршня/муфты. Такие варианты исполнения могут также иметь отклоненные участки, однако обычно вторые отклоненные участки располагаются под большим углом, чем первые прямолинейные участки, для обеспечения большего поворота муфты, чем на прямолинейных участках. Обычно в случаях, когда весь паз располагается под углом (большим или меньшим), движение пальца по пазу обеспечивает непрерывное вращение поршня вокруг своей оси, и диапазон такого вращательного движения обычно зависит от угла расположения прямолинейного и отклоненного участков паза относительно оси.
Обычно переключение осуществляется, когда палец находится в переходной части второй возвратной дорожки. Переходным участком второй возвратной дорожки обычно является осевой участок. Обычно переключение обеспечивается изменением направления движения пальца на осевом участке паза. Обычно осевой переходный участок прилегает к Y-образной развязке паза между двумя контурами, и обычно изменение направления движения пальца в переходной точке паза обеспечивает перемещение пальца из одного контура в другой.
Обычно пазы включают в себя разнесенные конечные участки, каждый из которых содержит дорожки с глухими концами (обычно расположенные вдоль оси), и отклоненные участки, расположенные под углом к оси аппарата и осевым переходным участкам. Обычно хотя бы часть переходного участка (обычно осевого переходного участка) второй (возвратной) дорожки представляет собой часть первой (направленной наружу) дорожки смежного контура.
Обычно аппарат включает в себя чередующиеся контуры, разнесенные вдоль окружности по муфте/поршню. Как правило, контуры организованы попарно. Простой вариант исполнения изобретения может включать в себя только первый и второй контуры и переход пальца между контурами, с холостыми конфигурациями на первом контуре и переключением между активным и неактивным состояниями на втором. Однако, в других вариантах исполнения изобретения возможно использование нескольких пар первого и второго контуров, чередующихся в последовательности (к примеру, первый - второй, первый - второй и т.д.) вдоль окружности муфты или поршня. Таким образом, в этих вариантах исполнения палец может действовать в холостом режиме в первом контуре, переходить во второй контур, в котором осуществляется включение/выключение устройства, затем перемещаться в другой первый контур для повторного переключения в холостой режим, после чего переходить в следующий второй контур. В некоторых вариантах исполнения возможны конфигурации из 2, 3, 4 или более пар первых и вторых контуров. Различные первые контуры могут, например, иметь одинаковые или различные характеристики, однако обычно все они имеют одинаковые характеристики для обеспечения холостого режима в различных положениях муфты/поршня без включения устройства. Аналогично различные вторые контуры могут иметь одинаковые или различные характеристики, и в различных вторых контурах может быть реализовано больше вариантов характеристик, поскольку в некоторых вариантах исполнения изобретения они могут быть сконфигурированы для переключения между различными активными состояниями устройства; к примеру, один второй контур может переключать устройство между состояниями закрытия и открытия на 50%, а другой второй контур - между состояниями закрытия и открытия на 75% и т.д.
В некоторых вариантах исполнения, вместо конфигурации первых и вторых контуров парами возможно использование конфигураций по три, где палец может циклически перемещаться из первого контура во второй и затем в третий, а также, как вариант, в следующую группу контуров, после чего возвращаться в первый контур для повторения цикла. Третий, четвертый, пятый и последующие контуры могут соответствовать тем же или отличным конфигурациям устройства; к примеру, второй контур может осуществлять переключение между состояниями закрытия и открытия на 50%, а третий - между состояниями закрытия и открытия на 75% и т.д., либо возможны другие состояния включения по сравнению со вторым контуром, после чего палец может возвращаться в первый контур либо переходить на другой контур или группу контуров с другими структурными характеристиками, задающими параметры работы механизма в различных конфигурациях, обеспечивающих различные функциональные эффекты для управляемого механизма. В различных вариантах исполнения могут быть реализованы различные конфигурации для переходов пазов.
Обычно скорость движения пальца по первой дорожке отличается от скорости движения по второй возвратной дорожке в каждом контуре, либо только втором контуре. Обычно палец перемещается медленнее по второй дорожке паза, чем по первой. Движение пальца по первой дорожке обычно происходит с максимальной скоростью. Однако, движение пальца по второй (возвратной) дорожке преднамеренно замедленно для обеспечения большего промежутка времени в целях изменения направления движения пальца по второй дорожке паза. Это обеспечивает больше времени для перехода между двумя контурами, который может осуществляться проще и более точно, как правило, с использованием обычного оборудования на поверхности, например, насосов. Обычно разница в скорости перемещения по двум дорожкам может контролироваться гидравликой, к примеру, путем использования различных траекторий движения жидкости при перемещении пальца соответственно по первой и второй дорожкам. К примеру, палец может двигаться медленней по второй дорожке, чем по первой, поскольку нагнетающее движение жидкости, воздействующее на палец на второй дорожке, может подвергаться действию ограничителя потока на пути движения жидкости, тогда как жидкость, приводящая в движение палец на первой дорожке, обычно перемещается по пути с большей пропускной способностью и меньшим сопротивлением потоку жидкости. Если необходимо, пути движения жидкости для первой и второй дорожек могут быть структурно идентичными, а разница в скорости может регулироваться функционально, к примеру, с использованием различного давления при перемещении пальца по каждой из дорожек для уменьшения скорости движения пальца по второй дорожке в сравнении с движением по первой.
Если необходимо, различные участки (к примеру, отклоненный и прямолинейный) второй дорожки имеют различные характеристики в том, что касается максимальной возможной скорости перемещения пальца на этих участках, и в типовых вариантах исполнения изобретения палец может перемещаться быстрее по хотя бы одному отклоненному участку второй дорожки, чем по осевому участку. Таким образом, эти дифференциальные ограничения скорости перемещения пальца по пазу позволяют осуществлять быстрое перемещение пальца в точку, в которой происходит переход между двумя контурами, а затем - контролируемое замедленное движение по зоне перехода паза, предоставляющее больше времени (к примеру, несколько минут) для запуска изменения с оборудования на поверхности в целях осуществления перехода между смежными контурами; затем может иметь место более быстрое движение обратно в исходное положение первой дорожки после прохождения пальцем точки перехода, в которой возможно перемещение между контурами.
Если необходимо, ограничение скорости осуществляется ограничителями потока жидкости, а палец приводится в движение по пазу гидравликой. Однако в других вариантах исполнения, где палец приводится в движение по пазу другими средствами, в качестве ограничителей скорости могут использоваться другие компоненты.
Аппарат может использоваться для управления клапаном, к примеру, для перемещения муфты/поршня в целях открытия или закрытия одного или нескольких отверстий для обеспечения или ограничения или запирания потока жидкости, например, в циркуляционном клапане. Аппарат может использоваться для управления режущим механизмом, к примеру, для перемещения муфты/поршня в целях выдвижения режущего элемента из корпуса механизма, например, в устройстве для расширения скважины, таком как ножевой уширитель. Контуры могут быть сконфигурированы так, чтобы оператор мог осуществлять циркуляцию жидкости через механизм без выдвижения резцов при использовании первого контура. Конфигурация второго контура может предусматривать переключение между позициями резца без выдвижения и с выдвижением на 50%, тогда как третий контур может быть сконфигурирован таким образом, чтобы осуществлять переключение между позициями резца без выдвижения и с выдвижением на 100%. Также возможны варианты исполнения аппарата, предусматривающие выдвижение и возврат лезвий стабилизаторов. Возможны многие другие способы использования аппарата.
Аппарат особо полезен тем, что предусматривает возможность циклического перемещения между различными холостыми конфигурациями без необходимости включения управляемого механизма. Это позволяет осуществлять управление другими приводимыми в действие давлением механизмами в колонне независимо от оборудования, управляемого с помощью варианта исполнения изобретения. Также возможно разделение содержащей данный аппарат колонны для подъема на поверхность в целях добавления или удаления трубных секций без изменения конфигурации устройства; к примеру, без полного или частичного включения/выключения устройства, поскольку палец может не перемещаться между первым и вторым контурами в течение необходимого времени, которое задает оператор.
Обычно аппарат включает в себя проходящий сквозь корпус канал, обеспечивающий прохождение жидкости через аппарат. Если необходимо, ствол корпуса может быть центрован со стволом колонны, в которой устанавливается аппарат.
Обычно поршень может перемещаться под давлением жидкости в стволе корпуса. Обычно ствол обеспечивает передачу давления через аппарат в колонне для включения других расположенных в ней механизмов.
Если необходимо, муфта/поршень могут смещаться упругим устройством, таким как пружина (например, спиральная пружина), в осевом направлении, а давление жидкости (или другая сила, приводящая в движение палец в пазе) может действовать в направлении, противоположном силе упругого устройства. Таким образом может обеспечиваться смещение муфты/поршня в одном направлении, например, вверх, а аппарат может при необходимости включаться под действием давления жидкости (или иной движущей силы) для перемещения муфты/поршня вниз, в направлении, противоположном действию упругого устройства.
Различные варианты данного изобретения могут быть реализованы отдельно или в сочетании с одним или несколькими другими вариантами, что может быть высоко оценено соответствующими специалистами. Различные варианты изобретения могут при необходимости использоваться в сочетании с дополнительными возможностями других вариантов изобретения. Кроме того, дополнительные возможности, описанные в отношении одного варианта исполнения, могут обычно использоваться отдельно или в сочетании с возможностями других вариантов исполнения изобретения.
Далее будут подробно описаны различные варианты исполнения и варианты изобретения со ссылками на соответствующие характеристики. Будут полностью рассмотрены все прочие варианты, характеристики и преимущества настоящего изобретения, включая фигуры, иллюстрирующие ряд представленных примеров исполнения, вариантов и модификаций. Изобретение также предусматривает возможность других и различных вариантов исполнения и вариантов, и некоторые приводимые в этой связи данные могут изменяться в различных отношениях без отклонения от смысла и цели данного изобретения. Соответственно, чертежи и описания следует рассматривать как носящие иллюстрационный характер, не предусматривающие ограничений. Кроме того, используемые термины и словосочетания носят исключительно описательный характер и не подлежат истолкованию, каким-либо образом ограничивающим объем их применения. Языковые средства, выражающие значение содержания, состава и т.п., а также их варианты, подлежат наиболее широкому толкованию и охватывают соответствующий предмет, эквиваленты и дополнительные предметы без каких-либо ограничений, а также без исключения других дополнений, компонентов, сущностей или этапов. Таким образом, термин «содержащий» считается синонимичным оборотам «включающий в себя» или «состоящий из» в соответствующем юридическом смысле.
Любое упоминание документов, актов, материалов, устройств, статей и т.п.приводится в данном документе исключительно в целях представления контекста для настоящего изобретения. Не предполагается и не заявляется, что все эти материалы или какие-либо из них относятся к предшествующим изобретениям или были широко известны в области, к которой относится настоящее изобретение.
В данном описании изобретения в любом случае, когда какая-либо структура, элемент или группа элементов вводится с использованием предшествующего оборота «включая», следует понимать, что авторы также имеют в виду соответствующую структуру, элемент или группу элементов, как если бы она вводилась в описание с использованием оборотов «по существу состоящий из», «состоящий из», «относящийся к группе, состоящей из», «включающий в себя» или «является», предшествующих перечислению структуры, элемента или группы элементов, и наоборот.
Все числовые значения в данном описании следует истолковывать как используемые со словом «приблизительно». Все элементы или какие-либо иные компоненты, упоминаемые в данном описании в единственном числе, следует понимать, как упоминаемые также во множественном числе, и наоборот.
В прилагающихся чертежах:
Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе сбоку первого циркуляционного механизма, включающего в себя аппарат согласно изобретению, в первой закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре, а циркуляционный механизм закрыт.
Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 1 во второй закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре, а циркуляционный механизм закрыт.
Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 1 в третьей переходной конфигурации, в которой палец находится в положении перехода во второй контур.
Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 1 в первой открытой конфигурации, в которой палец находится во втором контуре, а циркуляционный механизм открыт.
Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе сбоку, аналогичный фиг. 2, где циркуляционный механизм находится в закрытой конфигурации, но палец находится во втором контуре.
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе сбоку, аналогичный фиг. 4, где циркуляционный механизм находится в открытой конфигурации, но палец находится во втором контуре.
Фиг. 7 представляет собой вид в разрезе сбоку, аналогичный фиг. 3, где палец находится в положении перехода в смежный первый контур.
Фиг. 8 представляет собой схематический вид сверху паза аппарата с фиг. 1, как если бы поверхность поршня была рассечена по оси вдоль линии А-А на фиг. 9 и развернута в одной плоскости.
Фиг. 9 представляет собой вид в перспективе поршня аппарата с фиг. 1 с демонстрацией линии сечения А-А.
Фиг. 10 представляет собой вид в разрезе сбоку второго циркуляционного механизма, включающего в себя аппарат согласно изобретению, в первой закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при низком давлении в стволе, а циркуляционный механизм закрыт.
Фиг. 11 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 10 во второй закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при высоком давлении в стволе, а циркуляционный механизм закрыт.
Фиг. 12 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 10 в третьей переходной конфигурации, в которой давление снижается, а палец находится в позиции перехода из первого контура во второй.
Фиг. 13 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 10 в первой открытой конфигурации, в которой палец находится во втором контуре при высоком давлении, а циркуляционный механизм открыт с возможностью циркуляции жидкости.
Фиг. 14 представляет собой вид в разрезе сбоку, аналогичный фиг. 11, где циркуляционный механизм находится в закрытой конфигурации при низком давлении в стволе, но в котором палец находится во втором контуре.
Фиг. 15 представляет собой вид в разрезе сбоку, аналогичный фиг. 12, где давление снижается, а палец находится в положении перехода в смежный первый контур.
Фиг. 16 представляет собой вид в разрезе сбоку третьего циркуляционного механизма, включающий в себя аппарат согласно изобретению, в первой закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при низком давлении в стволе, а циркуляционный механизма закрыт с открытым внутренним каналом для прохождения сквозь механизм.
Фиг. 17 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 16 во второй закрытой конфигурации, где палец находится в первом контуре при высоком давлении в стволе, а циркуляционный механизм закрыт с открытым внутренним каналом для прохождения сквозь механизм.
Фиг. 18 представляет собой вид в разрезе сбоку циркуляционного механизма с фиг. 16 в первой открытой конфигурации, в которой палец перемещен во второй контур при высоком давлении в стволе, циркуляционный механизм открыт, обеспечивая циркуляцию жидкости, а внутренний канал для прохождения сквозь механизм закрыт.
Фиг. 19 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма для расширения скважины в первой закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при низком давлении в стволе, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
Фиг. 20 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 19 во второй закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при высоком давлении в стволе, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
Фиг. 21 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 19 в первой открытой конфигурации, в которой палец находится во втором контуре при высоком давлении, резец выдвинут, а циркуляционное отверстие открыто.
Фиг. 22 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 19 с резцом в закрытой конфигурации при низком давлении в стволе, но в котором палец находится во втором контуре, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
Фиг. 23 представляет собой вид в разрезе сбоку модифицированного механизма для расширения скважины в первой закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при низком давлении в стволе, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
Фиг. 24 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 23 во второй закрытой конфигурации, в которой палец находится в первом контуре при высоком давлении в стволе, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
Фиг. 25 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 23 в первой открытой конфигурации, в которой палец находится во втором контуре при высоком давлении, резец выдвинут, а циркуляционное отверстие открыто.
Фиг. 26 представляет собой вид в разрезе сбоку механизма с фиг. 23 с резцом в закрытой конфигурации при низком давлении в стволе, но в которой палец находится во втором контуре, резец втянут, а циркуляционное отверстие закрыто.
На фиг. 27-29 представлены три вида поршня, аналогичные фиг. 8, на которых показаны альтернативные варианты паза, используемого в различных конструкциях поршня, который применяется в устройстве с фиг. 1.
На фиг. 30a и b представлен дополнительный пример механизма в разрезе и местный вид сбоку первой неактивной конфигурации без давления, в которой палец находится в первом контуре (выключение).
Фиг. 31a и b представляют собой виды, аналогичные фиг. 30, для механизма во второй неактивной конфигурации под давлением, в которой палец находится в первом контуре.
Фиг. 32a и b представляют собой виды, аналогичные фиг. 30, для механизма в первой активной конфигурации, в которой механизм находится под давлением, а палец находится во втором контуре (включение).
Фиг. 33a и b представляют собой аналогичные виды для механизма в конфигурации без давления, в которой палец находится во втором контуре. Применительно к чертежам, на фиг. 1 представлен первый пример аппарата для управления скважинным механизмом в соответствии с изобретением в разрезе. Аппарат на фиг. 1 включает в себя устройство управления 1 с корпусом 5, имеющим муфтовые соединения на соответствующих концах, обеспечивающие соединение корпуса 5 с колонной нефтяной или газовой скважины. Колонна может содержать ряд трубчатых устройств, соединенных непрерывной цепью над или под аппаратом управления 1. Как показано на фигурах, в этом примере, аппарат 1 установлен в колонне таким образом, что левая сторона корпуса 5 расположена в самом низу, а правая сторона корпуса 5 расположена ближе к поверхности; однако в других примерах могут быть реализованы различные конфигурации. Корпус 5 имеет центральный ствол 5b с тремя обращенными вверх плечами; первое плечо 6и рядом с верхним концом, второе плечо 61 рядом с нижним концом и меньшее по размеру третье плечо 6 т посередине. Ствол 5b располагается между двумя концами корпуса 5 и обеспечивает прохождение жидкости через корпус 5. Расходная труба 10 проходит вдоль оси через корпус 5 коаксиально основной оси ствола 5b и имеет ограниченный внутренний диаметр, аналогичный внутреннему диаметру ствола 5b под нижней ступенью 61. Расходная труба герметизирована по внешней поверхности в нижней части расходной трубы 10; обычно она завинчивается с уплотнением во внутреннюю резьбу горловины ствола 5b под нижней ступенью 61, а ее верхний конец удерживается по месту втулкой или стопорным кольцом, входящим в зацепление с воротом 12, который обычно завинчивается во внутреннюю резьбу внутренней поверхности секции ствола 5b большего диаметра над первой ступенью 6и. Таким образом, расходная труба 10 обычно фиксируется коаксиально в стволе 5b. Вместо винтовой резьбы соединение расходной трубы 10 с внутренним стволом может быть осуществлено с помощью втулки или стопорного кольца. В этом примере расходная труба 10 механически завинчена в корпус 5 только в нижней части и удерживается в верхней части воротом 12, но в альтернативном варианте фиксация может осуществляться винтовой резьбой или втулкой с каждой стороны.
Расходная труба 10 определяет кольцевое пространство между внешней поверхностью расходной трубы 10 и внутренней поверхностью ствола 5b в корпусе 5. Внутри кольцевого пространства в нижней части механизма находится пружина 7. Пружина 7 опускается до обращенной вверх поверхности нижней ступени 61. Обычно пружина 7 удерживается в сжатом состоянии поршнем 20, установленным внутри кольцевого пространства над пружиной 7 и охватывающим верхнюю часть расходной трубы 10. Сжатие пружины 7 между обращенной вверх поверхностью нижней ступени 61 и обращенной вниз поверхностью поршня 20 толкает поршень 20 вверх в кольцевом пространстве, прижимая его к нижней поверхности ворота 12. Сила пружины 7 обычно подбирается относительно слабой в разжатой конфигурации, как показано на фиг. 1, необходимо обеспечить превосходство давления жидкости в кольцевом пространстве выше поршня 20 над силой пружины 7, обеспечивая возможность движения поршня 20 в осевом направлении внутри кольцевого пространства, как будет описано ниже. Поршень 20 обычно имеет уплотнения на внутренней и внешней поверхностях, что обеспечивает его движение под действием жидкости в кольцевом пространстве и предотвращает прохождение жидкости. Скользящее движение поршня в кольцевом пространстве для сжатия пружины обычно выталкивает жидкость под поршнем через выпускное отверстие 8, что позволяет исключить запирание поршня.
Корпус оснащен рядом разнесенных вдоль окружности циркуляционных отверстий 30, позиции которых совпадают по оси, но различаются по окружности относительно корпуса 5. Они центрованы по оси с отверстиями 11, проходящими через стенку расходной трубы 10. Циркуляционные отверстия 30 проходят сквозь стенку корпуса 5 и обеспечивают прохождение жидкости через ствол 5b корпуса и внешнюю поверхность корпуса 5 в определенных обстоятельствах. Однако в позиции, показанной на фиг. 1, внутренняя поверхность отверстий 30 (и внешняя поверхность отверстий 11) закрывается поршнем 20, имеющим уплотнения сверху и снизу в осевой позиции отверстий 11 и 30, что исключает перемещение жидкости между стволом 5b и внешней поверхностью корпуса, если поршень 20 находится в положении, показанном на фиг. 1.
Поршень 20 имеет ряд отверстий 25, разнесенных по окружности на то же расстояние, что и циркуляционные отверстия 30 корпуса 5. Расходная труба 10 также имеет ряд отверстий 11, разнесенных по ее окружности. В других примерах шаблон разнесения по окружности отверстий 11 в расходной трубе 10 может совпадать или отличаться от шаблона разнесения отверстий 30 корпуса 5. В данном примере отверстия 11 выровнены с отверстиями 30. Однако, осевое положение отверстий 11 в расходной трубе 10 таково, что отверстия 25 поршня 20 выравниваются с отверстиями 11 по оси, только когда нижняя поверхность поршня 20 опускается на плечо 6m. Отверстия 25 поршня 20 сконфигурированы аналогично с общим положением по оси на поршне. Движение поршня 20 вниз по стволу 5b, сжимающее пружины, приводит отверстия 25 поршня 20 в положение осевого совмещения с отверстиями 30 корпуса 5, а также с отверстиями 11 расходной трубы 10, благодаря чему открывается путь для перемещения жидкости между стволом 5b корпуса 5 и внешней поверхностью корпуса.
Движение поршня 20 внутри ствола 5b регулируется конфигурацией пальца и паза, ограничивающего осевое перемещение поршня 20 внутри ствола 5b и задающего вращение поршня вокруг своей оси. Поршень 20 выполнен в форме муфты, имеющей осевой канал, а паз управления в этом примере выполнен на внешней поверхности поршня. Конфигурация пальца и паза показана на фиг. 8. В этом примере палец 40 вставлен через резьбовой канал, проходящий сбоку через боковую стенку корпуса 5, и перемещается через канал на небольшое расстояние, достаточное для зацепления с пазом 50 и удержания пальца 40 в пазе 50 при движении поршня 20 вверх и вниз. Паз 50 обычно располагается на внешней поверхности поршня 20. В альтернативных примерах паз может быть расположен на отдельной муфте, которая может быть соединена с поршнем, либо палец может располагаться на поршне и выступать наружу с вхождением в направленный внутрь паз на внутренней поверхности ствола, либо на отдельной муфте, соединенной со стволом. Конфигурация пальца и паза может быть сформирована на устройстве 1 аппарата, но это не принципиально, и конфигурация пальца и паза может быть обеспечена с помощью отдельного компонента.
Паз 50 в устройстве 1 имеет минимум два контура, т.е. паз имеет первый контур, позволяющий пальцу 40 перемещаться между различными позициями, определяющими две различные закрытые конфигурации поршня 20, в которых отверстия 25 поршня не совмещены с отверстиями 30 корпуса 5 и отверстиями 11 расходной трубы 10, в результате чего перемещение жидкости блокируется, и второй контур, в котором палец 40 циклически перемещается между двумя различными позициями в пазе 50, соответствующими различным конфигурациям поршня 20, в которых путь для прохождения жидкости через отверстие 30 открыт или закрыт. Палец 40 может перемещаться между двумя контурами в выбранное оператором время, как будет описано далее; также существует возможность циклического перемещения между двумя конфигурациями в каждом контуре без обязательного перехода между контурами, каковой переход осуществляется по усмотрению оператора. Таким образом, возможно циклическое переключение устройства между различными холостыми конфигурациями, в которых внешние отверстия 30 закрыты и предотвращают прохождение через них жидкости, но по усмотрению оператора конфигурация пальца и паза может быть изменена с переводом пальца во второй контур, что позволяет осуществлять открытие и закрытие внешних отверстий 30.
Давление жидкости в стволе 5b сообщается поршню 20 посредством осевого отверстия 12p, проходящего в осевом направлении через ворот 12 и обеспечивающего прохождение жидкости между стволом 5b и кольцевым пространством между расходной трубой 10 и внутренней поверхностью ствола 5b. Внутренняя и внешняя поверхности поршня 20 имеют уплотнения над и под отверстиями 25. Таким образом, изменения давления в стволе 5b сообщаются верхней поверхности поршня 20 через отверстие 12р и обеспечивают осевое скользящее перемещение поршня 20 в результате изменения давления, к примеру, для сжатия пружины 7, если давление достаточно высоко для преодоления ее силы упругости. Вращение поршня вокруг расходной трубы 10 регулируется ограничениями, относящимися к движению пальца 40 в пазе 50, контролирующему движение поршня.
На фиг. 1 показано положение покоя устройства управления 1, в котором ствол 5b не находится под давлением, а пружина 7 толкает поршень 20 вверх в кольцевом пространстве к нижней поверхности ворота 12. Противодействующая сила, ограничивающая дальнейшее осевое движение поршня 20, обычно обеспечивается воротом 12; хотя палец 40, как показано на фиг. 1, находится в нижней части паза 50 на внешней поверхности поршня 20, обычно длина паза 50 выбирается так, чтобы удерживающая поршень 20 сила обеспечивалась резьбой, фиксирующей ворот 12 на месте на внутреннем стволе корпуса 5, а палец 40 осуществлял поворотное движения поршня 20, не препятствуя осевому движению поршня 20 при высоком давлении. Обычно сила пружины относительно низка (примерно 300 фунт-сила-футов при минимальном сжатии и 1000 фунт-сила-футов при максимальном сжатии). При возрастании давления в стволе 5b давление жидкости сообщается через отверстие 12p и обеспечивает движение поршня 20 вниз внутри кольцевого пространства, как показано на фиг. 2.
1
Как лучше всего видно по фиг. 8, начальное положение пальца 40 находится в точке Р1 на фиг. 8 в нижней части глухого конца осевого участка паза 50. Когда поршень 20 начинает перемещаться вниз относительно закрепленного пальца 40, палец 40 совершает осевое движение вверх по глухому концу осевого участка и входит в отклоненный участок 1d, задающий вращение по часовой стрелке поршня 20 относительно закрепленного пальца 40, тогда как палец движется против часовой стрелки по отклоненному участку. Последующий осевой участок прекращает вращение, но направляет осевое движение поршня 20 до перехода на следующий отклоненный участок 1d′ паза 50, на этот раз перемещаясь по часовой стрелке в направлении глухого конца осевого участка паза, завершающегося в позиции Р2, соответствующей позиции паза 40 (Вероятно, опечатка, поскольку номер 40 соответствует палец, а пазу соответствует номер 50. (- Прим. пер.)), как показано на фиг. 2. Перемещение пальца 40 от первого осевого участка с глухим концом через первый отклоненный участок 1d против часовой стрелки, через первый осевой переход на второй отклоненный участок 1d′ с движением по часовой стрелке и, наконец, ко второму глухому концу осевого участка P2 является первой траекторией в первом контуре паза 50.
В показанном на фиг. 2 положении палец 40 переместился в верхнюю часть первой дорожки в первом контуре, закончившемся в положении P2, показанном на фиг. 8. В этом положении дальнейшее осевое движение поршня вверх останавливается. Таким образом, отверстия 25 не совмещаются с отверстиями 11 и 30, и прохождение жидкости невозможно. При снижении давления жидкости в стволе 5b, к примеру, в результате менее интенсивной работы насосов на поверхности, сила пружины 7 становится способна преодолеть давление жидкости и перемещает поршень 20 вверх по кольцевому пространству, в результате чего палец 40 опускается по пазу 50. Начиная с позиции Р2, в которой конфигурация пальца 40 и паза 50 соответствует показанной на фиг. 2, палец 40 перемещается вниз по осевому участку паза с глухим концом, но не входит в отклоненный участок первой дорожки 1d′, а вместо этого перемещается в отклоненный участок 2d второй дорожки или возвратной дорожки первого контура. Вторая (или возвратная) дорожка первого контура включает в себя первый отклоненный участок 2d, направляющийся против часовой стрелки, осевой участок и второй отклоненный участок 2d′, направляющийся обратно по часовой стрелке и соединяющийся с осевым участком с глухим концом, совпадающим с первой дорожкой в точке P1, где палец 40 начинал свое движение на фиг. 1. При условии, что поршень 20 продолжает двигаться вверх, в результате чего палец непрерывно перемещается вниз по второй возвратной дорожке, палец 40 циклически возвращается в начальное положение P1 и становится готов к новому циклу прохождения по первой дорожке. Устройство 1 может циклически двигаться подобным образом в двух дорожках контура, повышая и понижая давление в течение любого числа циклов и без включения механизма. Это полезно, поскольку обычно время от времени необходимо отключать насосы на поверхности, к примеру, чтобы осуществить соединение колонны, добавить или удалить трубную секцию. Таким образом, при конфигурации аппарата по данному примеру насосы могут включаться и выключаться на поверхности для увеличения или сокращения длины колонны без включения или выключения механизма, контролируемого устройством 1, поскольку палец просто циклически перемещается в двух дорожках контура, где оба положения в пазу соответствуют неактивной конфигурации механизма.
Первая и вторая дорожки, описанные выше, образуют первый контур и позволяют пальцу 40 циклически перемещаться по нему неограниченное количество раз для создания или демонтажа соединений на поверхности без включения или выключения скважинного механизма, управляемого устройством 1.
Когда устройство 1 готово к открытию циркуляционных отверстий 30, палец 40 циклически перемещается по первой дорожке из положения P1 в положение P2, как показано на переходе между фиг. 1 и 2, и по возвратной или второй дорожке первого контура переходит из первого контура во второй. Это осуществляется на второй дорожке первого контура и, в частности, в данном примере, когда палец 40 выходит из первого отклоненного участка второй дорожки, до того как покидает ее для возвращения на первую осевую дорожку, соответствующую начальному положению P1. В определенной точке этого перехода P3 между концом первого отклоненного участка и концом второго отклоненного участка направление движение муфты/поршня реверсируется, обычно путем переключения или регулировки насосов на поверхности, к примеру, в результате повышения интенсивности их работы, для изменения осевого направления, в котором движется поршень 20 в кольцевом пространстве. В этой точке P3 вместо движения вниз по второй дорожке переходной области между концом первого отклоненного участка и концом второго отклоненного участка поршень 20 начинает двигаться вниз в кольцевом пространстве, а палец 40 соответственно движется вверх по переходному участку паза 50. В верхней части осевого участка второй дорожки дорожка соединяется с Y-образной развязкой, одна из ветвей которой отводится и образует первый отклоненный участок второй дорожки в первом контуре, а вторая ветвь (обычно центрованная по оси с осевым участком) ведет ко второму контуру. В силу геометрии паза, когда палец 40 перемещается вверх по переходному участку, он переходит во второй контур и не возвращается в отклоненный участок 2d второй дорожки первого контура. Соответственно, палец 40 перемещается по отклоненному участку второго контура в положение Р4 в конце более длинной осевой дорожки, соответствующее позиции устройства 1, показанной на фиг. 4. Более длинная осевая дорожка в Р4 обеспечивает большее расстояние перемещения поршня 20 вниз в кольцевом пространстве, пока он не опускается на среднюю ступень 6m, выступающую в качестве упора поршня, и в этой точке поршень 20 больше не может перемещаться вниз вдоль оси. В то же время палец 40 находится в положении Р4 и максимально приближен к самой верхней точке паза, как показано на фиг. 4, но сила реакции, противодействующая давлению жидкости, обычно обеспечивается ступенью 6m, а не полностью пальцем 40 (хотя это возможно). В этой позиции Р4 отверстия 11, 25 и 30 совмещены по оси, что позволяет жидкости перемещаться между внутренним стволом расходной трубы через отверстия расходной трубы 11, отверстия поршня 25 и отверстия корпуса 30 на внешнюю поверхность механизма, как показано на фиг. 4. Если необходимо, отверстия 11 могут также совмещаться по окружности с отверстиями 25 и 30, но это не принципиально. Это позволяет жидкости циркулировать из ствола 5b над устройством управления 1 через отверстия под высоким давлением, что полезно для поддержания циркуляции обломков, позволяющей осуществлять их возвращение на поверхность. Циркуляция продолжается под высоким давлением, позволяя предусмотренному изобретением циркуляционному устройству поддерживать, к примеру, шлам и другие обломки в кольцевом пространстве между внешней поверхностью корпуса 5 и внутренней поверхностью ствола скважины в виде взвеси и вымывать их обратно на поверхность.
По завершении циркуляционных операций, когда циркуляция должна быть прекращена, насосы на поверхности отключаются (или регулируются иным образом), и сила пружины возвращает поршень 20 в положение, показанное на фиг. 5, с перемещением пальца вдоль второй (или возвратной) дорожки второго контура. Вторая (или возвратная) дорожка второго контура в целом идентична по структуре и функционированию второй (или возвратной) дорожке первого контура, но пружина возвращает поршень 20 таким образом, что палец 40 перемещается в холостое положение Р5, как показано на фиг. 8 и на фиг. 5, но более длинный осевой участок с глухим концом паза 50 (показан на фиг. 5, в противоположность более короткому пазу на фиг. 1) позволяет механизму активировать циркуляцию, если необходимо, путем увеличения давления для перемещения пальца 40 в положение Р4, как показано на фиг. 8, соответствующее положению, показанному на фиг. 4, где палец 40 находится в конце длинного осевого участка паза в точке Р4, а отверстия совмещены, позволяя жидкости циркулировать сквозь стенки механизма. Подобно первому контуру, второй позволяет совершать многочисленные циклы активации и деактивации в соответствии с включением и выключением насосов на поверхности, в то время как палец циклически перемещается по второму контуру. Это увеличение давления в стволе 5b циклически переключает устройство управления между чередующимися активными и неактивными конфигурациями, показанными на фиг. 4 и 5 (в соответствии с положениями Р4 и Р5 на фиг. 8), необходимое количество раз, без переключения механизма в какую-либо иную конфигурацию, а также без выхода пальца из второго контура до тех пор, пока это не потребуется оператору. По завершении циркуляционных операций, когда дальнейшая циркуляция не требуется, палец 40 может быть перемещен в положение Р4, как показано на фиг. 4, прежде чем начать двигаться по возвратной (или второй) дорожке второго контура. Как и в первом контуре, предусмотрена область перехода Р6 между концами первого и второго отклоненных участков возвратной дорожки, поэтому когда палец 40 достигает конца первого отклоненного участка возвратной дорожки, и прежде чем он достигнет конца второго отклоненного участка, направление движения поршня 20 может быть изменено путем изменения режима работы насосов с поверхности, в результате чего палец 40 перемещается в противоположном направлении в области перехода Р6, показанной на фиг. 8, двигаясь в противоположном направлении для входа на первую дорожку следующего контура и завершая цикл фактически в конце короткого участка с глухим концом в точке Р2′, как показано на фиг. 8. Устройство управления по существу возвращается в положение Р2, показанное на фиг. 2, но циклически перемещается из первого контура через второй контур, после чего входит в следующий (первый) контур, а палец может возвращаться в позицию РГ в этом следующем контуре, возвращая поршень в положение, показанное на фиг. 1 (но с перемещением через один цикл), с готовностью к дальнейшей работе с самого начала.
На фиг. 10-15 представлен дополнительный пример 101 устройства управления с фиг. 1-9 с аналогичными компонентами, ссылки на которые оформлены с теми же номерами, но увеличенными на 100; компоненты, идентичные используемым в ранее представленном примере, не будут подробно описываться здесь, но читатель может воспользоваться предыдущим описанием для получения представления о конструкции и функционировании соответствующих компонентов в этом примере. Во втором примере на фиг. 10-15 поршень 120, палец 140, паз 50, корпус 105, пружина 107, ворот 112, отверстия 111, 125 и 130 фактически все идентичны описанным ранее. Второй пример отличается в отношении расходной трубы 110 и ворота 112, имеющих дополнительные особенности, которые позволяют контролировать скорость движения пальца через переходный участок, что обычно предоставляет больше времени для переключения между дорожками.
Расходная труба имеет ряд разнесенных по окружности отверстий малого сечения 116, которые сконфигурированы в виде кольца и проходят через стенку расходной трубы 110 рядом с верхней частью расходной трубы 110. Точное осевое расстояние кольца отверстий малого сечения 116 обычно выбирается в соответствии с расстоянием прохождения пальца 140 за развязкой между первым и вторым контурами паза 50 в начале осевого участка второй дорожки паза 50, как будет дополнительно описано ниже, но это расстояние может изменяться при необходимости, не нарушая принципов изобретения. Поршень запирает сверху и снизу кольцо отверстий малого сечения 116 в положении, показанном на фиг. 10; верхнее кольцевое уплотнение на внутренней поверхности поршня располагается близко к верхнему краю поршня.
Модифицированный ворот 112 имеет отверстие 112p, обеспечивающий прохождение жидкости под давлением из ствола 105b, но здесь он оснащен односторонним запорным клапаном 113, позволяющим жидкости проходить в кольцевое пространство из ствола 105b и предотвращающим ее возвращение из кольцевого пространства в ствол 105b. Обычно используются три отверстия 112p, каждое из которых оснащено соответствующим односторонним клапаном 113. Клапаны обычно обеспечивают высокие значения давления и скорости потока жидкости в разрешенном направлении, позволяя быстро осуществлять заполнение кольцевого пространства и передачу давления на поршень 120, что обуславливает относительно низкие потери при передаче. Также ворот обычно оснащается равноудаленными от соседних отверстий 112p спускными клапанами 114 (минимум один, но при необходимости больше одного), позволяющими жидкости возвращаться из кольцевого пространства в ствол 105b. Спускной клапан 114 может быть регулируемым, если это необходимо. Обычно спускной клапан имеет очень небольшой диаметр канала, либо может быть отрегулирован таким образом, чтобы поддерживать очень низкую скорость потока, обычно диаметр спускного клапана 114 значительно меньше, чем отверстие 112p и диаметр запорного клапана 113. Поскольку поршень 120 имеет уплотнения в кольцевом пространстве на внутренней и внешней поверхностях, жидкость может покидать кольцевое пространство над поршнем только через спускной клапан 114. Таким образом, скорость прохождения жидкости через спускной клапан определяет скорость, с которой поршень может возвращаться вверх в кольцевом пространстве после снижения давления. Эта скорость движения может регулироваться настройкой спускного клапана.
При эксплуатации давление в стволе 105b толкает поршень 120 вниз в кольцевом пространстве, перемещая палец 140 вверх в пазе из положения P1 в P2. Устройство может циклически переключаться между конфигурациями Р1 и Р2, как было описано выше. Кольцевое пространство быстро заполняется, поскольку отверстия большого сечения 112p ствола и односторонние клапаны 113 существенно не ограничивают заполнение кольцевого пространства, в результате чего поршень относительно быстро движется вниз (а палец движется вверх по первой дорожке первого контура) в положение, показанное на фиг. 2.
Однако, возвращение поршня вверх в кольцевом пространстве и движение пальца вниз по второй (возвратной) дорожке первого контура требуют, чтобы жидкость в кольцевом пространстве над поршнем выходила из кольцевого пространства, позволяя поршню 120 двигаться вверх. Жидкость в кольцевом пространстве не может проходить через запорный клапан 113. Когда поршень находится в положении, показанном на фиг. 2, а палец 140 в положении Р2, жидкость в кольцевом пространстве может выходить в ствол 105b через отверстия малого сечения 116, а также через спускной клапан 114. Суммарное сечение потока отверстия малого сечения 116 довольно велико, и вначале поршень 120 движется вверх быстро, поскольку жидкость в основном проходит через отверстия малого сечения 116. Когда верхнее уплотнение поршня проходит уровень отверстий малого сечения 116, палец проходит Y-образную развязку между первым и вторым контурами, находится в переходной зоне в позиции P3 и готов к переходу из первого контура во второй. В этот момент уплотнения поршня закрывают отверстия малого сечения 116, блокируя прохождение жидкости через отверстия малого сечения 116, в результате чего жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через спускной клапан 114 с малым сечением в вороте 112. Скорость потока через спускной клапан малого сечения гораздо ниже, чем через отверстия малого сечения 116 и отверстия 112p, а последние закрыты запорными клапанами 113, поэтому поршень 120 движется очень медленно через переходную область P3, и поэтому палец остается в переходной области P3 в течение более долгого периода, который может быть отрегулирован путем изменения разницы давления и настройки спускного клапана. Обычно настройки позволяют пальцу оставаться в переходной области второй (возвратной) дорожки в положении P3 в течение, к примеру, 15 секунд - 2 минут или дольше, в зависимости от характеристик спускного клапана 114 и разницы давления. Насосы на поверхности могут быть выключены, если необходимо, возможно внесение изменений в конфигурацию колонны, как было описано ранее, благодаря циклическому движению пальца в неактивном первом контуре.
Переключение между контурами обычно осуществляется только по решению оператора. Для переключения контуров оператор обычно увеличивает скорость потока, в результате чего палец переходит в положение Р2, а оператор затем сокращает (или полностью прекращает) нагнетание давления насосами на поверхности примерно на 15 секунд - 2 минуты, чтобы позволить пальцу переместиться в переходную область P3, после чего, пока палец все еще находится в переходной области P3, оператор вновь увеличивает скорость потока для перевода пальца в положение Р4. Кольцевое пространство заполняется скважинной жидкостью, проходящей через запорные клапаны большого сечения 113 и отверстия 112p и перемещающей поршень 120 вниз в кольцевом пространстве (а палец 140 вверх в пазе 50) в положение Р4, что должно произойти быстро в результате большего совокупного сечения отверстий 112p и запорных клапанов 113. Таким образом, во втором примере оператор может управлять временем перехода с большей точностью. Другие операции в этом примере аналогичны ранее описанной процедуре в последнем примере. Любые операции с бурильной колонной при выключенных насосах обычно занимают больше времени, чем время перехода пальца для возврата через переходную область P3 в положение Р1 (15 секунд - 2 минуты). Это позволяет вносить изменения в конфигурацию бурильной колонны, добавляя или удаляя трубные секции, пока палец непрерывно циклически перемещается по двум дорожкам первого контура. Обычно добавление секции бурильной колонны занимает больше 2 минут.
На фиг. 16-18 представлен модифицированный пример 201 устройства управления 101 с фиг. 10-15 с аналогичными компонентами, ссылки на которые имеют те же номера, но увеличенные на 100; компоненты, идентичные используемым в предыдущих примерах, не будут подробно описываться далее, но читатель может воспользоваться предыдущими примерами для получения представления о конструкции и функционировании соответствующих компонентов этого примера. В третьем примере, представленном на фиг. 16-18, поршень 220, палец 240, паз 50, корпус 205, пружина 207, ворот 212, отверстия 211, 225 и 230 идентичны описанным ранее.
Расходная труба 210 имеет ту же конфигурацию отверстий малого сечения 216 с расположением уплотнений поршня над и под кольцом отверстий малого сечения 216.
Модифицированный ворот 212 оснащен отверстием 212р, позволяющим жидкости проходить под давлением из ствола 205b и оснащенным односторонним запорным клапаном 213, аналогичным клапану 113, который позволяет жидкости проходить в кольцевое пространство из ствола 205b, но препятствует ее возвращению из кольцевого пространства в ствол 205b. Обычно используются три отверстия 212p, каждое из которых оснащено соответствующим односторонним клапаном 213. Также ворот 212 оснащается обычно равноудаленными от соседних отверстий 212p спускными клапанами 214 (минимум один, но при необходимости больше одного), позволяющими жидкости возвращаться из кольцевого пространства в ствол 205b. Спускной клапан 214 может быть регулируемым, как было описано во втором примере, и позволяет контролировать скорость потока жидкости через спускной клапан, в результате чего снижается скорость, с которой поршень может возвращаться вверх в кольцевом пространстве после снижения давления. Эта скорость движения может регулироваться настройкой спускного клапана, как было описано в предыдущем примере.
В третьем примере можно наблюдать, как некоторые устройства, включающие в себя вариант исполнения изобретения, могут обычно использоваться для закрытия ствола под циркуляционным отверстием и отвода большего количества жидкости через циркуляционное отверстие.
Данный пример отличается от второго примера тем, что нижний конец пружины 207 стопорится втулкой, опирающейся на обращенное вверх плечо вокруг суженной горловины ствола 205b. Нижний конец расходной трубы оснащен трубчатым клапаном 215, удерживаемым от вращения в стволе 205b направляющим пальцем. Трубчатый клапан 215 проходит через горловину с плечом и в своей нижней части оснащен запорным устройством, таким как заслонка 219, которая обычно шарнирно закрепляется на одной стороне трубчатого клапана 215. Верхняя поверхность заслонки 219 подгоняется таким образом, чтобы герметично закрывать трубчатый клапан 215, тем самым запирая канал сквозь устройство 201. Нижняя поверхность заслонки 219 выполнена таким образом, чтобы взаимодействовать с дугообразной верхней поверхностью воронки 218 с постепенным изгибом, направляющим траекторию закрытия заслонки вдоль оси шарнирного соединения при осевом движении заслонки и трубчатого клапана вниз по стволу 205b устройства 201. Когда трубчатый клапан переместился вниз по стволу 205b, дугообразная верхняя поверхность воронки 218 направляет закрытие заслонкой 219 нижнего края трубчатого клапана 215. Соответственно, все жидкости, проходящие через верхний конец трубчатого клапана 210, отводятся через отверстия 225 и 230, если они совмещены, и благодаря этому возможно создание большей турбулентности циркуляции в кольцевом пространстве за пределами корпуса 205b.
В остальном принцип действия в данном примере аналогичен предыдущей версии; давление в стволе 205 толкает поршень 220 вниз в кольцевом пространстве, перемещая палец 240 вверх по пазу из положения Р1 в P2. Устройство может циклически переключаться между конфигурациями Р1 и Р2, как было описано выше, без переключения контуров, пока это не потребуется оператору. Кольцевое пространство быстро заполняется, поскольку отверстия большого сечения 212р и односторонние клапаны 213 существенно не ограничивают заполнение кольцевого пространства, благодаря чему поршень относительно быстро движется вниз (а палец движется вверх по первой дорожке первого контура) в положение, показанное на фиг. 2.
Возвращение поршня вверх в кольцевом пространстве и движение пальца вниз по второй (возвратной) дорожке первого контура, как показано на фиг. 3, требуют, чтобы жидкость в кольцевом пространстве над поршнем выходила из кольцевого пространства, позволяя поршню 220 двигаться вверх. Жидкость в кольцевом пространстве не может проходить через запорный клапан 213. Когда поршень находится в положении, показанном на фиг. 2, а палец 240 в положении Р2, жидкость в кольцевом пространстве может выходить в ствол 205b через отверстия малого сечения 216. Суммарное сечение отверстий малого сечения довольно велико, и вначале поршень 220 движется вверх быстро, поскольку жидкость проходит через отверстия малого сечения 216. Когда верхнее уплотнение поршня проходит уровень отверстий малого сечения 216, палец проходит Y-образную развязку между первым и вторым контурами, находится в переходной зоне в позиции P3 и готов к переходу (если необходимо) из первого контура во второй. В этот момент уплотнения поршня закрывают отверстия малого сечения 216, блокируя прохождение жидкости через отверстия малого сечения 216, в результате чего жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через спускной клапан 214 с малым сечением в вороте 212. Скорость потока через спускной клапан малого сечения гораздо ниже, чем через отверстия малого сечения 216 и отверстия 212р, поэтому поршень 220 движется очень медленно, а палец остается в переходной области P3 в течение более долгого периода, который может быть отрегулирован путем изменения разницы давления и настройки спускного клапана. Обычно настройки позволяют пальцу оставаться в переходной области второй (возвратной) дорожки в положении РЗ в течение, к примеру, 15 секунд - 2 минут или дольше. Насосы на поверхности могут быть выключены, если необходимо, возможно внесение изменений в конфигурацию колонны, как было описано ранее. По решению оператора кольцевое пространство может быть снова заполнено через запорные клапаны 213 и отверстия 212p для перемещения поршня 220 вниз в кольцевом пространстве (палец 240 перемещается вверх по пазу 50) в положение Р4, что может быть осуществлено быстро, благодаря большему суммарному сечению отверстий 212р и запорных клапанов 213. Заслонка 219 взаимодействует с воронкой 218, только когда палец входит во второй контур в положение Р4. Таким образом, в третьем примере оператор также может регулировать время переходного этапа с большей точностью и применять большее давление в скважине на циркуляционных отверстиях 230, благодаря закрытию ствола 205b заслонкой 219.
На фиг. 19-22 представлено устройство для расширения скважины, содержащее четвертый пример 301 устройства управления с компонентами, аналогичными описанным ранее; для ссылок на компоненты используются те же номера, но увеличенные на 100, а компоненты, идентичные используемым в предыдущих примерах, не будут подробно описаны далее, но читатель может воспользоваться предыдущими примерами для получения представления о конструкции и функционировании соответствующих компонентов в этом примере. В четвертом примере на фиг. 19-22 поршень 320, палец 340, паз 50, корпус 305, пружина 307, ворот 312, отверстия 311, 325 и 330 идентичны ранее описанным. Расходная труба 310 имеет такое же расположение отверстий малого сечения 316 с расположением уплотнений поршня над и под кольцом отверстий малого сечения 316. Модифицированный ворот 312 оснащен отверстиями 312p, запорными клапанами 313 и спускными клапанами 314, как было описано в предыдущих примерах.
Четвертый пример отличается от предыдущих версий тем, что помимо циркуляционного устройства в нем используется режущий механизм, который в данном примере представляет собой ножевой уширитель. Нижняя часть пружины 307 опирается на обращенное вверх плечо приводной муфты 315, выталкивающей резец 319 радиально наружу из корпуса. Когда приводная муфта 315 перемещается вниз по стволу 305b, резец 319 движется вверх по рамке, преодолевая сопротивление удерживающей пружины 317 и радиально выдвигаясь из корпуса 305 для начала процесса резания.
При эксплуатации давление в стволе 305b перемещает поршень 320 вниз в кольцевом пространстве, в результате чего палец 340 движется вверх по пазу из положения Р1 в Р2. Устройство может переключаться между конфигурациями Р1 и Р2, как было описано выше. Кольцевое пространство быстро заполняется поскольку отверстия большого сечения 312p и односторонние клапаны 313 существенно не ограничивают скорость заполнения кольцевого пространства, в результате чего поршень относительно быстро движется вниз (а палец перемещается вверх по первой дорожке первого контура в положение Р2) в положение, показанное на фиг. 20.
Циклически повторяющееся возвращение поршня вверх в кольцевом пространстве и движение пальца вниз по второй (возвратной) дорожке первого контура контролируются отверстиями малого сечения 316 и спускным клапаном 314, как было описано ранее. Когда верхнее уплотнение поршня проходит уровень отверстий малого сечения 316, палец проходит Y-образную развязку между первым и вторым контурами, находится в переходной области в положении РЗ и готов к переходу из первого контура во второй. В этот момент уплотнения на поршне закрывают отверстия малого сечения 316, блокируя прохождение жидкости через отверстия малого сечения 316, в результате чего жидкость может выходить из кольцевого пространства только через спускной клапан малого сечения 314 в вороте 312. Скорость потока через спускной клапан малого сечения значительно ниже, чем через отверстия малого сечения 316 и отверстия 312p, поэтому поршень 320 движется медленно, а палец остается в переходной области P3 в течение более долгого периода, который может регулироваться путем изменения разницы давления и настройки спускного клапана. Обычно настройки позволяют пальцу оставаться в переходной области второй (возвратной) дорожки в положении P3 в течение 15 секунд - 2 минут или дольше. Насосы на поверхности могут быть выключены, если необходимо, а конфигурация колонны может быть изменена, как было описано раньше, в любое время по усмотрению оператора. Кольцевое пространство может заполняться через запорные клапаны 313 и отверстия 312p для перемещения поршня 320 вниз в кольцевом пространстве (палец 340 движется вверх по пазу 50 в положение Р4), что осуществляется быстро, благодаря большему суммарному сечению отверстий 312p и запорного клапана 313. Таким образом, устройство 305 находится в конфигурации, показанной на фиг. 21, с выдвинутым резцом 319 и открытыми циркуляционными отверстиями. Устройство 305 может быть деактивировано, как было описано раньше для предыдущих примеров; резец 319 возвращается в корпус механизма под действием пружины 317, тогда как поршень 320 перемещается вверх в кольцевом пространстве. Таким образом, в четвертом примере оператор также может контролировать время переходного этапа с большей точностью. Возможны другие аналогичные примеры, в которых не используются резцы или расширительные механизмы, но задействованы выдвигающиеся стабилизирующие элементы, обеспечивающие предварительно заданный радиальный зазор между колонной и внутренней поверхностью ствола скважины.
На фиг. 23-26 представлено устройство для расширения скважины, включающее в себя пятый пример 401 исполнения устройства управления с компонентами, аналогичными ранее описанным; для ссылок на них используются те же номера, но увеличенные на 100, а компоненты, идентичные используемым в предыдущих примерах, не будут подробно описываться далее, но читатель может воспользоваться предыдущими примерами для получения представления о конструкции и функционировании соответствующих компонентов в этом примере. В примере на фиг. 23-26 поршень 420, палец 440, паз 50, корпус 405, пружина 407, ворот 412, отверстия 411, 425 и 430 идентичны ранее описанным. Расходная труба 410 имеет то же расположение отверстий малого сечения 416 с расположением уплотнений поршня над и под кольцом отверстий малого сечения 416. Модифицированный ворот 412 оснащен отверстиями 412р, запорными клапанами 413 и спускными клапанами 414, описанными в предыдущих примерах.
Пятый пример отличается от четвертого тем, что резец 419 шарнирно соединен с корпусом и перемещается радиально наружу из корпуса 405 путем вращения на оси шарнирного соединения, тогда как приводная муфта 415 перемещается вниз в стволе 405b. Резец 419 нагружен на удерживающую пружину 417, как и в предыдущем примере, возвращающую его в начальное положение по завершении операций резания.
При эксплуатации давление в стволе 405b перемещает поршень 420 вниз в кольцевом пространстве, а палец 440 - вверх по пазу из положения Р1 в Р2. Устройство может циклически переключаться между конфигурациями Р1 и Р2, как было описано выше, без перехода между контурами. Кольцевое пространство быстро заполняется, поскольку отверстия большого сечения 412 и односторонние клапаны 413 существенно не ограничивают заполнение кольцевого пространства, поэтому поршень относительно быстро перемещается вниз (палец движется вверх по первой дорожке первого контура в положение Р2) в положение, показанное на фиг. 24.
Возвращение поршня вверх в кольцевом пространстве и движение пальца вниз по второй (возвратной) дорожке первого контура контролируются отверстиями малого сечения 416 и спускным клапаном 414, как было описано ранее. Когда верхнее уплотнение поршня проходит уровень отверстий малого сечения 416, палец проходит Y-образную развязку между первым и вторым контурами, находится в переходной области РЗ и готов к переходу из первого контура во второй. В этот момент уплотнения поршня закрывают отверстия малого сечения 416, блокируя прохождение жидкости через отверстия малого сечения 416, в результате чего жидкость может выходить из кольцевого пространства только через спускной клапан малого сечения 414 в вороте 412. Скорость потока через спускной клапан малого сечения гораздо ниже, чем через отверстия малого сечения 416 и отверстия 412р, поэтому поршень 420 движется медленно, а палец остается в переходной области РЗ в течение более долгого периода, который может быть отрегулирован путем изменения разницы давления и настройки спускного клапана. Обычно настройки позволяют пальцу оставаться в переходной области второй (возвратной) дорожки в положении P3 в течение 15 секунд - 2 минут или дольше. Насосы на поверхности могут быть выключены, если необходимо; возможно изменение конфигурации колонны, как было описано ранее. Кольцевое пространство может заполняться через запорные клапаны 413 и отверстия 412р для перемещения поршня 420 вниз в кольцевом пространстве (палец 440 движется по пазу 50 вверх в положение Р4), что осуществляется быстро, благодаря большему суммарному сечению отверстий 412p и запорных клапанов 413. Таким образом, устройство 405 находится в конфигурации, показанной на фиг. 25; резец 419 выдвинут, а циркуляционные отверстия открыты. Устройство 405 может быть деактивировано, как было описано ранее для других примеров, с возвратом резца 419 обратно в корпус механизма под действием пружины 417, в то время как поршень 420 перемещается вверх в кольцевом пространстве.
На фиг. 27 представлена альтернативная конструкция поршня 520 в разрезе, аналогично фиг. 8. В альтернативной конструкции поршень 520 имеет паз 550, который фактически зеркально отражает паз 50, показанный на фиг. 8, и обычно действует так же, как и поршень 20 с пазом 50, как показано на фиг. 8, с тем лишь исключением, что поршни 20 и 520 вращаются в противоположном направлении. Прочие функции поршня 520 идентичны ранее описанным для других примеров. Поршень 520 обычно включает в себя отдельную муфту, оснащенную отверстиями (не показаны), аналогичным отверстиям 25 поршня 20. Как следствие, обычно в поршне 520 нет каких-либо интегрированных отверстий.
На фиг. 28 представлен аналогичный фиг. 27 вид альтернативной конструкции поршня 620, имеющего другой профиль паза 650. Паз 650 имеет первый, второй и третий контуры LI, L2 и L3, схожие по конструкции с отдельными первым и вторым контурами поршня 20 и действующие таким же образом. Муфта 620 отличается максимальной длиной осевого перемещения по верхнему осевому участку каждого из контуров LI, L2 и L3. Таким образом, палец перемещается вдоль оси на различные расстояния в зависимости от того, в каком контуре он находится, что позволяет выбирать с помощью поршня 620 различные конфигурации контролируемого посредством перемещения пальца между различными контурами. К примеру, в первом контуре L1 возможно циклическое перемещение между двумя неактивными положениями. Второй контур L2 предусматривает возможность циклического перемещения между неактивной и частично активной (к примеру, на 50%) конфигурациями механизма. Третий контур предусматривает возможность циклического перемещения между неактивной и полностью активной конфигурациями механизма, либо конфигурацией с другим уровнем активности (к примеру, на 70% или 80%). Переход поршня между различными контурами LI, L2 и L3 осуществляется в соответствии с описанием предыдущих примеров.
Хотя возможно осевое перемещение пальца на больше расстояние по различным контурам LI, L2 и L3, это не обязательно соответствует повышению возможного уровня активации контролируемого механизма; к примеру, L3 может обеспечивать более низкий уровень активации, чем L1 или L2.
В возможном втором примере конфигурации, показанной на фиг. 28 и используемой для управления устройством для расширения скважины, первый контур может использоваться для циклического переключения устройства между неактивными конфигурациями. Второй контур может быть сконфигурирован для активации лап с режущим элементом, как в контуре 2, но с большим радиальным перемещением.
В другом возможном варианте применения конфигурации на фиг. 28 она может использоваться для управления комбинированным устройством для расширения скважины и циркуляции, в котором первый контур может быть сконфигурирован для циклического переключения механизма между различными неактивными конфигурациями, второй контур может быть сконфигурирован для активации только устройства для расширения скважины или только циркуляционного устройства, а третий контур - для активации одновременно устройства для расширения скважины и циркуляционного устройства.
Паз 650 может быть сконфигурирован для циклического переключения между последовательностью контуров LI, L2, L3 в любом направлении в соответствии с противоположными направлениями пазов 550 и 50, как было описано выше. Может быть предусмотрено более трех контуров.
На фиг. 29 представлена еще одна альтернативная конструкция поршня 720 с другим вариантом паза 750. Паз 750 имеет два контура L1′ и L2′ (хотя может иметь и больше двух контуров, как описано для паза 650]. В пазе 750 прямолинейные участки с глухими концами контуров L1′ и L2′ не параллельны оси X-X поршня 720, поэтому весь паз 750 расположен под углом к оси X-X. Таким образом, перемещение пальца в пазе 750 обеспечивает непрерывное вращение поршня, а величина вращения изменяется в зависимости от угла отклонения от оси X на каждом участке паза 750. Прямолинейные участки с глухими концами паза 750 в каждом из контуров L1′ и L2′ обычно параллельны друг другу, хотя это не обязательно.
При необходимости паз 750 может быть сконфигурирован для циклического перемещения по последовательности контуров в любом направлении в соответствии с противоположными направлениями пазов 550 и 50, как было описано ранее. Паз 750 может иметь более двух контуров.
В типовом примере функционирование предусмотренного изобретением аппарата, интегрированного в устройство управления в циркуляционной колонне, обычно в соответствии с первым примером, может осуществляться следующим образом:
1. Подготовка инструментальной колонны к спуску в скважину; насосы на поверхности могут работать в холостом режиме, с нагнетанием 0 галлонов/мин. (О фунтов на квадратный дюйм). Палец обычно располагается в положении P1.
2. Спуск механизмов в предварительно пробуренную скважину; насосы на поверхности обеспечивают нагнетание примерно 100 галлонов/мин., что обычно соответствует примерно 24 фунтам на кв. дюйм. Палец перемещается в положение P2.
3. Добавление последующих секций бурильной колонны на поверхности; насосы работают в холостом режиме, с нагнетанием 0 галлонов/мин. или 0 фунтов на квадратный дюйм на долоте. Палец перемещается из положения Р2 обратно в положение Р1 (через переходную область P3). Добавление секций бурильной колонны может занимать примерно 2-5 минут.
4. Продолжение этапов 2 и 3 до достижения колонной необходимой глубины.
5. Бурение с повышенным давлением от насосов на поверхности, обычно около 300 галлонов/мин и более, что соответствует примерно 225 фунтов на кв. дюйм на долоте. Палец перемещается в положение Р2, циркуляционный клапан закрыт.
6. Добавление следующих секций бурильной колонны на поверхности; насосы работают в холостом режиме, с нагнетанием 0 галлонов/мин. или 0 фунтов на квадратный дюйм на долоте. Палец возвращается из положения Р2 обратно в положение Р1 (через переходную область P3) при новом добавлении секций бурильной колонны.
7. Продолжение этапов 5 и 6, пока не потребуется активация соответствующего механизма, к примеру, циркуляционного устройства, ножевого уширителя, стабилизатора и т.п.
8. Для активации механизма путем переключения между первым и вторым контуром необходимо повысить скорость потока посредством насосов на поверхности до 100 галлонов/мин. и более, в результате чего палец переместится в положение Р2; это соответствует примерно 24 фунтам на кв. дюйм и более на долоте, после чего следует снизить скорость потока посредством насосов на поверхности до менее 60 галлонов/мин., что соответствует примерно 9 фунтам на кв. дюйм на долоте, либо полностью отключить насосы на поверхности примерно на 20-50 секунд. Палец перемещается в переходную область (положение P3). Пока палец проходит переходную область P3, нужно снова запустить насосы с нагнетанием в 100 галлонов/мин. и более (24 фунтов на кв. дюйм и более на долоте). В результате этого палец переместится между контурами и перейдет в положение Р4. В этом положении палец входит во второй контур, обеспечивающий возможность перемещения по длинной траектории паза, в результате чего активируется механизм. Циркуляционное устройство обычно увеличивает совокупное сечение потока, ножевой уширитель обычно выдвигает режущую поверхность, а стабилизатор обычно выдвигает стабилизирующие колодки.
9. Если необходимо, чтобы механизм оставался во включенном состоянии, следует продолжать бурение согласно пунктам 5 и 6 до тех пор, пока не потребуется деактивировать соответствующий механизм. Палец перемещается между положениями Р4 и Р5 согласно потоку. Если имеет место небольшое давление на поршне, палец будет перемещаться в положение Р4. Если давления на поршне нет, палец возвращается в положение Р5 (через переходную область Р6).
10. Для отключения механизма используется способ, описанный в пункте 8. На этот раз при уменьшении давления палец перемещается из положения Р4 в переходную область Р6, а после повышения скорости потока в системе палец переходит в положение Р2′, соответствующее положению Р2 выше.
11. Механизм может быть активирован или деактивирован неограниченное количество раз с использованием способа, описанного в пунктах 8 и 10.
Как упоминалось в пункте 8, для активации механизма насосы могут быть отключены на 20-50 секунд; это время может быть изменено на другое. Также параметр нагнетания 60 галлонов/мин. при 9 фунтах на кв. дюйм может быть отрегулирован по необходимости. Параметры работы насоса и значения давления могут изменяться в рамках изобретения.
Варианты исполнения допускают конструкцию механизмов, в которой применяется переключение между режимами высокого и низкого давления (или включения и выключения), когда давление может быть снижено (при необходимости до нуля) на конкретный период времени, по истечению которого может быть повышено или вновь подано механизмом. Другие варианты исполнения позволяют осуществлять переключение между режимами высокого и низкого давления, где давление снижается до определенного значения, что обеспечивает возможность переключения между неактивным (первый) и активным (второй) контурами.
Изобретение также предусматривает паз управления для пальца и конфигурацию пальца для скважинного прибора управления, в которой паз включает в себя первый и второй контуры; первый контур конфигурируется для циклического переключения механизма между различными неактивными конфигурациями, а второй контур регулируется для циклического переключения механизма между неактивной и активной конфигурациями.
Таким образом, варианты исполнения паза предусматривают контуры для конфигураций включения и выключения и позволяют осуществлять переход между контурами.
Радиальное разнесение позиций P1, P2 и других позиций в профиле обычно может изменяться в объеме изобретения. В одном профиле могут использоваться позиции P1 и P2, разнесенные по окружности от позиций P5 и P4, к примеру, на 180 градусов, но в других примерах может иметь место иной вариант разнесения и/или большее или меньшее количество пар контуров. К примеру, возможно использование трех пар контуров с эквивалентными позициями, разнесенных на 60 градусов по окружности поршня. Может иметь место различное количество разнесенных профилей под разными углами.
В представленных примерах позиции P1 и P2 обычно функционально эквивалентны позициям P5 и P4, но эти пары контуров не обязательно должны быть структурно эквивалентны; Р1 и Р2, к примеру, не обязательно должны быть центрованы по оси друг с другом, как показано в примерах. Позиция Р1 при необходимости может быть смещена вдоль окружности относительно позиции Р2, что изменит форму профиля, но не потребует изменения функциональных характеристик механизма.
На фиг. 30-33 представлен модифицированный пример устройства управления с фиг. 16-18 с аналогичными компонентами, для ссылок на которые используются те же номера, но с заменой цифры 2 в начале номера на 8; компоненты, идентичные описанным в предыдущих примерах, не будут подробно описываться далее, однако читатель может обращаться к предыдущим примерам для получения представления о конструкции и функционировании соответствующих компонентов этого примера. В данном примере, показанном на фиг. 30-33, поршень 820, палец 840, пружина 807, ворот 812, отверстия малого сечения 816, отверстие 812p, односторонний запорный клапан 813 и спускной клапан 814 идентичны ранее описанным, хотя в некоторых вариантах контуры паза 850 могут быть выполнены с удлиненными участками в верхней части, вместо чередующихся коротких и длинных участков, как показано на чертежах.
Корпус 805 включает в себя клапанную часть 805v, закрепленную посредством конуса и муфты под поршнем 805р. Клапанная часть 805v оснащена запирающим элементом в форме заслонки 819, закрывающей ствол 805b аналогично заслонке 219. Заслонка 819 закреплена на конце трубчатого клапана 815 и перемещается с трубчатым клапаном 815. Трубчатый клапан смонтирован на нижнем конце поршня клапана 816, установленного коаксиально на внешней поверхности расходной трубы 810, и может перемещаться скольжением относительно расходной трубы 810, прикрепленной к корпусу, обычно посредством ворота 812. При необходимости ворот 812 может включать в себя верхний ворот 812u и нижний ворот 812l, разделенные расходной трубой и обычно прикрепленные к корпусу, к примеру, сваркой, винтовым соединением и т.п. Вороты 812u и 812l обычно обеспечивают центровку расходной трубы 810 в стволе 805b, а также ее осевую фиксацию на корпусе. Нижний ворот 812l обычно выступает в качестве стопора пружины 807, сжимающейся между нижним воротом 812l и нижней частью поршня 810.
Отверстия 830, проходящие через корпус, обычно удалены от поршня 850; в данном варианте исполнения они располагаются на клапанной части 805v.
Клапанный поршень 816 обычно оснащен отверстиями 825, а отверстия 811 на расходной трубе также размещены в клапанной части 805v. Клапанный поршень 816 совершает осевое скольжение поверх расходной трубы 810, открывая и закрывая отверстия 811; тем самым он разблокирует или блокирует поток через отверстия 830. Клапанный поршень 816 имеет участок поршня с уплотнениями различного диаметра, поэтому он реагирует на разницу давления, перемещаясь вниз по стволу 805b в направлении заслонки 819. Кроме того, клапанный поршень подталкивается в том же направлении очень тонкой приводной муфтой 817 клапана (лучше всего видна на фиг. 30b), располагающейся над расходной трубой 810 и способной перемещаться вниз и толкать верхнюю часть трубчатого клапана 816.
В данном примере также представлен альтернативный механизм ограничения хода пружины при движении поршня вниз в кольцевом пространстве, в результате чего палец, по существу, выступает в качестве регулятора вращения и несет меньшую осевую нагрузку при приближении к концам участков паза, благодаря чему данный пример может использоваться в конфигурациях с высоким давлением без создания избыточной нагрузки на палец.
Механизм ограничения хода включает в себя пару интеркалированных муфт 860u (верхняя) и 860l (нижняя), смонтированных на поршне 850 и нижнем вороте 812l соответственно; противоположная направленность их структуры позволяет регулировать длину осевого перемещения в зависимости от относительных позиций вращения элементов 860u и 860l. В данном примере интеркалированные элементы представляют собой плоскопараллельные штифты 861u и 861l, хотя точная форма может изменяться в различных вариантах исполнения. Поскольку нижняя муфта 860l зафиксирована на нижнем вороте, прикрепленном к корпусу, нижние штифты 861l не вращаются и не перемещаются вдоль оси. Однако верхняя муфта 860u закреплена на перемещающемся вдоль оси и вращающемся поршне 850, в результате чего она вращается и перемещается совместно с поршнем 850 относительно неподвижной нижней муфты.
Таким образом, верхние штифты могут быть выровнены по окружности с нижними штифтами и разнесены с ними, как показано на фиг. 30b, либо выровнены с нижними штифтами с прилеганием, как показано на фиг. 31b, чтобы концы штифтов ограничивали дальнейшее осевое перемещение, либо расположены в шахматном порядке вдоль окружности с интеркаляцией, как показано на фиг. 32b, для максимального осевого перемещения муфт 860, либо расположены в шахматном порядке вдоль окружности с разнесением вдоль оси, как показано на фиг. 33b. Таким образом, в двух средних позициях максимальное осевое перемещение поршня зависит от относительных позиций вращения штифтов 861 на двух муфтах. Относительные позиции вращения штифтов, когда муфты 860 разнесены, не всегда существенны; обычно имеет значение соприкосновение или интеркаляция штифтов, когда муфты сжаты друг с другом, поскольку это обеспечивает или исключает возможность дополнительного осевого перемещения, активирующего устройство.
В остальном принцип действия в этом примере аналогичен варианту с фиг. 16; давление в стволе перемещает поршень 820 вниз по кольцевому пространству, а палец 840 - вверх по пазу, согласно ранее описанным позициям Р1 и Р2. Устройство может циклически переключаться между конфигурациями Р1 и Р2, как было описано выше, без перехода между контурами, пока это не потребуется оператору. Кольцевое пространство быстро заполняется, поскольку отверстия большого сечения 812р и односторонние клапаны 813 существенно не ограничивают заполнение кольцевого пространства, в результате чего поршень относительно быстро перемещается вниз (палец движется вверх по первой дорожке первого контура) в положение, показанное на фиг. 31. На этом этапе штифты 861u и 861l выровнены и соприкасаются друг с другом, что ограничивает осевое перемещение поршня 820, обычно прежде, чем палец 840 достигнет конца короткого участка. В результате уменьшается действие соответствующих сил на палец 840.
При необходимости поршень может быть выполнен таким образом, что все верхние пазы будут иметь одинаковые размеры, и предел перемещения в пазе сможет определяться только муфтами 860.
Возвращение поршня 820 вверх в кольцевом пространстве и движение пальца вниз по второй (возвратной) дорожке первого контура требуют, чтобы жидкость в кольцевом пространстве над поршнем выходила из кольцевого пространства, позволяя поршню 820 двигаться вверх. Жидкость в кольцевом пространстве не может перемещаться обратно через запорные клапаны 813 и, как и в предыдущих случаях, она переходит в ствол 805b через отверстия малого сечения 816. Суммарное сечение потока отверстий малого сечения относительно велико, и сначала поршень 820 движется вверх быстро, поскольку жидкость выходит через отверстия малого сечения 816. Когда верхние уплотнения поршня проходят уровень отверстий малого сечения 816, палец проходит Y-образную развязку между первым и вторым контурами, находится в переходной области и готов к переходу (если необходимо) из первого контура во второй. В этот момент уплотнения поршня закрывают отверстия малого сечения 816, блокируя прохождение жидкости через отверстия малого сечения, в результате чего жидкость может выходить из кольцевого пространства только через спускной клапан малого сечения 814 в вороте 812. Скорость потока через спускной клапан малого сечения гораздо ниже, чем через отверстия малого сечения 816 и отверстия 812p, поэтому поршень 820 движется очень медленно, а палец остается в переходной области в течение более долгого периода, который может быть отрегулирован путем изменения разницы давления и настройки спускного клапана. Обычно настройка позволяет пальцу оставаться в переходной области второй (возвратной) дорожки в течение 15 секунд - 2 минут (к примеру) или дольше. Насосы на поверхности могут быть выключены, если необходимо, и могут быть внесены изменения в конфигурацию колонны, как было описано выше. В то время как палец 840 циклически перемещается по первому (неактивному) контуру, штифты выровнены, как показано на фиг. 30 и 31, в результате чего штифты 861u всегда удалены от приводной муфты 817 клапана; как следствие, включение клапана не происходит.
Когда оператор решает осуществить переход между дорожками и активировать устройство, а палец находится в переходной области, кольцевое пространство может быть вновь заполнено через запорные клапаны 813 и отверстия 812p для перемещения поршня 820 вниз в кольцевом пространстве (а палец 840 вверх по пазу 850) в положение, показанное на фиг. 32b и эквивалентное положению Р4, что происходит быстро, благодаря большему сечению потока отверстий 812p и запорных клапанов 813. Следует отметить, что в результате вращения поршня 820 штифты 861u на верхней муфте 860u уже не выровнены со штифтами 861l на нижней муфте 860l, поэтому две группы штифтов 861 могут быть интеркалированы, благодаря чему верхние штифты 861u могут входить в зацепление с приводной муфтой 817 клапана и толкать ее вниз в положение, показанное на фиг. 32b. В результате весь клапанный поршень 816 и трубчатый клапан 815 перемещаются вниз к заслонке 819, сжимающей пружину, которая толкает клапанный поршень 816 вверх по стволу в направлении поршня 820.
Таким образом, в активном положении при сообщающемся давлении поршень 820 перемещает присоединенную верхнюю муфту 860u вниз по внешней поверхности расходной трубы. Когда интеркалированные штифты на верхней муфте проходят между штифтов на нижней муфте 860l, они входят в зацепление с верхней частью тонкой приводной муфты 817 клапана (находящейся под нижней муфтой 860l). Приводная муфта клапана соединена с клапанным поршнем 816, и когда она движется вниз вдоль расходной трубы, это приводит к перемещению клапанного поршня вниз по внешней поверхности расходной трубы, пока уплотнение на внутренней поверхности клапанного поршня не пройдет ниже уровня отверстий 811 на расходной трубе, в результате чего высокое давление жидкости, нагнетаемее насосами на поверхности, будет сообщаться через ствол расходной трубы, отверстия 811 и через герметизированную область клапанного поршня 816. Внешняя поверхность клапанного поршня 816 также имеет уплотнения, соприкасающиеся с внутренней поверхностью клапанной части 805v, и открытие отверстий 811 в расходной трубе создает дифференциал между различными диаметрами герметизированных внутренней и внешней областей клапанного поршня 816, который перемещается вниз по стволу 805b, преодолевая сопротивление пружины, сжатой между ступенью клапанного поршня 816 и воротом, закрепленным на клапанном корпусе 805v. Под действием силы, образуемой разницей давления, клапанный поршень 816 перемещается вниз относительно верхнего поршня управления 820 и независимо от него; его ход не ограничивается ходом поршня 820. Когда образуемая разницей давления сила уменьшается и становится меньше силы сжатой пружины, последняя возвращает клапанный поршень 816 в первоначальное положение; отверстия 811 закрыты. При необходимости верхний поршень управления 820 может прекращать движение в стволе, а клапанный поршень 816 может перемещаться в одиночку для закрытия заслонки и совмещения отверстий 830 и 825, хотя в некоторых вариантах исполнения оба поршня обычно перемещаются вместе, обеспечивая большую силу для закрытия заслонки. Кольцевое пространство (обычно закрытое) под герметизированной областью клапанного поршня 816 обычно находится в условиях атмосферного давления; обычно отверстие малого сечения в стенке клапанной части 816 соединяет область кольцевого пространства с внешней поверхностью механизма, что снижает риск гидравлической блокировки клапанного поршня. Когда давления в системе нет, клапанный поршень 816 обычно находится в закрытом положении, показанном на фиг. 33a; пружина разжата между воротом и ступенью клапанного поршня 816 и прижимает клапанный поршень 816 к внутреннему плечу пальца на верхней части клапанной части 805v, выступающего в качестве стопора поршня.
Когда клапанный поршень 816 перемещается вниз на достаточное расстояние, чтобы отверстия 825 клапанного поршня 816 совместились с отверстиями 811 расходной трубы, образуемая давлением жидкости в стволе 805b сила сообщается клапанному поршню 816, и он перемещается вниз в клапанной части 805v под интенсивным воздействием гидравлического давления. Поэтому начальная движущая сила, сообщаемая приводной муфтой 817 для создания давления на клапанном поршне 816, может быть относительно малой, и соединенные компоненты могут быть более легкими и иметь менее сложную конструкцию. Кроме того, закрывающие клапан силы могут быть сконфигурированы так, чтобы воздействовать непосредственно на клапанный поршень, обеспечивая эффективную передачу усилия и большую силу закрытия. Обычно отверстие малого сечения в стенке клапанной части, выходящее в область поршня, снижает риск гидравлической блокировки клапанного поршня 816.
Промывочные отверстия 830 обеспечивают рециркуляцию жидкости из ствола 805b при высоком давлении, когда ствол закрыт снизу заслонкой, и вся находящаяся в стволе жидкость перемещается через промывочные отверстия. Поскольку промывочные отверстия удалены от поршня 820, паз 850 может быть изолирован от жидкостей высокого давления, перемещающихся через ствол 805b и через промывочные отверстия 830, что позволяет сократить риск попадания обломков в паз и ограничения хода пальца.
По завершении циркуляционных операций насосы на поверхности могут быть выключены, а клапанный поршень 816 возвращается в закрытое положение, показанное на фиг. 30, под действием пружины.
Как и в предыдущих случаях, заслонка 819 взаимодействует с воронкой 818, только когда палец переходит во второй контур и в положение Р4. Таким образом, в данном примере оператор также может контролировать время этапа перехода с большей точностью и применять большее давление в скважине на циркуляционных отверстиях 830, благодаря закрытию ствола 805b заслонкой 819. Кроме того, конструкция поршня 820 и паза 850 может быть упрощена, поскольку их функциональные характеристики могут быть сосредоточены на управлении операциями, а не на создании движущей силы для приведения механизма в действие, но в целом устройство может использоваться в режимах с более высоким давлением, так как проектом могут быть предусмотрены большие силовые нагрузки на клапанный поршень, который может быть отделен от поршня управления 820.
В данной конфигурации также уделяется меньше внимания характеристикам паза, который может иметь первый и второй контуры идентичной формы, но поведение пальца в различных контурах будет зависеть от других факторов, таких как функционирование интеркалированных штифтов под поршнем.
Следует отметить, что в данном примере помимо клапана могут использоваться другие механизмы (к примеру, резцы, ножевые уширители и т.п., как было описано в предыдущих примерах], а также различные типы клапанов, помимо представленного варианта с заслонкой; данный вариант исполнения приводится исключительно в качестве примера.
Преимущество некоторых вариантов исполнения перед способами с использованием устройств с байонетными пазами и сбрасыванием шаров заключается в том, что устройство может обратимо переключаться между активным и неактивным состояниями в короткий промежуток времени, к примеру, в течение 1 минуты. Устройство может быть сконструировано с возможностью циклического переключения между неактивными конфигурациями без изменения цикла вплоть до осуществления однозначно определенной процедуры смены контура по выбору оператора. Таким образом, при выключении оператором насосов на поверхности для добавления секции бурильной колонны устройство функционирует с использованием одного и того же (обычно неактивного) контура. При повышении оператором скорости потока устройство обычно циклически переключается с использованием того же контура без изменения конфигурации контролируемого устройства.