УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ МУФТЫ ВНУТРИ КОНСТРУКЦИИ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
DEVICE FOR RECOGNIZING CONNECTING COUPLING INSIDE THE OIL WELL STRUCTURE AND RELEVANT METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к бурению скважин и в частности - к способу и устройству для распознавания трубного соединения внутри конструкции скважины.
Уровень техники
При добыче углеводородов скважина может быть образована наружной обсадной колонной, которая расположена внутри ствола скважины и, опционально, может быть окружена цементом. В скважине может также находиться буровой снаряд или эксплуатационная колонна для выполнения работ или добычи из скважины. Учитывая возможность возникновения высоких давлений в скважине из-за углеводородов, извлекаемых из продуктивного пласта, для изоляции и контроля доступа к скважине используют многочисленные типы запорных клапанов, катушек и другой арматуры, такой как - в качестве неограничивающего примера - фонтанная елка, как ее обычно называют, или комплекс спускоподъемного оборудования для ремонта скважины под давлением.
Конструкция скважины может включать в себя запорные клапаны для перекрытия или иной полной или частичной изоляции устьевого отверстия скважины по необходимости пользователя. В частности, обычной конструкцией, используемой в качестве таких клапанов, являются трубные плашки, в которых применяется пара противоположных плашек с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной стволу скважины. Плашки могут перемещаться вдоль плоскости под действием поршней или аналогичных устройств, при этом они выполнены с возможностью перемещения за пределы центрального прохода скважины или прижатия друг к другу с целью изоляции скважины. Плашки могут быть глухого или срезного типа для полной изоляции скважины, или трубного типа, где каждая из двух плашек содержит полукруглое отверстие, размер которого позволяет пропускать через него трубу, когда две плашки прижаты друг к другу. Такие трубные плашки обычно используют в комплексе спускоподъемного оборудования для ремонта скважины под давлением с целью заделки по периметру бурильной или эксплуатационной колонны и изоляции скважины ниже трубной плашки от окружающей среды, что позволяет оставлять в скважине бурильную или эксплуатационную колонну, либо извлекать или вводить ее в скважину.
Одна из трудностей, связанных с обычными углеводородными скважинами, состоит в сложности определения мест соединения на буровом снаряде или эксплуатационной колонне. Такие колонны (снаряды) обычно образуются множеством труб, концы которых соединяют друг с другом с помощью резьбовых соединительных устройств. Обычно такие резьбовые соединительные устройства располагаются на каждом конце и содержат увеличенные части трубы, усиленные таким образом, чтобы создать более прочную секцию трубы большего размера, зажимаемую инструментами и т.п. Такие замковые соединения имеют большее поперечное сечение, чем остальная часть трубы. Недостатком является то, что такие увеличенные диаметры замковых соединений могут препятствовать надежному функционированию трубных плашек при попытке закрыть трубную плашку в месте нахождения такого замкового соединения, или при извлечении или введении трубы, когда по меньшей одна из плашек установлена, чтобы удерживать давление. Такая операция, обычно называемая спуском/подъемом под давлением, может создать риск втягивания или вталкивания замкового соединения в закрытую трубную плашку, что приводит к повреждению трубы и/или трубной плашки.
Сущность изобретения
Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения раскрыта система для определения наружного диаметра металлического объекта внутри конструкции скважины. Система содержит катушку, соединяемую в линию с конструкцией скважины. В устройстве имеется центральный сквозной канал, идущий вдоль центральной оси, соответствующей центральному каналу конструкции скважины, и наружная поверхность, при этом катушка содержит множество глухих отверстий, идущих радиально внутрь от наружной поверхности. Система дополнительно содержит по меньшей мере одно ферромагнитное устройство, находящееся внутри одного из нескольких глухих отверстий и имеющее магнит, находящийся на его конце, и по меньшей мере один датчик, связанный с по меньшей мере одним ферромагнитным устройством, при этом по меньшей мере один датчик выполнен с возможностью выдачи сигнала, представляющего диаметр металлического объекта, расположенного внутри центрального канала.
Магниты могут включать в себя магниты из редкоземельных металлов. Магниты также могут включать в себя электромагниты. Ферромагнитное устройство может включать в себя втулку. Ферромагнитное устройство также может включать в себя сплошной цилиндр. Магнит может располагаться на конце ферромагнитного устройства, ближнем к центральному каналу катушки. Магнит также может располагаться на конце ферромагнитного устройства, удаленном от центрального канала катушки.
Датчик может располагаться на конце ферромагнитного устройства, ближнем к центральному каналу катушки. Датчик может находиться внутри втулки.
Катушка может содержать некоторое количество соединительных отверстий, проходящих через катушку параллельно ее центральной оси. Между соединительными отверстиями могут располагаться глухие отверстия. Катушка может быть выполнена из, по существу, немагнитного сплава. Катушка может быть выполнена из сплава на хромоникелевой основе. Каждый из по меньшей мере одного датчика может представлять собой датчик, работающий на эффекте Холла.
По меньшей мере одна пара глухих отверстий может соединяться друг с другом соединительными стержнем. Первая пара глухих отверстий может располагаться на противоположных сторонах корпуса. Соединительный стержень может включать в себя трубчатый элемент, проходящий между втулками по меньшей мере одной пары глухих отверстий. Соединительный стержень включать в себя сплошной элемент, проходящий между втулками по меньшей мере одной пары глухих отверстий. Соединительный стержень может быть выполнен из ферромагнитного материала.
Система может дополнительно содержать дисплей, выполненный с возможностью приема выходного сигнала от по меньшей мере одного датчика и отображения для пользователя выходного сигнала, указывающего ширину металлического объекта в центральном канале.
Другие аспекты и признаки настоящего изобретения будут понятны специалистам после ознакомления со следующим описанием конкретных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На чертежах, иллюстрирующих варианты осуществления настоящего изобретения, одинаковые номера позиций обозначают соответствующие части на каждом виде.
На фиг. 1 показан вид в поперечном разрезе верхней части ствола скважины, содержащего наружную обсадную колонну и расположенную в ней эксплуатационную колонну с устройством для обнаружения местоположения трубного соединения.
На фиг. 2 показан вид в аксонометрии устройства для обнаружения местоположения трубного соединения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показано изображение в разобранном виде устройства для обнаружения местоположения трубного соединения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 показан вид в разрезе по линии 4-4 устройства, представленного на фиг. 3.
На фиг. 5 показан вид в разрезе по линии 5-5 устройства, представленного на фиг. 3.
На фиг. 6 показан выходной сигнал на дисплее, изображающий напряжение, формируемое датчиком устройства, представленного на фиг. 3, при прохождении мимо него замкового соединения труб.
На фиг. 7 показан вид в разрезе по линии 5-5 альтернативного варианта осуществления устройства для обнаружения местоположения трубного соединения.
Подробное раскрытие изобретения
Как показано на фиг. 1, скважинный узел, расположенный внутри ствола 8 скважины грунтового пласта 6, обозначен в целом позицией 10. Скважинный узел содержит обсадную колонну 12 с верхним фланцем 14, прикрепляемым к трубной плашке 16 или любому другому необходимому устройству на устье скважины. Следует понимать, что устройство согласно настоящему изобретению может располагаться в любом месте внутри скважины, таком как, в качестве неограничивающего примера, обсадная колонна, комплекс спускоподъемного оборудования для ремонта скважины под давлением, противовыбросовый превентор или любое другое скважинное оборудование. Следует также понимать, что, хотя для ясности на фиг. 1. изображена только одна трубная плашка, на многих изображениях будет показано больше одного компонента устьевого оборудования. Как показано на фиг. 1, скважинный узел содержит устройство для обнаружения местоположения трубного соединения согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, обозначенное в целом позицией 20, и один или несколько из таких элементов, как верхняя труба, скважинный компонент или другое оборудование 18, расположенное над ним. Эксплуатационная колонна или буровой снаряд 15 помещается внутри обсадной колонны и содержит множество замковых (трубных) соединений 17, расположенных вдоль него.
Устройство 20 обнаруживает присутствие замкового соединения 17 и выдает на дисплей 80 сигнал, указывающий пользователю, что замковое соединение 17 расположено в пределах устройства 20, чтобы позволить пользователю продвинуть вперед эксплуатационную колонну или буровой снаряд 15 внутри обсадной колонны 12 на заданное расстояние и, тем самым, избежать зацепления между одной из трубных плашек 16 или других устьевых устройств и замковым соединением.
Как показано на фиг. 2, устройство 20 содержит корпус 22 с множеством отверстий 40 для датчиков, каждое из которых выполнено с возможностью введения втулки и находящегося в ней датчика. Корпус 22 представляет собой круговую или кольцеобразную катушку, имеющую внутреннюю и наружную поверхности 24 и 26, соответственно, и проходящую между верхней и нижней поверхностями 28 и 30, соответственно. Как показано на фиг. 1, внутренняя и наружная поверхности 24 и 26 являются, по существу, цилиндрическими относительно центральной оси 32 катушки 22. Внутренняя поверхность 24 ограничивает сквозной центральный проход 34, размеры и форма которого могут быть выбраны в соответствии с внутренней частью обсадной колонны 12. Как показано на фиг. 2 и фиг. 4, верхняя и нижняя поверхности, по существу, лежат в плоскости, перпендикулярной к оси 32, и, опционально, могут содержать канавку 35 для уплотнения, проходящую кольцеобразно по их периметру для монтажа уплотнения, известного из уровня техники.
Катушка 22 содержит множество болтовых отверстий 36, проходящих сквозь нее между верхней и нижней поверхностями 28 и 30 вдоль оси, параллельной центральной оси 32. Болтовые отверстия 36 используются для введения через них крепежных элементов, таких как болты 38, как показано на фиг. 1, для крепления катушки в продольном направлении к другим компонентам скважинного узла 10 в соответствии со способами, известными из уровня техники.
Катушка 22 содержит также отверстия 40 для датчиков, входящие в нее со стороны наружной поверхности 26. Как показано на чертеже, отверстия 40 для датчиков включают в себя глухие отверстия, заканчивающиеся внутри катушки на расстоянии, меньшем, чем расстояние от наружной поверхности 26 до внутренней поверхности 24. Таким образом, отверстие 40 для датчика будет сохранять защитную стенку, обозначаемую в целом позицией 42 на фиг. 4, между отверстием 40 для датчика и центральным проходом 34, с целью сохранения изоляции, обеспечиваемой катушкой 22. Защитная стенка 42 может иметь толщину, выбираемую для обеспечения достаточного сопротивления разрыву катушки в соответствии с известными способами. Опционально отверстие 40 для датчика может проходить через всю катушку до внутренней поверхности 24. Как показано на фиг. 5, болтовые отверстия 36 могут располагаться с равномерными промежутками по периметру катушки, причем отверстия для датчиков проходят через катушку в местах, находящихся между болтовыми отверстиями. Как показано на фиг. 5, отверстия 40 для датчиков могут располагаться вокруг центрального прохода 34 в общей плоскости, перпендикулярной к оси 32 центрального прохода, хотя возможно применение и других вариантов ориентации.
Катушка 22 может иметь любую глубину между верхней и нижней поверхностями 28 и 30, требующуюся для размещения отверстия 40 для датчиков. В качестве неограничивающего примера, катушка может иметь глубину в диапазоне от 3,5 до 24 дюймов (от 89 до 610 мм), при этом установлено, что глубина приблизительно 4 дюйма (102 мм) особенно удобна. Кроме того, можно выбрать катушку с внутренним диаметром внутренней поверхности 24, соответствующим внутреннему проходу обсадной колонны 12, для которой она должна использоваться, и диаметром наружной поверхности 26, обеспечивающим достаточную глубину для отверстий 40 для датчиков. Как было установлено на практике, наиболее удобным оказывается наружный диаметр, превышающий внутренний диаметр на величину от 4 до 12 дюймов (от 102 до 305 мм). Катушка 22 может быть выполнена из немагнитного материала, такого как приведенный в качестве неограничивающего примера сплав на хромоникелевой основе, например, Inconel, выпускаемый компанией Special Metals Corporation. Следует также понимать, что могут применяться и другие материалы, такие как приведенные в качестве неограничивающего примера, дуплексные и супердуплексные стали, при условии, что они не препятствуют работе датчиков, как описано ниже.
На фиг. 3 в разобранном виде изображено устройство с втулками 50, размещаемыми внутри каждого из отверстий для датчиков, и датчиками 70, размещаемыми внутри втулок 50. Втулки 50 содержат трубчатые элементы, проходящие между первым и вторым концами 52 и 54, соответственно, и имеющие внутреннюю и наружную поверхности 56 и 58, соответственно. Как показано на фиг. 4, наружную поверхность 58 втулок выбирают таким образом, чтобы она хорошо соответствовала отверстиям 40 для датчиков в катушке 22. Втулки 50 выполнены из, по существу, ферромагнитного материала, такого как сталь, чтобы проводить магнитный поток, как будет подробнее описано ниже. Втулки 50 выбирают так, чтобы они имели наружный диаметр, достаточный для введения внутрь отверстий 40 для датчиков, и диаметр внутренней поверхности, достаточный, чтобы поместить датчик 70 внутрь втулки. В качестве неограничивающего примера было установлено, что удобным является диаметр внутренней поверхности в диапазоне от 0,5 до 1 дюйма (от 13 до 25 мм). Втулка 50 может также иметь длину, достаточную, чтобы поместить в нее датчик 70 и находящуюся, в качестве неограничивающего примера, в диапазоне от 0,5 до 3 дюймов (от 13 до 76 мм). Наружный диаметр втулки 50 опционально также может выбираться таким образом, чтобы обеспечивать возможность крепления втулки в отверстии для датчика посредством посадки с натягом или с использованием клеящих веществ, крепежных деталей, заглушек и т.п. Втулку 50 можно также выбрать с наружным диаметром достаточного размера для обеспечения посадки с натягом в отверстии 40 для датчика.
Втулки 50 содержат также магнит 60, расположенный на их первом конце 52. Выбирают магниты 60 с сильными магнитными полями. В частности, как было установлено, удобно использовать магниты из редкоземельных металлов, таких как приведенные в качестве неограничивающего примера неодимовые или самариево-кобальтовые магниты или электромагниты. Опционально, магниты 60 могут также быть никелированными. Магниты 60 расположены на первых концах 52 втулок 50 и удерживаются на месте силой магнитного поля самих магнитов. Опционально, втулка 50 может содержать воздушный промежуток 51 между магнитом 60 и защитной стенкой 42 толщиной до 1/2 дюйма (13 мм), хотя могут использоваться и другие расстояния.
Датчики 70 вставляют в открытые вторые концы 54 втулок и удерживают во втулках с помощью любых подходящих средств, таких как приведенные в качестве неограничивающего примера клеящие вещества, резьба, крепежные элементы и т.д. Датчики 70 выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали выходной сигнал в ответ на приближение к ним магнитного поля. В качестве неограничивающего примера, датчики 70 могут представлять собой магнитные датчики, такие как датчики, работающие на эффекте Холла, хотя следует понимать, что можно использовать также датчики других типов. В частности, было установлено, что датчик, работающий на эффекте Холла марки SS496A1, выпускаемый компанией Honeywell, особенно удобен, хотя следует понимать, что подходящими могут оказаться и другие датчики. Как показано на фиг. 4, датчик может располагаться, по существу, посередине втулок 50, хотя следует понимать, что могут использоваться и другие варианты расположения внутри втулки. Датчик содержит выходные провода 62, выходящие из него. Выходной провод 62 подключают или иным способом присоединяют к дисплею, благодаря чему он позволяет обеспечивать выходной сигнал, представляющий ширину расположенного в центральном проходе 34 металлического объекта, такого как бурильная колонна.
Как показано на фиг. 6, на выходе 70 может отображаться сигнал напряжения, формируемый одним или несколькими датчиками в пределах установленного времени. В течение первого периода времени сигнал напряжения будет находиться на первом уровне, в общем обозначенном позицией 84, в то время как основную часть трубы протягивают через катушку 22. При протягивании замкового соединения 17 через катушку 22 выходное напряжение датчиков 70 возрастает до уровня, обозначенного в общем позицией 86, вследствие увеличения диаметра металлического объекта внутри центрального прохода 34. После прохождения замкового соединения 17 через катушку напряжение возвращается к более низкому уровню 88. Таким образом, дисплей 80 показывает оператору, когда замковое соединение 17 находится внутри втулки. После этого оператор сможет продвинуть вперед эксплуатационную колонну или буровой снаряд 15 на известное расстояние, чтобы трубные плашки 16 или другое оборудование не соприкасались с замковым соединением 17.
Как показано на фиг. 2, устройство может быть снабжено соединительными стержнями 90, проходящими между парой противоположных втулок 50. Соединительные стержни 90 могут быть изготовлены из, по существу, ферромагнитного материала и выполнены с возможностью закрепления внутри отверстий 40 для датчиков. Соединительные стержни 90 могут выполняться сплошными или полыми и функционально присоединяться к втулкам 50 внутри отверстий 40 для датчиков. Соединительные стержни 90 служат для связи между магнитами и датчиками на противоположных сторонах катушки 22, тем самым увеличивая наблюдаемое поле. Как показано на фиг. 2, устройство может содержать центральный соединительный стержень 90а, проходящий между отверстиями 40 для датчиков на противоположных сторонах катушки 22, и пару боковых соединительных стержней 90b, проходящих между парой отверстий 40 для датчиков, расположенных с одной стороны центрального соединительного стержня 90а. Следует понимать, что могут использоваться и другие схемы расположения, например, без боковых или центральных соединительных стержней.
Обратимся теперь к фиг. 7, где представлен альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий датчики 100 в сборе, расположенные в некоторых из отверстий 40 для датчиков. Датчики 100 в сборе выполняют, помещая датчик 70 в отверстия для датчиков на конце, ближнем к центральному проходу 34. В отверстия 40 для датчиков помещают также стальной пруток 102 с магнитом 60, расположенным на его дальнем конце. Как показано на фиг. 7, на отверстии может также располагаться дополнительная крышка 104 для датчика, защищающая датчик 100 в сборе от проникновения жидкостей и инородных частиц, а также от повреждения, вызванного ударным воздействием. Датчики 100 могут располагаться в каждом отверстии 40 для датчика или только в некоторых отверстиях. Как показано на фиг. 7 в качестве неограничивающего примера, датчики 100 в сборе могут располагаться в каждом втором отверстии 40 для датчика, при этом в промежуточных отверстиях для датчиков помещаются магниты 60.
Хотя в описании были раскрыты и изображены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, эти варианты следует рассматривать только в качестве иллюстративных и не ограничивающих настоящее изобретение, интерпретируемое в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.