ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ПЛАСТА И ГРАВИЙНОЙ НАБИВКИ С МНОГОПОЗИЦИОННЫМ КЛАПАНОМ ПРОМЫВОЧНОЙ ЛИНИИ
TOOL FOR FRAC JOB AND GRAVEL PACKING WITH FLUSHING LINE MULTI-POSITION VALVE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к инструментам для гравийной набивки и гидравлического разрыва пласта, используемым для обработки пластов и для закладки гравия снаружи от фильтров с целью увеличения потока продукции, проходящего сквозь эти фильтры.
Уровень техники
Заканчивание скважины, будь то в открытом или в обсаженном стволе, может включать изоляцию продуктивных зон и установку системы фильтров, подвешиваемой на разобщающем пакере. Внутренняя колонна обычно содержит кроссовер, смещающийся относительно пакера, что позволяет жидкости для гидравлического разрыва пласта (ГРП), закачиваемой через колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), попасть в пласт без возможности образования обратного потока и выхода на поверхность, вследствие чего происходит гидроразрыв или иная обработка пласта этой жидкостью. Такое перекрытие пути обратного потока может быть выполнено в кроссовере или на поверхности. В последнем случае кроссовер остается в режиме циркуляции, а на поверхности перекрывают лишь кольцевое пространство. Кроссовер может также обеспечивать закачку через НКТ гравийного шлама, который выходит в поперечном направлении под установленным пакером и заполняет кольцевое пространство снаружи от фильтров. Жидкость-носитель может пройти сквозь фильтры в промывочную трубу, находящуюся в гидравлической связи с кроссовером, так что рециркулирующая жидкость обходит пакер и попадает в кольцевое пространство, находящееся над ним.
Такие конструкции обычно включают створчатый клапан, шаровой клапан, шар на седле или иное клапанное устройство, расположенное в промывочной трубе и предназначенное для предотвращения поглощения жидкости в пласте во время некоторых операций, таких как вынос избытка гравия из колонны НКТ по завершении операции гравийной набивки. Некоторые известные системы гравийной набивки представлены схематично в патенте US 7128151 и более подробно в патенте US 6702020. Системы гравийной набивки с другими отличительными признаками описаны в патенте US 6230801. Решения, предлагаемые в других патентах и патентных заявках, сфокусированы на конструкции корпуса кроссовера, где имеют место проблемы, связанные с эрозией, вызванной прохождением гравийного шлама сквозь отверстия или по стенкам этого корпуса при выходе из него, как это показано в патентных заявках US 11/586235 (зарегистрирована 25 октября 2006 г.) и US 12/250065 (зарегистрирована 13 октября 2008 г.). В документе US 2006/0225878 описаны инструменты для фиксации постоянного пакера в скважине, в которых продавливание жидкости используется для выдержки времени с целью уменьшения усилия, прикладываемого к компоновке низа бурильной колонны (КНБК) перед расцеплением, и сведения к минимуму резкого рывка в процессе расцепления. Выдержка времени для выталкивания шара с седла с целью ослабления гидравлического удара в пласте описана также в патенте US 6079496. Кроссоверы, обеспечивающие получение в пласте положительного давления, превышающего гидростатическое, описаны в документе US 2002/0195253. Другие системы гравийной набивки описаны в патентах US 5865251, US 6053246 и US 5609204.
С конструктивными особенностями этих известных систем связан ряд проблем, решение которых является целью настоящего изобретения. Одной из таких проблем является свабирование скважины, когда внутренняя колонна приподнимается над забоем. Свабирование представляет собой состояние, характеризующееся уменьшением пластового давления при подъеме компоновки инструментов, когда другая жидкость не может войти в пространство, открывшееся при подъеме колонны. В результате происходит падение давления в пласте. В конструкциях, где в промывочной трубе внутренней колонны используется створчатый клапан, подобное явление встречается, в зависимости от типа конструкции, постоянно или периодически. Если створка не удерживается муфтой в открытом положении, то любое движение в направлении устья скважины внутренней колонны, остающейся уплотненной в проходном отверстии пакера, приводит к свабированию скважины. В случае конструкций, где имеются муфты, удерживающие створки в данном положении посредством срезного штифта, заданное напряжение срезания имеет во многих системах достаточно низкую величину. Этим обеспечивается перемещение муфты в тех случаях, когда это необходимо, но это же обстоятельство зачастую приводит к непреднамеренному срезанию и освобождению створки. Приподнимание внутренней колонны в этом случае вызывает свабирование скважины. В некоторых случаях величина этот приподнимания составляет несколько футов, так что степень свабирования бывает значительной.
Настоящее изобретение предоставляет возможность перехода между режимами продавливания, циркуляции и реверсирования с использованием пакера в качестве системы отсчета, когда перемещения между положениями, соответствующими этим режимам, в ходе операции не затрагивают устройство контроля низкого давления на забое, или клапан промывочной трубы. Клапан промывочной трубы остается в открытом положении и может быть закрыт только в результате ряда последовательных операций. По существу, требуется приложить в течение конечного промежутка времени некоторую подъемную силу к ограничителю движения с целью вытеснения жидкости через выпускное отверстие из полости с переменным объемом. Клапанный узел промывочной трубы взводится, когда позиционирующее приспособление выходит из отверстия, только после приложения заданного усилия в течение заданного времени. Закрытие клапана возможно при прохождении позиционирующего приспособления через отверстие в противоположном направлении и возврате обратно через отверстие, которое оно только что прошло. Как правило, клапан взводится перед гравийной набивкой и закрывается после нее, когда узел вытягивается для предотвращения поглощения жидкости в пласте в случае обратного перемещения гравия.
Отверстия выдвижных элементов могут быть перекрыты муфтой, которая сначала блокируется в открытом положении, но разблокируется сдвигающим устройством на промывочной трубе по мере ее подъема из скважины. Затем муфта надвигается на отверстия выдвижных элементов, находящихся в положении максимального выдвигания, и ее положение фиксируется. Этим обеспечивается невозможность обратного перемещения заложенного гравия через отверстия, а также вводится в определенные границы получаемый поток продукции с целью его попадания в эксплуатационную колонну только через фильтры. Эта же муфта, установленная в требуемое положение, используется для предотвращения вытекания из отверстий кроссовера, так что для первоначальной установки пакера может быть выполнен сброс шара с последующим созданием давления.
Верхний клапанный узел, ориентированный в направлении от пакера, может обеспечить переключение между режимами продавливания и циркуляции после выполнения обычных операций, при этом клапан промывочной трубы остается открытым. Кроме того, верхний клапанный узел может обеспечить изоляцию пласта, предотвращая поглощение жидкости, когда он закрыт, а кроссовер находится в режиме реверсирования и не поддерживается посадочным устройством с возвратно-поступательным движением. Возможен вариант исполнения с седлом шара, предусмотренным в верхнем клапанном узле, так что кислота может подаваться через промывочную трубу и поступать в пространство вокруг шара, первоначально сброшенного для установки пакера, с тем чтобы по мере подъема промывочной трубы из скважины кислота могла закачиваться в участки пласта, примыкающие к фильтрам, когда нижний конец промывочной трубы проходит мимо них.
Эти и другие преимущества настоящего изобретения станут более ясны специалистам в данной области из приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения и приложенных чертежей. Следует иметь в виду, что приложенная формула изобретения определяет объем изобретения в буквальном и эквивалентном смысле.
Сущность изобретения
Предлагаемый инструмент для гидравлического разрыва пласта и гравийной набивки обладает отличительными признаками, обеспечивающими предотвращение свабирования скважины при подъеме этого инструмента относительно установленного разобщающего пакера. Верхний, или многопозиционный, циркуляционный клапан обеспечивает переключение между режимами продавливания и циркуляции без риска закрытия клапана промывочной трубы. Устройство регистрации положения обеспечивает получение сигнала на поверхности до того, как клапан промывочной трубы может быть активирован. Клапан промывочной трубы может быть закрыт только в результате многочисленных движений в противоположном направлении, которые могли бы иметь место в результате приложения заданного усилия в течение конечного промежутка времени и которые вызвали бы взведение этого клапана. Многопозиционный циркуляционный клапан может предотвращать поглощение жидкости в пласте, когда он закрыт, а кроссовер находится в режиме реверсирования. Блокируемая муфта первоначально перекрывает отверстия для выхода гравия, обеспечивая установку пакера с помощью сбрасываемого шара. Затем элемент с отверстиями для выхода гравия выходит из муфты для выполнения гравийной набивки. После выполнения гравийной набивки муфта разблокируется посредством сдвигающего устройства на промывочной трубе и перекрывает отверстия для выхода гравийного шлама, после чего она фиксируется в этом положении для пропускания потока продукции через фильтры. В другом варианте осуществления в многопозиционном циркуляционном клапане может быть предусмотрено второе седло шара, что позволяет смещать муфту для выполнения закачки кислоты через нижний конец промывочной трубы и пространство вокруг первого шара, который был сброшен для установки пакера. Кроме того, эти последовательные движения обеспечивают перекрытие пути обратного потока, в результате чего поток кислоты направляется в нижнюю часть промывочной трубы.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлено:
фиг.1 - схематическое изображение системы, иллюстрирующее размещение ее основных компонентов в транспортном положении при спуске в скважину,
фиг.2 - вид системы, показанной на фиг.1, в положении установки пакера,
фиг.3 - вид системы, показанной на фиг.2, в положении продавливания,
фиг.4 - вид системы, показанной на фиг.3, в положении циркуляции,
фиг.5 - вид системы, показанной на фиг.4, в положении регистрации, которое также представляет собой положение реверсирования,
фиг.6 - иллюстрация взведения клапана промывочной трубы, когда заданная последовательность движений внутренней колонны может привести к закрытию этого клапана,
фиг.7 - вид системы, схожий с показанным на фиг.5, но клапан промывочной трубы закрыт, внутренняя компоновка находится в положении подъема из скважины, а эксплуатационная колонна и фильтры внизу не показаны,
фиг.8А-И - система в транспортном положении (также показана на фиг.1),
фиг.9А-Б - дополнительное седло шара в многопозиционном циркуляционном клапане до и после сбрасывания шара с целью смещения седла для обеспечения выполнения кислотной обработки после гравийной набивки в линии выпуска из скважины,
фиг.10А-В - изометрические изображения узла шарового клапана, предназначенного для контроля низкого давления на забое и расположенного рядом с нижним концом внутренней колонны,
фиг.11А-К - инструмент в положении продавливания, показанном на фиг.3,
фиг.12А-К - инструмент в положении циркуляции, в котором может быть выполнена, например, закладка гравия,
фиг.13А-К - положение регистрации, в котором возможно взведение и последующее закрытие шарового клапана контроля низкого давления на забое,
фиг.14А-К - устройство в положении реверсирования с открытым шаровым клапаном контроля низкого давления на забое.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 показана скважина 10 с обсаженным или открытым стволом, внутри которого находится спусковая колонна 12, несущая внешнюю компоновку 14 и внутреннюю компоновку 16. В верхней части внешней компоновки расположен разобщающий пакер 18, который на фиг.1 находится в транспортном положении. Группа фиксированных отверстий 20 обеспечивает выход гравия в кольцевое пространство 22 в положении циркуляции как это показано на фиг.4. У нижнего конца колонны труб 24 расположен ряд фильтров, не показанных на фиг.1-7, но относящихся к типу, хорошо известному специалистам в данной области. Под этими фильтрами может быть также установлен другой пакер, предназначенный для изоляции нижнего конца зоны, в которой требуется вызвать приток и которая может также располагаться между пакером и забоем скважины.
Внутренняя колонна 16 содержит многократно перемещаемый, или многопозиционный, циркуляционный клапан или клапанный узел 26 с отверстиями, расположенный под пакером 18 и находящийся в транспортном положении для спуска в скважину. Под многопозиционным циркуляционным клапаном 26 располагаются уплотнительные элементы 28, уплотняющие отверстие пакера при продавливании и циркуляции (фиг.3). Уплотнительные элементы 28 также располагаются под отверстием пакера во время спуска в скважину с целью поддержания гидростатического давления в зоне, примыкающей к пласту, до и после установки пакера.
В транспортном положении отверстия 30 для выхода гравия остаются закрытыми муфтой 32 и уплотнительными элементами 34 и 36. Собачки 38 устройства регистрации положения первоначально показаны в отверстии 40, тогда как посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением и шаровой клапан 44 контроля низкого давления на забое располагаются под отверстием 40. В альтернативном варианте весь узел, состоящий из собачек 38, посадочного устройства 42 с возвратно-поступательным движением и шарового клапана 44 контроля низкого давления на забое, может находиться в транспортном положении вне отверстия 40. При спуске в скважину клапан 44 фиксируется в открытом положении. Для установки пакера 18 седло 46 принимает шар 48 как показано на фиг.2.
После размещения пакера 18 в требуемом положении и приведения его в готовность к установке сбрасывают шар 48 в направлении седла 46 как описывалось выше (отверстия 30 закрыты). Под приложенным давлением происходит перемещение компонентов известного инструмента для установки пакера, и пакер 18 устанавливается в положение, показанное на фиг.2. Стрелки 58 обозначают давление, приложенное к известному инструменту для установки пакера (не показан) с целью установки пакера 18.
На фиг.3 колонна 12 приподнята, а позиционирующее приспособление 50 находится на пакере 18. Под действием веса колонны 12 уплотнительные элементы 52 и 54 на многопозиционном циркуляционном клапане 26 осуществляют разобщение верхнего кольцевого пространства 56 и нижнего кольцевого пространства 22. Поток гравийного шлама, проходящий вниз по колонне 12 и обозначенный стрелками 58, входит в отверстия 30, затем в отверстия 20 и попадает в нижнее кольцевое пространство 22, заполняя его вокруг фильтров (не показаны). Многопозиционный циркуляционный клапан 26 содержит механизм с J-образным пазом, который описывается ниже и который обеспечивает приподнимание и опускание колонны 12, в результате чего уплотнительный элемент 52 оказывается за уплотняемым им отверстием и открывает путь обратного потока как это показано на фиг.4. Следует отметить, что приподнимание колонны 12 обеспечивает доступ к нижнему кольцевому пространству 22 в любое время для предотвращения эффекта свабирования посредством установления гидравлической связи пласта с верхним кольцевым пространством 56. С другой стороны, опускание колонны 12 с позиционирующим приспособлением 50, поддерживаемым пакером 18, приводит к перекрытию пути обратного потока в верхнее кольцевое пространство 56 посредством уплотнительного элемента 52, возвращающегося в положение, показанное на фиг.3. Это осуществляется с помощью механизма с J-образным пазом, который описывается ниже. В режиме циркуляции, представленном на фиг.4, обратный поток сквозь фильтры (не показаны) показан стрелками 60. Положения, представленные на фиг.3 и 4, могут быть последовательно получены посредством приложения усилий подъема и опускания с помощью механизма с J-образным пазом, упомянутого выше.
Как видно из фиг.5, подъем колонны 12 происходит до тех пор, пока собачки 38 не достигают выступа 62. Приложение тягового усилия заданной величины в течение заданного промежутка времени приводит к вытеснению жидкости (текучей среды) через выпускное отверстие и, в конечном счете, к сжатию собачек 38 и прохождению их в отверстие 64 или за него (фиг.6). Кроме того, при подъеме до положения, показанного на фиг.5, посадочное устройство 42 выходит из отверстия 40, так что оно может селективным образом опираться на выступ 66. Подъем посадочного устройства 42 с выступа 66 и последующее повторное опускание позволяют этому устройству 42 снова войти в отверстие 40.
После того, как клапан 44 вытягивается за отверстие 40 (фиг.6), происходит его взведение. При возвращении обратно и повторном входе в отверстие 40 клапан 44 закрывается. Клапан может повторно войти в отверстие 40, перейдя в положение, показанное на фиг.7, для извлечения из скважины. Следует отметить, что в положениях, показанных на фиг.5 и 7, может быть выполнено реверсирование. Для реверсирования в положении, показанном на фиг.5, необходимо, чтобы клапан 44 был закрыт для предотвращения поглощения жидкости под промывочной трубой. Закрытый клапан 44 можно снова открыть посредством перемещения сквозь отверстие 40 и посадки на выступ 66.
На фиг.8А-И представлен инструмент в транспортном положении. Для лучшего понимания принципа действия основных компонентов они описываются в порядке сверху вниз. Затем описываются дополнительные детали и возможные варианты осуществления, после чего приводится обсуждение последовательных операций, основанное на фиг.1-7. На фиг.8А спусковая колонна 12 показана в качестве верхней части известного инструмента 70 для установки пакеров. Он вызывает относительное перемещение, удерживая верхний переводник 72 и толкая вниз установочную муфту 74 пакера своей собственной муфтой 76. Верхний переводник 72 удерживается установочным инструментом 70 посредством муфты 78, имеющей на своем нижнем конце гибкое позиционирующее приспособление, опирающееся при установке на муфту 80. После создания в проходном канале 82 и отверстиях 84 давления, достаточно высокого для установки пакера 18, муфта 80 отжимается, ослабляя пальцы на нижнем конце муфты 78, так что верхний переводник 72 отсоединяется от установочного инструмента 70. Первоначальный рост давления в канале 82 передается через отверстия 86 (фиг.8А), что приводит к перемещению установочной муфты 76 установочного инструмента 70 вниз к установочной муфте 74 пакера и установке пакера 18 в результате выталкивания уплотнительно-плашечного узла 88. Следует отметить, что в предпочтительном варианте осуществления установка пакера производится установочным инструментом при давлении 4000 фунтов/кв. дюйм, передаваемом через отверстие 86. Затем давление падает, и через спусковую колонну пакеру передается тяговое усилие для обеспечения надлежащей посадки плашек. В этот момент давление снова начинает расти. Смещение муфты 80 происходит, когда величина давления достигает 5000 фунтов/кв. дюйм.
Снаружи от пакера 18 (фиг.8В) имеются отверстия 20 для выхода гравийного шлама, также показанные на фиг.1. Эти отверстия располагаются рядами в осевом направлении, их диаметр может быть одним и тем же либо постепенно увеличиваться в направлении забоя скважины. Кроме того, отверстия могут быть вырезаны с наклоном и ориентированы в направлении забоя скважины. Эти отверстия 20 открываются в нижнее кольцевое пространство 22, показанное на фиг.1. Специалисту в данной области будет ясно, что эти отверстия, располагающиеся рядами в осевом направлении, могут иметь различную конфигурацию, обеспечивающую поступление гравийного шлама в нижнее кольцевое пространство 22. Колонна 24, продолжение которой показано на фиг.8Г и последующих чертежах, проходит до фильтров (не показаны).
Многопозиционный циркуляционный клапан 26 описывается ниже со ссылками на фиг.8Б-Г. При спуске в скважину многопозиционный циркуляционный клапан 26 опирается на верхний переводник 72 пакера в верхней части (ссылочное обозначение 90 на чертеже). Подпружиненное позиционирующее приспособление 50, показанное на фиг.3 в положении сжатия, удерживается пружиной 92 вплотную к верхней оправке 94. Верхняя оправка 94 простирается вниз от верхнего конца 90 до двухпозиционного механизма 96 с J-образными пазом. Механизм 96 с J-образным пазом функционально связывает узел соединенных муфт 98 и 100 с оправкой 94. Нижний конец муфты 100 указан на фиг.8Г посредством ссылочного обозначения 102. К оправке 94 крепится муфта 104 с отверстиями 106, сквозь которые в режиме циркуляции проходит поток, показанный стрелками 60 на фиг.4, когда уплотнительный элемент 52 поднимается в положение над отверстиями 106. Под отверстиями 106 находится внешний уплотнительный элемент 28, который при спуске в скважину располагается под нижним концом 110 верхнего переводника 72 пакера (фиг.8В). Следует также отметить, что муфта 100 перемещается внутри муфты 112, имеющей отверстия 30, перекрываемые в транспортном положении муфтой 114, и фиксируемой собачкой 116 (фиг.8Д). Отверстия 30 должны быть перекрыты для обеспечения роста давления в канале 82 после сбрасывания шара на седло 118 для установки пакера 18.
Створчатый клапан 120 удерживается в открытом положении муфтой 122, зафиксированной штифтом 124. При попадании шара (первоначально показанного на фиг.9) на седло 118 и росте давления в канале 82 створка получает возможность закрыться под действием пружины относительно седла 126, что приводит к скачку давления в скважине и исключению возможности сброса шара (не показанного на данном чертеже) с седла 118.
Рост давления в канале 82 (фиг.8А-Б) передается через отверстия 128 и подъемную муфту 130. Нижний конец муфты 130 служит для блокирования вращательного движения корпуса пакера или верхнего переводника 72 во время спуска в скважину, чтобы в случае прихвата фильтров можно было провернуть их для освобождения. После надлежащего размещения пакера 18 блокирование вращательного движения элементом 130 уже не требуется, и к нему прикладывается давление в канале 82 для разблокирования после сбрасывания шара. При этом на поршень 134 оказывается нажим для установки пакера 18, после чего поршень 136 получает возможность перемещения для предотвращения механического перенапряжения уплотнительно-плашечного узла 88 пакера в процессе установки последнего. Этим обеспечивается "плавное расцепление" позиционирующего приспособления и верхнего переводника пакера. Установочный инструмент 70 отсоединяется от верхнего переводника 72 пакера, благодаря чему появляется возможность манипулирования колонной 12.
После установки пакера 18 (фиг.8Б-В) верхняя часть 90 многопозиционного циркуляционного клапана 26 может быть перемещена вверх муфтами 98 и 100 с целью подъема оправки 94 вслед за вхождением в контакт выступов 95 и 97, что позволяет выполнить подъем нижней внутренней колонны. В конце концов позиционирующее приспособление 50 окажется в положении, обозначенном через 90 на фиг.8Б. Раздельное крепление верхнего переводника 72 пакера и оправки 94 (и всех подвешенных на ней компонентов, включая муфту 104) позволяет манипулировать узлом соединенных муфт 98 и 100, перемещая его вверх и вниз, и устанавливать его, во взаимодействии с механизмом 96 с J-образным пазом, в два возможных положения после приложения усилий подъема и опускания в течение конечного промежутка времени. В одном из этих двух положений механизма 96 с J-образным пазом уплотнительный элемент 52 окажется под отверстиями 106 как это показано на фиг.8В. В другом положении механизма 96 с J-образным пазом уплотнительный элемент 52 окажется над отверстиями 106. По существу, уплотнительный элемент 52 находится на пути обратного потока, представленного стрелками 60 на фиг.4, в режиме циркуляции, что имеет место, когда уплотнительный элемент 52 располагается над отверстиями 106, в положении продавливания, когда перекрыт путь обратного потока в верхнее кольцевое пространство 56 (фиг.3), и в транспортном положении (фиг.8В).
Следует отметить, что при каждом подъеме узла муфт 98 и 100 будет происходить подъем уплотнительного элемента 52 в положение над отверстиями 106 и установление связи пласта с верхним кольцевым пространством 56. Это обстоятельство имеет существенное значение, поскольку предотвращает возникновение эффекта свабирования по мере подъема внутренней колонны 16. В случае наличия вокруг внутренней колонны 16 уплотнительных элементов в процессе ее подъема при осуществлении какой-либо операции этот подъем приводит к уменьшению давления в пласте или эффекту свабирования, что наносит ущерб пласту. Как упоминалось выше, перемещение вплоть до срабатывания механизма 96 с J-образным пазом или подъема внутренней колонны в положение реверсирования, показанное на фиг.5 или 7, не приведет ни к срабатыванию клапана 44, ни к свабированию. Ниже описываются компоненты многопозиционного циркуляционного клапана. Существует, однако, альтернативная конструкция, в которой путь 138 обратного потока, показанный на фиг.8 В под отверстиями 106, проходит иным образом. Целью этого альтернативного варианта осуществления является обеспечение закачки жидкости в канал 82 по мере извлечения внутренней колонны 16 и блокирование путей наименьшего сопротивления, чтобы жидкость, закачиваемая в канал 82, поступала, проходя открытый клапан 44, к нижнему концу внутренней колонны 16 для выполнения обработки кислотой изнутри фильтров по мере того как нижний конец внутренней колонны 16 перемещается вверх вдоль пласта в процессе извлечения колонны из скважины.
Для большей ясности вначале следует отметить, что путь 138 обратного потока вокруг створки 120 на фиг.8Д начинается под отверстиями 30, обходит их по линиям невидимого на чертеже контура и продолжается в транспортном положении вплоть до прерывания на уплотнительном элементе 52, а именно под отверстиями 106 на фиг.8В. На фиг.9А деталь 112' имеет измененную конструкцию, а деталь 140 добавлена для перекрытия пространства между находящейся внутри нее у верхнего конца деталью 100 и деталью 112', окружающей ее у нижнего конца. Следует отметить, что участок, показанный на фиг.9А-Б, расположен значительно выше седла 118 шара, используемого для установки пакера 18 и показанного на фиг.8Д. Применительно к этой альтернативной конструкции многопозиционного циркуляционного клапана 26 следует также отметить, что шар 142 не сбрасывается вплоть до выполнения операций гравийной набивки и реверсирования и приведения внутренней колонны 16 в готовность к извлечению. Путь обратного потока присутствует и в данном случае, но теперь он проходит через деталь 112' (отверстия 144 и 146) и канал 138' на внешней стороне детали 140. Отверстия 150 перекрываются уплотнительными элементами 152 и 154. Отверстия 156 смещены относительно отверстий 150 и изолированы посредством уплотнительных элементов 154 и 158. Шар 142 размещается в седле 160, удерживаемом на детали 140 собачками 162. При посадке шара 142 в седло 160 и росте давления происходит отжатие собачек 162, в результате чего деталь 140 может сместиться вниз, при этом отверстия 150 и 156 совмещаются друг с другом между уплотнительными элементами 152 и 154, а отверстия 144 изолируются от отверстий 146 посредством уплотнительного элемента 164. Теперь кислота, закачиваемая через канал 82, не может пройти к устью скважины через путь 138' обратного потока, поскольку уплотнительный элемент 164 перекрывает его. Путь движения кислоты будет благоприятным образом пролегать по каналу 138' в направлении забоя скважины, поскольку к моменту завершения гравийной набивки поток будет просто двигаться к нижнему концу внутренней колонны по мере ее извлечения из скважины, а проведение кислотной обработки по мере подъема внутренней колонны и является, так или иначе, конечной целью.
На фиг.8Д-Ж представлено продолжение внутренней колонны 16, которое включает верхнюю оправку 166 устройства регистрации положения, показанную на фиг.8Е, и нижнюю оправку 168 этого устройства, показанную на фиг.8Ж. Узел 38 регистрации положения показан на фиг.1-7. Он содержит ряд собачек 170, имеющих внутренние канавки 172 и 174 вблизи противоположных концов. Переводник 166 имеет кольцевые выступы 176 и 178, первоначально смещенные (в транспортном положении) относительно канавок 172 и 174, но расположенные на том же расстоянии друг от друга, что и эти канавки. Кольцевые выступы 176 и 178 определяют границы ряда канавок 180, 182 и 184. При спуске в скважину собачки 170 радиально вдвигаются в канавки 180 и 182. При приподнимании внутренней колонны 16 собачки 170 беспрепятственно движутся вверх вплоть до столкновения с выступом 186, показанным на фиг.8Г. Однако до наступления этого момента собачки 170 входят в большее отверстие, чем в случае транспортного положения, показанного на фиг.8Е, вследствие чего пружина 188 выталкивает собачки 170 относительно переводника 166, удерживая их в радиально выдвинутом положении над кольцевыми выступами 176 и 178 вплоть до контакта с ограничителем движения - выступом 186. Для продолжения перемещения устройства регистрации положения после выталкивания собачек 170 необходимо вовлечение в это движение нижней оправки 168, для чего требуется уменьшить объем заполненной гидравлической жидкостью камеры 190 путем перемещения этой жидкости через отверстие 192 и канал 194 в камеру 196. Пружина 200 смещает поршень 198, обеспечивая компенсацию тепловых эффектов. Этот процесс занимает некоторое время и служит в качестве поступающего на поверхность сигнала о том, что дальнейшее приложение усилия к внутренней колонне 16 приведет к взведению клапана 44 как показано на фиг.6. Если отверстие 192 закупорено, то может быть приложено большее усилие, чем обычно требуется для вытеснения жидкости из камеры 190. В этом случае подпружиненный предохранительный клапан 202 откроется в канал 204, образуя альтернативный путь в камеру 196. После вытеснения достаточного количества гидравлической жидкости внутренняя колонна 16 перемещается на расстояние, достаточное для вхождения противоположных концов собачек 170 в канавки 182 и 184 с целью удаления их опоры и обеспечения дальнейшего продвижения внутренней колонны 16 вверх. Теперь клапан 44 промывочной трубы выступает из отверстия 40. Для взведения клапана необходимо спустить его сквозь отверстие 40 под выступ 210, а для закрытия - поднять обратно для вхождения в отверстие 40.
Вытягивание вверх переводника 166 регистрации положения после удаления опоры собачек 170 приводит к тому, что позиционирующее приспособление 257 (показанное на фиг.10В) на клапанном узле 44 полностью проходит сквозь ограничивающее отверстие (канал) 40, начало которого указано ссылочным обозначением 210 (фиг.8З), а конец - ссылочным обозначением 212 (фиг.8Е). Позиционирующее приспособление 206 должно будет пройти обратно сквозь отверстие 40 от точки 212 до точки 210, после чего внутренняя колонна 16 должна будет подняться, чтобы позиционирующее приспособление 257 вошло обратно в отверстие 40 для закрытия клапана 44. Клапан закроется, когда позиционирующее приспособление 257 будет втянуто обратно в отверстие 40.
Посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением содержит ряд гибких пальцев 214, имеющих выпуклый участок 216 с нижним посадочным буртом 218. Кроме того, здесь предусмотрен двухпозиционный механизм 220 с J-образным пазом. В одном положении, когда у бурта 218 имеется опора, механизм 220 обеспечивает продвижение нижней оправки 222 посадочного устройства с возвратно-поступательным движением, которая является частью внутренней колонны 16, вплоть до момента вхождения в контакт выступов 224 и 226, в результате чего выступ 226 получает опору, поскольку опора имеется и у бурта 218. Одновременно с вхождением в контакт выступов 224 и 226 происходит совмещение кольцевого выступа 228 с буртом 218, чем обеспечивается удержание посадочного устройства 42 с возвратно-поступательным движением вне бурта 218. Это показано на фиг.5 и 7, иллюстрирующих положения регистрации и реверсирования. Тем не менее, подъем внутренней колонны 16 переводит кольцевой выступ 228 в положение над буртом 218 и активирует двухпозиционный механизм 220 с J-образным пазом, так что при повторном воздействии веса кольцевой выступ 228 не будет прижат к бурту 218 для его поддержки, позиционирующий узел 214, 216 будет просто вдавлен внутрь при приложении к нему веса, а бурт 218 войдет в контакт с сопряженной поверхностью, например поверхностью 212 на фиг.8Е.
Ниже рассматривается работа клапанного узла 44 со ссылкой на фиг.8И-К и фиг.10А-Б. На фиг.10А-Б показано, что вначале имеет место поворот клапана 44 вплоть до закрытия, осуществляемый начиная с открытого положения при спуске в скважину и продолжающийся в ходе различных других операций, показанных на фиг.1-7. Пружина 230 воздействует на шар 232, переводя его в положение открытия (фиг.8К). Для перевода шара 232 в положение закрытия необходимо сжать пружину 230 с помощью механизма 234 с J-образным пазом. Механизм 234 содержит муфту 236 с внешним направляющим вырезом 238. Она имеет треугольный нижний конец, переходящий в грань 242. Управляющая муфта 244 имеет треугольный верхний конец 246, оканчивающийся гранью 248. Переходные элементы 246 и 248 связывают муфту 244 с шаром 232 посредством соединительных штифтов 250, смещенных относительно оси вращения шара 232 (один из этих штифтов показан на фиг.8И над шаром 232).
Механизм 234 с J-образным пазом активируется при контакте с выступом 252 (фиг.10В) в процессе втягивания вверх в отверстие меньшего диаметра, такое как отверстие 40, или перемещения вниз под действием посадочного веса и контакта выступа с отверстием меньшего диаметра, таким как отверстие 40. Муфта 256 определяет границы пальцев позиционирующего приспособления, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга и на наружной стороне которых находятся выступы 252 и 254. На фиг.10В показано одно из нескольких отверстий 258 в муфте 256, в котором смонтирован элемент позиционирующего приспособления 206 (см. также фиг.8И). Штифт 260 на позиционирующем приспособлении 206 входит в вырез 238 элемента 236, показанного на фиг.10А.
Перевод в транспортное положение для спуска в скважину, показанное на фиг.1, начинается с треугольных компонентов 240 и 246, располагающихся с угловым смещением в 270 градусов, определяющим остаточный угол поворота, требуемого для центрирования и перевода в положение закрытия шара 232. Первый подъем клапана 44 в отверстие 40 сокращает угловое смещение треугольных компонентов 240 и 246 до 180 градусов. Неограниченное движение внутренней колонны 16 вверх возможно до положения регистрации, показанного на фиг.5. При этом важно отметить, что клапан 44 остается сжатым в отверстии 40 вплоть до истечения времени регистрации. По окончании регистрации внутренняя колонна 16 продолжает движение вверх, в результате чего муфта 256 клапана 44 оказывается над отверстием 40. Движение внутренней колонны 16 вниз приводит выступ 254 во взаимодействие с отверстием 40, в результате чего угловое смещение треугольных компонентов 240 и 246 сокращается до 90 градусов. В этот момент должно быть достигнуто типичное положение циркуляции, показанное на фиг.4, и начато закачивание гравийного шлама. По завершении закачивания гравийного шлама внутренняя колонна 16 вытягивается вверх. Клапан 44 входит в отверстие 40, вызывая еще один поворот элемента 236, совмещение треугольных компонентов 240 и 246 и перевод шара 232 в положение закрытия. При повторении этого процесса каждое чередующееся взаимодействие выступов 252 и 254 с соответствующими выступами отверстия 40 вызывает поворот на 90 градусов муфты 236 с J-образным пазом. Поочередные взаимодействия тех же выступов, будь то выступ 252 или выступ 254, входящих в отверстие 40 и выходящих из этого отверстия без прохождения его полностью, не приводят к дополнительным поворотам на 90 градусов муфты 236. Конечно, шар 232, будучи в положении закрытия, может быть переведен в положение открытия как описано выше посредством выталкивания выступа 254 назад, то есть вниз сквозь отверстие 40, в результате чего происходит угловое смещение граней 242 и 248 друг относительно друга, и пружина 230 поворачивает шар 232 обратно в положение открытия.
При вытягивании внутренней колонны происходит разблокирование, смещение и блокирование в новом положении муфты 114. Как видно из фиг.8К, ряд сдвигающих элементов 252 имеет выступ 255, работающий при смещении в направлении устья и выступ 257, работающий при смещении в направлении забоя скважины. При движении внутренней колонны 16 в направлении устья выступ 255 захватывает выступ 258 муфты 260 (фиг.8Д) и отводит муфту 260 от собачки 116, тем самым позволяя муфте 114 переместиться в направлении устья скважины. Муфта 260 переносится внутренней колонной 16 вверх вплоть до столкновения с пальцем 266 позиционирующего приспособления, после чего муфта 114 перемещается вместе с внутренней колонной 16, пока пальцы 266 не войдут в зацепление с канавкой 268. В этот момент пальцы 266 отклоняются настолько, чтобы позволить муфте 260 пройти под ними. Муфта 260 останавливается после контакта с выступом 262, фиксируя положение муфты 114. Поскольку муфта 114 крепится к муфте с отверстиями 20, верхний конец 264 которой не зафиксирован и может свободно перемещаться вверх, муфты 114 и 20 будут двигаться вместе с муфтой 260, пока пальцы 266 не попадут в канавку 268, позволяя муфте 260 пройти над ними, при этом выступ 255 выходит из контакта с муфтой 260 по мере извлечения внутренней колонны 16 из скважины. Это приводит к блокированию муфты 114 в положении закрытия. В этот момент муфта 114 перекрывает отверстия 20, отделяя их от кольцевого пространства 22, так что эксплуатационная колонна может войти в пакер 18, а поток продукции может поступать через фильтры (не показаны) и пакер 18 на поверхность. Описанные выше движения можно реверсировать для открытия отверстий 20. С этой целью производится опускание внутренней колонны 16, чтобы выступ 257 вошел в контакт с выступом 270 на муфте 260 и последняя отошла от пальцев 266. Муфта 114 и муфта с отверстиями 20 будут совместно перемещаться вниз вплоть до вхождения собачки 116 в канавку 272, благодаря чему муфта 260 сможет пройти над ними, а выступ 257 - отойти от муфты 260, оставив муфту 114 блокированной в том же положении, в котором она находилась при спуске в скважину (фиг.8Д). Муфта 114 может блокироваться в своих противоположных конечных положениях.
На фиг.11А-К показан инструмент в положении продавливания. Сравнивая фиг.11 и 8, можно заметить ряд отличий. Как видно на фиг.11Д, шар 300 располагается в седле 118 при срезанном штифте 124, тогда как смещение седла 118 позволяет створке 120 закрыться. Пакер 18 установлен посредством давления, приложенного к шару 48, расположенному в седле. При установленном пакере 18 спусковая колонна 12 поднимает компоновку внутренней колонны 16 (фиг.11А) таким образом, что позиционирующее приспособление 50 многопозиционного циркуляционного клапана 26 (фиг.11В) теперь располагается на верхнем переводнике 72 пакера, где ранее во время спуска в скважину располагалась верхняя часть 90 многопозиционного циркуляционного клапана 26 как это показано на фиг.8Б. Под действием веса, приложенного к компоновке внутренней колонны 16, уплотнительный элемент 52 оказывается ниже отверстий 106, так что путь 138 обратного потока перекрывается. Это изолирует верхнее кольцевое пространство 56 (см. фиг.3) от фильтров (не показаны), располагающихся в области пласта. Как упоминалось выше, механизм 96 с J-образным пазом позволяет альтернативным образом расположить уплотнительный элемент 52 под отверстиями 106 в положении продавливания и над этими отверстиями в положении циркуляции при чередующемся воздействии усилий подъема и опускания внутренней колонны 16. Положение, показанное на фиг.11Г, может быть быстро получено в случае возникновения поглощения жидкости в пласте, благодаря чему можно быстро перекрыть верхнее кольцевое пространство 56. Это можно осуществить без приведения в действие клапана 44 контроля низкого давления на забое, что означает, что последующие движения в направлении устья скважины не приведут к возникновению эффекта свабирования в пласте, поскольку эти движения будут происходить при сохранении гидравлической связи с верхним кольцевым пространством 56. Проблема поглощения жидкости в пласте в этом случае решается переводом в закрытое положение многопозиционного циркуляционного клапана 26 при опускании, когда механизм 96 с J-образным пазом находится в положении реверсирования.
Следует также отметить, что внутренние отверстия 30 для выхода гравия находятся в этом случае значительно выше скользящей муфты 114, которая первоначально перекрывала их для обеспечения установки пакера 18. Это показано на фиг.11Г-Д. Как показано на фиг.3 и НЕ, собачки 170 устройства 38 регистрации положения находятся в отверстии 40, так же как и посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением, показанное на фиг.11И. Клапан 44 контроля низкого давления на забое располагается ниже отверстия 40 и будет оставаться там при перемещении между положениями продавливания и циркуляции (фиг.3 и 4).
Фиг.12 аналогичен фиг.11 с тем основным отличием, что механизм 96 с J-образным пазом переводит муфты 98 и 100 в другое положение после подъема и опускания под действием веса, приложенного к внутренней колонне 16, так что уплотнительный элемент 52 располагается над отверстиями 106, открывая путь 138 обратного потока через отверстия 106 в верхнее кольцевое пространство 56. Это показано на фиг.12 В-Г. Образовавшийся поток циркуляции проходит по пути вниз от внутренней колонны 16 через канал 82, отверстия 30 и отверстия 20 во внешнее кольцевое пространство 22, после чего проходит сквозь фильтры (не показаны), обратно к внутренней колонне 16, в канал 138 и, через отверстия 106, в верхнее кольцевое пространство 56. Следует также отметить, что возврат в положение продавливания, показанное на фиг.11, из положения циркуляции, показанного на фиг.12, может быть осуществлен простым подъемом и повторным опусканием внутренней колонны 16 с помощью механизма 96 с J-образным пазом, когда многопозиционный циркуляционный клапан 26 не опирается на верхний переводник 72 пакера в области позиционирующего приспособления 50. Это обстоятельство является важным по нескольким причинам. Во-первых, в процессах циркуляции и продавливания используется одно и то же посадочное положение на верхнем переводнике 72 пакера в отличие от предшествующих конструкций, в которых для реализации этих двух режимов требуется посадка в положениях, разнесенных в осевом направлении, что приводит к некоторой неопределенности в глубоких скважинах, если нужное посадочное положение достигается посредством позиционирующего приспособления. Кроме того, переключение между режимами циркуляции и продавливания не сопряжено с опасностью закрытия клапана 44 контроля низкого давления на забое, так что отсутствует риск возникновения эффекта свабирования при последующем подъеме внутренней колонны 16. В предшествующих конструкциях неопределенность в достижении требуемых положений, главным образом при реверсировании, иногда приводила к непреднамеренному переводу клапана промывочной трубы в закрытое положение, поскольку уставка срезного приспособления, удерживающего его в открытом положении, обычно была достаточно низкой, и действия персонала на поверхности легко могли привести к его непреднамеренному срезанию. Результатом этого в предшествующих конструкциях являлось возникновение эффекта свабирования скважины при последующем подъеме внутренней колонны. Помимо этого преимущества, обеспечиваемого для многопозиционного циркуляционного клапана 26 даже в конфигурации режима циркуляции, представленной на фиг.12, возможен быстрый возврат в положение продавливания многопозиционного циркуляционного клапана 26 с изменением положения уплотнительного элемента 52 относительно отверстий 106, когда механизм 96 с J-образным пазом находится в положении реверсирования, чем предотвращается поглощение флюида в пласте и исключается риск приведения в действие клапана 44 контроля низкого давления на забое.
Следует отметить, что при подъеме колонны 12 многопозиционный циркуляционный клапан 26 продолжает находиться на проводнике 72 пакера вплоть до вхождения в контакт выступов 95 и 97. Во время этого первоначального движения, в результате которого происходит контакт выступов 95 и 97, уплотнительный элемент 52 перемещается за отверстия 106. Величина этого перемещения очень мала и в предпочтительном варианте составляет несколько дюймов. Когда это происходит, верхнее кольцевое пространство 56 оказывается в гидравлической связи с нижним кольцевым пространством 22 до того, как внутренняя колонна 16 поднимет корпус 134 многопозиционного циркуляционного клапана 26 и крепящееся к нему оборудование, включая узел 38 регистрации положения, посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением и шаровой клапан 44 контроля низкого давления на забое. Это начальное движение муфт 98 и 100 без какого-либо перемещения корпуса 134 и крепящегося к нему оборудования представляет собой "мертвый ход" - отличительный признак, обеспечивающий установление связи верхнего кольцевого пространства 56 с нижним кольцевым пространством 22 до того, как основная масса внутренней колонны 16 придет в движение при вхождении в контакт выступов 95 и 97. По существу, на момент начала движения всей компоновки внутренней колонны 16 верхнее кольцевое пространство 56 уже соединяется с нижним кольцевым пространством 22 для предотвращения свабирования. Механизмом 96 с J-образным пазом и соединенными муфтами 98 и 100 можно управлять с целью переключения между положениями продавливания и циркуляции, не поднимая внутреннюю колонну 16 под многопозиционным циркуляционным клапаном 26 и его корпусом 134. Этим обеспечивается простая и постоянная возможность получения информации о том, в каком из этих двух положений находится компоновка, наряду с гарантированным открытием верхнего кольцевого пространства 56 до перемещения нижней части внутренней колонны 16 и дополнительным преимуществом, заключающемся в быстром перекрытии верхнего кольцевого пространства 56 при внезапно начавшемся поглощении жидкости в нижнем кольцевом пространстве 22. Последнее осуществляется, главным образом, путем быстрого подъема и опускания, если в момент возникновения поглощения жидкости многопозиционный циркуляционный клапан 26 находился в положении циркуляции. Конструкция с этим отличительным признаком может быть противопоставлена предшествующим конструкциям, в которых непременным условием перевода системы в положения продавливания, циркуляции и реверсирования является перемещение всей компоновки внутренней колонны на несколько футов до того, как какое-либо из отверстий переводится в положение, обеспечивающее соединение верхнего и нижнего кольцевых пространств, при том, что за время этого долгого перемещения всей внутренней колонны относительно отверстия пакера в скважине может возникнуть эффект свабирования.
На фиг.13 внутренняя колонна 16 поднята с целью вывода отверстий 30 для выхода гравия из верхнего проводника 72 пакера (фиг.13Д). Предел перемещения колонны 16 достигается, когда собачки 170 оказываются снаружи у выступа 186 (фиг.13Е-Ж) и подпираются кольцевыми выступами 176 и 178. В этот момент посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением (фиг.13И) находится вне отверстия 40, так что при приложении веса к внутренней колонне 16 после достижения положения, показанного на фиг.13, ограничитель движения 224 окажется на выступе 226, который переведет кольцевой выступ 228 за бурт 218 к бурту 219 на внешней колонне 24, поддерживаемой пакером 18. Как упоминалось выше, посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением содержит механизм 220 с J-образным пазом (фиг.13З), что позволяет ему просто сжиматься при подъеме от бурта 219 и снова возвращаться в прежнее состояние при опускании обратно. В результате выполнения операции регистрации и вытеснения достаточного количества гидравлической жидкости из камеры 190 (фиг.13Ж) клапан 44 контроля низкого давления на забое вытягивается через отверстие 40, которое теперь располагается ниже (фиг.13К). После вытягивания клапана 44 через отверстие 40 происходит поворот на 90 градусов его механизма 234 с J-образным пазом, но грани 242 и 248 (фиг.10А-Б) остаются смещенными друг относительно друга. При прохождении всего пути обратно вниз через отверстие 40 происходит еще один поворот механизма 234 с J-образным пазом на 90 градусов, при этом смещение граней 242 и 248 сохраняется и клапан 44 остается открытым. Тем не менее, третий подъем внутренней колонны 16 для проводки клапана 44 через отверстие 40 приведет к совмещению граней 242 и 248 и закрытию клапана 44. Клапан 44 может быть снова открыт при опускании обратно через отверстие 40 на расстояние, достаточное для смещения граней 242 и 248 друг относительно друга и открытия клапана под действием пружины 230.
Единственное отличие фиг.13 от фиг.14 обнаруживается при сравнении фиг.13И и 14И. Это отличие состоит в том, что на фиг.14И вес прикладывается после подъема на расстояние, достаточное для перевода собачек 170 вплотную к выступу 186 и опускания обратно без выполнения регистрации, то есть без проводки клапана 44 вверх через все отверстие 40. На фиг.14Е собачки 170 показаны после опускания и вдали от своего ограничительного выступа 186. На фиг.14И показан кольцевой выступ 228, возвращающий бурт 218 посадочное устройство 42 с возвратно-поступательным движением к бурту 219 внешней колонны 24. Следует также отметить, что отверстия 30 располагаются над верхним переводником 72 пакера. Внутренняя колонна 16 уплотнена в верхнем переводнике 72 пакера уплотнительным элементом 28.
Ясно, что, несмотря на то, что в настоящем описании представлены некоторые частные варианты осуществления изобретения, в пределах сущности и объема этого изобретения возможно внесение многих изменений в детали конструкции и расположение компонентов. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается представленными примерами его осуществления и должно ограничиваться только объемом приложенной формулы изобретения, включая все эквивалентные элементы в полном объеме, на которые распространяется действие этой формулы изобретения.