СКВАЖИННЫЙ ЗАКАЧИВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
DOWNHOLE PUMPDOWN TOOL

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к скважинному закачивающему инструменту, предназначенному для закачивания закачиваемой текучей среды в затрубное пространство, окружающее скважинный закачивающий инструмент и ограниченное внутренней стенкой ствола скважины или скважинной трубчатой конструкцией. Кроме того, данное изобретение относится к скважинной системе, содержащей скважинный закачивающий инструмент, а также к способу для формования в скважине цементной пробки.
Уровень техники
В области техники, связанной с добычей углеводородов, иногда требуется перекрыть ствол скважины, например, герметизировать часть скважины. В, по существу, вертикальных скважинах это можно выполнить путем установки некоторого типа пробки и заливки цемента в скважину. При отверждении цемента в стволе скважины образуется пробка. В зависимости от используемого для создания пробки материала может существовать возможность для пробуривания пробки с тем, чтобы восстановить тракт для прохождения потока. Как вариант, пробка может быть постоянной.
Однако, в наклонных скважинах отсутствует возможность для формования пробки простой заливкой цемента в ствол скважины. В наклонных скважинах, например, скважинах с наклоном, близким к горизонтали, процесс формования пробки является гораздо более сложным.
Закачивание текучей среды так, чтобы закачиваемая текучая среда заполнила все доступное пространство секции ствола скважины, либо не обсаженной, либо обсаженной, является особенно сложной задачей в наклонной скважине, помимо всего прочего, из-за наличия силы тяжести. Если пробку устанавливают в скважине, а текучую среду закачивают выше пробки, то текучая среда будет естественно выравниваться на одном уровне в скважине выше пробки. Если скважина сильно наклонена, то практически невозможно заставить текучую среду заполнить поперечное сечение ствола скважины. Если текучая среда предназначена для заполнения поперечного сечения по секции скважины, например, если необходимо наличие пробки с определенной длиной, то задача еще больше усложняется.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является полное или частичное устранение вышеуказанных недостатков предшествующего уровня техники. Более конкретно, задачей данного изобретения является создание улучшенного скважинного закачивающего инструмента, предназначенного для закачивания текучей среды в ствол скважины для заполнения и полного перекрытия ствола скважины.
Вышеуказанные задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и признаки, очевидные из нижеследующего описания, выполнены с помощью технического решения согласно данному изобретению посредством скважинного закачивающего инструмента, предназначенного для закачивания закачиваемой текучей среды в затрубное пространство, окружающее скважинный закачивающий инструмент и ограниченное внутренней стенкой ствола скважины или скважинной трубчатой конструкцией, причем скважинный закачивающий инструмент содержит:
- закачивающий модуль, содержащий:
- первую разжимную манжету, адаптированную для обеспечения первого уплотнения с внутренней стенкой;
- вторую разжимную манжету, адаптированную для обеспечения второго уплотнения с внутренней стенкой;
причем две манжеты в разжатом состоянии совместно ограничивают изолируемую зону затрубного пространства;
- по меньшей мере один трубный элемент, вытянутый в продольном направлении между двумя манжетами, причем трубный элемент обеспечивает проход для текучей среды между впускным отверстием, расположенным в одном конце трубного элемента, и выпускным отверстием, расположенным в трубном элементе между манжетами;
причем вторая разжимная манжета соединена с возможностью скольжения с трубным элементом и смещения в продольном направлении от первой разжимной манжеты под действием закачиваемой текучей среды, закачиваемой в изолированную зону, с увеличением тем самым расстояния d между двумя манжетами;
причем закачивающий модуль дополнительно содержит удерживающую муфту, расположенную с возможностью скольжения вокруг разжимных манжет для предотвращения непредусмотренного разжимания разжимных манжет во время введения скважинного закачивающего инструмента, при этом удерживающая муфта выполнена с возможностью скольжения в продольном направлении, а разжимные манжеты освобождаются путем перемещения удерживающей муфты в продольном направлении.
В одном варианте осуществления изобретения закачивающий модуль может быть адаптирован для его отсоединения от остальной части скважинного закачивающего инструмента.
Длина по меньшей мере одного трубного элемента может быть отрегулирована в соответствии с требуемой длиной изолированной зоны. Соответственно, длина цементной пробки или длина секции скважины, подвергающейся воздействию закачиваемой текучей среды, может быть отрегулирована в соответствии с конкретными требованиями.
Помимо этого, удерживающая муфта может содержать первую часть муфты и вторую часть муфты, выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга.
Первая часть муфты и вторая часть муфты могут иметь внутренний диаметр, который меньше наибольшего разжатого наружного диаметра второй разжимной манжеты.
Дополнительно, первая и вторая части муфты могут содержать фиксирующее средство для взаимного соединения с возможностью освобождения первой и второй частей муфты.
Кроме того, фиксирующее средство может содержать защелкивающийся механизм, образованный одним или большим количеством упругих элементов, прикрепленных ко второй части муфты, причем один или большее количество упругих элементов адаптированы для взаимодействия с углублением в наружной поверхности первой части муфты.
Также скважинный закачивающий инструмент может содержать выполненные с возможностью разрушения удерживающие элементы, адаптированные для предотвращения непредусмотренного разжимания разжимных манжет во время введения скважинного закачивающего инструмента в скважину, причем удерживающие элементы разрушаются во время разжимания разжимных манжет.
В одном варианте осуществления изобретения скважинный закачивающий инструмент, описанный выше, может дополнительно содержать резервуар для текучей среды, соединенный с возможностью передачи текучей среды с трубным элементом, причем резервуар для текучей среды содержит закачиваемую текучую среду, предназначенную для закачивания через трубу в изолированную зону между двумя манжетами.
Благодаря тому что скважинный закачивающий инструмент содержит резервуар для текучей среды, скважинный закачивающий инструмент может работать на кабеле, а закачивающий модуль может быть использован в глубоких или наклонных скважинах.
Дополнительно, скважинный закачивающий инструмент, описанный выше, может содержать насос, предназначенный для продвижения закачиваемой текучей среды через трубный элемент в изолированную зону, причем насос соединен с возможностью передачи текучей среды с затрубным пространством и присоединен с возможностью передачи текучей среды к резервуару для текучей среды для нагнетания рабочей текучей среды из затрубного пространства в резервуар для текучей среды для вытеснения закачиваемой текучей среды из резервуара для текучей среды в трубный элемент.
Благодаря тому что скважинный закачивающий инструмент содержит насос, скважинный закачивающий инструмент может быть задействован на кабеле, а закачивающий модуль может быть использован в глубоких или наклонных скважинах.
Кроме того, резервуар для текучей среды может содержать рабочий поршень, расположенный внутри резервуара для текучей среды, причем рабочий поршень выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении и смещения рабочей текучей средой, нагнетаемой насосом в резервуар для текучей среды, при этом рабочий поршень содержит фиксирующий механизм рабочего поршня, адаптированный для предотвращения перемещения рабочего поршня до тех пор, пока давление внутри резервуара для текучей среды не достигнет заданной пороговой величины под действием рабочей текучей среды, нагнетаемой в резервуар для текучей среды.
Заданный порог давления может на 0,5-3 бар превышать давление в стволе скважины, предпочтительно на 0,5-1,5 бар превышать давление в стволе скважины.
В одном варианте осуществления изобретения фиксирующий механизм рабочего поршня может содержать одну или большее количество смещаемых пружиной защелок, адаптированных для взаимодействия с углублением в стенке резервуара для текучей среды.
Кроме того, закачивающий модуль может дополнительно содержать активирующий поршень, расположенный внутри трубного элемента и соединенный с удерживающей муфтой, причем активирующий поршень выполнен с возможностью перемещения при закачивании закачиваемой текучей среды через трубный элемент, при этом закачивание закачиваемой текучей среды перемещает активирующий поршень и удерживающую муфту в продольном направлении для освобождения разжимных манжет.
Дополнительно, активирующий поршень может содержать фиксирующий механизм активирующего поршня, адаптированный для предотвращения перемещения активирующего поршня до тех пор, пока давление внутри прохода для текучей среды трубного элемента не достигнет заданной пороговой величины под действием закачиваемой текучей среды, нагнетаемой в закачивающий модуль.
Помимо этого, заданный порог давления может на 5-8 бар превышать давление в стволе скважины, предпочтительно на 6-7 бар превышать давление в стволе скважины.
Кроме того, фиксирующий механизм активирующего поршня может содержать цилиндрическую камеру, выполненную в активирующем поршне, скользящий поршень, расположенный в цилиндрической камере, фиксирующий поршень, выполненный с возможностью перемещения между фиксирующим положением и освобождающим положением под воздействием пружинного элемента, расположенного в цилиндрической камере, и один или большее количество фиксирующих элементов, размещенных с возможностью скольжения в одном или большем количестве радиальных расточных отверстий в активирующем поршне, причем один или большее количество фиксирующих элементов выполнены с возможностью фиксации в выдвинутом положении посредством фиксирующего поршня, когда фиксирующий поршень находится в фиксирующем положении, и выполнены с возможностью скольжения в радиальном направлении, когда фиксирующий поршень смещен в продольном направлении к пружинному элементу посредством закаченной закачиваемой текучей среды.
В одном варианте осуществления скважинного закачивающего инструмента согласно данному изобретению как первая, так и вторая разжимные манжеты могут быть соединены с возможностью скольжения с трубным элементом.
Дополнительно, закачивающий модуль может содержать обратный клапан, соединенный с возможностью передачи текучей среды с трубным элементом для предотвращения обратного потока закачиваемой текучей среды, закаченной в закачивающий модуль из резервуара для текучей среды. Обратный клапан подробно описан в международной публикации международной патентной заявки № WO 2008/085057, которая включена настоящим посредством ссылки.
Также закачивающий модуль может представлять собой заливочный модуль для формования в скважине цементной пробки.
Кроме того, резервуар для текучей среды может представлять собой желонку для цементирования.
Дополнительно, закачивающий модуль может представлять собой обрабатывающий модуль, предназначенный для воздействия на часть скважины обрабатывающей текучей средой, например кислотой, очищающей текучей средой и так далее.
Каждая из разжимных манжет может содержать соединительный элемент, соединенный с трубным элементом, гибкую муфту, имеющую первый конец, соединенный с соединительным элементом, и множество пружинных элементов, расположенных вокруг гибкой муфты для по меньшей мере частичного разжимания гибкой муфты.
Скважинный закачивающий инструмент, описанный выше, может содержать разжимной механизм, адаптированный для разжимания разжимных манжет в скважине.
В одном варианте осуществления изобретения скважинный закачивающий инструмент может содержать сплавы с памятью формы, адаптированные для разжимания скважинных разжимных манжет в скважине.
Также каждая из разжимных манжет содержит расширяемый баллон, охватывающий трубную секцию.
Помимо этого, каждая из разжимных манжет может дополнительно содержать уплотнительный материал, расположенный вдоль края во втором конце гибкой муфты.
Скважинный закачивающий инструмент, описанный выше, может дополнительно содержать выталкивающий механизм, адаптированный для отсоединения закачивающего модуля от резервуара для текучей среды и, соответственно, от остальной части скважинного закачивающего инструмента, причем выталкивающий механизм активируется, когда давление внутри резервуара для текучей среды достигает заданной пороговой величины под действием рабочей текучей среды, нагнетаемой в резервуар для текучей среды.
Кроме того, заданный порог давления может на 2-7 бар превышать давление в стволе скважины, предпочтительно на 2-5 бар превышать давление в стволе скважины.
Дополнительно, выталкивающий механизм может содержать цилиндрический корпус, одну или большее количество фиксирующих защелок, поршневую муфту, расположенную с возможностью скольжения внутри цилиндрического корпуса и с возможностью перемещения между фиксирующим положением и освобождающим положением, и пружинный элемент, толкающий поршневую муфту в продольном направлении, при этом фиксирующие защелки размещены с возможностью скольжения в одном или большем количестве радиальных расточных отверстий в цилиндрическом корпусе и зафиксированы в выдвинутом положении поршневой муфтой, когда поршневая муфта находится в положении фиксации, и выполнены с возможностью скольжения в радиальном направлении, когда поршневая муфта смещается в продольном направлении к пружинному элементу под действием закачиваемой рабочей текучей среды.
Также поршневая муфта выталкивающего механизма может быть смещена в продольном направлении к пружинному элементу посредством рабочего поршня, взаимодействующего с поршневой муфтой для перекрытия потока, проходящего через поршневую муфту.
В одном варианте осуществления изобретения скважинный закачивающий инструмент может содержать электродвигатель, получающий питание через кабель для приведения в действие насоса.
Далее, рабочая текучая среда может представлять собой скважинную текучую среду, извлекаемую из затрубного пространства, окружающего скважинный закачивающий инструмент.
Данное изобретение также относится к скважинной системе, содержащей скважинный закачивающий инструмент, описанный выше, и скважинный трактор, присоединенный к одному концу скважинного закачивающего инструмента, причем трактор адаптирован для проталкивания скважинного закачивающего инструмента в ствол скважины до освобождения разжимных манжет и закачивания закачиваемой текучей среды.
Данное изобретение также относится к способу для формования в скважине цементной пробки с использованием скважинного закачивающего инструмента, описанного выше, причем способ содержит следующие этапы:
- опускание скважинного закачивающего инструмента в скважину;
- нагнетание рабочей текучей среды в скважинный закачивающий инструмент со смещением тем самым закачиваемой текучей среды и перемещением удерживающей муфты в продольном направлении для освобождения разжимных манжет; и
- закачивание закачиваемой текучей среды в изолированную зону затрубного пространства с увеличением тем самым расстояния между двумя манжетами.
Рабочая текучая среда может представлять собой скважинную текучую среду, извлекаемую из затрубного пространства, окружающего скважинный закачивающий инструмент.
Способ для формования в скважине цементной пробки может дополнительно содержать этап отсоединения закачивающего модуля от остальной части скважинного закачивающего инструмента.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение и его многочисленные преимущества описаны более подробно со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых с иллюстративной целью показаны некоторые не ограничивающие варианты осуществления изобретения, и на которых:
на фиг. 1а-1с показан скважинный закачивающий инструмент согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 2а показан закачивающий модуль с двумя разжимными манжетами в разжатом положении;
на фиг. 2b показан другой закачивающий модуль с двумя разжимными манжетами в разжатом положении;
на фиг. 3 показан закачивающий модуль со второй разжимной манжетой, смещенной в продольном направлении;
на фиг. 4а показан рабочий поршень, расположенный в нижней части резервуара для текучей среды;
на фиг. 4b показано поперечное сечение по линии D-D, показанной на фиг. 4а;
на фиг. 5 показан активирующий поршень и фиксирующий механизм активирующего поршня;
на фиг. 6 показан закачивающий модуль согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7 показана первая часть удерживающей муфты и вторая часть удерживающей муфты, а также соответствующее фиксирующее средство; и
на фиг. 8 показана скважинная система, содержащая скважинный закачивающий инструмент согласно варианту осуществления изобретения.
Все чертежи являются весьма схематическими и не обязательно выполнены в масштабе, при этом на них показаны только те части, которые необходимы для объяснения данного изобретения, поэтому другие части не показаны или показаны без объяснения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1а-1с показан скважинный закачивающий инструмент 1, содержащий секцию 6 скважинного трактора, предназначенную для проталкивания скважинного закачивающего инструмента вперед в скважине, насос 8 для нагнетания рабочей текучей среды в скважинный закачивающий инструмент, резервуар 9 для текучей среды, содержащий закачиваемую текучую среду, предназначенную для закачивания в скважину, и закачивающий модуль 10, через который в скважину 4 закачивают закачиваемую текучую среду, как показано на фиг. 8. Как обозначено пунктирными линиями, секции инструмента, показанные на фиг. 1а, 1b и 1с, должны быть объединены в один связанный инструментальный снаряд, составляющий скважинную систему 100, как показано на фиг. 8.
Закачивающий модуль 10 вытянут в продольном направлении 13 и содержит первую секцию 101, посредством которой закачивающий модуль присоединен к резервуару 9 для текучей среды и, соответственно к остальной части скважинного закачивающего инструмента. От впускного отверстия 104, расположенного в первой секции закачивающего модуля, проходит проход 108 для текучей среды ко второй секции 110 закачивающего модуля. В направлении впускного отверстия 104 первая секция имеет более широкую часть 102, в которой выполнены обратный клапан 106 и углубление 107 для взаимодействия с выталкивающим механизмом резервуара для текучей среды. В направлении второго конца 105 первой секции 101 выполнен отрезок 103 с уменьшенным диаметром для размещения механизма 11 центратора. Специалисту в области техники известны различные типы механизмов центратора, поэтому механизм центратора не описан более подробно. Второй конец 105 первой секции присоединен к промежуточной трубной секции 130, соединяющей первую и вторую секцию закачивающего модуля 10. Длина промежуточной трубной секции 130 может меняться в соответствии с техническими требованиями для конкретной выполняемой работы. Промежуточная трубная секция 130 соединена с трубным элементом 111 второй секции 110 с обеспечением тем самым соединения с возможностью передачи текучей среды между первой и второй секцией закачивающего модуля 10. Первая разжимная манжета 118а и вторая разжимная манжета 118b выполнены так, что они окружают трубный элемент 111. На фиг. 1 с разжимные манжеты 118а, 118b показаны в разжатом состоянии, обозначенном пунктирными линиями. Когда скважинный закачивающий инструмент 1 опускают в скважину 4, разжимные манжеты 118а, 118b удерживаются в сжатом состоянии (не показано) удерживающей муфтой 112. Удерживающая муфта 112 расположена вокруг разжимных манжет 118а, 118b для ограничения разжимания разжимных муфт в радиальном направлении. У одного конца удерживающей муфты 112 выполнена трубчатая часть 115. Трубчатая часть 115 имеет уменьшенный диаметр, аналогично отрезку 103 первой секции 101 для размещения второго механизма 12 центратора. Внутри трубного элемента 111 выполнен активирующий поршень 40. Активирующий поршень соединен с удерживающей муфтой 112 посредством штока 114, проходящего между активирующим поршнем 40 и трубчатой частью 115. При перемещении активирующего поршня 40 трубчатая часть 115 и удерживающая муфта 112 смещаются в продольном направлении 13. Проход 108 для текучей среды, проходящий через закачивающий модуль 10, соединяет с возможностью передачи текучей среды впускное отверстие 104 с одним или большим количеством выпускных отверстий 125, выполненных в трубном элементе 111 между разжимными манжетами 118а, 118b. В одном конце трубного элемента 111 дополнительно выполнены отверстия 126 для обеспечения соединения с возможностью передачи текучей среды с внутренним объемом трубчатой части 115 через отверстия 127. В трубчатой части 115 выполнены одно или большее количество выходов 128 для обеспечения соединения с возможностью передачи текучей среды между затрубным пространством 5а, окружающим скважинный закачивающий инструмент, и внутренним объемом трубчатой части 115, а также частью трубного элемента 111 под активирующим поршнем 40, как показано на фиг. 1 с.
Первая разжимная манжета 118а и вторая разжимная манжета 118b адаптированы для обеспечения, соответственно, первого уплотнения 119а и второго уплотнения 119b с внутренней стенкой 3а ствола скважины или скважинной трубчатой конструкцией 3, как показано на фиг. 8. В разжатом состоянии разжимные манжеты совместно ограничивают изолированную зону 5b затрубного пространства. Каждая из разжимных манжет содержит соединительный элемент 116а, 116b, соединенный с трубным элементом 111, гибкую муфту 120а, 120b, имеющую первый конец 121а, 121b, соединенный с соединительным элементом, и множество пружинных элементов 122а, 122b, расположенных вокруг гибкой муфты для по меньшей мере частичного разжимания гибкой муфты. При разжатом состоянии свободный конец 123а, 123b гибких муфт 120а, 120b упирается во внутреннюю стенку За ствола скважины или скважинной трубчатой конструкции 3, как показано на фиг. 2а, 2b и 3. Свободные концы 123а, 123b каждой из гибких муфт могут быть снабжены уплотняющим материалом, например губчатой резиной, но без ограничения данным вариантом, для улучшения приспособляемости разжимных манжет и обеспечения улучшенного уплотнительного эффекта между гибкими муфтами 120а, 120b и внутренней стенкой За ствола скважины или скважинной трубчатой конструкцией 3.
Специалисту в данной области техники очевидно, что разжимные манжеты могут быть конструктивно выполнены различными способами без выхода за пределы объема правовой охраны данного изобретения.
Перед введением скважинного закачивающего инструмента в скважину закачиваемую текучую среду заливают в резервуар 9 для текучей среды, а также в первую секцию 101 и промежуточную трубную секцию 130 закачивающего модуля. Закачиваемую текучую среду заливают в инструмент через отверстие, расположенное под обратным клапаном 106, показанным на фиг. 1b, так что когда первая секция 101 и промежуточная трубная секция 130 закачивающего модуля заполняются закачиваемой текучей средой и когда давление закачиваемой текучей среды повышается до определенного уровня, то обратный клапан 106 открывается так, что при этом резервуар 9 для текучей среды также заполняется закачиваемой текучей средой. Имеющийся в инструменте до заполнения воздух выходит через выпускное отверстие в одном конце резервуара 9 для текучей среды напротив обратного клапана. После заполнения резервуара 9 для текучей среды, первой секции 101 и промежуточной трубной секции 130 текучей средой указанное отверстие и выпускное отверстие закрываются.
Затем скважинный закачивающий инструмент вводят в скважину и после позиционирования скважинного закачивающего инструмента в скважине 4 посредством работы секции 6 скважинного трактора, активируется насос 8 для нагнетания рабочей текучей среды в скважинный закачивающий инструмент 1 из затрубного пространства 5а. Так как насос 8 соединен с возможностью передачи текучей среды с резервуаром 9 для текучей среды, то рабочая текучая среда продвигается в резервуар для текучей среды для вытеснения содержащейся в нем закачиваемой текучей среды. Внутри резервуара 9 для текучей среды выполнен рабочий поршень 20 для разделения рабочей текучей среды и закачиваемой текучей среды, предотвращающий тем самым их смешение. Рабочая текучая среда смещает рабочий поршень 20 в продольном направлении 13 для вытеснения закачиваемой текучей среды, содержащейся в резервуаре 9 для текучей среды, в закачивающий модуль через обратный клапан 106. Обратный клапан представляет собой двойной обратный клапан, открывающийся в первом направлении при одном избыточном давлении или чрезмерном давлении, и открывающийся в направлении, противоположном первому направлению, при другом избыточном давлении. Соответственно, через закачивающий модуль 10 происходит вытеснение полного объема закачиваемой текучей среды. При существенном увеличении давления закачиваемой текучей среды активирующий поршень 40 смещается в продольном направлении 13, смещая тем самым удерживающую муфту 112. По мере смещения активирующего поршня 40 через трубный элемент 111 скважинная текучая среда, присутствующая в трубном элементе 111 на стороне активирующего поршня 40 напротив закачиваемой текучей среды, смещается наружу через отверстия 126 для текучей среды. По достижении активирующим поршнем конца трубного элемента 111 происходит полное смещение удерживающей муфты с разжиманием манжет в радиальном направлении и образованием изолированной зоны 5b, как показано на фиг. 2а и 2b. Помимо этого, вследствие смещения в достаточной мере активирующего поршня 40 в продольном направлении выпускные отверстия 125 для текучей среды соединяются с возможностью передачи текучей среды с проходом 108 для текучей среды, при этом закачиваемая текучая среда выходит из трубного элемента 111 через выпускные отверстия 125 для текучей среды и заливается в изолированную зону 5b между разжимными манжетами. По мере продолжения перемещения рабочего поршня 20 в продольном направлении через резервуар 9 для текучей среды происходит непрерывное закачивание закачиваемой текучей среды в изолированную зону 5b. По мере увеличения объема закачиваемой текучей среды в изолированной зоне 5b вторая разжимная манжета 118b, соединенная с возможностью скольжения с трубным элементом 111, смещается в продольном направлении от первой разжимной манжеты 118а, как показано на фиг. 3. В результате данного смещения исходное расстояние d между двумя манжетами, показанное на фиг. 2а и 2b, увеличивается до расстояния D, как показано на фиг. 3, для увеличения длины и объема изолированной зоны 5b. В зависимости от длины промежуточной трубной секции 130 и объема закачиваемой текучей среды, содержащейся в резервуаре 9 для текучей среды, длина изолированной зоны может быть рассчитана в соответствии с конкретными требованиями. Вследствие вытеснения или закачивания закачиваемой текучей среды в изолированную зону 5b под определенным давлением, закачиваемая текучая среда заполняет изолированную зону даже при выполнении работы скважинного закачивающего инструмента в скважине, имеющей большой наклон. Это обусловлено тем, что скользящая вторая разжимная манжета не перемещается до тех пор, пока изолированная зона не заполнится закачиваемой текучей средой, и перемещается только под действием закачиваемой текучей среды. Внутренняя стенка 3а ствола скважины или скважинная трубчатая конструкция 3 на протяжении изолированной зоны 5, соответственно, находится в контакте с закачиваемой текучей средой или подвергается ее воздействию.
Специалисту в данной области техники очевидно, что скважинный закачивающий инструмент в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения также может быть введен в скважину без использования скважинного трактора. Помимо этого, скважинный закачивающий инструмент может использоваться в качестве кабельного инструмента, как показано на фиг. 8, или на колонне гибких труб или подобной ей с обеспечением тем самым возможности подачи рабочей текучей среды и/или закачиваемой текучей среды с поверхности скважины.
Чтобы иметь возможность контролировать, когда разжимные манжеты разжаты и закачиваемая текучая среда закачена, рабочий поршень 20 и активирующий поршень 40 снабжены реагирующими на давление фиксирующими механизмами 21, 41. Рабочий поршень 20, показанный на фиг. 4а и 4b, содержит корпус 25 рабочего поршня и один или большее количество фиксирующих механизмов 21 рабочего поршня, адаптированных для предотвращения перемещения рабочего поршня до тех пор, пока давление P1 внутри резервуара 9 для текучей среды не достигнет заданной пороговой величины под действием рабочей текучей среды, нагнетаемой в резервуар 9 для текучей среды. Каждый из фиксирующих механизмов 21 рабочего поршня содержит защелки 22, размещенные с возможностью перемещения в радиальных расточных отверстиях 24 в корпусе 25 поршня, и находящиеся под воздействием пружинного элемента 23. Защелки адаптированы для взаимодействия с углублением 93 во внутренней стенке резервуара для текучей среды, показанным на фиг. 1b. Один или большее количество фиксирующих механизмов 21 рабочего поршня расположены в сужающейся части рабочего поршня, подходящей для соответствующей сужающейся части 94 резервуара для текучей среды. Когда рабочий поршень расположен в сужающейся части 94, то смещаемые пружиной защелки 22 взаимодействуют с углублением 93, фиксируя рабочий поршень. Когда насос начинает нагнетать рабочую текучую среду в скважинный закачивающий инструмент, то давление Р1 на стороне рабочего поршня 20, противоположной закачиваемой текучей среде, повышается до тех пор, пока защелки 22 не будут вытолкнуты из углубления 93, а рабочий поршень не будет освобожден. В одном варианте осуществления изобретения освобождение рабочего поршня 20 происходит при давлении Р1, превышающем на 1-3 бар давление в стволе скважины. В альтернативном варианте рабочий поршень 20 может быть освобожден, когда давление Р1 превышает давление в стволе скважины приблизительно на 1 бар.
С подобной целью активирующий поршень 40, показанный на фиг. 5, содержит фиксирующий механизм 41 активирующего поршня, адаптированный для предотвращения перемещения активирующего поршня 40 до тех пор, пока давление Р2 внутри прохода для текучей среды трубного элемента 111 не достигнет заданной пороговой величины вследствие смещения закачиваемой текучей среды. Активирующий поршень 40 содержит корпус 48 поршня, имеющий цилиндрическую камеру 42 и скользящий фиксирующий поршень 43, расположенный в цилиндрической камере. Фиксирующий поршень выполнен с возможностью перемещения между фиксирующим положением и освобождающим положением и под действием пружинного элемента 44 расположен в цилиндрической камере. Один или большее количество фиксирующих элементов 45 размещены с возможностью скольжения в одном или большем количестве радиальных расточных отверстий 46 корпуса 48 поршня. Когда фиксирующий поршень 43 находится в фиксирующем положении, как показано на фиг. 5, то один или большее количество фиксирующих элементов 45 зафиксированы в выдвинутом положении. В противоположность этому, когда фиксирующий поршень 43 смещен в продольном направлении к пружинному элементу 44, периферическое углубление 50 в наружной поверхности фиксирующего поршня 43 расположено смежно с одним или большим количеством радиальных расточных отверстий 46, обеспечивая тем самым возможность для скольжения фиксирующих элементов 45 в радиальном направлении. Когда фиксирующий поршень находится в освобождающем положении и фиксирующие элементы могут совершать движение скольжения, то происходит освобождение активирующего поршня 40, и он может перемещаться под действием закачиваемой текучей среды. Фиксирующий поршень 43 перемещается в освобождающее положение под действием смещаемой закачиваемой текучей среды. Закачиваемая текучая среда поступает в цилиндрическую камеру 42 через центральное отверстие 49 в корпусе 48 поршня, и оказывает усилие на поверхность 47 фиксирующего поршня. В одном варианте осуществления изобретения освобождение активирующего поршня происходит, когда давление Р2 достигает величины, превышающей на 5-8 бар давление в стволе скважины. В альтернативном варианте активирующий поршень может быть освобожден, когда давление Р2 превышает давление в стволе скважины на 6-7 бар.
На фиг. 2а показана удерживающая муфта 112, содержащая первую часть 112а муфты и вторую часть 112b муфты, выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга. Первая и вторая части муфты содержат фиксирующее средство 140 для взаимного соединения первой и второй частей муфты с возможностью их разъединения, как показано на фиг. 7. Фиксирующее средство содержит защелкивающийся механизм, образованный одним или большим количеством упругих рычажных элементов 141, прикрепленных ко второй части 112b муфты. Один или большее количество упругих рычажных элементов 141 содержат выступ 143, адаптированный для взаимодействия с углублением 142 в наружной поверхности первой части муфты, с обеспечением тем самым взаимной фиксации первой и второй частей муфты. За счет того, что удерживающая муфта 112 разделена на две отдельные части муфты, облегчается процесс сборки закачивающего модуля. Перед установкой закачивающего модуля на остальную часть скважинного закачивающего инструмента и введением его в скважину, разжимные манжеты 118а, 118b должны быть приведены в сжатое состояние, как описано выше. Для этого первая часть муфты имеет внутренний диаметр 14а, а вторая часть муфты имеет внутренний диаметр 14b, как показано на фиг. 7, причем данные внутренние диаметры меньше максимального разжатого наружного диаметра разжимных манжет. При наличии двух отдельных муфт первая часть 112а муфты перед установкой может быть расположена одним концом вокруг соединительного элемента 116а и вытянута от гибкой муфты 120а, а вторая часть 112b муфты может быть расположена одним концом вокруг соединительного элемента 116b и вытянута от гибкой муфты 120b. Соответственно, притягивание частей муфты друг к другу обеспечивает приведение разжимных манжет 118а, 118b в сжатое положение, при этом первая и вторая части муфты могут быть взаимно соединены с образованием связанной удерживающей муфты 112. На фиг. 2b показан другой вариант осуществления закачивающего модуля, содержащего цельную удерживающую муфту 112.
Скважинный закачивающий инструмент 1 дополнительно содержит выталкивающий механизм 30, частично показанный на фиг. 4а. Выталкивающий механизм 30 адаптирован для отсоединения закачивающего модуля от резервуара 9 для текучей среды и, соответственно, от остальной части скважинного закачивающего инструмента. В показанном варианте осуществления изобретения собственно выталкивающий механизм 30 расположен между резервуаром 9 для текучей среды и закачивающим модулем 10 и взаимодействует с углублением 107 во внутренней стенке закачивающего модуля 10, как показано на фиг. 1b. Однако, в другом варианте осуществления изобретения выталкивающий механизм может быть встроен в нижнюю часть резервуара для текучей среды или в закачивающий модуль. Как показано на фиг. 4а, выталкивающий механизм 30 содержит цилиндрический корпус 31, соединенный на резьбе с резервуаром 9 для текучей среды, и поршневую муфту 33, расположенную с возможностью скольжения внутри цилиндрического корпуса 31 и с возможностью перемещения между фиксирующим положением и освобождающим положением. Выталкивающий механизм дополнительно содержит пружинный элемент 34, выталкивающий поршневую муфту в продольном направлении, при этом одна или большее количество фиксирующих защелок 32 размещены с возможностью скольжения в одном или большем количестве радиальных расточных отверстий 35 в цилиндрическом корпусе. Фиксирующие защелки 32 зафиксированы в выдвинутом положении посредством поршневой муфты 33, когда поршневая муфта находится в фиксирующем положении. В противоположность этому, когда поршневая муфта смещена в продольном направлении к пружинному элементу, периферическое углубление 36 в наружной поверхности поршневой муфты 33 расположено смежно с одним или большим количеством радиальных расточных отверстий 35, обеспечивая тем самым возможность для скольжения фиксирующих защелок 32 в радиальном направлении. Если поршневая муфта находится в освобождающем положении и фиксирующие элементы могут совершать движение скольжения, то закачивающий модуль может быть отсоединен от остальной части скважинного закачивающего инструмента.
Во время закачивания закачиваемой текучей среды рабочий поршень 20 перемещается через резервуар 9 для текучей среды для вытеснения закачиваемой текучей среды в закачивающий модуль 10. Когда рабочий поршень 20 продвинут через резервуар для текучей среды в продольном направлении и резервуар для текучей среды опорожнен, то рабочий поршень 20 взаимодействует с поршневой муфтой 33 выталкивающего механизма 30, как показано на фиг. 4а. Соответственно, при этом перекрывается соединение с возможностью передачи текучей среды между резервуаром 9 для текучей среды и закачивающим модулем 10, при этом за счет продолжения нагнетания рабочей текучей среды в резервуар 9 для текучей среды повышается давление Р3 внутри резервуара для текучей среды. Поршневая муфта 33 смещается под действием усилия, оказываемого на поршневую муфту рабочей текучей средой, нагнетаемой в резервуар для текучей среды. Когда давление Р3 достигает заданной пороговой величины, то поршневая муфта 33 совершает движение скольжения в освобождающее положение, при этом закачивающий модуль может быть отсоединен. В одном варианте осуществления изобретения выталкивающий механизм активируется поршневой муфтой, смещаемой, когда давление Р3 на 2-7 бар превышает давление в стволе скважины, предпочтительно на 2-5 бар превышает давление в стволе скважины. Вследствие значительного избыточного давления в резервуаре 9 для текучей среды активация выталкивающего механизма приводит к небольшому дополнительному смещению рабочего поршня 20 в соответствии с расстоянием между сужающейся частью 27а рабочего поршня и соответствующей сужающейся частью 27b внутренней стенки резервуара для текучей среды. Таким образом, закачивающий модуль 10 выталкивается или отталкивается от резервуара 9 для текучей среды, при этом остальная часть скважинного закачивающего инструмента может быть возвращена на поверхность скважины.
Давление закачиваемой текучей среды варьируется внутри инструмента, соответственно, во время процессов заполнения и закачивания. Во-первых, закачиваемую текучую среду заливают в резервуар для текучей среды при избыточном давлении 1-5 бар, и, во-вторых, рабочую текучую среду нагнетают в закачивающий инструмент для оказания усилия на фиксирующие механизмы 21 рабочего поршня, которые освобождают рабочий поршень при избыточном давлении в 0,5-2 бар. Затем рабочий поршень перемещается, повышая тем самым давление закачиваемой текучей среды до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное избыточное давление 4 бара и выполнено открытие двойного обратного клапана с обеспечением тем самым прохождения закачиваемой текучей среды через обратный клапан. Затем давление закачиваемой текучей среды внутри закачивающего модуля повышается и достигает избыточного давления 5-8 бар, происходит освобождение фиксирующего механизма 41 и активируется поршень 40, смещающий удерживающую муфту. После этого закачиваемую текучую среду закачивают в затрубное пространство между манжетами и давление закачиваемой текучей среды значительно падает. Рабочий поршень перемещается до тех пор, пока не произойдет опорожнение резервуара 9 для текучей среды, при этом давление снова начинает повышаться, пока не достигнет избыточного давления в 2-5 бар, после чего происходит освобождение выталкивающего механизма 30 и освобождение закачивающего модуля от остальной части инструмента.
За счет того, что освобождение фиксирующих механизмов 21 рабочего поршня, фиксирующего механизма 41 активирующего поршня и выталкивающего механизма 30 происходит при давлении, соответственно, 0,5-3 бар, 5-8 бар и 2-5 бар, гарантируется правильная последовательность выполнения различных этапов работы скважинного закачивающего инструмента. Однако, специалисту в области техники очевидно, что возможно использование различных других сочетаний давлений Р1, Р2 и Р3 для достижения требуемого результата освобождения фиксирующего механизма и выталкивающего механизма в заданной последовательности.
Как показано на фиг. 1b, описанный выше обратный клапан 106, расположенный в проходе 108 для текучей среды смежно с впускным отверстием 104 закачивающего модуля 10, предназначен для предотвращения утечки закачиваемой в закачивающий модуль 10 текучей среды через впускное отверстие 104 после отделения закачивающего модуля от остальной части скважинного закачивающего инструмента.
В вышеприведенном описании текучая среда, предназначенная для закачивания в затрубное пространство, названа закачиваемой текучей средой, независимо от конкретных свойств текучей среды. Скважинный закачивающий инструмент может использоваться для закачивания различных типов закачиваемых текучих сред, например, но без ограничения этим, цементного раствора, раствора кислоты или очищающей текучей среды.
Если скважинный закачивающий инструмент используется в сочетании с цементным раствором, то резервуар для текучей среды может называться желонкой для цементирования, а закачивающий модуль может использоваться в качестве заливочного модуля для формования в скважине цементной пробки. При формовании цементной пробки скважинный закачивающий инструмент работает аналогично описанному выше. После вытеснения рабочим поршнем 20 цементного раствора из резервуара для текучей среды или цементировочной желонки, закачивающий модуль отсоединяется от резервуара для текучей среды, а формовочный модуль остается в скважине для отверждения цементного раствора. После отверждения цементного раствора закачивающий модуль постоянно прикреплен внутри ствола скважины или скважинной трубчатой конструкции, при этом образуется цементная пробка. В зависимости от свойств материала закачивающего модуля цементная пробка затем может быть по существу пробурена для восстановления прохода для текучей среды.
В альтернативном варианте скважинный закачивающий инструмент может использоваться в качестве обрабатывающего текучей средой инструмента для обработки части скважины обрабатывающей текучей средой, например, раствором кислоты, очищающей текучей средой и так далее. Во время такого использования может отсутствовать необходимость в отсоединении закачивающего модуля 10 от резервуара 9 для текучей среды, или закачивающий модуль может быть оставлен внутри скважины или скважинной трубчатой конструкции в течение более коротких или более длительных периодов времени. При работе в качестве части обрабатывающего текучей средой инструмента, закачивающий модуль может называться обрабатывающим текучей средой модулем.
Под разжиманием манжет понимается, что каждая из манжет является разжимной в виде единого целого. Разжимные манжеты могут быть конструктивно выполнены из деталей, которые не разжимаются по отдельности, но конструктивное решение манжет и взаимосвязанных деталей обеспечивает возможность для разжимания манжет в виде единого целого. Разжимание разжимных манжет также может относиться к разжимным манжетам, которые являются раскрываемыми.
Под текучей средой или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газового состава, присутствующий в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяного состава, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.
Под обсадной трубой понимается любой тип трубы, трубного элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и так далее, используемый в скважине для добычи нефти или природного газа.
В том случае, когда невозможно полностью погрузить инструмент в обсадную трубу, можно использовать скважинный трактор для проталкивания инструмента до нужного положения в скважине. Скважинный трактор представляет собой любой вид приводного инструмента, способного толкать или тянуть инструменты в скважине, например, Well Tractor.
Хотя изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные нижеследующей формулой изобретения.