ШАРОВОЕ СЕДЛО ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
BALL SEAT FOR HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
[0002] Варианты изобретения, раскрытые в настоящем документе, относятся главным образом к способам и устройствам для бурения и заканчивания скважин. Конкретнее, варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к устройству для пробки разрыва и способам изоляции зон, используя пробку разрыва. Точнее говоря, варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробок разрыва.
Уровень техники
[0003] При бурении, окончании или доработке скважин часто возникает необходимость изолировать отдельные зоны в скважине. В некоторых вариантах для изоляции зон в скважину вводят скважинные инструменты, известные как временные или постоянные пробки-мосты. Назначением пробок-мостов является изоляция части скважины от другой части скважины. В некоторых вариантах пробка разрыва или пробка гидроразрыва используется для изоляции перфорационного канала в скважине в одном участке от перфорационного канала в другом участке скважины. В других ситуациях может возникнуть необходимость использовать пробку-мост для изоляции забоя скважины от устья скважины. Эти пробки можно удалить с помощью бурения через пробку.
[0004] Разбуриваемые пробки, как правило, включают в себя оправку, элемент уплотнения, расположенный вокруг оправки, ряд опорных колец, расположенных вокруг оправки и примыкающих к элементу уплотнения, верхний узел с клиньями и нижний узел с клиньями, расположенные вокруг оправки, и верхнюю коническую насадку и нижнюю коническую насадку, расположенные вокруг оправки, примыкая к верхнему и нижнему узлам с клиньями, соответственно. На фиг. 1 показан местный разрез скважины 10 со стволом 12 скважины, снабженным пробкой 15, расположенной в обсадной трубе 20 ствола скважины. Пробка 15, как правило, крепится к посадочному инструменту и вводится в отверстие на проволочном канате или обсадной трубе (не показано), а затем приводится в действие, например, с помощью гидравлической системы. Как показано на фиг. 1, ствол скважины герметизирован выше и ниже пробки, так что нефть, поступающая в ствол скважины через перфорационные каналы 23, будет направляться к поверхности скважины.
[0005] Разбуриваемая пробка может устанавливаться с помощью проволочного каната, колонны гибких труб или обычной бурильной колонны. Пробка может располагаться в сцеплении с нижним концом посадочного инструмента, который включает в себя нижний стопорный механизм и плунжер. Затем пробка опускается через обсадную трубу на желаемую глубину и ориентируется до нужной ориентации. После установки пробки посадочный инструмент вытягивается вверх на оправке, таким образом проталкивая верхнюю и нижнюю конические насадки вдоль оправки. Это принуждает верхний и нижний узлы с клиньями, опорные кольца и элемент уплотнения перемещаться радиально наружу, таким образом вводя в зацепление сегментированные узлы с клиньями с внутренней стенкой обсадной трубы.
[0006] Как показано на фиг. 1B и 1С, пробка 30 разрыва включает в себя оправку 32, снабженную осевым каналом 34 в ней, и седло 36, расположенное в канале 34. Седло 36 сформировано так, чтобы принимать шар 38 для изоляции зон ствола скважины и обеспечивать добычу текучих сред из зон, находящихся ниже пробки 30 разрыва. Когда сверху прилагается перепад давлений к седлу 36, шар 38 прилегает к седлу 36. Например, когда текучая среда нагнетается с поверхности по скважине для образования разрыва пласта, таким образом обеспечивая увеличенный поток текучих сред пласта в ствол скважины, шар 38 прилегает к седлу 36 для поддержания текучей среды и, следовательно, разрывая пласт в зоне выше пробки 30. Иначе говоря, прилегающий шар 38 может предотвратить проникновение текучей среды в изолированную зону, находящуюся ниже пробки 30 разрыва. Шар 38 может опускаться с поверхности или может быть расположен внутри оправки 32 и спускаться по скважине в пробку 30 разрыва.
[0007] При высоких температурах и давлениях, т.е. выше примерно 300°F и выше 10000 фунт/кв. дюйм, обычно применяемые материалы для шаров скважин не надежны. Кроме того, обычное шаровое седло 36 включает в себя суживающуюся или коническую посадочную поверхность 40. Шар 38 контактирует с посадочной поверхностью 40 и образует начальное уплотнение. Исходя из геометрии посадочной поверхности 40 и шара 38 существует большое радиальное расстояние между внутренним диаметром посадочной поверхности 40 и наружным диаметром шара. Таким образом, опорная поверхность между посадочной поверхностью 40 и шаром 38 является малой. Когда шар 38 нагружают до последовательно увеличивающихся нагрузок, шар 38 может подвергаться высоким сжимающим нагрузкам, которые превышают предельные характеристики материала, таким образом приводя к разрушению шара 38. Даже если шар 38 деформируется, он не может деформироваться до степени, достаточной для контакта с конической посадочной поверхностью 40, и поэтому опорная поверхность 40 шарового седла 36 для шара 38 остается малой. Увеличение температуры окружающей среды также может увеличить вероятность выдавливания шара 38 через седло вследствие ухудшения свойств материала. Механические свойства материала шара 38 могут ухудшаться, например, пределы сжимающего напряжения и упругость, что может вести к увеличению вероятности растрескивания шара или выдавливания через шаровое седло 36. Таким образом, при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды обычные изолирующие устройства для пробок 30 разрыва, т.е. шары 38 и шаровые седла 36 в оправке, могут давать утечку или выходить из строя.
[0008] Если желательно удалить одну или несколько из этих пробок из ствола скважины, часто проще и дешевле расфрезеровать или выбурить ее, чем выполнять сложную операцию по извлечению. При фрезеровании, для расфрезеровывания приспособления или, по меньшей мере, его наружных компонентов из ствола скважины используется фреза. При выбуривании для вырезания и выбуривания компонентов пробки, чтобы удалить их из ствола скважины, используется буровое долото или фреза.
[0009] Соответственно, существует необходимость в изолирующем устройстве для пробки разрыва, эффективно герметизирующем или изолирующем зоны выше и ниже пробки при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] В одном аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробки разрыва, включающему в себя шаровое седло, снабженное посадочной поверхностью, и шар, приспособленный контактировать с посадочной поверхностью, причем профиль посадочной поверхности соответствует профилю шара.
[0011] В другом аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к пробке разрыва, включающей в себя оправку, имеющую верхний конец и нижний конец, элемент уплотнения, расположенный вокруг оправки, и шаровое седло, расположенное в центральном канале оправки, причем шаровое седло включает в себя посадочную поверхность, имеющую нелинейный профиль.
[0012] В следующем аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к способу изоляции зон продуктивного пласта, включающему в себя спуск в скважину пробки разрыва до определенного положения между первой зоной и второй зоной, установку пробки разрыва между первой зоной и второй зоной, размещение шара в пробке разрыва и посадку шара в шаровое седло пробки разрыва, причем шаровое седло включает в себя посадочную поверхность, имеющую профиль, по существу совпадающий с профилем шара.
[0013] Другие аспекты и преимущества изобретения будут понятны из следующего описания и прилагаемой формулы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] На фиг. 1A представлен местный разрез узла пробки существующего уровня техники в том виде, как она установлена в стволе скважины.
[0015] На фиг. 1B представлен вид поперечного сечения обычного шарового седла и шара, расположенного в оправке пробки разрыва.
[0016] На фиг. 1С представлен увеличенный вид обычного шарового седла и шара по фиг. 1B.
[0017] На фиг. 2A представлен вид в перспективе пробки разрыва в соответствии с вариантами изобретения.
[0018] На фиг. 2B представлено поперечное сечение пробки-моста разрыва в соответствии с вариантами изобретения.
[0019] На фиг. 3А и 3B представлен элемент уплотнения в соответствии с вариантами изобретения.
[0020] На фиг. 4 представлен вид в перспективе поддерживающего кольца в соответствии вариантами изобретения.
[0021] На фиг. 5A и 5B представлены виды в перспективе верхней конической насадки и нижней конической насадки, соответственно, в соответствии с вариантами изобретения.
[0022] На фиг. 6 представлен частичный разрез пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.
[0023] На фиг. 7 представлен вид в перспективе оправки пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.
[0024] На фиг. 8 представлен вид в перспективе узла с клиньями в соответствии с вариантами изобретения.
[0025] На фиг. 9 представлен вид в перспективе верхнего калибрующего кольца в соответствии с вариантами изобретения.
[0026] На фиг. 10 представлен вид в перспективе нижнего калибрующего кольца в соответствии с вариантами изобретения.
[0027] На фиг. 11 представлен частичный разрез узла с клиньями в сборе, верхней конической насадкой и узлом поддержки элемента в соответствии с вариантами изобретения.
[0028] На фиг. 12 представлено поперечное сечение пробки-моста в нерасширенном состоянии в соответствии с вариантами изобретения.
[0029] На фиг. 13 представлено поперечное сечение пробки-моста по фиг. 12 в расширенном состоянии в соответствии с вариантами изобретения.
[0030] На фиг. 14 представлен частичный разрез пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.
[0031] На фиг. 15 представлен вид в нескольких проекциях элемента уплотнения в соответствии с вариантами изобретения.
[0032] На фиг. 16 представлен вид в нескольких проекциях элемента хрупкого опорного кольца в соответствии с вариантами изобретения.
[0033] На фиг. 17 представлен вид в нескольких проекциях поддерживающего кольца в соответствии с вариантами изобретения.
[0034] На фиг. 18A и 18B представлен частичный разрез не вставленного скважинного инструмента и поперечное сечение вставленного скважинного инструмента, соответственно, в соответствии с вариантами изобретения.
[0035] На фиг. 19A и 19B представлено поперечное сечение компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0036] На фиг. 20A и 20B представлено поперечное сечение и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0037] На фиг. 21A и 21B представлен вид сбоку и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0038] На фиг. 22A и 22B представлено поперечное сечение и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0039] На фиг. 23A, 23B и 23C представлен вид сверху, боковое поперечное сечение и вид снизу, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0040] На фиг. 24A и 24B представлено поперечное сечение не вставленной и вставленной детали, соответственно, скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0041] На фиг. 25A,25B представлен вид сверху и поперечное сечение, соответственно, верхнего компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0042] На фиг. 25C и 25D представлено поперечное сечение и вид снизу, соответственно, нижнего компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0043] На фиг. 26A и 26B представлен частичный разрез компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0044] На фиг. 27 представлен частичный разрез скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.
[0045] На фиг. 28 представлен частичный разрез скважинных инструментов в соответствии с вариантами изобретения.
[0046] На фиг. 29 представлен частичный разрез изолирующего устройства в соответствии с вариантами изобретения.
[0047] На фиг. 29A представлен увеличенный вид по фиг. 29.
[0048] На фиг. 30 представлен частичный разрез изолирующего устройства в соответствии с вариантами изобретения.
[0049] На фиг. 30A представлен укрупненный вид по фиг. 30.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0050] В одном аспекте, раскрываемые здесь варианты воплощения относятся, главным образом, к скважинному инструменту для изолирующих зон в скважине. В определенных аспектах раскрываемые здесь варианты воплощения относятся к скважинному инструменту для изолирующих зон в скважине, который обеспечивает эффективную герметизацию скважины. Конкретнее, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к устройству для пробки разрыва и способам изоляции зон, используя пробку разрыва. Точнее говоря, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробок разрыва. В других аспектах, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к системе разрыва не обсаженного ствола скважины, где ряд профилей седла расположен внутри инструмента и шары опускаются с поверхности и сажаются на седла.
[0051] На фиг. 2A и 2B показана пробка 100 в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения в нерасширенном состоянии или после прохода по скважине, но перед установкой в стволе скважины. Нерасширенное состояние определяется как состояние, в котором пробка 100 опускается по скважине, но перед приложением усилия для аксиального перемещения компонентов пробки 100 разрыва и радиального расширения определенных компонентов пробки 100 разрыва для сцепления со стенкой обсадной трубы. Пробка 100 разрыва включает в себя оправку 101, имеющую центральную ось 122, вокруг которой монтируются другие детали пробки 100 разрыва. Оправка 101 включает в себя верхний конец A и нижний конец B, причем верхний конец A и нижний конец B оправки 101 включают в себя резьбовое соединение (не показано), например коническую резьбу. Нижний конец В оправки 101 дополнительно включает в себя ряд шипов 120, расположенных вокруг нижней окружности оправки 101.
[0052] В одном варианте воплощения, оправка 101 включает в себя шаровое седло 103, сформированное заодно с оправкой 101. Как показано на фиг. 2B, шаровое седло 103 образовано между двумя частями 105, 107 различного диаметра внутреннего канала 134, сформированного в оправке 101. Специалисту понятно, что положение шарового седла 103 вдоль длины по оси оправки 101 может изменяться. Например, для определенных видов применения шаровое седло 103 может быть расположено между концом A и осевым положением элемента 114 уплотнения. В других вариантах воплощения шаровое седло 103 может быть расположено между концом В и осевым положением элемента уплотнения. В других вариантах воплощения шаровое седло 103 может располагаться по центру вдоль длины по оси оправки 101. Как показано, часть 105 первого диаметра имеет диаметр больший, чем часть 107 второго диаметра. В альтернативном варианте воплощения шаровое седло может быть сформировано как отдельная деталь, расположенная в канале 134 оправки 101. Отдельное шаровое седло (не показано) может быть прикреплено к оправке 101 любым известным способом, например, сваркой или механическими креплениями, например болтовым, винтовым, резьбовым соединением.
[0053] Элемент 114 уплотнения расположен вокруг оправки 101. Элемент 114 уплотнения герметизирует кольцевой зазор между пробкой 100 разрыва и стенкой обсадной трубы (не показано). Элемент 114 уплотнения может быть сформирован из любого известного на современном уровне материала, например эластомера или резины. Два замыкающих кольца 124, 126 элемента расположены вокруг оправки 101, вблизи любого конца элемента 114 уплотнения, радиально внутри элемента 114 уплотнения, как показано в увеличенном виде на фиг. 3А и 3B. В одном варианте воплощения элемент 114 уплотнения связан с наружным периферическим участком замыкающих колец 124, 126 элемента любым известным способом. Как вариант, элемент 114 уплотнения запрессован с замыкающими кольцами 124, 126 элемента. Замыкающие кольца 124, 126 элемента могут представлять собой сплошные кольца или небольшие трубчатые детали, сформированные из любого известного материала, например, пластмассы или композитного материала. Замыкающие кольца 124, 126 элемента имеют, по меньшей мере, одну канавку или отверстие 128, сформированное на торцевой поверхности, сформированное так, чтобы принимать выступ (не показан), сформированный на конце верхней конической насадки 110 и нижней конической насадки 112, соответственно, как подробнее описано далее. Специалисту будет понятно, что количество и расположение канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента, соответствует количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 110, 112.
[0054] Пробка 100 разрыва может также включать в себя два узла 116 поддержки элемента, каждый из которых расположен по соседству с концом элемента 114 уплотнения и сформирован так, чтобы предотвращать или уменьшать выдавливание элемента 114 уплотнения при установленной пробке 100. Каждый узел 116 поддержки элемента включает в себя два поддерживающих кольца. Как показано на фиг. 4, поддерживающее кольцо 318 в соответствии с вариантами изобретения является пробкообразной деталью, которая имеет цилиндрический корпус 330 с первой торцевой поверхностью 332. Первая торцевая поверхность 332 имеет круглое отверстие, так что поддерживающее кольцо 318 сформировано так, чтобы скользить по оправке 101 в положение, смежное с элементом 114 уплотнения и замыкающим кольцом 124, 126 элемента. По меньшей мере один паз 334 сформирован в первой торцевой поверхности 332 и сформирован так, чтобы совмещаться с канавками 128, сформированными в замыкающих кольцах 124, 126 элемента и принимать выступы, сформированные на верхней и нижней конических насадках 110, 112. Специалисту понятно, что количество и расположение пазов 334, сформированных в первой торцевой поверхности 332 поддерживающего кольца 318, соответствует количеству и положению канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента, и количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 110, 112.
[0055] Поддерживающие кольца 318 могут быть сформированы из любого известного материала. В одном варианте поддерживающие кольца 318 могут быть выполнены из материала сплава, например алюминиевого сплава. Ряд шлицев 336 расположен на цилиндрическом корпусе 330 поддерживающего кольца 318, каждый шлиц 336, проходящий от второго конца 338 поддерживающего кольца 318 до положения за передней торцевой поверхностью 332, таким образом, образуя ряд фланцев 340. В собранном виде два поддерживающих кольца 318 опорного узла 116 (фиг. 2B) выравниваются так, что шлицы 336 первого поддерживающего кольца смещены с поворотом относительно шлицев 336 второго поддерживающего кольца. Таким образом, когда пробка 100 (фиг. 2B) разрыва установлена и компоненты пробки разрыва сжаты, фланцы 340 первого и второго поддерживающих колец радиально расширяются по внутренней стенке обсадной трубы и создают периферический барьер, который предотвращает выдавливание элемента 114 (фиг. 2B) уплотнения.
[0056] Как показано на фиг. 2A и 2B, пробка 100 разрыва включает в себя верхнюю и нижнюю конические насадки 110, 112, расположенные вокруг оправки 101 и примыкающие к узлам 116 поддержки элемента. Верхняя коническая насадка 110 может удерживаться на месте на оправке 101 посредством одного или нескольких срезных винтов (не показано). В некоторых вариантах осевое запорное устройство (не показано), например стопорные кольца, расположено между оправкой 101 и верхней конической насадкой 110, и между оправкой 101 и нижней конической насадкой 112. Кроме того, по меньшей мере одно поворотное запорное устройство (не показано), например шпонки, может быть расположено между оправкой 101 и каждой из конических насадок: верхней 110 и нижней 112, таким образом закрепляя оправку 101 на месте в пробке 100 разрыва в процессе операции бурения или фрезерования, используемой для удаления пробки разрыва. Верхний узел 106 с клиньями и нижний узел 108 с клиньями расположены вокруг оправки 101 и примыкают к верхней и нижней коническим насадкам 110, 112 соответственно. Пробка 100 разрыва, кроме того, включает в себя верхнее калибрующее кольцо 102, расположенное вокруг оправки 101 и примыкающее к верхнему узлу 106 с клиньями, и нижнее калибрующее кольцо 104, расположенное вокруг оправки 101 и примыкающее к нижнему узлу 108 с клиньями.
[0057] Как показано на фиг. 5A и 5B, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 имеют наклонную наружную поверхность 442, так что в собранном виде на оправке наружный диаметр конической насадки 110, 112 увеличивается в осевом направлении к элементу 114 (фиг. 2B) уплотнения. Верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 включают в себя, по меньшей мере, один выступ 444, сформированный на первой торцевой поверхности 446. По меньшей мере, один выступ 444 сформирован так, чтобы совпадать с пазом 334 (фиг. 4), сформированным в первой торцевой поверхности 332 поддерживающих колец 318 узла 116 (фиг. 2B) поддержки элемента, и чтобы сцепляться с канавками 128 (фиг. 3B) в замыкающих кольцах 124, 126 элемента. Специалисту понятно, что количество и положение выступов 444 соответствует количеству и положению пазов 334, сформированных в первой поверхности 332 поддерживающего кольца 318 и количеству и положению канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента.
[0058] Как показано на фиг. 2B, контактные выступы 444 (фиг. 6) верхней и нижней конических насадок 110, 112 блокируют с поворотом верхнюю и нижнюю конические насадки 110, 112 с верхним и нижним узлами 116 поддержки элемента и замыкающими кольцами 124, 126 элемента. Таким образом, в процессе бурения/фрезерования, т.е. выбуривания/выфрезеровывания пробки разрыва из обсадной трубы конические насадки 110, 112, узлы 116 поддержки элемента и элемент 114 уплотнения выбуриваются легче и быстрее, поскольку компоненты не вращаются друг относительно друга.
[0059] Как показано на фиг. 5A и 5B, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 сформированы из металлического сплава, например алюминиевого сплава. В некоторых вариантах, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 могут быть сформированы из металлического сплава и покрыты другим материалом. Например, в одном варианте верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 могут быть покрыты медью. Авторы изобретения предпочтительно обнаружили, что конические насадки 110, 112, покрытые медью, уменьшают трение между компонентами, перемещающимися вдоль наклонной поверхности 442 конических насадок 110, 112, например узлы 106, 108 (фиг. 2B) с клиньями, таким образом обеспечивая более эффективную и более герметичную пробку (100) разрыва.
[0060] Как показано на фиг. 6, нижняя коническая насадка 112 имеет первый внутренний диаметр D1 и второй внутренний диаметр D2, так что несущий бурт 448 сформирован между первым внутренним диаметром D1 и вторым внутренним диаметром D2. Несущий бурт 448 соответствует согласованному изменению в наружном диаметре оправки 101, так что в процессе бурения или фрезерования оправка 101 остается на месте в пробке 100 разрыва. Иначе говоря, несущий бурт 448 препятствует выпадению оправки из пробки 100 разрыва в процессе бурения или фрезерования.
[0061] Вкратце, снова ссылаясь на фиг. 5B, нижняя коническая насадка 112 включает в себя, по меньшей мере, один аксиальный паз 450, расположенный на внутренней поверхности. По меньшей мере, один шпоночный паз 154 (фиг. 7) также сформирован на наружном диаметре оправки 101. Если нижняя коническая насадка 112 расположена вокруг оправки 101, аксиальный паз 450 и шпоночный паз 154 выровнены и поворотная запорная шпонка (не показана) вставлена в совпадающие пазы нижней конической насадки 112 и оправки 101. Итак, будучи вставленной, поворотная запорная шпонка блокирует с поворотом нижнюю коническую насадку 112 и оправку 101 в процессе бурения/фрезерования, таким образом препятствуя их взаимному относительному перемещению. Специалисту будет понятно, что шпонка и шпоночный паз могут быть любой известной формы, например шпонка и соответствующий шпоночный паз могут иметь квадратное поперечное сечение или поперечное сечение другой формы. Кроме того, специалисту будет понятно, что поворотная запорная шпонка может быть сформирована из любого известного материала, например металлического сплава.
[0062] Как показано на фиг. 2A и 2B, верхний и нижний узлы 106, 108 с клиньями расположены, примыкая к верхней и нижней коническим насадкам 110 и 112. Верхнее и нижнее калибрующие кольца 102 и 104 расположены, примыкая к верхнему и нижнему узлам 106, 108 с клиньями и контактируя с ними. Как показано на фиг. 8, в одном варианте воплощения, верхний и нижний узлы с клиньями включают в себя хрупкое стопорное устройство 555. Хрупкое стопорное устройство 555 представляет собой цилиндрическую деталь, имеющую первый конец 559 и второй конец 561. Ряд зубцов 557 сформирован на первом конце 559. Ряд зубцов 557 сформирован так, чтобы контактировать с соответствующим рядом зубцов 662, 664 на верхнем и нижнем калибрующих кольцах 102, 104 соответственно (фиг. 9 и 10).
[0063] Второй конец 561 хрупкого стопорного устройства 555 имеет коническую внутреннюю поверхность 565, сформированную так, чтобы контактировать с наклонными наружными поверхностями 442 верхней и нижней конических насадок 110, 112 (фиг. 5A и 5B). Кроме того, во втором конце 561, который проходит от второго конца 561 к положению, приближенному к зубцам 557 первого конца 559, сформированы, по меньшей мере, два аксиальных паза 563. Аксиальные пазы 563 расположены на расстоянии по окружности вокруг хрупкого стопорного устройства 555 так, чтобы контролировать необходимое разрушающее усилие хрупкого стопорного устройства 555. Ряд зубцов 571, резьба конического профиля или другие формы известного в технике вида сформированы на наружной поверхности хрупкого стопорного устройства 555 и приспособлены для схватывания или врезания в стенку обсадной трубы. В одном варианте хрупкое стопорное устройство 555, включающее зубья, сформировано из однокомпонентного материала, например чугуна.
[0064] В альтернативных вариантах, как показано на фиг. 11, узлы с клиньями 106, 108 включают в себя клинья 567, расположенные на наружной стороне основания 569 клиньев. Клинья 567 могут быть сформированы в виде зубьев, резьбы конического профиля или любого другого известного устройства для схватывания или врезания в стенку обсадной трубы. В некоторых вариантах, основание 569 клиньев может быть сформировано из быстро разбуриваемого материала, тогда как клинья 567 сформированы из более твердого материала. Например, в одном варианте, основание 569 клиньев сформировано из литого алюминия с низким пределом текучести, а клинья 567 сформированы из чугуна. Специалисту будет понятно, что могут использоваться другие материалы и что в некоторых вариантах основание 569 клиньев и клинья 567 могут быть сформированы из одинакового материала в пределах объема раскрываемых вариантов.
[0065] На фиг. 11 показан частичный вид в перспективе узла, состоящего из верхнего узла 106 клиньев, верхней конусной насадки 110 и узла 116 поддержки элемента. Как показано, коническая внутренняя поверхность 565 основания 569 клиньев расположена, примыкая к наклонной поверхности 442 верхней конической насадки 110. Клинья 567 расположены на наружной поверхности основания 569 клиньев. Выступы 444, сформированные на нижнем конце верхней конической насадки 110, вставлены через пазы 334 в каждое из двух поддерживающих колец 318, которые образуют узел 116 поддержки элемента. Как показано, узел 106 с клиньями может обеспечить дополнительную поддержку элемента 114 (фиг. 2) уплотнения, таким образом ограничивая выдавливание элемента уплотнения.
[0066] Со ссылкой на фиг. 9, верхнее калибрующее кольцо 102 включает в себя ряд зубцов 662 на нижнем конце. Как описано ранее, ряд зубцов 662 сформирован так, чтобы сцепляться с рядом зубцов 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 клиньев, например, хрупкого стопорного устройства 555 (фиг. 8). Верхнее калибрующее кольцо 102, кроме того, включает в себя внутреннюю резьбу (не показано), сформированную для резьбового соединения с наружной резьбой аксиального стопорного кольца 125 (фиг. 2B), расположенного вокруг оправки 101 (фиг. 2).
[0067] Как показано на фиг. 2B, аксиальное стопорное кольцо 125 является цилиндрической деталью, которая снабжена аксиальным вырезом или шлицем вдоль ее длины, наружной резьбой и внутренней резьбой. Как указано ранее, наружная резьба контактирует с внутренней резьбой (не показано) верхнего калибрующего кольца 102. Внутренняя резьба аксиального стопорного кольца 125 контактирует с наружной резьбой оправки 101. В собранном виде в верхнем калибрующем кольце 102 размещается аксиальное стопорное кольцо.
[0068] Как показано на фиг. 10, нижнее калибрующее кольцо 104 включает в себя ряд зубцов 664 на верхнем конце 668. Как описано ранее, ряд зубцов 664 сформирован так, чтобы сцепляться с рядом зубцов 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 с клиньями, например, хрупкого стопорного устройства 555 (фиг. 8). Внутренняя резьба (не показана) сформирована в нижнем конце 670 нижнего калибрующего кольца 104 и выполнена так, чтобы контактировать с ниппельной резьбой на верхнем конце второй оправки, если используется ряд пробок. В одном варианте воплощения внутренняя резьба может быть конической резьбой. Внутренняя резьба (не показана) также сформирована на верхнем конце 668 нижнего калибрующего кольца 104 и выполнена так, чтобы контактировать с ниппельной резьбой на нижнем конце В оправки 101 (фиг. 2B). В процессе выбуривания/фрезерования нижнее калибрующее кольцо 104 будет высвобождаться и падать в скважину, оказываясь на верху нижней пробки. Вследствие вращения долота, нижнее калибрующее кольцо 104 будет вращаться при падении и вставляться или соединяться по резьбе с оправкой нижней пробки.
[0069] Как показано на фиг. 2-11, после того как пробка 100 разрыва расположена в скважине в желаемом положении она активируется или устанавливается, используя набор переходников. Пробка 100 может устанавливаться с помощью каната, колонны гибких труб или обычной бурильной колонны. Набор переходников механически натягивается на оправку 101, одновременно толкая верхнее калибрующее кольцо 102 и таким образом перемещая верхнее калибрующее кольцо 102 и оправку 101 в противоположных направлениях. Верхнее калибровочное кольцо 102 толкает аксиальное стопорное кольцо, верхний узел 106 с клиньями, верхнюю коническую насадку 110 и узел 116 поддержки элемента в направлении верхнего конца элемента 114 уплотнения, а оправка тянет нижнее калибрующее кольцо 104, нижний узел 108 с клиньями, нижнюю коническую насадку 112, поворотную запорную шпонку и нижний узел 116 поддержки элемента в направлении нижнего конца элемента 114 уплотнения. В результате, толкание и вытягивание действуют на верхнее калибрующее кольцо 102 и оправка 101 сжимает элемент 114 уплотнения.
[0070] Сжатие элемента 114 уплотнения расширяет элемент уплотнения до контакта с внутренней стенкой обсадной трубы, таким образом сокращая общую длину элемента 114 уплотнения. Поскольку компоненты пробки разрыва сжаты, и элемент 114 уплотнения расширяется, примыкающие узлы 116 поддержки элемента расширяются до сцепления со стенкой обсадной трубы. Если силы толкания и вытягивания увеличиваются, степень деформации элемента 114 уплотнения и узлов 116 поддержки элемента уменьшается. Если степень деформации элемента уплотнения пренебрежимо мала, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 прекращают перемещение в направлении элемента 114 уплотнения. Когда силы активации достигают заданного значения, зубцы 662, 664 верхней и нижней конических насадок 110, 112, сцепляющиеся с зубцами 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 с клиньями, разрушают узлы 106, 108 с клиньям на желательные сегменты, и одновременно направляют сегменты радиально наружу до тех пор, пока клинья 557 сцепляются со стенкой обсадной трубы. После того как силы активации достигают заданного значения, набор переходников высвобождается из пробки 100 разрыва и пробка устанавливается.
[0071] Как показано на фиг. 12, пробка 1100 разрыва в нерасширенном состоянии показана в соответствии с вариантом настоящего изобретения. На фиг. 13 показана пробка 1100 разрыва в нерасширенном состоянии. Пробка 1100 разрыва включает в себя оправку 1101, элемент 1114 уплотнения, узел 1116 поддержки элемента, расположенный по соседству с элементом 1114 уплотнения, верхний и нижний узел 1106, 1108 с клиньями, верхнюю и нижнюю конические насадки 1110, 1112, стопорное устройство 1172 и нижнюю втулку 1174.
[0072] Оправка 1101 может быть сформирована так, как указано ранее со ссылками на фиг. 2. Например, оправка 1101 может включать в себя цельное шаровое седло, как показано на фиг. 2B, или съемное или раздельное шаровое седло, соединенное с оправкой. Резьба 1176 трещотки расположена на наружной поверхности верхнего конца A оправки 1101 и сформирована так, чтобы контактировать со стопорным устройством 1172. Верхний конец A оправки 1101 включает в себя резьбовое соединение 1178, сформированное так, чтобы контактировать с резьбовым соединением в нижнем конце оправки, когда используется ряд пробок. Как указано ранее, оправка 1101 может быть сформирована из любого известного материала, например алюминиевого сплава.
[0073] Как показано подробнее на фиг. 14, стопорное устройство 1172 включает в себя верхнее калибрующее кольцо или корпус 1102 стопорного кольца и аксиальное стопорное кольцо 1125. Если установочная нагрузка или усилие приложена к пробке 1100 разрыва, аксиальное стопорное кольцо 1125 может перемещаться или двигаться в одну сторону по резьбе 1176 трещотки, расположенной на наружной поверхности верхнего конца A оправки 1101. Благодаря конструкции сочлененной резьбы аксиального стопорного кольца 1125 и резьбы 1176 трещотки, после снятия нагрузки аксиальное стопорное кольцо 1125 не перемещается или не возвращается вверх. Таким образом, стопорное устройство 1172 улавливает энергию, запасенную в элементе 1114 уплотнения от нагрузки при установке.
[0074] Кроме того, когда давление прилагается со стороны ниже пробки 1100 разрыва, оправка 1101 может перемещаться немного вверх, таким образом приводя к перемещению резьбы 1176 трещотки в одну сторону по резьбе через аксиальное стопорное кольцо 1125, таким образом дополнительно оказывая давление на элемент 1114 уплотнения. Перемещение оправки 1101 не отделяет стопорное устройство 1172 от верхнего узла 1106 с клиньями, вследствие увязанного профиля между стопорным устройством 1172 и основанием 1569 клиньев (или хрупким стопорным устройством, не иллюстрированным независимо) верхнего узла 1106 с клиньями, описанного подробно ранее.
[0075] Как показано на фиг. 12 и 15, элемент 1114 уплотнения расположен вокруг оправки 1101. Два замыкающих кольца 1124, 1126 элемента расположены вокруг оправки 1101 и примыкают к любому концу элемента 1114 уплотнения, по меньшей мере, с частью каждого замыкающего кольца 1124, 1126 элемента, расположенной радиально внутри элемента 114 уплотнения. В одном варианте, элемент 1114 уплотнения связан с наружным периферическим участком замыкающих колец 1124, 1126 элемента любым известным способом. Как вариант, элемент 1114 уплотнения запрессован с замыкающими кольцами 1124, 1126 элемента. Замыкающие кольца 1124, 1126 элемента сформированы из любого известного материала, например пластмассы, фенолоальдегидного полимера или композитного материала.
[0076] Замыкающие кольца 1124, 1126 элемента имеют, по меньшей мере, одну канавку или отверстие 1128, сформированное на торцевой поверхности и сформированное так, чтобы принимать выступ (не показан), сформированный на конце верхней конической насадки 1110 и нижней конической насадки 1112, соответственно, как описано ранее со ссылками на фиг. 2-11. Специалисту будет понятно, что количество и расположение канавок 1128, сформированных в замыкающих кольцах 1124, 1126 элемента, соответствует количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 1110, 1112.
[0077] Как показано на фиг. 15, замыкающие кольца 1124, 1126 элемента, кроме того, включают в себя, по меньшей мере, один выступ 1180, расположенный на угловой поверхности 1182 вблизи наружной периферийной кромки замыкающих колец 1124, 1126 элемента. Выступы 1180 сформированы так, чтобы вставляться в соответствующие отверстия 1184 (фиг. 17) в поддерживающем кольце 1318 (фиг. 17), как подробнее описано далее. В некоторых вариантах, выступы 1180 могут быть связаны или сформованы с замыкающими кольцами 1124, 1126 элемента.
[0078] Узлы 1116 поддержки элемента расположены по соседству с замыкающими кольцами 1124, 1126 элемента и элементом 1114 уплотнения. Узел поддержки 1116 элемента включает в себя хрупкое опорное кольцо 1319 и поддерживающее кольцо 1318, как показано на фиг. 16 и 17, соответственно. Хрупкое кольцо 1319 может быть сформировано из любого известного материала, например пластмассы, фенолоальдегидного полимера или композитного материала. Кроме того, хрупкое кольцо 1319 может быть сформировано со шлицами или вырезами 1321 в заданных положениях, так что, когда хрупкое кольцо 1319 разрушается в процессе установки пробки 1100 разрыва, хрупкое кольцо 1319 сегментируется в заданных положениях, т. е. на вырезах 1321.
[0079] Поддерживающее кольцо 1318 представляет собой пробкообразный компонент, имеющий цилиндрический корпус 1330 с первой торцевой поверхностью 1332. Первая торцевая поверхность 1332 имеет круглое отверстие, так что поддерживающее кольцо 1318 сформировано так, чтобы скользить по оправке 1101 в положение, смежное с элементом 1114 уплотнения и замыкающим кольцом 1124, 1126 элемента. По меньшей мере, один паз 1334 сформирован в первой торцевой поверхности 1332 и сформирован так, чтобы совмещаться с канавками 1128, сформированными в замыкающих кольцах 1124, 1126 элемента, и чтобы принимать выступы, сформированные на верхней и нижней конических насадках 1110, 1112. Специалисту будет понятно, что количество и расположение пазов 1334, сформированных в первой торцевой поверхности 1332 поддерживающего кольца 1318, соответствует количеству и положению канавок 1128, сформированных в замыкающих кольцах 1124, 1126 элемента, и количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 1110, 1112. Кроме того, ряд отверстий 1184 сформирован в первой торцевой поверхности 1332 поддерживающего кольца 1318 и выполнен так, чтобы принимать выступы 1180 замыкающего кольца 1124, 1126 элемента. Таким образом, выступы 1180 блокируют с поворотом узел 1116 поддержки элемента с элементом 1114 уплотнения. Специалисту будет понятно, что количество и положение отверстий 1184, сформированных в первой торцевой поверхности 1332 поддерживающего кольца 1318, соответствует количеству и положению выступов, сформированных в замыкающих кольцах 1124, 1126 элемента.
[0080] Ряд шлицев (не показан) расположен на цилиндрическом корпусе 1330 поддерживающего кольца 1318, каждый шлиц, проходящий от второго конца 1338 поддерживающего кольца 1318 до положения за передней торцевой поверхностью 1332, таким образом образует ряд фланцев (не показан). Когда установочная нагрузка прилагается к пробке 1100 разрыва, хрупкие опорные кольца 1319 разрушаются на сегменты. Сегменты расширяются и контактируют с обсадной трубой. Расстояние между сегментами, контактирующими с обсадной трубой, является, по существу, одинаковым, поскольку выступы 1180 замыкающих колец 1124, 1136 элемента направляют сегментированные хрупкие опорные кольца 1319 на место. Когда к пробке 1100 разрыва прилагается установочная нагрузка, поддерживающие кольца 1318 расширяются, и фланцы поддерживающих колец 318, расположенные на каждом конце элемента 1114 уплотнения, радиально расширяются по внутренней стенке обсадной трубы. Расширенные фланцы закрывают любое пространство между сегментами хрупких опорных колец 319, таким образом создавая периферический барьер, который препятствует выдавливанию элемента 1114 уплотнения.
[0081] Как показано на фиг. 12 и 14, верхний и нижний узлы 1106, 1108 с клиньями сформированы так, чтобы закрепить пробку 1100 разрыва к обсадной трубе и выдерживать последующие высокие нагрузки, когда к пробке 1100 разрыва прилагается давление. Верхний и нижний узлы 1106, 1108 с клиньями включают в себя основания 1569 клиньев, клинья 1567 и упорные кольца 1587 клиньев. Верхний и нижний узлы 1106, 1108 с клиньями расположены рядом с верхней и нижней коническими насадками 1110, 1112, соответственно, так что конические внутренние поверхности основания 1569 клиньев сформированы так, чтобы контактировать с наклонной поверхностью 1442 конических насадок 1110, 1112.
[0082] Основание 1569 клиньев верхнего узла 1106 с клиньями включает в себя стопорный профиль 1599 верхней поверхности основания 1569 клиньев. Стопорный профиль 1599 сформирован так, чтобы верхнее основание 1569 клиньев контактировало с верхним калибрующим кольцом 1102. Таким образом, верхнее калибрующее кольцо 1102 включает в себя соответствующий стопорный профиль 1597 на нижней поверхности. Например, стопорные профили 1599, 1597 могут быть увязанными L-образными выступами, как показано на виде D фиг. 14. Как описано ранее, эти стопорные профили 1597, 1599 крепят основание 1569 клиньев к верхнему калибрующему кольцу 1102 при возникновении перепада давления через пробку 1100 разрыва, таким образом поддерживая активацию элемента 1114 уплотнения. Кроме того, L-образные выступы, вероятно, менее склонны к разрушению, чем типичные T-образные соединения, и, вероятно, эффективнее выбуриваются в процессе выбуривания/выфрезеровывания.
[0083] Клинья 1567 могут быть сформированы в виде зубьев, резьбы конического профиля или любого другого известного устройства, для схватывания или врезания в стенку обсадной трубы. В одном варианте, клинья 1567 могут включать в себя стопорный профиль, который позволяет монтировать клинья 1567 на основании 1569 клиньев без дополнительных креплений или клеящих материалов. Стопорный профиль включает в себя выступающую часть 1589, расположенную на внутреннем диаметре клина 1567 и сформированную так, чтобы вставляться в основание 1569 клиньев, таким образом закрепляя клин 1567 на основании 1569 клина. Выступающая часть 1589 может, например, иметь форму крюка или L-образный выступ для обеспечения надежного крепления клина 1567 к основанию 1569 клиньев. Специалисту будет понятно, что выступы с различными формами и/или профилями могут использоваться без отступления от объема раскрываемых вариантов.
[0084] Основание 1569 клина может быть сформировано из быстро разбуриваемого материала, тогда как клинья 1567 сформированы из более твердого материала. Например, в одном варианте воплощения, основание 1569 клиньев сформировано из литого алюминия с низким пределом текучести, а клинья 1567 сформированы из чугуна. Как вариант, основание 1569 клиньев может быть сформировано из алюминиевого сплава 6061-T6, тогда как клинья 1567 сформированы из ковкого чугуна, подвергнутого обработке с индукционным нагревом. Специалисту будет понятно, что могут использоваться другие материалы и что в некоторых вариантах основание клина и клинья могут быть сформированы из одинакового материала в пределах объема раскрываемых вариантов.
[0085] Упорные кольца 1587 клиньев расположены вокруг основания 1569 клиньев для крепления основания 1569 клиньев к пробке 1100 разрыва перед установкой. Упорные кольца 1587 клиньев, как правило, срезаются при нагрузке около 16000-18000 фунтов, таким образом активируя узлы 1106, 1108 с клиньями. После активации узлы 1106, 1108 с клиньями радиально расширяются до контакта со стенкой обсадной трубы. Как только клинья 1567 контактируют со стенкой обсадной трубы, часть нагрузки, приложенной к элементу 1114 уплотнения, используется для преодоления торможения между зубьями клиньев 1567 и стенкой обсадной трубы.
[0086] Как показано на фиг. 18A и 18B, пробка 2200 разрыва, в соответствии с вариантом настоящего изобретения, показана в неустановленном положении и в установленном положении, соответственно. В некоторых вариантах пробка 2200 разрыва может быть выполнена так, чтобы выдерживать высокое давление и высокую температуру окружающей среды. Высокое давление и высокая температура окружающей среды могут отрицательно влиять на эффективность компонентов уплотнения. В частности, в выбуриваемых пробках разрыва высокая температура окружающей среды может привести к деградации и ослаблению материала элементов уплотнения. Когда прилагается высокое давление, деградированный материал элементов уплотнения может начать проталкиваться или выталкиваться через какие-нибудь зазоры в несущей конструкции, окружающей элементы уплотнения. В таком случае эффективность элемента уплотнения может утрачиваться. Раскрываемые здесь варианты могут обеспечить скважинный инструмент, такой как, например, пробка разрыва, способный выдерживать высокую температуру и высокое давление окружающей среды.
[0087] Пробка разрыва 2200 может включать в себя оправку 2202, имеющую верхний конец 2204 и нижний конец 2206. Верхняя коническая насадка 2210 может быть расположена над верхним узлом 2208 с клиньями. Верхний узел 2208 с клиньями, включающий в себя клиновую накладку 3004 и зубья 3002, как подробно показано на фиг. 26A и 26B, может быть расположен вокруг верхнего конца оправки 2202 над верхней конической насадкой 2210. Верхний узел 2212 кольца может быть расположен вокруг оправки 2202 над элементом 2214 уплотнения и может включать в себя внутреннее поддерживающее кольцо 2500, наружное поддерживающее кольцо 2600 и опорное кольцо 2700, как показано на фиг. 21A и 21B, фиг. 22A и 22B, и фиг. 23A, 23B, и 23C соответственно. Элемент 2214 уплотнения может включать в себя верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 (показаны на фиг. 20A и 20B) на верхнем и нижнем концах 2216, 2218 элемента 2214 уплотнения соответственно. В некоторых вариантах, элемент 2214 уплотнения может быть сформирован из эластомерного материала, например, гидрогенизированного бутадиенакрилонитрильного каучука, нитрила или фторэластомеров, таких как Aflas. Верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут быть сформированы из волокнистого пластика, пропитанного фенолоформальдегидом. В некоторых вариантах, верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут размещаться в пресс-форме элемента уплотнения перед заполнением пресс-формы материалом, выбранным для формования элемента 2214 уплотнения. В таких вариантах элемент 2214 уплотнения может быть сформирован заодно с верхним и нижним замыкающими кольцами 2402, 2404, так чтобы элемент 2214 уплотнения и верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 образовывали единую деталь.
[0088] Нижний узел 2220 кольца может быть расположен под нижним замыкающим кольцом 2404 элемента 2214 уплотнения и может включать в себя внутреннее поддерживающее кольцо 2500, наружное поддерживающее кольцо 2600 и опорное кольцо 2700, показанные на фиг. 21A и 21B, фиг. 22A и 22B, и фиг. 23A, 23B, и 23C, как описано выше, со ссылкой на верхний узел 2212 кольца. Нижняя коническая насадка 2222 может быть расположена вокруг оправки 2202 под нижним узлом 2220 кольца, и нижний узел 2224 с клиньями может быть расположен под нижней конической насадкой 2222. Нижний узел 2224 с клиньями может включать в себя клиновую накладку 3004 и зубья 3002, как показано подробно на фиг. 26A и 26B. Нижняя втулка 2226 может быть соединена с нижним концом 2206 оправки 2202.
[0089] Для перемещения пробки 2200 разрыва из неустановленного положения в установленное положение может использоваться посадочный инструмент для приложения поднимающего осевого усилия к оправке 2202 при одновременном приложении опускающего осевого усилия к деталям, расположенным вокруг оправки 2202. В некоторых вариантах поднимающее осевое усилие, приложенное к оправке 2202, может передаваться к нижней втулке 2226, к нижнему узлу 2226 с клиньями и к нижней конической насадке 2222 с помощью различных соединений между деталями. Кроме того, опускающее осевое усилие, приложенное к деталям, расположенным вокруг оправки 2202, может быть передано к верхнему узлу 2208 с клиньями и к верхней конической насадке 2210. И поднимающее, и опускающее осевые усилия могут затем передаваться от верхней и нижней конических насадок 2210, 2222 к элементу 2214 уплотнения и верхнему и нижнему узлам 2212, 2220 колец, таким образом приводя к деформации нижних узлов 2212, 2220 колец и элемента 2214 уплотнения. В некоторых вариантах элемент 2214 может быть сформирован так, чтобы деформировать желаемую зону, так чтобы радиальное расширение в наружном направлении возникало при критическом значении давления сжатия. Радиальная деформация в наружном направлении может привести к контакту элемента 2214 уплотнения со стенкой наружной обсадной трубы 2228 и может формировать уплотнение.
[0090] На фиг. 19A и 19B приведен вид поперечного сечения оправки 2202. Шлицы 2302 могут быть сформированы на нижнем конце 2206 оправки 2202. Как показано на фиг. 19B, шлицы 2302 являются прямыми шлицами, но специалисту будет понятно, что могут использоваться шлицы другой геометрии, такие как, например, спиральные шлицы. Шлицы 2302 могут быть предназначены для зацепления с соответствующими шлицами, расположенными на внутренней поверхности нижней конической насадки 2222 (фиг. 18A, 18B). В выбранных вариантах зацепление шлицов 2302 с соответствующими шлицами на нижней конической насадке 2222 может препятствовать относительному повороту между оправкой 2202 и нижней конической насадкой 2222.
[0091] Со ссылками на фиг. 20A и 20B приведены виды поперечного сечения элемента 2214 уплотнения. Верхнее замыкающее кольцо 2402 может быть расположено вблизи верхнего конца 2216 элемента 2214 уплотнения, а нижнее замыкающее кольцо 2404 может быть расположено вблизи нижнего конца 2218 элемента 2214 уплотнения. В некоторых вариантах, верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут быть оформлены с верхним и нижним пальцами сцепления 2403, 2405, выполненными так, чтобы совмещаться с соответствующими пальцами 2902, 2903 на верхней и нижней конических насадках 2210, 2222, соответственно, как будет описано далее со ссылками на фиг. 24A. Как описано ранее, верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут быть сформированы из волокнистого пластика, пропитанного фенолоформальдегидом. Как вариант, верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут быть сформированы из отливаемого под давлением термопластика. В некоторых вариантах верхнее и нижнее замыкающие кольца 2402, 2404 могут быть запрессованы в элемент 2214 уплотнения; однако специалисту будет понятно, что могут использоваться другие средства для соединения верхнего и нижнего замыкающих колец 2402, 2404 с элементом 2214 уплотнения. Как показано на фиг. 20A, элемент 2214 уплотнения находится в неустановленном виде. Часть 2408 с уменьшенной шириной может быть расположена на внутренней поверхности 2406 элемента 2214 уплотнения. При установке скважинного инструмента может произойти сжатие элемента 2214 уплотнения, таким образом приводя к вспучиванию элемента 2214 уплотнения на части 2418 с уменьшенной шириной и расширению радиально наружу и в контакте с наружной пустотелой или обсадной трубой (не показано). В таком варианте величина сжатия, прилагаемая к элементу 2214 уплотнения, может соответствовать радиальному усилию элемента 2214 уплотнения в обсадной трубе.
[0092] Теперь, ссылаясь на фиг. 21A и 21B, показано поперечное сечение и вид сверху, соответственно, внутреннего поддерживающего кольца 2500 в соответствии с раскрытыми здесь вариантами. Внутреннее поддерживающее кольцо 2500 может включать в себя радиальную часть 2502, по существу, перпендикулярную продольной оси 2508 скважинного инструмента. Внутреннее поддерживающее кольцо 2500, имеющее наружный диаметр 2516, может, кроме того, включать в себя осевую часть 2506, по существу, параллельную продольной оси 2508, и угловую часть 2504, расположенную между радиальной и осевой частями 2502, 2506. Как показано, внутреннее поддерживающее кольцо 2500 может быть разделено на сегменты 2510 шлицами 2514. Кроме того, ряд вырезов 2512 может располагаться в радиальной части 2502 внутреннего поддерживающего кольца 2500 и подробнее описывается далее.
[0093] На фиг. 22A и 22B наружное поддерживающее кольцо 2600 в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами показано в поперечном сечении и на виде сверху, соответственно. Наружное поддерживающее кольцо 2600 может включать в себя радиальную часть 2602, по существу, перпендикулярную продольной оси 2508 скважинного инструмента. Наружное поддерживающее кольцо 2600 может, кроме того, включать в себя осевую часть 2606, по существу, параллельную продольной оси 2508, и угловую часть 2604, расположенную между радиальной и осевой частями 2602, 2606. Ряд вырезов 2612 может быть расположен в радиальной части 2602 наружного поддерживающего кольца 2600. Кроме того, наружное поддерживающее кольцо 2600 может включать в себя облицовку 2608 на внутренней поверхности наружного поддерживающего кольца 2600, как показано на фиг. 22A. В некоторых вариантах, облицовка 2608 может быть сформирована из пластичного материала, который может обеспечить радиальное расширение облицовки 2608. Облицовка 2608 может быть сформирована из эластомерного материала, такого как, например, гидрогенизированный бутадиенакрилонитрильный каучук, нитрил, политетрафторэтилен или фторэластомер, такой как Aflas. Наружное поддерживающее кольцо 2600 и облицовка 2608 может иметь внутренний диаметр 2616, где внутренний диаметр 2616, по существу, имеет тот же размер, что наружный диаметр 2516 внутреннего поддерживающего кольца 2500. Как вариант, между внутренним диаметром 2616 наружного поддерживающего кольца 2600 и наружным диаметром 2516 внутреннего поддерживающего кольца 2500 может существовать небольшой зазор.
[0094] Со ссылками на фиг. 23A, 23B, и 23C показан вид сверху, поперечное сечение и вид снизу опорного кольца 2700 в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами. Шлицы 2712 могут разделять опорное кольцо 2700 на сегменты 2710. Как показано на фиг. 23B и 23C, каждый сегмент 2710 может включать в себя выступ 2702, сформированный так, чтобы входить в зацепление с соответствующим профилем 2701, 2703 верхней и нижней конической насадки 2210, 2222, соответственно, как показано на фиг. 24A. Опорные кольца 2700 могут быть расположены рядом с наружными поддерживающими кольцами 2600 выше и ниже элемента 2214 уплотнения, как показано на фиг. 24A и 24B. Когда пробка 2200 разрыва установлена, опорные кольца 2700 могут быть подвергнуты силам сжатия. Опорные кольца 2700 могут быть сформированы из такого материала, что в результате воздействия сил сжатия сегменты 2710 опорных колец 2700 могут отделяться и расширяться радиально наружу до контакта со стенкой 2228 обсадной трубы, как показано на фиг. 24B. В некоторых вариантах опорные кольца 2700 могут быть сформированы из фенольного материала. Вырванные сегменты 2710 опорного кольца 2700 могут обеспечить поддержку против выдавливания элемента 2214 уплотнения через зазоры во внутреннем и наружном поддерживающих кольцах 2500, 2600 посредством обеспечения стабильной поверхности, на которой внутреннее и наружное поддерживающие кольца 2500, 2600 могут деформироваться равномерно. Кроме того, вырванные сегменты 2710 опорного кольца 2700 могут добавлять опору для внутреннего и наружного поддерживающих колец 2500, 2600 и могут обеспечивать дополнительную поверхность уплотнения на стенке 2228 обсадной колонны, которая может блокировать выдавливание элемента 2214 уплотнения.
[0095] Как показано на фиг. 24A, показан вид поперечного сечения неустановленного скважинного инструмента в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами. Внутренние поддерживающие кольца 2500 могут быть собраны по соседству с верхним и нижним замыкающими кольцами 2402, 2404, которые могут быть расположены рядом с верхним и нижним концами 2216, 2218 элемента 2214 уплотнения. Наружные поддерживающие кольца 2600 могут располагаться рядом с внутренними поддерживающими кольцами 2500, так что внутренние поддерживающие кольца 2500 размещаются в гнезде, в наружных поддерживающих кольцах 2600. В некоторых вариантах, внутреннее и наружное поддерживающие кольца 2500, 2600 могут располагаться так, что осевые части 2506, 2606 проходят до перекрытия верхнего и нижнего замыкающих колец 2402, 2404 на элементе 2214 уплотнения. Как показано на фиг. 24B, показан вид поперечного сечения установленного скважинного инструмента в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами. При радиальном расширении элемента 2214 уплотнения, которое происходит при установке пробки 2200 разрыва, осевые части 2506, 2606 и угловые части 2504, 2604 внутреннего и наружного поддерживающих колец 2500, 2600, соответственно, могут деформироваться для радиального расширения, вследствие их перекрытия с элементом 2214 уплотнения. Шлицы 2514, 2614, образующие сегменты 2510, 2610 на внутреннем и наружном барьерах 2500, 2600, могут обеспечить радиальное расширение внутреннего и наружного барьеров 2500, 2600 до контакта с наружной стенкой 2228 пустотелой или обсадной трубы. При такой конструкции с радиальным расширением, внутренние и наружные поддерживающие кольца 2500, 2600 могут иметь зазоры, куда расширяются шлицы 2514, 2614. Для предотвращения выдавливания элемента 2214 уплотнения через зазоры, внутреннее и наружное поддерживающие кольца 2500, 2600 могут быть смещены, так что шлиц 2514 внутреннего поддерживающего кольца 2500 совмещается с сегментом 2610 наружного поддерживающего кольца 2600 и, соответственно, шлиц 2614 наружного поддерживающего кольца 2600 совмещается с сегментом 2510 внутреннего поддерживающего кольца 2500. Кроме того, облицовка 2608, расположенная на наружном поддерживающем кольце 2600, может контактировать с внутренним поддерживающим кольцом 2500 и выдавливаться в любые зазоры между внутренним и наружным поддерживающими кольцами 2500, 2600, таким образом заполняя зазоры и обеспечивая дополнительную опору против выдавливания элемента 2214 уплотнения через зазоры во внутреннем и наружном поддерживающих кольцах 2500, 2600.
[0096] Для поддержания соответствующего выравнивания внутреннего и наружного поддерживающих колец 2500, 2600 относительно друг друга и относительно элемента 2214 уплотнения, верхние и нижние пальцы 2902, 2903 сцепления на верхней и нижней конических насадках 2210, 2222 могут входить в зацепление с вырезами 2512, 2612, расположенными во внутреннем и наружном поддерживающих кольцах 2500, 2600, так, чтобы предотвратить относительное перемещение между внутренним и наружным поддерживающими кольцами 2500, 2600. Кроме того, верхние и нижние пальцы 2902, 2903 сцепления верхней и нижней конических насадок 2210, 2222 могут входить в зацепление с соответствующими верхними и нижними пальцами 2403, 2405 сцепления верхнего и нижнего замыкающих колец 2402, 2404 элемента 2214 уплотнения, таким образом препятствуя относительному перемещению между внутренним и наружным поддерживающими кольцами 2500, 2600, элементом 2214 уплотнения и верхней и нижней коническими насадками 2210, 2222.
[0097] Как показано на фиг. 25A, 25В, 25С и 25D, показаны верхняя и нижняя конические насадки в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами. Верхняя коническая насадка 2210 показана на виде сверху и на поперечном сечении на фиг. 25A и 25B, соответственно, а нижняя коническая насадка 2222 показана на поперечном сечении и на виде снизу на фиг. 25C и 25D, соответственно. Как описано ранее, верхняя коническая насадка 2210 и нижняя коническая насадка 2222 могут включать в себя верхние пальцы 2902 сцепления и нижние пальцы 2903 сцепления, соответственно, выполненные так, чтобы входить в зацепление с верхними и нижними пальцами 2403, 2405 сцепления верхнего и нижнего замыкающих колец 2402, 2404, соответственно, элемента 2214 уплотнения через вырезы 2512, 2612 внутреннего и наружного поддерживающих колец 2500, 2600 (фиг. 21A, 21В, 22А, и 22B). Верхняя и нижняя конические насадки 2210, 2222 могут, кроме того, включать в себя ряд направляющих 2908 клиновой накладки, расположенных на наружной поверхности верхней и нижней конических насадок 2210, 2222, сформированных так, чтобы принимать верхние и нижние узлы 2208, 2224 с клиньями, соответственно. Направляющие 2908 клиновой накладки могут быть расположены под углом относительно продольной оси 2508.
[0098] Как показано на фиг. 26A и 26B, показаны компоненты узла 2224 с клиньями в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами. Клиновая накладка 3004, показанная как снабженная профилем 3012a зубьев, выполнена так, чтобы зацепляться с соответствующим профилем 3012b зубьев, расположенным на ряде наружных зубьев 3002. Кроме того, запирающий крюк 3006 может простираться вниз от наружных зубьев 3002 и может быть выполнен для блокирования в соответствующем вырезе 3014 запирающего крюка, расположенного в клиновой накладке 3004. В некоторых вариантах для соединения клиновой накладки 3004 с наружными зубьями 3002 может предусматриваться сочетание зацепляющихся сопряженных профилей 3012a, 3012b зубьев и соединяющего сопряженного запирающего крюка 3006 с вырезом запирающего крюка 3014.
[0099] Узел клиновой накладки 3004 и наружных зубьев 3002 может быть сформирован так, чтобы устанавливаться в каждой направляющей 2908 клиновой накладки. В процессе установки скважинного инструмента клиновые накладки 3004 могут перемещаться в направляющих 2908 клиновой накладки, чтобы вдавливать наружные зубья 3002 в стенку обсадной трубы (не показано). Направляющие 2908 клиновой накладки могут помочь выравниванию клиновых накладок 3004 и наружных зубьев 3002 по оси вдоль стенки обсадной трубы (не показано), так чтобы сцепление между зубьями 3002 клиновой накладки и стенкой обсадной трубы могло распределяться равномерно. Направляющие 2908 клиновой накладки могут, кроме того, включать в себя копир 2910 клиновой накладки, сформированный так, чтобы обеспечивать дополнительную опору при направлении ряда клиновых накладок 3004 и наружных зубьев 3002 вдоль направляющих 2908 клиновой накладки в процессе установки скважинного инструмента. Как показано на фиг. 26B, клиновая накладка 3004 может включать в себя хвостовик 3010 копира, выполненный так, чтобы входить в зацепление и перемещаться вдоль копира 2910 клиновой накладки.
[00100] В некоторых вариантах для крепления узла клиновой накладки 3004 и наружных зубьев 3002 на месте относительно верхней и нижней конических насадок 2210, 2222 может использоваться держатель клиньев (не показан), пока не достигнуто критическое давление во время установки скважинного инструмента. При критическом давлении держатели клиньев (не показаны) могут прекращать действие, таким образом обеспечивая перемещение клиновой накладки 3004 и наружных зубьев 3002 вдоль направляющих клиновой накладки 2908 и копиров клиновой накладки 2910 до сцепления со стенкой обсадной трубы (не показано). Специалисту будет понятно, что держатели клиньев могут быть рассчитаны на прекращение действия при любом необходимом значении усилия или давления. Например, геометрия, материал, технология обработки держателя клиньев и другие факторы могут изменяться для получения держателя клиньев, который прекращает действие при заданном критическом давлении. В некоторых вариантах держатели клиньев могут быть рассчитаны на усилие около 16000-18000 фунтов. Специалисту, кроме того, будет понятно, что до прекращения действия держателей клиньев, все давление, прилагаемое при установке скважинного инструмента, направлено на деформирование элемента 2214 уплотнения, так что возникает радиальное расширение наружу и сцепление уплотнения со стенкой обсадной трубы (не показано). Таким образом, держатель клиньев, рассчитанный на то, чтобы выдерживать высокое давление, обеспечивает приложение высокого давления к элементу 2214 уплотнения, и наоборот, держатель клиньев, рассчитанный на то, чтобы выдерживать низкое давление, обеспечивает только приложение низкого давления к элементу 2214 уплотнения до того, как клиновые накладки 3004 и наружные зубья 3002 получают возможность перемещения и захвата стенки обсадной трубы (не показано). В некоторых вариантах наружные зубья 3002 могут быть подвергнуты термообработке для получения желаемых свойств используемого материала, например индукционной термообработке. В некоторых вариантах индукционная термообработка наружных зубьев 3002 может увеличивать прочность наружных зубьев 3002 и может уменьшать вероятность возникновения и роста трещин.
[00101] Как показано на фиг. 27, показан увеличенный вид поперечного сечения пробки разрыва в соответствии с настоящим изобретением. Стопорное устройство 2230 показано как снабженное верхней втулкой 2203 с профилем 3108a трещотки, расположенным на ее внутренней стороне. Верхняя втулка 2203 показана как расположенная вокруг верхнего конца 2204 оправки 2202, и вокруг гильзы 3106 трещотки. Профиль 3108b трещотки может быть расположен на наружной поверхности гильзы 3106 трещотки, и может быть выполнен так, чтобы соответствовать профилю 3108a трещотки на верхней втулке 2203. Кроме того, внутренняя поверхность гильзы 3106 трещотки может включать в себя резьбовую часть, сформированную так, чтобы соединяться по резьбе с соответствующей резьбой, расположенной на наружной поверхности оправки 2202. Как вариант, специалисту будет понятно, что могут использоваться другие средства для соединения гильзы 3106 трещотки и оправки 2202, такие, например, как другие механические, клеевые или сварные соединения.
[00102] Как описано ранее, для установки пробки 2200 разрыва, к верхней втулке 2203 может прилагаться опускающее осевое усилие, тогда как к оправке 2202 одновременно прилагается поднимающее осевое усилие. Поскольку элемент 2214 уплотнения сжимается и деформируется наружу, детали, расположенные вокруг оправки 2202, теснее сжимаются вместе. Стопорное устройство 2230 может обеспечивать, чтобы величина сжатия, достигаемая при установке инструмента в процессе установки, поддерживалась на одном уровне после установки инструмента или снятия установочного усилия. Трещоточный профиль 3108a, 3108b может быть выполнен так, чтобы заплечики, по существу, перпендикулярные к продольной оси 2508, препятствовали перемещению верхней втулки 2203 по оси вверх относительно оправки 2203. Кроме того, в некоторых вариантах, срезной винт 3110 может соединять верхнюю втулку 2203 с оправкой 2202, так что перемещение вниз верхней втулки 2203 относительно оправки 2202 предотвращается, до тех пор, пока не будет приложено осевое усилие, достаточное для срезания срезных винтов 3110. Специалисту будет понятно, что усилие, требуемое для срезания срезных винтов 3110, может зависеть от ряда факторов, таких, например, как геометрия, материал и термообработка срезных винтов 3110.
[00103] В некоторых ситуациях, возможно, возникнет необходимость удалить установленную пробку разрыва. Вследствие высокой стоимости времени, рабочей силы и инструмента, связанной с удалением пробки разрыва, используя извлекаемый из скважины инструмент, может оказаться более экономичным выбуривание или фрезерование пробки разрыва, и конструкция и материалы каждого компонента пробки разрыва могут выбираться, имея в виду такое окончание. Со ссылками на фиг. 28, верхняя пробка 2200a разрыва показана расположенной в обсадной трубе 2228 над нижней пробкой 2200b разрыва. Шлицы 2302 на оправке 2202a показаны в зацеплении с соответствующими шлицами 2904 на нижней конической насадке 2222. Шлицы могут препятствовать вращению деталей пробки 2200a разрыва в процессе операции выбуривания и таким образом могут увеличить эффективность процедуры.
[00104] Верхняя пробка 2200a разрыва показана как снабженная нижней втулкой 2226, расположенной под нижней конусной насадкой 2222 и включающей в себя ряд разгрузочных канавок 3202 на ее наружной поверхности. Разгрузочные канавки 3202 могут действовать как концентраторы напряжений для увеличения скорости процесса выбуривания путем содействия отламыванию материала нижней втулки 2226 при выбуривании. Кроме того, на нижней поверхности 3212 оправки 2202a может вырезаться первый ряд прорезей 3214, так что когда достигнуто определенное положение оправки с помощью инструмента для выбуривания, оставшийся материал между прорезями 3214 может отламываться. Аналогично, на нижней поверхности 3208 нижней втулки 2226 могут быть расположены прорези 3210 для увеличения скорости и эффективности выбуривания пробки 2200a разрыва.
[00105] Как только захватывающие детали, такие, например, как наружные зубья 3002, выбурены, остается меньшая площадь опоры для удерживания пробки 2200a разрыва на месте. В некоторых вариантах часть нижней втулки 2226 может освобождаться от пробки 2200a разрыва в процессе операции выбуривания. Нижняя втулка 2226 может включать в себя внутреннюю коническую резьбу 3204, выполненную так, чтобы входить в зацепление с наружной конической резьбой 3206, расположенной на верхнем конце оправки 2202b нижней пробки 2200b разрыва. В некоторых вариантах выбуривание верхней пробки 2200a может приводить к тому, что нижняя втулка 2226 будет вращаться с инструментом для выбуривания. В таком варианте, поскольку нижняя втулка 2226 верхней пробки 2200a разрыва падает на оправку 2202b нижней пробки 2200b разрыва, нижняя втулка 2226 может быть вращающейся. В некоторых вариантах внутренняя коническая резьба 3204 нижней втулки 2226 может входить в зацепление с наружной конической резьбой 3206 оправки 2202b, вращательное движение втулки 2226 может обеспечивать достаточный крутящий момент для выполнения резьбового соединения. Такое свойство может обеспечить инструменту для выбуривания эффективность бурения оставшейся части нижней втулки 2226, в то время как она соединена по резьбе с оправкой 2202a. Кроме того, ряд ребер 2227 может быть расположен на наружной поверхности нижней втулки 2226 и может простираться радиально наружу. В таком варианте, когда втулка 2226 вращается и падает вниз, ребра 2227 могут удалять обломки с внутренней стенки 2228 обсадной трубы, соскребая скопления обломков.
[00106] На фиг. 29 показано изолирующее устройство 4001 пробки разрыва (не показано) в соответствии с вариантами изобретения. Изолирующее устройство 4001 включает в себя шаровое седло 4003, расположенное в осевом канале 4005 оправки 4007 пробки разрыва, и шар 4009. Как показано, шаровое седло 4003 может быть сформировано заодно с оправкой 4007, так что оправка 4007 имеет первый внутренний диаметр 4011 и второй внутренний диаметр 4013, причем второй внутренний диаметр 4013 меньше, чем первый внутренний диаметр 4013. Седло 4003 сформировано в переходной части внутреннего диаметра оправки 4007, между первым внутренним диаметром 4011 и вторым внутренним диаметром 4013. В другом варианте, шаровое седло 4003 может быть отдельной деталью, установленной в канале 4005 оправки 4007 и соединенной с оправкой 4007. В одном варианте оправка 4007 и шаровое седло 4003 могут быть выполнены из металлического материала, например алюминия. Как вариант, оправка 4007 и седло 4003 могут быть выполнены из пластмассы или композитного материала, известного на современном уровне техники. Кроме того, специалисту будет понятно, что оправка 4007 может быть выполнена из материала, отличающегося от материала шарового седла 4003.
[00107] Шар 4009 представляет собой сферическое устройство, выполненное для контакта или посадки в седле 4003. В одном варианте шар 4009 может быть выполнен из пластмассы или композитных материалов. В некоторых вариантах шар 4009 может быть выполнен из фенолоальдегидного полимера и стекловолокнистого композиционного материала. Специалисту будет понятно, что шар 4009 может быть выполнен из других известных материалов, включая другие волокнистые материалы и полимеры. Материал шара 4009 может быть выбран на основании температур и давлений ожидаемой окружающей среды, в которой будет расположена пробка разрыва.
[00108] Как показано на фиг. 29 и в увеличенном виде на фиг. 29A, седло 4003 снабжено посадочной поверхностью 4015, имеющей куполовидный профиль. Как показано, профиль посадочной поверхности 4015 соответствует профилю шара 4009. В частности, как показано на фиг. 29A, профиль посадочной поверхности 4015 - кривой. Куполовидный профиль может быть сферическим или эллиптическим. Таким образом, радиус кривизны куполовидного профиля может быть постоянным или переменным. Радиус кривизны посадочной поверхности 4015 может быть примерно равен радиусу кривизны шара 4009. Итак, в одном варианте, посадочная поверхность 4015 обеспечивает опрокинутое куполообразное седло с каналом в ней, сформированным так, чтобы принимать шар 4009.
[00109] В одном варианте седло 4003 может включать в себя первый участок 4017 и второй участок 4019. Первый участок 4017 расположен по оси над вторым участком 4019. В данном варианте первый участок 4017 может включать в себя конусообразный профиль, формирующий коническую поверхность. Второй участок 4019 может включать в себя профиль, соответствующий профилю шара 4009. Когда шар 4009 опущен или когда он перемещается вниз внутри пробки разрыва, если выше пробки разрыва прилагается перепад давления, первый участок 4017 может помочь центрировать или направлять шар 4009 в седло и в контакт со вторым участком 4019.
[00110] Как показано на фиг. 30 и в увеличенном виде на фиг. 30A, седло 5003 пробки разрыва в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами, может включать в себя посадочную поверхность 5015, имеющую профиль. Как показано, профиль посадочной поверхности 5015, по существу, соответствует профилю шара 5009. В частности, как показано на фиг. 30A, профиль посадочной поверхности 5015 включает в себя ряд отдельных участков 5015a, 5015b, 5015c, 5015d, которые совместно образуют непрерывный профиль для соответствия профилю шара 5009. В некоторых вариантах профиль посадочной поверхности 5015 может включать в себя 2, 3, 4, 5 или больше отдельных участков. Отдельные участки могут быть линейными или куполовидными. Например, в одном варианте, каждый отдельный участок имеет радиус кривизны, отличающийся от каждого другого отдельного участка. Как вариант, каждый отдельный участок может иметь тот же радиус кривизны, но радиус кривизны каждого отдельного участка меньше, чем радиус кривизны шара 5009. В другом варианте каждый отдельный участок может быть линейным и может включать в себя угол относительно центральной оси оправки 5007 или шарового седла 5003, отличающийся от угла каждого другого отдельного участка. Средняя величина общего профиля посадочной поверхности 5015 представляет профиль, который, по существу, соответствует профилю шара 5009.
[00111] В одном варианте седло 5003 может включать в себя первый участок 5017 и второй участок 5019. Первый участок 5017 расположен по оси над вторым участком 5019. В данном варианте первый участок 5017 может включать в себя конусообразный профиль, такой, что формирует коническую поверхность. Второй участок 5019 может включать в себя профиль, по существу, соответствующий профилю шара 5009. Когда шар 5009 опущен или когда он перемещается вниз внутри пробки разрыва, если выше пробки разрыва прилагается перепад давления, первый участок 5017 может помочь центрировать или направлять шар 5009 в седло и в контакт со вторым участком 5019.
[00112] Как показано на фиг. 29 и 30, поскольку шаровое седло 4003, 5003 имеет профиль, соответствующий профилю шара 4009, 5009, радиальный зазор между шаром 4009, 5009 и посадочной поверхностью 4013, 4015 - малый. Кроме того, геометрия (то есть профиль) седла 4003, 5003 обеспечивает достаточный контакт между шаром 4009, 5009 и седлом 4003, 5003 для эффекта герметизации. Увеличение нагрузки на шар вследствие перепада давления может немного деформировать шар 4009, 5009 в шаровом седле 4003, 5003, таким образом усиливая герметизацию. Таким образом, поскольку радиальный зазор между наружным диаметром шара 4009, 5009 и седлом 4003, 5003 мал, в некоторых вариантах, для обеспечения полного контакта с посадочной поверхностью 4015, 5015 шарового седла 4003, 5003, шар 4009, 5009, возможно, необходимо деформировать лишь на малую величину.
[00113] Профиль посадочной поверхности 4015, 5015, как описано ранее, обеспечивает увеличенную контактную поверхность между прилегающим шаром 4009, 5009 и посадочной поверхностью 4015, 5015. Такая контактная поверхность обеспечивает дополнительную опорную поверхность для шара 4009, 5009, таким образом предотвращая разрушение материала шара вследствие сжимающего напряжения, которое превышает максимальное допустимое сжимающее напряжение материала. Если перепад давления увеличивается, шар 4009, 5009 может деформироваться и контактировать с шаровым седлом 4003, 5003, как описано ранее, для дополнительной опоры седла 4003, 5003. Вследствие малого радиального зазора между шаром 4009, 5009 и профилем 4015, 5015 посадочной поверхности, деформация шара 4009, 5009 может быть минимальной.
[00114] При расчете геометрии и размера шарового седла 4003, 5003 для обеспечения соответствующей начальной посадки шара 4009, 5009 и для обеспечения достаточной несущей поверхности или опоры для сжимающей нагрузки на шар 4009, 5009, которая превышает предел прочности материала шара, выбирается соответствующая компенсация (то есть радиальное расстояние) между диаметром седла 4003, 5003 и наружным диаметром шара 4009, 5009. Если радиальный зазор слишком мал, начальная посадка шара для обеспечения соответствующей герметизации может оказаться затрудненной. Если радиальный зазор слишком велик, шар 4009, 5009 может разрушаться вследствие недостатка опоры, когда к шару 4009, 5009 прилагается сжимающая нагрузка (т.е. перепад давления), которая превышает предел прочности материала шара. В некоторых вариантах радиальное расстояние между диаметром седла 4003, 5003 и наружным диаметром шара 4009, 5009 может находиться в диапазоне примерно 0-5% радиуса шара 4009, 5009. Точнее говоря, в некоторых вариантах радиальное расстояние между диаметром седла 4003, 5003 и наружным диаметром шара 4009, 5009 может находиться в диапазоне примерно 0-2% радиуса шара 4009, 5009. Специалисту будет понятно, что определение радиального зазора может зависеть от факторов, включающих, помимо прочего, радиус шара, свойства материала шара и условия скважины.
[00115] Изолирующее устройство, включающее в себя шаровое седло 4003, 5003 и шар 4009, 5009, выполненное в соответствии с вариантами изобретения, может обеспечить пробку разрыва, которая может эффективно герметизировать и изолировать продуктивные зоны и выдерживать высокие температуры и давление. Пробка разрыва, снабженная изолирующим устройством в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами, подвергалась испытаниям, и было обнаружено, что поддерживается герметизация при давлении до 15000 фунт/кв. дюйм при 400°F.
[00116] Продуктивные зоны могут быть изолированы с помощью пробки разрыва, сформированной в соответствии с вариантами изобретения. Пробка разрыва, снабженная изолирующим устройством, включающим в себя шаровое седло с профилем, который соответствует профилю шара, согласно раскрываемым здесь вариантам, опускается по скважине. Шар может быть «захвачен» или расположен внутри пробки разрыва и опускаться по скважине с пробкой разрыва. Как подробнее описано ранее, пробка разрыва устанавливается на месте выше зоны, подлежащей герметизации. Текучая среда, продуцируемая ниже пробки разрыва, может свободно протекать через пробку разрыва. Однако когда прилагается перепад давления, например, когда текучая среда протекает от поверхности в пласт для разрыва зоны над пробкой разрыва, шар, установленный в пробке разрыва (или шар, опущенный с поверхности в потоке текучей среды), прилегает к шаровому седлу, обладающему профилем, соответствующим или практически соответствующим профилю шара. Прилегающий шар обеспечивает герметизацию между зонами над пробкой разрыва и под ней, так что текучая среда, нагнетаемая с поверхности, не может поступать в зону под пробкой разрыва. В одном варианте контактная поверхность шара, находящаяся в контакте с посадочным профилем шарового седла, может находиться между 1/64 и 1/4 общей площади поверхности шара. Кроме того, в одном варианте, когда шар вначале прилегает к шаровому седлу, начальная контактная поверхность шара, находящегося в контакте с посадочным профилем шарового седла, может находиться между 1/32 и 1/4 общей площади поверхности шара. В других вариантах начальная контактная поверхность шара, находящаяся в контакте с посадочным профилем шарового седла, может находиться между 1/16 и 1/8 общей площади поверхности шара.
[00117] Если нагрузка на шар возрастает вследствие увеличения перепада давлений в изолирующем устройстве, шар может немного деформироваться в шаровом седле. Поскольку профиль шарового седла соответствует профилю шара и поскольку радиальный зазор между шаровым седлом и шаром мал, шар деформируется лишь на небольшую величину, пока он контактирует с шаровым седлом. Контактная площадь между соответствующими профилями шарового седла и шара обеспечивает дополнительную опорную поверхность для шара, которая может предотвратить или уменьшить нарушение материала шара вследствие сжимающих напряжений. Если превышено максимальное допустимое сжимающее напряжение для материала шара, изолирующее устройство может поддерживать герметичность благодаря опоре соответствующего профиля посадочной поверхности шарового седла. Кроме того, даже при высокой температуре, когда механические свойства материала шара могут ухудшаться, изолирующее устройство может поддерживать герметичность благодаря опоре соответствующего профиля посадочной поверхности шарового седла. Таким образом, при высокой температуре и высоком перепаде давления на уплотнении шарового седла пробка разрыва, снабженная изолирующим устройством, в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами, может обеспечивать эффективную герметизацию зон над пробкой разрыва и под ней.
[00118] В обычных шаровых седлах, показанных на фиг. 1B, радиальный зазор между наружным диаметром шара 38 и внутренним диаметром шарового седла 36 является большим. Если шар в обычном изолирующем устройстве нагружается до достаточно высоких нагрузок, шар не может деформироваться в достаточной степени для контакта с посадочной поверхностью 40. Поэтому шаровое седло 36 не может обеспечить соответствующую опорную поверхность для шара 38. Без соответствующей опорной поверхности материал шара подвергается высоким сжимающим нагрузкам, которые могут превышать предельные характеристики материала шара. В результате этого шар будет разрушаться, а герметичность теряться. Кроме того, при высоких температурах механические свойства материала шара 38 могут ухудшаться. Поскольку обычным шаровым седлам присущ недостаток опорных поверхностей, шар 38, вероятно, будет разрушаться, например, выдавливаться через шаровое седло 36 или трескаться, таким образом теряя герметичность.
[00119] Преимущественно, раскрываемые здесь варианты могут обеспечить способность пробки разрыва выдерживать высокое давление и высокую температуру окружающей среды. Пробка разрыва, снабженная изолирующим устройством, в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами, может выдерживать температуры 350°F или выше, и давление 10000 фунт/кв. дюйм или выше. В некоторых вариантах, пробка разрыва, снабженная изолирующим устройством, в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами, может выдерживать температуры 400°F и давление 15000 фунт/кв. дюйм. Кроме того, изолирующее устройство для пробки разрыва, по раскрываемым здесь вариантам, обеспечивает геометрию седла, которая соответствует профилю шара, с малым радиальным зазором между шаром и шаровым седлом, таким образом ограничивая общее отклонение или деформацию шара при высоком давлении, вызванном нагрузками. Таким образом, изолирующие устройства в соответствии с раскрываемыми здесь вариантами могут обеспечить герметичное уплотнение для повышенного давления с соответствующей опорной поверхностью нагрузки.
[00120] Хотя изобретение описано со ссылкой на ограниченное количество вариантов, специалисту понятно, что могут быть разработаны другие варианты в объеме изобретения, определяемого только прилагаемой формулой.