УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НАДУВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СКВАЖИНЫ ИЛИ ТРУБЫ
CONTROL DEVICE OF PNEUMATIC TOOL FOR PROCESSING OF WELL OR PIPE

Изобретение относится к инструменту, представляющему собой надувную камеру, предназначенную для обработки скважины или трубы, например, обсадной.
В частности, изобретение относится к устройству управления накачиванием и cпусканием указанной камеры.
Изобретение может быть использовано в области водоснабжения или нефтедобычи, где инструмент такого типа обычно называют пакером.
Такой инструмент содержит установленную на оправке гибкую и эластичную кольцевую оболочку, выполненную с возможностью расширения в радиальном направлении под действием внутреннего давления, создаваемого текучей средой, как правило, жидкостью, которую вводят внутрь оболочки и доводят до высокого давления.
В частности, его можно использовать в качестве надувного пакера для временной изоляции друг от друга двух участков скважины или трубы. В этом случае после введения инструмента в осевом направлении и его позиционирования в зоне, разделяющей указанные участки, его накачивают таким образом, чтобы его оболочка тесно прижалась к внутренней стенке скважины или трубы и перекрыла эту скважину или трубу.
Его можно также использовать в качестве инструмента гидравлического формования, предназначенного для крепления участка стенки скважины или трубы. В этом случае камеру вводят в осевом направлении внутрь радиально расширяемой трубы, например, из стали, наружный диаметр которой немного меньше внутреннего диаметра обрабатываемого участка. При накачивании инструмента его стенка расширяется в радиальном направлении и приводит к радиальному расширению охватывающей его трубы, вызывая пластическую деформацию ее стенки (с превышением ее предела упругости) и заставляя ее прижиматься к внутренней стенке скважины или трубы. После выпуска текучей среды из камеры инструмент можно извлечь, при этом труба остается прижатой к стенке скважины или трубы и образует внутреннюю крепь.
Эта технология позволяет, в частности, производить ремонт поврежденных участков обсадной трубы.
Известно также крепление «шаг за шагом» большого участка по длине скважины или трубы и даже по всей длине при помощи крепи, которую расширяют последовательными участками.
Известные технические решения можно проиллюстрировать документом «Slim-line Re-lining» австралийской компании IPI (Inflatable Packers International Pty Ltd) опубликованным 30.06.2000, а также патентным документом ЕР 1657365 А.
Согласно этим решениям в укрепляемую скважину или трубу вводят трубу большой длины, состоящую из предварительно скрепленных встык участков трубы, после чего производят радиальное расширение трубы по всей ее длине таким образом, чтобы ее стенка прижалась к стенке скважины или трубы. Это расширение осуществляют путем последовательного позиционирования надувной камеры вдоль трубы, обжатия путем накачивания камеры в каждом положении, последующего выпуска из камеры текучей среды, и перемещения камеры в положение, смежное с предыдущим, и так далее вдоль всей трубы.
Независимо от варианта использования надувной камеры либо в качестве надувного пакера, либо в качестве инструмента крепления путем гидравлического формования, часто возникает необходимость в создании внутри камеры очень высокого давления.
Это относится, в частности, к случаю, когда скважина или труба содержит жидкость, а обработку необходимо произвести на большой глубине под поверхностью этой жидкости. В этом случае гидростатическое давление снаружи оболочки является высоким, так как оно пропорционально высоте находящегося над ней столба жидкости. Чтобы накачать камеру и при необходимости расширить также крепежную трубу, следует, естественно, создать внутри камеры давление, превышающее это гидростатическое давление, противодействующее ее радиальному расширению.
Для управления накачиванием надувной камеры, предварительно опущенной на определенную глубину внутрь скважины, в частности нефтедобывающей, используют первую технологию, заключающуюся в создании давления в камере при помощи погружной системы, находящейся внутри самой скважины.
Как правило, эта технология является эффективной, но может создать проблемы безопасности, из-за наличия в скважине легковоспламеняющихся газов.
Согласно другой технологии текучую среду под давлением получают на поверхности и закачивают в камеру при помощи соответствующих средств подачи.
При этом, насколько известно заявителю, существуют три возможные схемы, показанные на фиг.1А, 1В и 1C. На этих фигурах представлены известные технические решения.
1
Позицией Р обозначена вертикальная стенка скважины, позицией S - поверхность земли, в которой пробурили скважину, позицией L - жидкость, присутствующая в нижней части скважины, а позицией H - высота воздуха над уровнем жидкости.
Позицией 1 обозначен инструмент в виде надувной камеры, содержащий радиально расширяемую гибкую и эластичную кольцевую оболочку, закрепленную на верхнем 11 и нижнем 12 концевых наконечниках.
2
Этот инструмент опускают в ненакачанном состоянии внутрь скважины в предназначенную для обработки зону, которая находится в жидкости L на глубине Н.
2
1
Таким образом, инструмент погружен в жидкость, давление которой пропорционально высоте столба жидкости Н-H.
В техническом решении, показанном на фиг.1А, подачу в инструмент 1 рабочей текучей среды, в данном случае жидкости (например, воды), осуществляют от поверхности S при помощи единственного канала 2А.
В техническом решении, показанном на фиг.1В, эту подачу осуществляют при помощи пары раздельных каналов 2В и 2'B, в которых циркулирует текучая среда. Один из этих каналов предназначен только для управления выпуском текучей среды.
В конфигурации, показанной на фиг.1C, подачу текучей среды в инструмент 1 тоже осуществляют при помощи пары каналов 2С и 2'С, которые в данном случае сообщаются друг с другом. Один из каналов (2С) сообщается с инструментом через пневмоуправляемый гидрораспределитель V, управляемый текучей средой (газообразной), подаваемой через другой канал (2'С).
1
Недостатком первого решения (фиг.1А) является то, что инструмент невозможно спустить, если воздушный столб (соответствующий высоте H) является слишком большим. Действительно, столб жидкости в трубопроводе 2А приводит к тому, что в инструменте создается чересчур высокое давление относительно наружного давления, что делает невозможным выпуск рабочей текучей среды.
Второе решение (фиг.1В) устраняет эту трудность за счет циркуляции текучей среды по принципу сообщающихся сосудов. Однако для глубоких скважин время для прокачки является чересчур большим.
Третье решение (фиг.1C) в принципе является удовлетворительным, так как позволяет работать на большой глубине и относительно быстро.
Вместе с тем, это решение, как и второе, имеет недостаток, состоящий в использовании двойного соединения с землей, так как требует наличия двух разных каналов питания. Это делает технологию сложной и дорогой на очень больших глубинах и/или при извилистых профилях подземных пластов.
Разумеется, независимо от применяемой системы следует принимать во внимание не только высоту столба текучей среды в скважине относительно надувной камеры, но также и ее плотность, чтобы разности давления позволяли производить накачивание и опускание надувной камеры.
Задача изобретения состоит в создании устройства управления накачиванием и cпусканием инструмента, которое можно использовать при помощи только одного единственного канала сообщения с поверхностью и которое при этом имеет простую и надежную конструкцию и может эффективно работать даже на больших глубинах, независимо от разности давлений между внутренним и наружным пространством оболочки.
Такое устройство соединяют с одиночным каналом подачи текучей среды под давлением и устанавливают между выходом этого канала и наконечником, неподвижно соединенным с инструментом, через который входит и выходит текучая среда, обеспечивая его накачивание и опорожнение.
Оно содержит герметичный корпус, внутри которого расположен поршень, на который действует пружина, при этом герметичный корпус с одной стороны сообщается через патрубок или простое дренажное отверстие с наружным пространством, а с другой стороны через по меньшей мере один трубопровод - с указанным наконечником, при этом поршень и герметичный корпус выполнены так, что:
- поршень под действием пружины обычно занимает первое положение, в котором он перекрывает выход канала подачи, а патрубок или дренажное отверстие сообщаются с трубопроводом через камеры герметичного корпуса;
- когда давление текучей среды в канале подачи в его выходной зоне превышает определенное пороговое значение, поршень перемещается с преодолением усилия пружины во второе положение, в котором указанный патрубок или дренажное отверстие изолирован или изолировано, а канал подачи сообщен с трубопроводом через камеру герметичного корпуса.
Клапанная система, которой присущи эти признаки, описана в документе US 2003/183398.
Согласно изобретению указанный трубопровод оборудован по меньшей мере одним первым обратным клапаном с предварительно нагруженной пружиной, который обеспечивает прохождение текучей среды под давлением из герметичного корпуса в инструмент, только когда давление на входе из клапана превышает определенное пороговое значение, и который препятствует прохождению текучей среды в обратном направлении.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения трубопровод содержит по меньшей мере две параллельно установленные ветви, одна из которых оборудована указанным первым обратным клапаном, а другая оборудована вторым обратным клапаном, обеспечивающим прохождение текучей среды из инструмента в герметичный корпус, только когда давление со стороны инструмента превышает или равно давлению со стороны герметичного корпуса, и который препятствует прохождению текучей среды в обратном направлении.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.2 схематично показан возможный вариант выполнения устройства согласно изобретению в нерабочем состоянии перед или после операции накачивания инструмента;
на фиг.3 и 4 представлены схемы, аналогичные фиг.2, в начале и во время операции накачивания соответственно.
Для облегчения понимания на чертежах масштаб изображения устройства намеренно увеличен по отношению к масштабу изображения соединенного с ним инструмента 1.
Устройство, обозначенное позицией 3, установлено на нижнем конце вертикального канала 2 подачи рабочей текучей среды между этим концом и верхним наконечником 11 инструмента 1. Наконечник 11 является трубчатым и обеспечивает прохождение жидкости внутрь оболочки 10. Другой наконечник 12 является сплошной деталью, выполняющей роль пробки. Предпочтительно оба наконечника 11 и 12 могут поступательно перемещаться в осевом направлении таким образом, чтобы они могли приближаться или удаляться друг от друга, когда камеру накачивают или спускают соответственно.
Устройство 3 содержит трубчатый герметичный корпус 4, герметично установленный на конце канала 2 соосно этому каналу. В нижней части герметичный корпус 4 закрыт плоским дном 400.
В осевом направлении снизу вверх цилиндрическая боковая стенка корпуса имеет разные диаметры, которые ограничивают три сообщающиеся камеры, а именно:
- нижнюю камеру 40 большого диаметра, закрытую дном 400;
- центральную камеру 41 малого диаметра, равного диаметру канала 2;
- верхнюю камеру 42 среднего диаметра, открытую в канал 2.
Внутри герметичного корпуса 4 установлен с возможностью вертикального поступательного перемещения в осевом направлении поршень 5, головка 50 которого расположена в нижней камере 40, а шток 51 - в центральной камере 41. Верхний конец штока содержит цилиндрический участок 52 большего диаметра. Этот участок оборудован парой уплотнительных колец 53 и 54, смещенных относительно друг друга в осевом направлении.
Диаметр этих уплотнительных колец является таким, что они могут плотно перемещаться со скольжением по цилиндрической внутренней стенке канала 2 или камеры 41.
В нижней камере 40 между дном 400 и головкой 50 поршня установлена калиброванная спиральная пружина 55 сжатия, толкающая поршень вверх в положение, показанное на фиг.2.
Головка 50 поршня упирается в горизонтальную кольцевую зону 401, образующую переход между нижней 40 и центральной 41 камерами.
В этом положении верхнее уплотнительное кольцо 53, охватывающее участок 52, прижимается к внутренней стенке канала 2, а нижнее уплотнительное кольцо 54 оказывается в верхней камере 42.
Центральная камера 41 сообщается с наружным пространством через горизонтальный патрубок 6 небольшой длины, расположенный радиально по отношению к центральной вертикальной оси герметичного корпуса 4. Это сообщение может также обеспечиваться через одно или несколько отверстий, просверленных в стенке камеры 41.
Верхняя камера 42 сообщается с трубчатым наконечником 11 инструмента 1 через каналы, включающие первую основную трубку 30, две параллельные вспомогательные трубки 31, 32 и вторую основную трубку 33.
Трубка 31 проходит через обратный клапан 8, оборудованный шариком 80, выполненным с возможностью перекрывания выходного отверстия 800. Участки трубки 31, находящиеся на входе и на выходе этого клапана, если смотреть по направлению прохождения текучей среды из камеры 42 в надувную камеру 1, обозначены позициями 31a и 31b соответственно.
Аналогично, трубка 32 проходит через обратный клапан 9, оборудованный шариком 90, выполненным с возможностью перекрывания входного отверстия 900. Участки трубки 32, находящиеся на входе и на выходе этого клапана, обозначены позициями 32а и 32b соответственно.
Шарик 80 прижимается вниз к седлу клапана 8, перекрывая его проходное отверстие 800, когда давление текучей среды во входном участке 31а превышает давление текучей среды в выходном участке 31b; и, наоборот, он приподнимается и освобождает отверстие 800, если давление текучей среды во входном участке 31а становится меньшим или равным давлению текучей среды в выходном участке 31b. При этом текучая среда может проходить через это отверстие (снизу вверх на фигурах).
На шарик 90 действует предварительно нагруженная пружина, прижимая его в нормальном состоянии к седлу клапана 9 и перекрывая проходное отверстие 900. Когда давление текучей среды во входном участке 32а по существу превышает давление текучей среды в выходном участке 32b и становится больше определенного порогового значения, достаточного для преодоления усилия пружины 91, шарик 90 отходит от своего седла, и текучая среда может проходить через отверстие 900 от входа к выходу (на фигурах сверху вниз) в патрубок 32; и, наоборот, как только давление текучей среды во входном участке 32 становится меньше этого порогового значения, отверстие 900 клапана 9 перекрывается, и прохождение текучей среды в патрубок 32 становится невозможным как в одном, так и в другом направлениях.
Устройство работает следующим образом.
Надувной инструмент 1, а также соединенное с ним устройство 3 опускают в скважину на требуемую глубину.
Давление текучей среды в канале 2, соединяющем устройство с поверхностью скважины, является достаточно низким, чтобы не толкать поршень 5, который под действием пружины 55 занимает свое верхнее положение, показанное на фиг.2. В этом положении патрубок 6, сообщающийся с внутренним пространством скважины, сообщается также с трубкой 30 через камеры 41 и 42 герметичного корпуса 4.
Жидкость, находящаяся в скважине, действует на оболочку 10 надувной камеры с давлением, равным внутреннему давлению в камере, создаваемому через трубки 31 и 33, при этом клапан 8 открыт.
После позиционирования надувной камеры 1 напротив рабочей зоны, в которой необходимо произвести обработку скважины, можно начинать ее расширение.
Для этого сначала повышают давление (действуя с поверхности) текучей среды в канале 2 таким образом, чтобы оно превышало давление внутри скважины и было достаточным для перемещения до упора (до конца хода) поршня 5 вниз, сжимающего пружину 55. При этом уплотнительное кольцо 54 оказывается в камере 41, перекрывая сообщение между камерами 42 и 41 и соответственно между патрубком 6 и трубкой 30.
Уплотнительное кольцо 53 оказывается в камере 42, обеспечивая сообщение между каналом 2 и трубкой 30.
Давление текучей среды в трубке 30 и во входных участках 31а и 32а ветвей 31 и 32 соответственно превышает гидростатическое давление в скважине, которое действует на оболочку 10, а также превышает внутреннее давление в инструменте, равное гидростатическому давлению.
Таким образом, клапан 8 закрыт.
Это же относится и к клапану 9, так как давление, действующее на этой стадии в канале 2 и в трубках 30 и 32а, недостаточно для сжатия пружины 91.
В этом промежуточном положении, показанном на фиг.3, поршень 5 находится в положении равновесия. Это положение является устойчивым без паразитных колебательных явлений, так как пружина 55 контролирует и регулирует давление внутри системы на входе в клапаны 8 и 9.
В этом положении можно начинать накачивать надувную камеру.
Для этого давление текучей среды, подаваемой в канал 2, можно повысить еще больше до значения, достаточного, чтобы переместить шарик 90 с преодолением сопротивления пружины 91 и открыть клапан 9. Текучая среда может пройти в трубку 32 и попасть через трубку 33 и наконечник 11 внутрь надувной камеры 1.
Разность давления между внутренним и наружным пространствами оболочки, которая показана и обозначена позицией 10' в накачанном состоянии на фиг.4, выбирают достаточной, чтобы вызвать радиальное расширение этой оболочки и произвести требуемую работу, например крепление скважины.
Следует отметить, что во время этой фазы высокое давление, создаваемое в надувной камере, достигается также в выходном участке 31b ветви трубки 31. Это никоим образом не влияет на работу устройства, так как давление является таким же на участке 31a на входе в клапан 8.
После завершения работы давление в надувной камере 1 сбрасывают.
Для этого достаточно уменьшить давление в канале 2, чтобы оно вернулось к своему первоначальному значению, соответствующему положению, показанному на фиг.2.
Это давление, которое равно, например, давлению водяного столба в канале 2, является недостаточным для удержания пружины 55 в сжатом состоянии, поэтому поршень 5 возвращается в свое первоначальное положение.
Таким образом, трубка 30 опять сообщается с дренажным патрубком 6, выравнивая давление в ней с давлением в скважине. Это позволяет текучей среде под высоким давлением, присутствующей в инструменте, быстро выйти в скважину через трубки 33, 31 и 30, камеры 42 и 41 и, наконец, через патрубок 6.
В это же время пружина 91 возвращает шарик 90 в его положение перекрывания клапана 9.
Эта прокачка небольшого объема текучей среды может происходить очень быстро.
Текучая среда, присутствующая в канале 2, сохраняется, и устройство сразу же оказывается готовым к новой аналогичной операции.
2
1
Естественно, значения усилий пружин 55 и 91 выбирают в зависимости от условий работы, в частности от значений применяемого давления и от глубины обрабатываемой зоны, которые, в свою очередь, могут зависеть от вышеупомянутых значений высоты H и H.
Предпочтительно устройство можно оборудовать средствами регулирования силы, создаваемой этими пружинами, чтобы его можно было легко и быстро приспособить к этим условиям.