СИСТЕМА С ФИКСИРУЮЩИМ КОЛЬЦОМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОПЕРАЦИЯХ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА
SYSTEM WITH A FIXATING RING FOR USE IN HYDRAULIC FORMATION FRACTURING OPERATIONS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к скважинному инструменту и, в частности, к скважинному инструменту, имеющему систему с фиксирующим кольцом и/или защитную муфту, для применения в операциях гидроразрыва пласта.
Уровень техники настоящего изобретения
Скважинные инструменты получили широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности. Многие скважинные инструменты содержат активируемые давлением клапаны. Например, известный из уровня техники активируемый шаром золотниковый клапан содержит трубчатый корпус клапана, имеющий канал, и скользящую муфту, размещенную в канале. Скользящая муфта содержит шаровое седло на своем расположенном выше по стволу скважины конце, и вначале находится в верхнем по стволу скважины закрытом положении, в котором она блокирует одно или более отверстий для текучей среды на боковой стенке корпуса клапана. Для активации золотникового клапана шар сбрасывают, и он садится в шаровое седло скользящей муфты. Затем, на шар воздействует давление жидкости для перемещения скользящей муфты вниз по стволу скважины в открытое положение, чтобы открыть отверстия для текучей среды на корпусе клапана.
Один или более активируемых шаром золотниковых клапанов могут использоваться в процессе гидроразрыва пласта для гидроразрыва подземного пласта. Однако проблема в каскадном размещении множества активируемых шаром золотниковых клапанов для гидроразрыва пласта заключается в том, что канал расположенного ниже по стволу скважины золотникового клапана должен быть меньше, чем канал золотниковых клапанов, расположенных выше него по стволу скважины, чтобы позволить шару меньшего размера пройти через эти расположенные выше по стволу скважины золотниковые клапаны для достижения целевого расположенного ниже по стволу скважины золотникового клапана. Другими словами, каналы расположенных каскадом золотниковых клапанов должны уменьшаться сверху вниз по стволу скважины для обеспечения успешной работы, что, тем самым, приводит к снижению расхода на расположенном ниже по стволу скважины конце.
В патенте США №4043392, выданном на имя Gazda, описана скважинная система для избирательной фиксации скважинных приборов вдоль устройства для направления потока в стволе скважины и буровой снаряд для использования в устройстве направления потока, содержащий установочную оправку, устройство смещения муфты и скважинный отсекатель. Избирательная фиксирующая система характеризуется наличием опорного и фиксирующего профиля с углублениями, содержащего обращенные вверх и вниз упорные заплечики. Одним из видов фиксирующей системы является клапан со скользящей муфтой, который содержит кулачковый высвобождающий заплечик, предназначенный для высвобождения селектора и фиксирующей шпонки, когда клапан с муфтой перемещается между разнесенными продольными участками. Другой вид фиксирующей системы может быть расположен вдоль опорного ниппеля и требует, чтобы скважинный прибор, зафиксированный в нем, не мог высвободить селектор и фиксирующие инструменты. Устройство смещения муфты характеризуется наличием средств для открывания и закрывания клапана со скользящей муфтой, содержащего шпонки, характеризующиеся наличием обращенных вверх и вниз упорных заплечиков и профилей с углублениями, которые совместимы с опорным и фиксирующим профилем с углублениями клапана с муфтой или опорного ниппеля. Устройство смещения муфты также может использоваться как установочная оправка. Избирательность обеспечивается изменением посадочных и фиксирующих профилей и профилей шпонки.
Описанные в документе US 4043392 подпружиненные профили шпонки несовместимы. Профиль шпонки входит в зацепление со скользящей муфтой только с сопрягаемым внутренним профилем.
В патенте США №4436152, выданном на имя Fisher, et al., раскрывается усовершенствованный переключающий инструмент, который может быть присоединен к колонне со скважинным прибором и использоваться для зацепления и размещения скользящей муфты в устройстве со скользящей муфтой в устройстве для направления потока в скважине. Шпонки переключающего инструмента с избирательным профилем лучше подходят к скользящим муфтам, а также обеспечивается большая площадь контакта между шпонками и скользящими муфтами. Когда находящаяся в зацеплении скользящая муфта не может перемещаться вверх и переключающий инструмент автоматически не выводится из зацепления, могут использоваться средства аварийного выведения из зацепления путем приложения направленной вверх силы к переключающему инструменту, достаточной, чтобы срезать штифты и утопить все шпонки внутрь на обоих концах для полного расцепления в целях извлечения переключающего инструмента из устройства со скользящей муфтой.
В патенте США №5305833, выданном на имя Collins, раскрывается переключающий инструмент для клапанов со скользящей муфтой, предназначенных для использования в нефтяных и газовых скважинах, который содержит установочные клинья, которые используются для избирательной установки и зацепления с заплечиком внутри клапана. Основные шпонки входят в зацепление и избирательно сдвигают скользящую муфту в выровненное положение, а также предотвращают преждевременный сдвиг в полностью открытое положение. Также предусмотрено устройство для избирательного игнорирования предотвращения сдвига после выравнивания. Вспомогательные шпонки направляют основные шпонки в направлении сдвига и входят в зацепление с муфтой и перемещают ее в полностью открытое положение фиксации. Также предусмотрено избирательно расцепление переключающего инструмента от клапана с муфтой для извлечения переключающего инструмента из скважины. Кроме того, раскрывается способ избирательного и последовательного сдвига скользящей муфты для клапана со скользящей муфтой из закрытого положения в положение выравнивания, а затем из положения выравнивания в полностью открытое положение.
В частности, в документе US 5305833 раскрывается две отдельных подпружиненных шпонки, причем первая из двух шпонок может входить в профиль второй из двух шпонок. Однако вторая шпонка не может входить в профиль первой шпонки.
В патенте США №5309988, выданном на имя Shy, et al., раскрывается подземная система управления потоком в скважине, содержащая ряд подвижных устройств управления потоком типа муфты, установленных в устройстве для направления потока в скважине в различных зонах разрыва, содержащих жидкость, и переключающее устройство, выполненное с возможностью перемещения через устройство для направления потока и избирательного сдвига любого выбранного количества муфтовых частей устройств управления потоком в любом направлении между их открытым и закрытым положениями, без извлечения инструмента из устройства для направления потока. Наборы радиально втягиваемых крепежных и воспринимающих сдвиг шпонок размещаются в отверстиях боковой стенки корпуса инструмента, и они соответственно выполнены для фиксирующего зацепления с наборами канавок на поверхности внутренней стороны на корпусе и подвижными муфтовыми частями любого из устройств управления потоком. Наборы шпонок подпружинены радиально наружу в направлении выдвинутых положений, и электромеханическая приводная система, расположенная в корпусе инструмента, предназначена для радиального втягивания наборов шпонок, а также осевого перемещения набора воспринимающих сдвиг шпонок в направлении набора крепежных шпонок или от него. Это обеспечивает возможность перемещения инструмента в любое из устройств управления потоком или через них в любом осевом направлении, закрепления на устройстве, сдвига его муфтовой части полностью или частично в любом направлении, а затем выведения из зацепления с устройством управления потоком и перемещения к любому другому из устройств управления потоком для сдвига его муфтовой части. Зацепленные друг с другом витки треугольной резьбы на корпусе и муфтовых частях каждого устройства управления потоком способствуют созданию разъемного соединения муфтовой части в частично сдвинутом положении.
В документе US 5309988 также раскрываются два несовместимых профиля шпонки.
В патенте США №5730224, выданном на имя Williamson, et al., раскрывается подземная конструкция для управления доступом инструмента к боковому отводу ствола скважины, проходящему от ствола скважины. Подземная конструкция содержит втулку, которая расположена в стволе скважины и рядом с отверстием, ведущим в боковой отвод ствола скважины, и которая содержит окно доступа, проходящее через нее, для обеспечения доступа инструмента к боковому отводу через отверстие. Втулка дополнительно содержит скользящее устройство управления доступом, соединенное по оси с ней. Также предусмотрено средство сдвига, которое может входить в зацепление со скользящим устройством управления доступом для обеспечения сдвига скользящего устройства управления доступом между открытым положением, в котором инструмент может проходить через окно и отверстие в боковой отвод ствола скважины, и закрытым положением, в котором инструмент не может проходить через окно и отверстие в боковой отвод ствола скважины. В этом патенте также раскрывается способ управления доступом инструмента к боковому отводу ствола скважины, проходящему от ствола скважины. Предпочтительный способ предусматривает стадии: 1) размещения втулки в стволе скважины рядом с отверстием, ведущим в боковой отвод ствола скважины, причем втулка характеризуется наличием окна доступа, проходящим через нее, для обеспечения доступа инструмента к боковому отводу ствола скважины через отверстие, втулка дополнительно характеризуется наличием скользящего устройства управления доступом, соединенного по оси с ней; 2) введения в зацепление скользящего устройства управления доступом со средством сдвига для сдвига скользящего устройства управления доступом относительно втулки; и 3) сдвига скользящего устройства управления доступом между открытым положением, в котором инструмент может проходить через окно и отверстие в боковой отвод ствола скважины, и закрытым положением, в котором инструмент не может проходить через окно и отверстие, ведущее в боковой отвод ствола скважины.
В документе US 5730224 раскрываются два профиля шпонки, причем одна из них характеризуется формой, противоположной другой.
В патентах США №7325617 и 7552779, выданных на имя Murray, раскрывается система, обеспечивающая последовательную обработку секций зоны. Доступ к каждой части может осуществляться с помощью скользящей муфты, которая характеризуется специальным внутренним профилем. Могут использоваться закачиваемые цементировочные пробки, которые характеризуются специальным профилем, который обеспечивает фиксацию пробки к специальной муфте. Давление, воздействующее на зафиксированную пробку, обеспечивает последовательное открывание муфт, при этом происходит изоляция уже задействованных зон, расположенных ниже. Закачиваемые цементировочные пробки характеризуются наличием прохода, который вначале закрыт материалом, который, в конечном итоге, пропадает в ожидаемых скважинных условиях. В результате, когда все части зоны обработаны, повторно устанавливается путь потока через различные зафиксированные пробки. Пробки также могут быть выдавлены из скользящей муфты после использования и могут содержать шпонку, которая затем предотвращает поворот пробки по своей оси в случае необходимости последующего разбуривания.
В патенте США №9611727, выданном на имя Campbell, et al., раскрывается устройство и способ гидроразрыва углеводородсодержащего пласта в скважине. Устройство содержит клапанный подузел, собранный с секциями обсадной трубы для создания обсадной колонны скважины. Клапанный подузел содержит скользящий поршень, который закреплен на месте для герметизации отверстий, обеспечивающих сообщение между внутренней частью обсадной колонны скважины и продуктивной зоной пласта. Дротик, содержащий манжетное уплотнение, может быть введен в обсадную колонну скважины и задвинут под действием находящейся под давлением жидкости для гидроразрыва пласта, пока дротик не достигнет клапанного подузла, чтобы изолировать обсадную колонну скважины под клапанным подузлом. Сила жидкости для гидроразрыва пласта, действующая на дротик и его манжетное уплотнение, заставляет поршень перемещаться вниз, срезая штифты и открывая отверстия. Жидкость для гидроразрыва пласта затем может выходить из отверстий для гидроразрыва продуктивной зоны пласта.
В патенте США №9739117, выданном на имя Campbell, et al., раскрываются способ и устройство для избирательного приведения в действие скважинного инструмента в трубе. Инструмент с приводом характеризуется наличием оправки привода, содержащей канал привода, проходящий через нее, а также перепускного клапана и профильной шпонки для избирательного зацепления со скважинным инструментом. Скважинный инструмент содержит один или более профильных приемных элементов, выполненных с возможностью приведения в действие скважинного инструмента. Инструмент с приводом перемещают в трубу и вводят в зацепление со скважинным инструментом, если профильная шпонка и профильный приемный элемент совпадают, и инструмент с приводом и скважинный инструмент не вводят в зацепление, если профильная шпонка и профильный приемный элемент не совпадают. Циркуляция жидкости может осуществляться через канал привода для промывки или очистки пространства впереди инструмента с приводом.
В публикации патента США №2003/0173089, выданном на имя Westgard, раскрывается полнопроходная система избирательного позиционирования и ориентирования, содержащая ниппель, который может быть установлен в колонне труб и характеризуется наличием внутренних позиционирующих и ориентирующих элементов известной конфигурации, и позиционирующее устройство, выполненное с возможностью спуска внутри колонны труб и характеризующееся наличием позиционирующих и ориентирующих элементов, которые могут входить в зацепление с указанными внутренними элементами указанного ниппеля. Способ позиционирования и ориентирования скважинного инструмента предусматривает установку трубчатого ниппеля, характеризующегося конкретной конфигурацией внутренних размеров, в колонне труб, спуск позиционирующего устройства, характеризующегося комплементарной конфигурацией наружных размеров для введения в зацепления с указанной конфигурацией внутренних размеров, и поворот указанного позиционирующего устройства в положение, в котором смещенный элемент выступает из указанного позиционирующего устройства в углубление в указанном трубчатом элементе.
В публикации патента США №2015/0226034, выданном на имя Jani, раскрывается устройство и связанные способы избирательного приведения в действие скользящих муфт в переводниках, которые расположены ниже по стволу скважины, для открывания отверстий в таких переводниках в целях осуществления гидроразрыва пласта ствола скважины или детонации зарядов взрывчатого вещества для перфорации ствола скважины, или осуществления обеих операций. Используются упрощенные дротик и муфта, что уменьшает количество операций машинной обработки, осуществляемых с каждым из них. Дротик предпочтительно оснащен соединительными средствами для обеспечения возможности соединения с ним инструмента для извлечения, который, при подсоединении инструмента для извлечения, позволяет задействовать перепускной клапан, способствующий извлечению дротика из переводников клапана. Перемещение вверх инструмента для извлечения позволяет клиновидному элементу вывести элемент дротика из зацепления с соответствующей муфтой в целях извлечения дротика.
В публикации патента США №2014/0209306, выданном на имя Hughes, et al., раскрывается инструмент для обработки ствола скважины, устанавливаемый на ограничивающую стенку, в котором может быть расположен инструмент для обработки ствола скважины. Инструмент для обработки ствола скважины содержит корпус инструмента, содержащий первый конец, предназначенный для соединения с колонной труб, и противоположный конец; непроходной шпоночный узел, содержащий трубчатый кожух и непроходную шпонку, причем трубчатый кожух образует внутренний канал, проходящий вдоль длины трубчатого кожуха, и наружную лицевую поверхность, на которой расположена непроходная шпонка, причем непроходная шпонка выполнена с возможностью фиксации непроходной шпонки и трубчатого кожуха в фиксированном положении относительно ограничивающей стенки, трубчатый кожух охватывает корпус инструмента так, что корпус инструмента установлен во внутреннем канале трубчатого корпуса; и уплотнительный элемент, окружающий корпус инструмента и расположенный между первым компрессионным кольцом на корпусе инструмента и вторым компрессионным кольцом на трубчатом кожухе, уплотнительный элемент может расширяться с образованием кольцевого уплотнения вокруг корпуса инструмента за счет сжатия между первым компрессионным кольцом и вторым компрессионным кольцом.
В публикации патента США №2015/0218916, выданном на имя Richards, et al., раскрываются циркуляционные гильзы, которые могут быть открыты и закрыты, а также постоянно закрыты. Система заканчивания содержит колонну заканчивания, характеризующуюся наличием циркуляционной гильзы, расположенной в ней с возможностью перемещения, причем циркуляционная гильза характеризуется фиксирующим профилем, образованным на ее наружной радиальной поверхности, и профилем сдвига, образованным на ее внутренней радиальной поверхности, инструмент для обслуживания, выполненный с возможностью размещения по меньшей мере частично внутри колонны заканчивания и содержащий переключающий инструмент, характеризующийся наличием одной или более воспринимающих сдвиг шпонок, выполненных с возможностью сопряжения с профилем сдвига. Когда воспринимающие сдвиг шпонки размещаются и сопрягаются с профилем сдвига, осевая нагрузка, приложенная к инструменту для обслуживания, приводит к осевому перемещению циркуляционной гильзы, причем высвобождающий заплечик в сборе расположен внутри колонны заканчивания и содержит высвобождающий заплечик, который определяет канал, выполненный с возможностью размещения фиксирующего механизма, занимающего канал, пока высвобождающий заплечик не переместится в осевом направлении.
В патенте Канады №2412072, выданном на имя Fehr, et al., раскрывается колонна насосно-компрессорных труб в сборе для обработки жидкостью ствола скважины. Колонна насосно-компрессорных труб может использоваться для ступенчатой обработки жидкостью ствола скважины, причем при обработке выбранного сегмента ствола скважины другие сегменты изолируются. Колонна насосно-компрессорных труб также может использоваться, если колонна насосно-компрессорных труб с отверстиями должна быть спущена с обеспечением герметичности с последующим открыванием отверстий.
Альтернативные и/или усовершенствованные конструкции, которые обеспечивают возможность единообразного и надежного зацепления и приведения в действие подземных клапанов, а также улучшенное уплотнение, всегда представляют чрезвычайный интерес для области гидроразрыва пласта.
Сущность изобретения
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается золотниковый клапан для открывания одного или более отверстий для текучей среды в колонне труб. Скользящая муфта содержит:
- корпус клапана, характеризующийся наличием продольного канала, причем корпус клапана содержит указанное одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части своей боковой стенки; и
- скользящую муфту, размещенную с возможностью скользящего перемещения в продольном канале корпуса клапана и выполненную с возможностью перемещения между расположенным выше по стволу скважины закрытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды закрыты, и расположенным ниже по стволу скважины открытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды открыты;
причем скользящая муфта содержит: продольный канал и профиль муфты на нем для размещения в нем уникального фиксирующего профиля цангового элемента; и стопорное кольцо, на расположенном выше по стволу скважины боковом краю которого расположен упорный заплечик, упирающийся в часть уникального фиксирующего профиля цангового элемента, когда указанный уникальный фиксирующий профиль входит в зацепление с указанным профилем муфты и предотвращает перемещение цангового элемента вниз по стволу скважины относительно скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанному упорному заплечику указанного стопорного кольца придана твердость, которая больше твердости материала скользящей муфты, или он содержит материал, характеризующийся твердостью, которая больше твердости скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанное стопорное кольцо состоит из материала, характеризующегося твердостью, которая больше твердости материала скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанный упорный заплечик указанного стопорного кольца состоит из материала, выбранного из группы материалов, включающей карбид вольфрама, кобальт-хромовые сплавы, азотированные стали или их комбинации.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанный профиль муфты на указанной скользящей муфте расположен выше по стволу скважины относительно стопорного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик образует острый угол относительно продольной оси золотникового клапана, вследствие чего внутренний край указанного упорного заплечика расположен выше по стволу скважины, чем наружный край указанного упорного заплечика.
Согласно некоторым вариантам осуществления скользящая муфта ниже по стволу скважины относительно указанного стопорного кольца дополнительно содержит соединительную часть; и указанная скользящая муфта дополнительно содержит защитную муфту, причем расположенный выше по стволу скважины конец указанной защитной муфты соединен с указанной соединительной частью, указанная защитная муфта проходит вниз по стволу скважины; и при этом стопорное кольцо представляет собой кольцевой элемент; и скользящая муфта дополнительно содержит седло стопорного кольца для размещения стопорного кольца между седлом стопорного кольца и расположенным выше по стволу скважины концом защитной муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления защитная муфта образует кольцевое пространство между частью своей внешней периферии и указанным корпусом клапана, когда скользящая муфта находится в закрытом положении; и защитная муфта изолирует кольцевое пространство от второго канала.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается золотниковый клапан для открывания одного или более отверстий для текучей среды в эксплуатационной колонне. Скользящая муфта содержит:
- корпус клапана, характеризующийся наличием продольного канала, причем корпус клапана содержит одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части своей боковой стенки;
- скользящую муфту, характеризующуюся наличием продольного канала и профилем муфты на нем, причем скользящая муфта размещена с возможностью скользящего перемещения в продольном канале корпуса клапана и выполнена с возможностью перемещения между расположенным выше по стволу скважины закрытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды закрыты, и расположенным ниже по стволу скважины открытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды открыты; и
- цанговый элемент, размещаемый в продольном канале скользящей муфты и характеризующийся уникальным фиксирующим профилем, указанный уникальный фиксирующий профиль выполнен с возможностью сопрягаемого зацепления с указанным профилем муфты;
причем скользящая муфта дополнительно содержит стопорное кольцо, образующее первый упорный заплечик, который предотвращает перемещение цангового элемента вниз по стволу скважины относительно скользящей муфты, когда указанный уникальный фиксирующий профиль указанного цангового элемента входит в сопрягаемое зацепление с указанным профилем муфты указанного муфтового элемента.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанному упорному заплечику указанного стопорного кольца придана твердость, которая больше твердости материала скользящей муфты, или он содержит материал, характеризующийся твердостью, которая больше твердости скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанное стопорное кольцо состоит из материала, характеризующегося твердостью, которая больше твердости материала скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанному упорному заплечику указанного стопорного кольца придана твердость, равная твердости расположенной ниже по стволу скважины части уникального фиксирующего профиля указанного цангового элемента.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик стопорного кольца состоит из материала, характеризующегося твердостью, приблизительно равной твердости расположенной ниже по стволу скважины части уникального фиксирующего профиля указанного цангового элемента.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанный упорный заплечик указанного стопорного кольца состоит из материала, выбранного из группы материалов, включающей карбид вольфрама, кобальт-хромовые сплавы, азотированные стали или их комбинации.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанный профиль муфты на указанной скользящей муфте расположен выше по стволу скважины относительно стопорного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик образует острый угол относительно продольной оси золотникового клапана, вследствие чего внутренний край указанного упорного заплечика расположен выше по стволу скважины, чем наружный край указанного упорного заплечика.
Согласно некоторым вариантам осуществления скользящая муфта ниже по стволу скважины относительно указанного стопорного кольца дополнительно содержит соединительную часть; и указанная скользящая муфта дополнительно содержит защитную муфту, причем расположенный выше по стволу скважины конец указанной защитной муфты соединен с указанной соединительной частью, указанная защитная муфта проходит вниз по стволу скважины. Стопорное кольцо представляет собой кольцевой элемент; и скользящая муфта дополнительно содержит седло стопорного кольца для размещения стопорного кольца между седлом стопорного кольца и расположенным выше по стволу скважины концом защитной муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления защитная муфта образует кольцевое пространство между частью своей внешней периферии и указанным корпусом клапана, когда скользящая муфта находится в закрытом положении; и защитная муфта изолирует кольцевое пространство от второго канала.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанный уникальный фиксирующий профиль цангового элемента содержит упорный заплечик на своем расположенном ниже по стволу скважины конце для зацепления с упорным заплечиком стопорного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик на указанном цанговом элементе образует острый угол относительно продольной оси золотникового клапана, вследствие чего внутренний край указанного упорного заплечика на указанном цанговом элементе расположен выше по стволу скважины, чем наружный край указанного упорного заплечика на указанном цанговом элементе.
Согласно некоторым вариантам осуществления уникальный фиксирующий профиль указанного цангового элемента представляет собой гибкий в радиальном направлении профиль цанги, выполненный с возможностью сопрягаемого зацепления с указанным профилем муфты на указанной скользящей муфте.
Согласно некоторым вариантам осуществления цанговый элемент дополнительно содержит цилиндрическую расположенную выше по стволу скважины часть, цилиндрическую расположенную ниже по стволу скважины часть и множество гибких лепестков между ними, соединенных с расположенной выше по стволу скважины и расположенной ниже по стволу скважины частями, на указанных гибких лепестках расположен указанный уникальный фиксирующий профиль.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается золотниковый клапан для открывания одного или более отверстий для текучей среды в эксплуатационной колонне. Скользящая муфта содержит:
корпус клапана, характеризующийся наличием продольного канала, причем корпус клапана содержит указанное одно или более отверстий для текучей среды на расположенной выше по стволу скважины части своей боковой стенки; и
скользящую муфту, размещенную в продольном канале корпуса клапана и выполненную с возможностью перемещения между расположенным выше по стволу скважины закрытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды закрыты, и расположенным ниже по стволу скважины открытым положением, в котором одно или более отверстий для текучей среды открыты;
причем скользящая муфта содержит:
- корпус муфты, характеризующийся наличием продольного канала; и
- защитную муфту, расположенную ниже по стволу скважины относительно корпуса муфты;
причем по меньшей мере соединительная часть защитной муфты размещена в корпусе муфты для соединения защитной муфты с корпусом муфты;
по меньшей мере когда скользящая муфта находится в закрытом положении, между защитной муфтой и корпусом клапана образуется кольцевое пространство; и
защитная муфта изолирует кольцевое пространство от продольного канала корпуса клапана.
Согласно некоторым вариантам осуществления скользящая муфта дополнительно содержит упорный заплечик для предотвращения перемещения цанги вниз по стволу скважины в продольном канале скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик характеризуется первым острым углом относительно продольной оси золотникового клапана, вследствие чего внутренний край указанного упорного заплечика расположен выше по стволу скважины, чем наружный край указанного упорного заплечика.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик образован стопорным кольцом, размещенным в скользящей муфте.
Согласно некоторым вариантам осуществления корпус муфты содержит седло стопорного кольца для размещения стопорного кольца между седлом стопорного кольца и расположенным выше по стволу скважины концом защитной муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанному упорному заплечику придана твердость, которая больше твердости материала скользящей муфты, или он содержит материал, характеризующийся твердостью, которая больше твердости скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления указанное стопорное кольцо состоит из материала, характеризующегося твердостью, которая больше твердости материала скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере указанному упорному заплечику придана твердость, равная твердости уникального фиксирующего профиля цангового элемента.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик состоит из материала, характеризующегося твердостью, приблизительно равной твердости расположенной ниже по стволу скважины части уникального фиксирующего профиля цангового элемента.
Краткое описание фигур
Дополнительные преимущества и другие варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидны из приведенного выше описания вместе со следующим подробным описанием различных конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, рассматриваемым вместе с прилагаемыми фигурами, каждая из которых не имеет ограничительного характера, на которых:
на фиг. 1 показан вид в сечении скважинного инструмента в форме золотникового клапана, который содержит корпус клапана и скользящую муфту, выполненную с возможностью перемещения в нем, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, причем скользящая муфта находится в закрытом положении, а также показана используемая защитная муфта;
на фиг. 2 показан вид в сечении корпуса клапана скважинного инструмента, показанного на фиг. 1, без защитной муфты;
на фиг. 3 показан вид в сечении скользящей муфты скважинного инструмента, показанного на фиг. 1, на котором изображена дополнительная защитная муфта;
на фиг. 4 показан вид в сечении корпуса скользящей муфты, показанной на фиг. 3;
на фиг. 5 показан вид в сечении защитной муфты скользящей муфты, показанной на фиг. 3;
на фиг. 6 показан вид в сечении стопорного кольца скользящей муфты, показанной на фиг. 3;
на фиг. 7 показан вид в сечении с пространственным разнесением скользящей муфты, показанной на фиг. 3, с изображением процесса сборки скользящей муфты;
на фиг. 8 показан вид в сечении цанги для приведения в действие золотникового клапана, показанного на фиг. 1;
на фиг. 9-12А показаны виды в сечении цанги, показанной на фиг. 8, и соответствующего золотникового клапана, показанного на фиг. 1, с изображением процесса входа цанги в соответствующий золотниковый клапан и зацепления с фиксацией с ним;
на фиг. 12 В показан увеличенный вид в сечении части фиг. 12А, на котором показаны профилированные области цанги и соответствующего золотникового клапана, когда цанга находится в зацеплении с фиксацией в соответствующей скользящей муфте;
на фиг. 13 показан схематический вид в сечении цанги, показанной на фиг. 8, зафиксированной в соответствующем золотниковом клапане, показанном на фиг. 1, и шар, сброшенный в золотниковый клапан для перевода золотникового клапана в открытое положение;
на фиг. 14 показан схематический вид в сечении скользящей муфты золотникового клапана, показанного на фиг. 13, приведенной в движение давлением посредством шара и цанги в открытое положение для открывания отверстий для текучей среды для гидроразрыва пласта;
на фиг. 15А показан схематический вид в сечении скользящей муфты золотникового клапана, приведенной в движение давлением посредством шара и цанги в открытое положение для открывания отверстий для текучей среды для гидроразрыва пласта, согласно альтернативному варианту осуществления, причем лепестки цанги могут быть приведены в движение давлением для расширения радиально наружу при воздействии направленного вверх по стволу скважины давления жидкости, и сжатие цанги приводит к расширению лепестков радиально наружу для дополнительного зацепления со скользящей муфтой в целях улучшения зацепления и сопротивления давлению;
на фиг. 15 В показан увеличенный вид в сечении части фиг. 15А, на котором показана расширенная радиально наружу цанга, находящаяся в зацеплении со скользящей муфтой;
на фиг. 16 показан схематический вид обсадной колонны, характеризующейся наличием множества золотниковых клапанов, показанных на фиг. 1, выступающих в ствол скважины для гидроразрыва подземного пласта, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 17А показан вид в сечении цанги согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления;
на фиг. 17В показан увеличенный вид в сечении части фиг. 17А, на котором показано шаровое седло цанги;
на фиг. 18 показан вид в сечении конкретного примера цанги, показанной на фиг. 17А, размещенной в скользящей муфте, показанной на фиг. 3, и шар, размещенный в цанге, которая выполнена с возможностью расширения радиально наружу в расширяемой металлической части цанги для образования уплотнения металл-металл между цангой и скользящей муфтой при посадке шара в шаровое седло цанги и воздействии направленного вверх по стволу скважины давления жидкости на шар;
на фиг. 19 показан вид в сечении цанги согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления;
на фиг. 20A-20D показаны схематические виды множества профилей муфты и их соответствующих профилей цанги согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления;
на фиг. 21А показан схематический вид профиля муфты и соответствующего профиля цанги для изображения параметров, связанных с конструкцией профилей;
на фиг. 21В показано схематическое изображение, демонстрирующее профиль цанги, стыкуемый с профилем муфты;
на фиг. 21С показано схематическое изображение, демонстрирующее профиль цанги и профиль муфты, показанные на фиг. 21 В, причем профиль цанги размещен в профиле муфты;
на фиг. 22-49 показаны схематические изображения различных конструкций профилированных областей скользящей муфты и цанги;
на фиг. 50 показано схематическое изображение примера колонны труб, характеризующейся наличием множества золотниковых клапанов, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 51 показано схематическое изображение набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 52 показано схематическое изображение набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно еще одним некоторым альтернативным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 53 показано схематическое изображение набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно другим некоторым альтернативным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 54-57 показаны схематические изображения набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 58-61 показаны схематические изображения набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно еще одним некоторым другим вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 62 показано схематическое изображение набора удлиненных профилей муфты и цанги согласно другим некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 63A-63F показаны схематические изображения профиля цанги на цанге и профиля муфты на скользящей муфте согласно некоторым вариантам осуществления, причем лепестки цанги могут быть приведены в движение давлением для расширения радиально наружу при воздействии направленного вверх по стволу скважины давления жидкости, и сжатие цанги приводит к расширению лепестков радиально наружу для дополнительного зацепления со скользящей муфтой в целях улучшения зацепления и сопротивления давлению.
Подробное описание изобретения
В вариантах осуществления согласно настоящему документу раскрывается активируемый давлением золотниковый клапан. В последующем описании термин «ниже по стволу скважины» относится к направлению по стволу скважины к концу ствола скважины, и может совпадать (например, в вертикальном стволе скважины) или может не совпадать (например, в горизонтальном стволе скважины) с направлением вниз. Термин «выше по стволу скважины» относится к направлению по стволу скважины к поверхности, и может совпадать (например, в вертикальном стволе скважины) или может не совпадать (например, в горизонтальном стволе скважины) с направлением вверх.
Согласно некоторым вариантам осуществления золотниковый клапан содержит корпус клапана, характеризующийся наличием продольного канала и одного или более отверстий для текучей среды на его боковой стенке. Скользящая муфта размещена в стволе и выполнена с возможностью перемещения между расположенным выше по стволу скважины закрытым положением, в котором отверстия для текучей среды заблокированы, и расположенным ниже по стволу скважины открытым положением, в котором отверстия для текучей среды открыты.
Скользящая муфта содержит профилированную область на своей внутренней поверхности, состоящую из кольцевых канавок и гребней, образующих профиль муфты. Профилированная область содержит упорный заплечик на своем расположенном ниже по стволу скважины конце для фиксации цангового элемента (также называемого «цанга» для простоты описания), характеризующегося соответствующим профилем цанги на своей наружной поверхности. В настоящем документе термин «соответствующий» обозначает, что профиль цанги соответствует профилю скользящей муфты, вследствие чего профилированная область цанги может быть расположена в профилированной области скользящей муфты для фиксации цанги в скользящей муфте золотникового клапана.
Согласно некоторым вариантам осуществления расположенная выше по стволу скважины поверхность стопорного кольца наклонена радиально внутрь снизу вверх по стволу скважины с образованием упорного заплечика 194, характеризующегося острым углом α относительно продольной оси стопорного кольца.
Согласно некоторым вариантам осуществления упорный заплечик образован стопорным кольцом, расположенным рядом с профилированной областью скользящей муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления стопорное кольцо выполнено из высокопрочного материала, такого как карбид вольфрама, кобальт-хромовые сплавы и/или подобного.
Согласно некоторым вариантам осуществления цанга выполнена в форме гильзы и содержит расположенную выше по стволу скважины часть, расположенную ниже по стволу скважины часть и множество продольных лепестков, установленных своими продольно противоположными концами на расположенных выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины частях. Одна или более, или все из продольных лепестков являются гибкими и профилированными для образования профиля цанги.
Согласно некоторым вариантам осуществления расположенная выше по стволу скважины часть цанги содержит шаровое седло для размещения в нем шара, сбрасываемого из положения выше по стволу скважины, для приведения в действие золотникового клапана.
Согласно некоторым вариантам осуществления цанга содержит металлическую расположенную выше по стволу скважины часть, которая выполнена с возможностью расширения радиально наружу, вследствие чего, когда цанга размещена в соответствующем золотниковом клапане и шар посажен в шаровое седло цанги, давление жидкости, воздействующее на шар, может обеспечить расширение радиально наружу расширяемой расположенной выше по стволу скважины части и прижимание к внутренней поверхности скользящей муфты с образованием уплотнения металл-металл на поверхности контакта между скользящей муфтой и цангой.
Согласно некоторым вариантам осуществления шаровое седло цанги содержит наклонную поверхность.
Согласно некоторым вариантам осуществления угол наклона θ наклонной поверхности шарового седла составляет приблизительно 55° относительно продольной опорной линии. Согласно некоторым вариантам осуществления угол наклона θ составляет приблизительно 35°. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 50° до приблизительно 60°. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 40° до приблизительно 70°. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 30° до приблизительно 80°.
На фиг. 1 показан скважинный инструмент, в целом обозначенный ссылочной позицией 100. Согласно этим вариантам осуществления скважинный инструмент 100 выполнен в виде скважинного золотникового клапана и содержит трубный клапанный узел 102, характеризующийся наличием продольного канала 104 и скользящей муфты 106, размещенной в канале 104. Скользящая муфта 106 зафиксирована одним или более срезными штифтами 108 в расположенном выше по стволу скважины закрытом положении, в котором одно или более отверстий 110 для текучей среды на трубном узле 102 закрыты, и содержит продольный канал для размещения соответствующей цанги, описанной ниже в настоящем документе. Под действием направленного вниз по стволу скважины давления жидкости цанга может перемещать скользящую муфту 106 из закрытого положения в расположенное ниже по стволу скважины открытое положение для открывания одного или более отверстий 110 для текучей среды для осуществления гидроразрыва подземного пласта (описанного ниже).
Как показано на фиг. 2, трубный узел 102 содержит трубчатый корпус 112 клапана, соединенный с возможностью отсоединения с верхним переводником 114 и нижним переводником 116, которые расположены выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины относительно него соответственно, посредством резьбы 118 и фиксирующего винта 120, и оснащенный уплотнительный кольцом 122 для уплотнения соединения. Согласно этим вариантам осуществления расположенный ниже по стволу скважины конец верхнего переводника 114 и расположенный выше по стволу скважины конец нижнего переводника 116 образуют расположенный выше по стволу скважины и расположенный ниже по стволу скважины упоры 124 и 126 для ограничения перемещения скользящей муфты 106 между ними.
Согласно этим вариантам осуществления верхний переводник 114 содержит внутреннюю поверхность 128, сужающуюся от своего расположенного выше по стволу скважины конца к расположенному ниже по стволу скважины концу, вследствие чего внутренний диаметр (ВД) верхнего переводника 114 постепенно уменьшается от расположенного выше по стволу скважины конца к расположенному ниже по стволу скважины концу, чтобы способствовать введению цанги в золотниковый клапан 100 (описано ниже).
Корпус 112 клапана содержит одно или более отверстий 110 для текучей среды на своей боковой стенке возле расположенного выше по стволу скважины конца 132 для выпуска жидкости под высоким давлением для гидроразрыва пласта в подземный пласт, когда скользящая муфта 106 сдвинута из закрытого положения в открытое положение под действием давления срабатывания. Корпус 112 клапана также содержит одно или более отверстий 136 под штифт, через которые проходят один или более срезных штифтов 108 (см фиг. 1) для фиксации скользящей муфты 106 в закрытом положении для закрывания отверстий 110. Корпус 112 клапана дополнительно содержит одну или более трапециевидных резьб 138 на внутренней поверхности возле своего расположенного ниже по стволу скважины конца 136.
На фиг. 3 показан вид в сечении скользящей муфты 106 и корпуса 152 муфты, имеющего канал 151. Скользящая муфта 106 характеризуется наружным диаметром (НД), равным или немного меньшим ВД корпуса 112 клапана, что обеспечивает возможность перемещения скользящей муфты 106 в корпусе 112 клапана. Согласно этим вариантам осуществления скользящая муфта 106 содержит корпус 152 муфты, в котором размещена по меньшей мере соединительная часть 153 защитной муфты 154, расположенной ниже по стволу скважины от него, посредством резьбы 156 на внутренней поверхности корпуса 152 муфты (см. фиг. 4) и соответствующей резьбы 158 на наружной поверхности защитной муфты 154 (см. фиг. 5) для соединения с защитной муфтой 154 с возможностью отсоединения.
Как показано на фиг. 4, корпус 152 муфты может содержать на своей наружной поверхности одно или более проходящих по окружности уплотнительных колец 168 в подходящих местах при необходимости, например возле верхнего конца 164 корпуса 152 муфты, для уплотнения поверхности контакта между корпусом 112 клапана и скользящей муфтой 106 (см. фиг. 1).
Корпус 152 муфты также содержит одно или более отверстий под штифт или углублений 170 в местах, соответствующих местам размещения отверстий 136 под штифт на корпусе 112 клапана для размещения срезных штифтов 108, когда скользящая муфта 106 установлена в канале 104 корпуса 112 клапана в закрытом положении, и одно или более колец 172 с трапециевидной резьбой вокруг расположенного ниже по стволу скважины конца 166 для зацепления с трапециевидной резьбой 138 на внутренней поверхности корпуса 112 клапана, когда скользящая муфта 106 находится в открытом положении.
На своей внутренней поверхности корпус 152 муфты выполнен из подходящего материала, такого как сталь, и содержит обращенное вниз по стволу скважины седло 180 стопорного кольца, расположенное выше по стволу скважины от резьбы 156 и доступное от расположенного ниже по стволу скважины конца 166 корпуса 152 муфты для размещения и поддержки высокопрочного стопорного кольца 192, и профилированную область 182, расположенную выше по стволу скважины от седла 180 стопорного кольца и рядом с ним (соответственно, другая область внутренней поверхности скользящей муфты 106 называется непрофилированной областью).
Профилированная область 182 на корпусе 152 муфты содержит одну, предпочтительно две или более кольцевых канавок 184, таких как канавки 184А и 184В, которые образуют уникальный фиксирующий профиль (также называемый «профилем муфты»). Каждая канавка 184 содержит расположенную выше по стволу скважины стенку, наклоненную радиально внутрь снизу вверх по стволу скважины и характеризующуюся тупым углом относительно продольной оси корпуса 152 муфты. Каждая канавка 184 также содержит расположенную ниже по стволу скважины стенку, проходящую под прямым или острым углом. То есть расположенная ниже по стволу скважины стенка каждой канавки 184 либо перпендикулярна продольной оси корпуса 152 муфты, либо наклонена радиально внутрь снизу вверх по стволу скважины и образует острый угол относительно продольной оси корпуса 152 муфты. С помощью канавок 184 в профилированную область 182 может входить цанга 200 с соответствующим профилем 212 наружной поверхности («соответствующая цанга»), причем цанги 200 с несоответствующими профилями наружной поверхности («несоответствующие цанги») проходят через нее (описано ниже).
В зависимости от количества канавок 184, ВД профилированной области 182 на скользящей муфте 106 может варьировать в разных местах в продольном направлении из-за наличия канавок 184. Однако минимальный ВД профилированной области 182, включая стопорное кольцо 192, как правило, представляет собой минимальный ВД скользящей муфты 106. Другими словами, минимальный ВД скользящей муфты 106 находится на участке профилированной области 184 и стопорного кольца 192.
Наружный диаметр профиля 212 цанги на цанге 200 больше минимального ВД профилированной области 182 на корпусе 152 муфты для обеспечения начального минимального зацепления, в случае соответствующей цанги, профиля 212 цанги на такой соответствующей цанге 200 с профилированной областью 182 на корпусе 152 муфты, но в случае воздействия давления жидкости на цангу 200 НД профилированной области 212 может существенно превышать минимальный ВД профилированной области 182 на корпусе 152 муфты для обеспечения максимального зацепления профилированной области 212 на цанге 200 с профилированной областью 182, что более подробно описывается ниже.
Примечательно, что НД цанги 200 на участке шарового седла 214 вначале меньше ВД как канала 151, так и профилированной области 184 на корпусе 152 муфты. Однако цанга 200 выполнена с возможностью расширения радиально наружу на участке шарового седла 214 при воздействия направленного вверх по стволу скважины давления жидкости на шар 242, когда он посажен в шаровое седло 214, таким образом, который более подробно описан ниже, чтобы вызвать ее радиальное расширение (т.е. увеличение НД цанги 200 на участке шарового седла 214), чтобы он стал очень близок или равен внутреннему диаметру канала 151 в корпусе 152 муфты для обеспечения полезных эффектов и преимуществ, которые более подробно описаны ниже.
Стопорное кольцо 192 выполнено из материала, характеризующегося твердостью, которая больше твердости материала скользящей муфты 106. Например, стопорное кольцо 192 выполнено из высокопрочного материала, такого как карбид вольфрама, кобальтохромовых сплавов (например, сплавов Стеллит), азотированных сталей и/или других подходящих высокопрочных сплавов, или их комбинации, для обеспечения улучшенного сопротивления давлению и износостойкости.
Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере упорному заплечику 194 стопорного кольца 192 (который подробнее описан ниже) придана твердость, которая больше твердости материала скользящей муфты 106, или он содержит материал, характеризующийся твердостью, которая больше твердости скользящей муфты 106.
На фиг. 6 показан вид в сечении высокопрочного стопорного кольца 192. Стопорное кольцо 192 характеризуется НД, подходящим для посадки в седло 180 стопорного кольца корпуса 152 муфты, и характеризуется высотой сечения h, достаточной, чтобы оно проходило радиально внутрь за внутренний край седла 180 стопорного кольца. Согласно этим вариантам осуществления расположенная выше по стволу скважины поверхность стопорного кольца 192 наклонена радиально внутрь снизу вверх по стволу скважины с образованием на своем расположенном выше по стволу скважины боковом краю упорного заплечика 194, характеризующегося острым углом α относительно продольной оси золотникового клапана 100. Как будет более подробно описано ниже, упорный заплечик 194 стопорного кольца 192 может упираться в часть профиля цанги и входить в зацепление с соответствующим заплечиком цанги, когда профиль цанги входит в зацепление с профилем 182 муфты и предотвращает перемещение цангового элемента 200 вниз по стволу скважины относительно скользящей муфты. Таким образом, стопорное кольцо 192 также может называться «фиксирующим кольцом» для предотвращения перемещения цанги вниз по стволу скважины.
Как показано на фиг. 7, скользящая муфта 106 может быть собрана посредством вставки стопорного кольца 192 в корпус 152 муфты для посадки в седло 180 стопорного кольца. Затем, защитная муфта 154 «навинчивается» на расположенный ниже по стволу скважины конец корпуса 152 муфты за счет зацепления резьбы 158 защитной муфты 154 с резьбой 156 корпуса 152 муфты. Расположенный выше по стволу скважины конец 160 защитной муфты 154 прижимает стопорное кольцо 192 к седлу 180 стопорного кольца, вследствие чего стопорное кольцо 192 надежно размещается между ними. Собранная скользящая муфта 106 показана на фиг. 3.
Затем, золотниковый клапан 100 может быть собран посредством вставки скользящей муфты 106 в канал 104 корпуса 112 клапана с любого конца в закрытое положение, с фиксацией скользящей муфты 106 в этом положении посредством вставки срезного штифта или срезного винта 108 через отверстие 136 под штифт корпуса 112 клапана в отверстие 170 под штифт корпуса 152 муфты, и последующего соединения корпуса 112 клапана с верхним переводником 114 и нижним переводником 116. Собранный золотниковый клапан 100 показан на фиг. 1.
Как показано на фиг. 1, скользящая муфта 106 характеризуется продольной длиной, которая больше расстояния между упорами 124 и 126 корпуса 112 клапана, вследствие чего, когда скользящая муфта 106 находится в закрытом положении, защитная муфта 154 находится в контакте с внутренней поверхностью нижнего переводника 116 для изоляции кольцевого пространства 196, которое находится в радиальном направлении между корпусом 112 клапана и скользящей муфтой 106 и в продольном направлении между расположенным ниже по стволу скважины концом 166 скользящей муфты 106 и упорным заплечиком 126, от канала 104 для предотвращения попадания цемента в кольцевое пространство 196, которое будет нарушать работу клапана.
Как описано выше, золотниковый клапан 100 содержит профилированную область 182 внутренней поверхности, характеризующуюся уникальным фиксирующим профилем, который может принимать и фиксировать соответствующую цангу и пропускать через себя несоответствующую цангу.
На фиг. 8 показан вид в сечении цанги 200, которая согласно этим вариантам осуществления выполнена в виде цилиндрической гильзы, имеющей продольный канал 202. Цанга 200 в целом характеризуется НД (за исключением мест на выступах 222, описанных ниже), который немного меньше минимального ВД скользящей муфты 106, и содержит одно или более проходящих по окружности уплотнительных колец 204 на своей наружной поверхности в необходимых местах, при необходимости, для уплотнения поверхности контакта между цангой 200 и скользящей муфтой 106, когда цанга 200 зафиксирована в скользящей муфте 106.
Как показано, цанга 200 содержит цилиндрическую расположенную выше по стволу скважины часть 206, цилиндрическую расположенную ниже по стволу скважины часть 208 и среднюю часть 210, имеющую профилированную область 212 с уникальным фиксирующим профилем.
Согласно этим вариантам осуществления расположенная выше по стволу скважины часть 206 содержит на своей внутренней поверхности шаровое седло 214 для шара, сброшенного из положения выше по стволу скважины. Расположенная выше по стволу скважины часть 206 также содержит уплотнительное кольцо 216 на своей внутренней поверхности для уплотнения поверхности контакта между шаром и расположенной выше по стволу скважины частью 206 цанги 200.
Средняя часть 210 содержит множество распределенных по окружности продольных лепестков 218, соединенных с расположенными выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины частями 206 и 208. Согласно этим вариантам осуществления цанга 200 выполнена из металлической трубы посредством вырезания, пробивания или создания иным образом множества продольных пазов 220 в средней части 210 для образования лепестков 218.
Одна или более, или все из продольных лепестков 218 выполнены из материала с упругой гибкостью, характеризующегося достаточной податливостью, и профилированы так, что каждая из них содержит один или более выступов 222, таких как выступы 222А и 222В в профилированной области 212, проходящие радиально наружу от их наружной поверхности, с образованием гибкого в радиальном направлении фиксирующего профиля (также называемого «профилем цанги»). Положения и размеры выступов 216 выбраны таким образом, что максимальный НД цанги 200 больше минимального ВД скользящей муфты 106, и профиль цанги соответствует профилю соответствующей скользящей муфты 106. Таким образом, когда цанга 200 входит в золотниковый клапан 100 с соответствующей скользящей муфтой 106 (например, золотниковый клапан 100 также называется «соответствующим золотниковым клапаном 100»), цанга 200 может быть зафиксирована в соответствующей скользящей муфте 106. Расположенный ниже всех по стволу скважины выступ 222 В содержит заплечик 236 на своей расположенной ниже по стволу скважины стороне, характеризующийся таким же острым углом α относительно продольной оси золотникового клапана 100, как и упорный заплечик 194.
На фиг. 9-12 показан пример перемещения цанги 200 в соответствующий золотниковый клапан 100 из положения выше по стволу скважины. Как показано на фиг. 9, когда цанга 200 входит в золотниковый клапан 100, сужающаяся внутренняя поверхность 128 верхнего переводника 114 направляет цангу 200 для входа в канал 104.
Как показано на фиг. 10, когда профилированная область цанги 200 входит в канал 104, и когда максимальный НД цанги 200 больше минимального ВД скользящей муфты 106, профилированные лепестки 218 смещаются внутрь и цанга 200 продолжает перемещаться вниз по стволу скважины.
Как показано на фиг. 11, когда профилированная область 212 цанги 200 полностью перекрывает соответствующую профилированную область 182 скользящей муфты 106, профилированные лепестки 218 не смещаются из-за своей податливости. Цанга 200, таким образом, размещается внизу в скользящей муфте 106. Как показано на фиг. 12А и 12В, цанга 200 может дополнительно перемещаться ниже по стволу скважины до тех пор, пока заплечик 236 расположенного ниже всех по стволу скважины выступа 222 В не войдет в зацепление с упорным заплечиком 194 высокопрочного стопорного кольца 192.
На фиг. 12 В показан увеличенный вид профилированных областей 182 и 212 скользящей муфты 106 и цанги 200. Как показано, профиль каждой профилированной области 182, 212 содержит чередующиеся канавки и гребни (или выступы). В примере, показанном на фиг. 12В, профиль профилированной области 182 содержит две канавки 184А и 184В и гребень 232 между ними. Профиль профилированной области 212 содержит два гребня/выступа 222А и 222В и канавку 234 между ними. Чтобы обеспечить соответствие профилированных областей 182 и 212 друг другу, ширина канавки на любой из двух профилированных областей 182 и 212 должна быть равна или больше ширины соответствующего гребня на другой из двух профилированных областей 182 и 212 для размещения в ней соответствующего гребня. В примере, показанном на фиг. 12В, ширина канавки (например, канавки 184А, 184В или 234) существенно больше ширины соответствующего гребня (например, гребня 222А, 232 или 222 В), вследствие чего, после фиксации цанги 200 внизу в скользящей муфте 106, цанга 200 может перемещаться дальше вниз по стволу скважины до тех пор, пока расположенный ниже всех по стволу скважины выступ 222В не войдет в зацепление с высокопрочным стопорным кольцом 192.
Как показано на фиг. 12В, высокопрочное стопорное кольцо 192 используется для зацепления с расположенным ниже всех по стволу скважины выступом/гребнем 222В для улучшения фиксации ниже по стволу скважины между скользящей муфтой 106 и цангой 200 под высоким давлением. Более того, стопорное кольцо 192 характеризуется такой формой, что расположенный выше по стволу скважины упорный заплечик 194 характеризуется острым углом относительно продольной оси золотникового клапана 100, и расположенная ниже по стволу скважины сторона расположенного ниже всех по стволу скважины выступа 222 В также образует заплечик 236 с соответствующим острым углом, вследствие чего зацепление заплечиков 194 и 236 обеспечивает повышенное сопротивление направленному вниз по стволу скважины давлению, воздействующему на цангу 200. Согласно этим вариантам осуществления, когда заплечики 194 и 236 находятся в зацеплении друг с другом, другие соответствующие гребни цанги 200 и скользящей муфты 106, такие как гребни 222А и 232, также находятся в зацеплении для дополнительного повышения сопротивления направленному вниз по стволу скважины давлению, воздействующему на цангу 200.
Как показано на фиг. 13, после фиксации цанги 200 в скользящей муфте 106, шар 242 может быть сброшен с поверхности и может войти в золотниковый клапан 100. Шар 242 выполнен из жесткого материала, такого как керамика или металл, и характеризуется размером, подходящим для посадки в шаровое седло 214 цанги 200.
После того как шар 242 входит в шаровое седло 214 и герметично блокирует канал 202 цанги 200, давление жидкости воздействует сверху по стволу скважины на шар 214 и цангу 200. Поскольку цанга 200 зафиксирована внизу со скользящей муфтой 106, скользящая муфта 106 приводится в действие и срезает срезной штифт 108, а также перемещается вниз по стволу скважины в открытое положение для открывания отверстий 110 для текучей среды. Как показано на фиг. 14, кольца 172 с трапециевидной резьбой на скользящей муфте 106 входят в зацепление с трапециевидной резьбой 138 на корпусе 112 клапана для предотвращения перемещения скользящей муфты 106 вверх по стволу скважины. Затем, жидкость под высоким давлением для гидроразрыва пласта может быть закачана вниз по стволу скважины и выпущена из отверстий 110 для текучей среды для гидроразрыва пласта.
Жидкость для гидроразрыва пласта в целом находится под высоким давлением, и любой отказ золотникового клапана 100 может привести к неудаче процесса гидроразрыва пласта. Например, если зацепление между цангой 200 и скользящей муфтой 106 пропадает, жидкость под высоким давлением для гидроразрыва пласта может переместить цангу 200 вниз по стволу скважины, что приведет к неудаче процесса гидроразрыва пласта.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, золотниковый клапан 100 в приведенных выше вариантах осуществления содержит высокопрочное стопорное кольцо 192 для усиления зацепления между цангой 200 и скользящей муфтой 106, что существенно снижает риск отказа.
Согласно некоторым вариантам осуществления НД цанги 200 на выступах 222А и 222В меньше ВД скользящей муфты 106 на канавках 184А и 184В. Как показано на фиг. 15А и 15В, согласно этим вариантам осуществления после закачивания жидкости под высоким давлением для гидроразрыва пласта вниз по стволу скважины и перемещения скользящей муфты 106 в открытое положение, жидкость под высоким давлением для гидроразрыва пласта также немного перемещает цангу 200 вниз по стволу скважины, вследствие чего лепестки 218 вынуждены расширяться радиально наружу таким образом, что выступы 222А и 222В цанги 200 дополнительно входят в канавки 184А и 184В скользящей муфты 106, что обеспечивает повышенное сопротивление давлению.
Согласно некоторым вариантам осуществления скважинная система гидроразрыва пласта, содержащая множество золотниковых клапанов 100, может использоваться для гидроразрыва подземного пласта. На фиг. 16 изображен пример гидроразрыва подземного пласта с использованием золотникового клапана 100. В этом примере пробурена горизонтальная скважина, которая содержит горизонтальную часть 272 ствола скважины в подземном пласте 274. Обсадная колонна 276, содержащая множество золотниковых клапанов 100, опущена в часть 272 ствола скважины. Каждая скользящая муфта 100 содержит уникальный профиль муфты. Золотниковые клапаны 100 могут быть разнесены друг от друга посредством других переводников при необходимости.
После размещения обсадной колонны 276 на месте, может быть выполнено цементирование посредством закачивания жидкого цемента вниз по стволу скважины через обсадную колонну 276. Как описано выше и показано на фиг. 1, в каждом золотниковом клапане 100 защитная муфта 154 предотвращает попадание цемента в кольцевое пространство 196, которое будет нарушать работу клапана. После цементирования может быть закачана очищающая жидкость вниз по стволу скважины для очистки переводников, содержащих золотниковые клапаны 100. Также при необходимости могут использоваться скребки для очистки.
В этом примере пласт 274 вокруг секции 278 ствола скважины подлежит гидроразрыву, и необходимо открыть золотниковые клапаны 100В и 100С. Таким образом, первая цанга (не показана), соответствующая золотниковому клапану 100С, опускается под давлением вниз по стволу скважины через обсадную колонну 276. Поскольку первая цанга не соответствует золотниковым клапанам 100А и 100В (т.е. профиль первой цанги не соответствует и не может быть размещен в профиле муфты золотниковых клапанов 100А и 100В), первая цанга проходит через скользящие муфты 100А и 100В и фиксируется в золотниковом клапане 100С.
Для открывания отверстий для текучей среды золотникового клапана 100С шар сбрасывается, и он входит в шаровое седло первой цанги и блокирует канал первой цанги. Затем, воздействуют давлением жидкости для приведения в движение находящегося в зацеплении шара, первой цанги и скользящей муфты, чтобы срезать срезной штифт золотникового клапана 100С и переместить скользящую муфту вниз по стволу скважины в открытое положение, чтобы открыть части для текучей среды скользящей муфты 100С.
После открывания золотникового клапана 100С, вторая цанга, соответствующая золотниковому клапану 100В, опускается под давлением вниз по стволу скважины для фиксации с золотниковым клапаном 100В. Затем, шар сбрасывается для зацепления со второй цангой, и давление жидкости действует, чтобы открыть золотниковый клапан 100В.
После открывания всех золотниковых клапанов 100В и 100С в секции 278 ствола скважины, шары в этих золотниковых клапанах, за исключением шара в расположенном ниже всех по стволу скважины золотниковом клапане, удаляют, например, посредством выбуривания, растворения, извлечения на поверхность и/или подобной операции. В примере, показанном на фиг. 16, шар в золотниковом клапане 100С оставляют, а шар в золотниковом клапане 100В удаляют. Затем, жидкость под высоким давлением для гидроразрыва пласта закачивается в обсадную колонну 276 и выпускается из отверстий для текучей среды золотниковых клапанов 100В и 100С для гидроразрыва пласта 274.
В приведенном выше примере могут использоваться устройства изоляции ствола скважины, такие как пакеры, для изоляции секции ствола скважины, подлежащей гидроразрыву, что является известным в данной области техники и не будет описано в настоящем документе.
Как можно понять из приведенных выше примеров, в процессе гидроразрыва пласта может использоваться множество скользящих муфт 100, имеющих каналы 104 в целом одинакового размера, что обеспечивает прохождение равномерного потока жидкости через них. Цанга 200 и шары 242 также могут характеризоваться одинаковым размером, что упрощает материально-техническое снабжение и снижает стоимость заканчивания скважины.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления, показанным на фиг. 3-7, защитная муфта 154 соединена с корпусом 152 муфты с возможностью отсоединения за счет зацепления резьб 158 и 156. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления защитная муфта 154 может быть соединена с корпусом 152 муфты посредством других подходящих средств. Например, согласно одному варианту осуществления защитная муфта 154 может быть постоянно соединена с корпусом 152 муфты посредством сварки.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления цанга 200 выполнена в виде цилиндрической гильзы, содержащей множество лепестков, установленных на цилиндрической расположенной выше по стволу скважины части 206 и цилиндрической расположенной ниже по стволу скважины части 208, что исключает использование внешних средств, таких как пружины, для радиального перемещения или изменения формы цанги 200 для зацепления со скользящей муфтой и фиксации в ней. Согласно конкретному дополнительному варианту осуществления установка гибких лепестков своими продольно противоположными концами на расположенных выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины частях 206 и 208, а также выполнение цанги таким образом, что указанные лепестки при исходном зацеплении внутри внутреннего профиля 184 в скользящей муфте 106 и при воздействии направленного вверх по стволу скважины давления жидкости на шар, расположенный в шаровом седле 214 цанги 200, преимущественно обеспечивают дополнительный радиальный изгиб лепестков на цанге 200, что, тем самым, приводит к дополнительному и более прочному зацеплению лепестков, характеризующихся профилем 212 цанги, в профиле 184 скользящей муфты 184, что уменьшает риск отсутствия зацепления цанги 200 с выбранной муфтой или альтернативно уменьшает риск возможного расцепления соответствующего профиля на цанге 200 с соответствующим профилем 184 на скользящей муфте 106 при воздействии давления гидроразрыва пласта вверх по стволу скважины, что в случае отказа предотвращает нагнетание в скважину жидкости для гидроразрыва под высоким давлением через открытое отверстие 110.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления скважинная система гидроразрыва пласта, содержащая колонну насосно-компрессорных труб, имеющую одну или более золотниковых клапанов 100, может использоваться для гидроразрыва секции ствола скважины. Ствол скважины может представлять собой обсаженный ствол скважины или необсаженный ствол скважины.
Хотя в примере, показанном на фиг. 16, золотниковые клапаны 100 используются для гидроразрыва горизонтальной секции ствола скважины, специалистам в данной области техники будет очевидно, что согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления золотниковые клапаны 100 могут использоваться для гидроразрыва вертикальной секции ствола скважины.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления цанга 200 может содержать одно или более уплотнительных колец 204 на своей наружной поверхности для уплотнения поверхности контакта между цангой 200 и скользящей муфтой 106, когда цанга 200 входит в золотниковый клапан 100. Однако такие уплотнительные кольца 204, как правило, во время перемещения цанги вниз по стволу скважины могут износиться и утратить эффективность, когда цанга 200 перемещается в скользящей муфте 106, что может привести к отказу золотникового клапана 100. Более того, при опускании цанги под давлением через несоответствующие скользящие муфты, обычно требуется высокое давление жидкости для преодоления трения, вызванного перемещением уплотнительных колец 204 по внутренней поверхности скользящей муфты 106.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления цанга 200 не должна содержать уплотнительных колец 204 на своей наружной поверхности. Согласно этим вариантам осуществления золотниковый клапан 100 является таким же, как показанный на фиг. 1, и непрофилированная область цанги 200 характеризуется НД, который немного меньше минимального ВД скользящей муфты 106, тем самым избегая трения, в ином случае обеспечиваемого уплотнительными кольцами 204, и, таким образом, позволяя цанге 200 проходить через несоответствующий золотниковый клапан 100 под меньшим давлением жидкости.
Согласно этим вариантам осуществления скользящая муфта выполнена из подходящего металла, такого как сталь. Как показано на фиг. 17А и 17В, расположенная выше по стволу скважины часть 206 цанги 200 характеризуется наличием расширяемой радиально наружу металлической части 206', и шаровое седло 214 содержит поверхность 282 шарового седла, наклоненную радиально внутрь сверху вниз по стволу скважины под острым углом наклона относительно продольной оси 284 цанги 200.
После фиксации цанги 200 в золотниковом клапане 100, шар 242 подходящего размера опускается под действием направленного вниз по стволу скважины давления жидкости в шаровое седло 214. Когда направленное вниз по стволу скважины давление жидкости воздействует на расположенную выше по стволу скважины сторону шара 242, шар 242 прижимается к наклонной поверхности 282 шарового седла 214 для преобразования направленного вниз по стволу скважины давления жидкости в направленное радиально наружу давление и обеспечивает радиальное расширение расширяемой металлической части 206' цанги 200 для достаточного уменьшения промежутка между цангой 200 и скользящей муфтой 106 или даже приводит к плотному зацеплению наружной поверхности расширяемой металлической части 206' с внутренней поверхностью скользящей муфты 106 с образованием уплотнения металл-металл на поверхности контакта между цангой 200 и скользящей муфтой 106.
Как показано на фиг. 17В, поверхность 282 шарового седла 214 наклонена под углом наклона θ относительно продольного опорного направления 284. Согласно некоторым вариантам осуществления угол наклона θ составляет приблизительно 55°. Угол наклона приблизительно 55° является удовлетворительным для передачи необходимой направленной радиально наружу силы цанге 200 для достижения достаточного радиального расширения цанги 200 для образования надлежащего уплотнения металл-металл со скользящей муфтой 106, для металлической цанги с модулем упругости, аналогичным стали марки N80 Американского института нефти (API), причем номинальный диаметр шарового седла 214 на цанге 200 составляет 4,555 дюйма, номинальная толщина цанги составляет 0,23 дюйма и давление на шар 242 номинального диаметра 4,250 дюйма составляет приблизительно 1500 фунтов/квадратный дюйм, и причем цанга 200 вначале, до радиального расширения, характеризуется промежутком в диапазоне от 0,004 до 0,014 дюйма от внутреннего диаметра скользящей муфты 106 (см. пример А ниже и фиг. 18).
Согласно другим вариантам осуществления, в которых цанга 200 может быть выполнена из более прочного или менее упругого материала (т.е. характеризующегося более высоким модулем упругости), и/или большей толщиной, и/или если начальный промежуток между диаметром цанги 200 и диаметром скользящей муфты 106 составляет более 0,004-0,014 дюйма, и/или если давление на шар 242 менее 1500 фунтов/квадратный дюйм, угол наклона θ должен быть уменьшен до приблизительно 35°, чтобы шаровое седло 214 могло передавать достаточную направленную радиально наружу силу для достижения достаточного радиального увеличения диаметра цанги 200 для достижения таким образом необходимого уплотнения металл-металл с каналом.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 50° до приблизительно 60°. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 40° до приблизительно 70°. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления угол наклона θ составляет от приблизительно 30° до приблизительно 80°.
Соответственно, таким образом, если цанга 200 выполнена с возможностью обеспечения радиального расширения, это преимущественно позволяет уменьшить общий наружный диаметр цанги 200. Такой уменьшенный диаметр, не только на участке шарового седла 214, но также на участке 212 профиля цанги, позволяет цанге 200 и участку 212 профиля проще проходить с меньшим взаимодействием с участками 184 профиля различных расположенных выше по стволу скважины скользящих муфт 106, которые не желательно приводить в движение, тем самым уменьшая износ при трении на такой профилированной области 212 цанги 200, но, тем не менее, по-прежнему поддерживая возможность цанги 200, прежде всего на участке шарового седла 214, создавать уплотнение, когда цанга 200 достигла целевой расположенной ниже по стволу скважины муфты 106, а участок 212 профиля цанги на ней входит в зацепление с соответствующим желаемым соответствующим профилем 184 на муфте.
В частности, важно отметить, что за счет использования такой способности к радиальному расширению цанги 200 уменьшается износ на профилях 212 цанги, тем самым поддерживается целостность профилей 212 цанги и обеспечивается, что, когда цанга 200 достигает желаемой скользящей муфты 106, которая должна быть приведена в действие, соответствующий профиль 212 на ней может быть достаточно и надежно зацеплен, при этом одновременно создается начальное уплотнение металл-металл, чтобы обеспечить повышение давления на расположенной выше по стволу скважины стороне шара 242. Повышенное давление на расположенной выше по стволу скважины стороне шара 242 после зацепления с фиксацией цанги 200 со скользящей муфтой 106, в свою очередь, приводит к образованию эффекта «домино», при котором такое повышение давления вызывает (дополнительное) радиальное расширение цанги 200, которое, в свою очередь, становится причиной усиления уплотнения металл-металл, что обеспечивает дополнительное повышение давления, что, опять-таки, становится причиной увеличения радиального расширения и усиления уплотнения металл-металл. Направленное вверх по стволу скважины давление продолжает повышаться до тех пор, пока не приведет к срезанию срезных штифтов 108, удерживающих скользящую муфту 106 на месте, и перемещению скользящей муфты 106 вниз по стволу скважины в клапан 100 для открывания отверстий 110.
На фиг. 18 показан пример цанги 200 согласно настоящему изобретению, размещенной с возможностью скользящего перемещения в скользящей муфте 106, причем указанная цанга 200 выполнена согласно вышеуказанному предпочтительному варианту осуществления. В частности, согласно такому предпочтительному варианту осуществления цанга 200 на участке шарового седла 214 характеризуется толщиной, материалом и начальным радиальным промежутком, аналогичными таковым у канала 151 корпуса 152 муфты, вследствие чего, когда шар 242 посажен в шаровое седло 214 и давление жидкости по меньшей мере 150 фунтов/квадратный дюйм воздействует на него, происходит увеличение радиально наружу его наружного диаметра величиной более 0,09% для обеспечения достаточного уплотнения металл-металл между наружным диаметром цанги 200 на участке шарового седла 214 и каналом 151 корпуса 152 муфты. В частности, наружный диаметр цанги 200 на участке шарового седла 214 может быть увеличен радиально наружу при воздействии давления жидкости на шар 242, посаженный в него, предпочтительно до величины по меньшей мере 0,09% радиального увеличения, предпочтительно до величины по меньшей мере 0,2% радиального увеличения, более предпочтительно до величины по меньшей мере 0,3% радиального увеличения, при воздействии направленного вверх по стволу скважины давления жидкости по меньшей мере 150 фунтов/квадратный дюйм, чтобы обеспечить лучший начальный промежуток между профилированной областью 212 на цанге 200 и несоответствующими профилями, но при зацеплении с желаемой профилированной областью 184 на выбранной скользящей муфте 106, обеспечить уплотнение между цангой 200 на участке шарового седла 214, чтобы произошел эффект «домино» и дополнительное радиальное расширение цанги 200 для усиления уплотнения металл-металл, вследствие чего расширения радиально наружу и уплотнения металл-металл достаточно, чтобы дополнительное давление воздействовало до величины, достаточной, чтобы срезать срезные штифты 108.
Согласно вышеуказанным вариантам осуществления цанга 200 выполнена из металлической трубы посредством вырезания, пробивания или создания иным образом множества продольных пазов 220 в средней части 210 для образования лепестков 218. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления лепестки 218 могут быть соединены с расположенными выше по стволу скважины и ниже по стволу скважины частями 206 и 208 посредством других подходящих средств, таких как сварка, винты и/или подобные средства.
Пример «А»
Как упомянуто выше, на фиг. 18 показан пример цанги 200 согласно настоящему изобретению, размещенной с возможностью скользящего перемещения в скользящей муфте 106. Цанга 200 характеризуется наличием радиально расширяемой части 206'' на участке шарового седла 214.
В частности, в этом примере цанга 200 на участке шарового седла 214 выполнена из стали API NP 80, характеризующейся модулем упругости 29000000 и коэффициентом Пуассона 0,29. Скользящая муфта 106 также была выполнена из стали марки N80 API.
В этом выбранном примере цанга 200 была выполнена с начальным радиальным промежутком на поверхности контакта между наружной радиальной периферией цанги 200 на участке шарового седла 214 и внутренним каналом 151 корпуса 152 муфты 0,002-0,007 дюйма, который был определен посредством использования допусков материала цанги 200, а именно разности между максимальным и минимальным допусками по размерам между НД цанги 200 и внутренним диаметром внутреннего канала 151 скользящей муфты 106 [(т.е. от (4,567-4,553)/2 до (4,562-4,558)/2)].
Номинальная толщина цанги 200 на участке шарового седла 214, а именно на расположенной выше по стволу скважины стороне шарового седла 214 составляла 0,149-0,1515 дюйма [т.е. от (4,553-4,255)/2 до (4,558-4,255)/2], и на расположенной ниже по стволу скважины стороне шарового седла 214 составляла от 0,2305 до 0,233 дюйма [т.е. от (4,553-4,092/2) до (4,558-4,092)/2].
Угол наклона θ шарового седла 214 цанги 200 составлял 55°. Шар 242 характеризуется номинальным диаметром 4,250 дюйма.
Когда давление жидкости 1500 фунтов/квадратный дюйм воздействовало выше по стволу скважины на шар 242 после посадки шара 242 в шаровое седло 214, вышеуказанного начального радиального промежутка 0,002-0,007 дюйма было достаточно, чтобы вначале частично предотвратить прохождение жидкости через указанную поверхность контакта. Если нагнетание жидкости под давлением продолжается, происходит повышение давления жидкости выше по стволу скважины от шара 242 из-за такой частичной начальной блокировки. Радиально расширяемая часть 206' цанги 200, в ответ на силу, приложенную к шару 242 давлением жидкости, создает, из-за угла наклона θ шарового седла 214, направленную радиально наружу силу, приложенную к трубчатой цанге 200 на участке шарового седла 214. Такая приложенная направленная радиально наружу сила приводит к расширению радиально наружу металлической части 206', что, в конечном итоге, приводит к устранению или существенному уменьшению вышеуказанного радиального промежутка 0,002-0,007 дюйма и созданию уплотнения металл-металл на поверхности контакта между цангой 200 и скользящей муфтой 106.
В частности, расширяемая радиально наружу металлическая часть 206' радиально расширяется по меньшей мере на 0,09% (в случае, если наружный диаметр расширяемой радиально наружу металлической части 206' составляет максимальные 4,558 дюйма, а ВД канала скользящей муфты составляет минимальные 4,558 дюйма, а именно (4,562-4,558/4,558), и номинально радиально расширяется на 0,02% (в случае, если наружный диаметр расширяемой радиально наружу металлической части 206' составляет номинальные 4,555 дюйма и ВД канала скользящей муфты составляет номинальные 4,565 дюйма, а именно (4,565-4,555/4,555), и радиально расширяется по меньшей мере на 0,03% (в случае, если наружный диаметр расширяемой радиально наружу металлической части 206' составляет минимальные 4,553 дюйма и ВД канала скользящей муфты составляет максимальные 4,567 дюйма, а именно (4,567-4,553/4,553), что во всех случаях приводит к уменьшению радиального промежутка с образованием уплотнения металл-металл между цангой 200 и скользящей муфтой 106.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в приведенные выше параметры могут быть внесены изменения для достижения желаемого результата, заключающегося в получении радиально расширяемой цанги, которая преимущественно может уменьшать контакт с расположенными выше по стволу скважины скользящими муфтами при прохождении через них к желаемой скользящей муфте 106 и, таким образом, поддерживать допуски на размер цанги 200, в частности, на ее участках 212 профиля, и НД на участке шарового седла 214, а также проще проходить вниз по стволу скважины из-за уменьшенных диаметров, но при фиксирующем зацеплении с желаемой выбранной муфтой и при воздействии давления жидкости, она может «увеличиваться» для поддержания эффективного уплотнения и обеспечения повышения давления, достаточного, чтобы срезать срезные винты 108.
В качестве иллюстрации в этом примере скользящая муфта 106 и цанга 200 выполнены из стали марки N80 API. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в различных альтернативных вариантах осуществления скользящая муфта 106 и цанга 200 могут быть выполнены из другого подходящего материала, такого как сталь марки Р110 API, характеризующегося аналогичным модулем упругости для достижения аналогичного радиального увеличения при воздействующем давлении 1500 фунтов/квадратный дюйм.
Однако в качестве альтернативы для уменьшения величины давления нагнетания, но при этом достижения аналогичной величины радиального увеличения (т.е. номинального радиального увеличения 0,02%), цанга 200 может состоять из материала, характеризующегося модулем упругости, который на порядок меньше модуля упругости стали API NP 80 (т.е. составляет 1/10 от модуля упругости стали API NP 80). Это приводит к тому, что необходимо воздействующее давление, которое аналогично должно составлять только 1/10 от воздействующего давления, а именно 150 фунтов/квадратный дюйм, чтобы по-прежнему достичь желаемого номинального радиального увеличения 0,02%.
Аналогично, за счет уменьшения ли увеличения угла наклона θ шарового седла 214 цанги 200, как показано на фиг. 18, эффективная направленная радиально наружу сила, приложенная шаром 242 к периферии цанги 200 на участке шарового седла 214, может варьировать, увеличивая или уменьшая соответственно величину приложенной радиальной силы к цанге 200.
Таким образом, например, при стабильном давлении жидкости 1500 фунтов/квадратный дюйм, уменьшение угла наклона 0 с 55° до 30° приведет к увеличению приложенной силы и уменьшению необходимого давления жидкости с 1500 фунтов/квадратный дюйм, или использование материала, характеризующегося пропорционально уменьшенным модулем упругости (т.е. использование менее жесткого материала с большей радиальной упругой деформацией на единицу приложенной силы), обеспечит достижение аналогичной величины увеличения радиального расширения (номинально 0,02%).
Дополнительные модификации и комбинации вышеуказанных переменных для достижения вышеупомянутых радиальных увеличений будут очевидны для специалиста в данной области техники.
Например, если угол наклона θ был увеличен с 55° до 80° с уменьшением эффективной направленной радиально наружу силы, приложенной по нормали к цанге 200, для достижения аналогичного радиального расширения цанги 200 (номинально 0,02%), это потребует одного или более из следующего:
(i) изменения материала цанги 200 на материал, характеризующийся меньшим уменьшением модуля упругости (т.е. менее жесткий);
(ii) увеличения давления жидкости 1500 фунтов/квадратный дюйм, воздействующего на шар 242, для достижения такой же тангенциальной силы, которая была ранее приложена с использованием угла наклона θ, равного 55°; или
(iii) уменьшения толщины цанги 200 на участке шарового седла 214 (при условии, что воздействующее давление и итоговая радиальная сила не превышают предел текучести цанги 200 на участке шарового седла 214).
Дополнительное описание
На фиг. 19 показана цанга 200 согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления. Согласно этим вариантам осуществления золотниковый клапан 100 является таким же, как показанный на фиг. 1.
Как показано на фиг. 19, цанга 200 согласно этим вариантам осуществления содержит закрытый расположенный выше по стволу скважины конец 284. Другие части цанги 200 такие же, как показано на фиг. 8.
Согласно этим вариантам осуществления золотниковому клапану 100 не нужен шар 242 для приведения в действие. Вместо этого, соответствующая цанга 200 опускается под давлением вниз по стволу скважины и фиксируется в золотниковом клапане 100 для приведения в действие золотникового клапана 100. Давление жидкости воздействует на закрытый расположенный выше по стволу скважины конец 284 цанги 200 и обеспечивает срезание срезного штифта 108, а также приводит к перемещению скользящей муфты 106 золотникового клапана 100 вниз по стволу скважины в открытое положение. Как описано выше, высокопрочное стопорное кольцо 192 обеспечивает повышенное сопротивление давлению и износостойкость.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления скользящая муфта 106 содержит высокопрочное стопорное кольцо 192 на своем расположенном ниже по стволу скважины конце профилированной области 182, образующее упорный заплечик 194 для фиксации соответствующей цанги 200. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления стопорное кольцо 192 выполнено из того же материала, что и скользящая муфта 106, но предпочтительно из материала более высокой прочности и/или упрочненного материала, и/или азотированного материала, такого как, без ограничения, карбид вольфрама. Согласно некоторым вариантам осуществления по меньшей мере упорному заплечику 194 стопорного кольца 192 придана твердость или он характеризуется твердостью, которая по существу или приблизительно равна твердости расположенной ниже по стволу скважины части профиля соответствующей цанги 200.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления скользящая муфта 106 не содержит стопорного кольца 192. Скорее, расположенный выше по стволу скважины конец защитной муфты 154 образует упорный заплечик 194 для фиксации соответствующей цанги.
Согласно еще одним некоторым альтернативным вариантам осуществления корпус 152 муфты и защитная муфта 154 выполнены как единое целое с образованием скользящей муфты 106, и содержат выступающий радиально внутрь кольцевой гребень, образующий упорный заплечик 194. Таким образом, скользящая муфта 106 согласно этим вариантам осуществления не содержит стопорного кольца 192.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления скользящая муфта 106 содержит только корпус 152 муфты и не содержит защитной муфты 154. Согласно этим вариантам осуществления стопорное кольцо 192 приварено, установлено, или иным образом встроено в корпус 152 муфты.
Согласно некоторым вариантам осуществления может быть получено множество профилей муфты и профилей цанги, и множество профилей муфты и цанги могут использоваться на одной и той же колонне труб в скважинной системе гидроразрыва пласта.
Например, на фиг. 20A-20D показано четыре профиля муфты от 182-1 до 182-4 (совместно обозначенные позиционным обозначением 182) на внутренней поверхности скользящих муфт от 106-1 до 106-4 соответственно, и их соответствующие профили цанги от 212-1 до 212-4 (совместно обозначенные позиционным обозначением 212) на наружной поверхности цанг от 200-1 до 200-4 соответственно.
Как показано, каждый профиль муфты от 106-1 до 106-4 содержит по меньшей мере две канавки 184А и 184В (также называемые «канавками муфты» в настоящем документе) и один гребень 232 (также называемый «гребнем муфты» в настоящем документе), расположенный в продольном направлении между двумя канавками 184А и 184 В.
Соответственно, каждый профиль цанги от 200-1 до 200-4 содержит по меньшей мере два гребня 222А и 222В (также называемых «гребнями цанги» в настоящем документе) и одну канавку 234 (также называемую «канавкой цанги» в настоящем документе) между двумя гребнями 222А и 222В. Более того, длина каждой канавки 184А, 184В, 234 больше или равна длине каждого гребня 222А, 222В, 232, чтобы обеспечить возможность размещения профиля цанги от 200-1 до 200-4 в соответствующем профиле муфты от 106-1 до 106-4.
b
b
b
b
За счет изменения длин канавок 184А и 184В и гребня 232 можно получить множество уникальных и индивидуальных профилей муфты (и соответствующих уникальных и индивидуальных комбинаций цанга-муфты). Согласно этим вариантам осуществления разница длин между двумя профилями муфты, например, разница длин профилей 182-2 и 182-3 муфты, равна результату целочисленного умножения заданного расчетного параметра L, где L>0. Более того, разница длин между соответствующими канавками или гребнями двух профилей муфты, например, разница длин канавок 184А профилей 182-1 и 182-2 муфты, или разница длин канавок 184В профилей 182-1 и 182-2 муфты, также равна результату целочисленного умножения заданного расчетного параметра L, где L>0.
Как показано на фиг. 21А, следующие параметры (все больше нуля) используются для профиля 182 муфты:
s
L - продольная длина профиля 182 муфты;
g1
S - продольная длина канавки 184А профиля 182 муфты;
r
S - продольная длина гребня 232 профиля 182 муфты; и
g2
S - продольная длина канавки 184 В профиля 182 муфты.
s
g1
r
g2
Параметры L, S, S и S измеряются в радиально самых внутренних точках профиля 182 муфты.
Следующие параметры (все больше нуля) используются для профиля 182 цанги:
c
L - продольная длина профиля 212 цанги;
r1
C - продольная длина гребня 222А профиля 212 цанги;
g
C - продольная длина канавки 234 профиля 212 цанги; и
r2
C - продольная длина гребня 222 В профиля 212 цанги.
c
r1
g
r2
Параметры L, C, C и C также измеряются в радиально самых внутренних точках профиля 212 цанги.
g1
g2
g
r1
r2
r
g1
r1
g2
r2
g
r
Как описано выше, в паре соответствующих профиля цанги и профиля муфты длины канавок, включая длины S, S и C канавок 184А и 184 В муфты и канавки 234 цанги, должны быть больше или равны длинам соответствующих гребней, включая длины C, Cи S гребней 222А и 222В цанги и гребня 232 муфты, т.е. S≥C, S≥C и C≥S, чтобы обеспечить возможность размещения профиля 212 цанги в соответствующем профиле 182 муфты.
Согласно этим вариантам осуществления расположенные выше по стволу скважины поверхности канавок 184А и 184В муфты и стопорного кольца 192 наклонены таким образом, что они проходят радиально внутрь вверх по стволу скважины. Расположенные выше по стволу скважины поверхности гребней 222А и 222В цанги и расположенная ниже по стволу скважины поверхность гребня 222 В цанги наклонены таким образом, что они проходят радиально наружу вниз по стволу скважины. Эти наклоны отрицательно влияют на возможность размещения гребня 232 муфты и гребней 222А и 222В цанги в канавке 234 цанги и канавках 184А и 184В муфты.
Для простоты описания, согласно этим вариантам осуществления угловые фаски расположенных выше по стволу скважины поверхностей канавок 184А, 184В муфты, стопорного кольца 192, гребней 222А, 222В цанги и расположенной ниже по стволу скважины поверхности гребня 222В цанги являются по существу одинаковыми.
1
Как показано на фиг. 21В и 21С, за счет наличия вышеописанных угловых фасок, после стыковки профиля 212 цанги с соответствующим профилем 182 муфты, цанга 200 может расширяться радиально наружу и дополнительно перемещаться вниз по стволу скважины на короткое расстояние ε, которое представляет собой расчетный параметр, заданный вышеописанными угловыми фасками и величиной зацепления, для размещения в профиле 182 муфты до тех пор, пока расположенная ниже по стволу скважины поверхность гребня 222В цанги не войдет в зацепление с упорным заплечиком 194 стопорного кольца 192.
r
Как показано на фиг. 21А, на профиле 182 муфты длина S гребня 232 определяется следующим образом:
a
a
b
b
r
a
где 1≥δ≥0 заданный расчетный параметр, L - заданный расчетный параметр, и L>0, n - целое число и n≥0, L - заданный расчетный параметр и L>0. Таким образом, когда n=0, гребень 232 характеризуется минимальной длиной S=δL.
g1
g1
Длины S и S канавок 184А и 184В определяются следующим образом:
1
1
2
2
где m - целое число и m≥1, и m - целое число и m>1. Более того,
1
2
где K>2 - положительное целое число, вследствие чего для профилей муфты, характеризующихся одинаковым K, увеличение m приводит к уменьшению m, что эффективно изменяет место расположения гребня 232 на профиле муфты.
s
Длина L профиля 182 муфты определяется следующим образом:
a
b
s
Поскольку L и L представляют собой заданные расчетные параметры, можно получить множество профилей 182 муфты с разными длинами L посредством выбора разных n и K.
r1
r2
g
На профиле 212 цанги длины C, C, C гребней 222А и 222В и канавки 234 цанги определяются следующим образом:
1
2
2
1
2
2
c
где t, t и ε - заданные расчетные параметры, причем 1≥t≥0, 1≥t≥0 и ≥ε≥0. Длина L профиля 212 цанги определяется следующим образом:
2
2
2
Параметр ε определяет только то, входит в зацепление или нет расположенная ниже по стволу скважины поверхность гребня 222А цанги с расположенной ниже по стволу скважины поверхностью канавки 184А муфты. Согласно некоторым вариантам осуществления ε=0, вследствие чего, когда цанга 200 входит в зацепление с муфтой 106 под давлением, воздействующим сверху по стволу скважины, расположенная ниже по стволу скважины поверхность гребня 222А цанги входит в зацепление с расположенной ниже по стволу скважины поверхностью канавки 184А муфты и расположенная ниже по стволу скважины поверхность гребня 222В цанги входит в зацепление с упорным заплечиком 194 с обеспечением повышенного сопротивления давлению. Согласно некоторым другим вариантам осуществления ε>0, что совместно с другими условиями (описанными ниже) позволяет гибким лепесткам 218 дополнительно расширяться радиально наружу и изгибаться под давлением жидкости для улучшенного зацепления между цангой 200 и скользящей муфтой 106.
2
1
b
1
2
b
2
Как показано на фиг. 21А, согласно вариантам осуществления, в которых ε=0, когда t=1, канавка 184А муфты и гребень 222А цанги характеризуются максимальной разницей длин L; когда t=0, канавка 184А муфты и гребень 222А цанги характеризуются одинаковой длиной. Аналогично, когда t=1, канавка 184 В муфты и гребень 222В цанги характеризуются максимальной разницей длин L; когда t=0, канавка 184В муфты и гребень 222 В цанги характеризуются одинаковой длиной.
a
b
1
2
Согласно некоторым вариантам осуществления расчетные параметры задаются как L=L, t=t=t и 1≥t≥0. Затем, параметры профиля 182 муфты принимают следующий вид:
Параметры профиля 212 цанги принимают следующий вид:
2
b
2
b
Учитывая ε, параметр t определяет разницу длин между канавками и соответствующими им гребнями. Если t=0, профиль 182 муфты и профиль 212 цанги характеризуются одинаковой длиной. Если t=1, профиль 182 муфты и профиль 212 цанги характеризуются максимальной разницей длин L. Согласно вариантам осуществления, в которых t=0, если t=0, канавки и соответствующие им гребни характеризуются одинаковой длиной. Если t=1, канавки и соответствующие им гребни характеризуются максимальной разницей длин L.
Может быть получен ряд профилей муфты и профилей цанги. Для простоты описания профили муфты и профили цанги сгруппированы в наборы профилей, и наборы профилей сгруппированы в категории профиля. В настоящем документе профиль муфты представлен в следующем виде: «S({буква обозначения категории}{номер набора}-{номер профиля})», где «{буква обозначения категории}» может представлять собой А, В, С и т.д., и представлять категорию профиля, к которой принадлежит профиль муфты, «{номер набора}» может представлять собой 1, 2, 3 и т.д., и представлять набор профилей, к которому принадлежит профиль муфты, и «{номер профиля}» может представлять собой 1, 2, 3 и т.д., и представлять собой порядок профиля муфты в наборе профилей. Например, профиль муфты «S(A1-1)» представляет первый профиль муфты в наборе А1.
Аналогично, профиль муфты представлен в виде «С({буква обозначения категории} {номер набора}-{номер профиля})». Например, профиль цанги «C(B2-3)» представляет третий профиль цанги в наборе В2.
1
1
1
Как можно увидеть, множество профилей 182 муфты и профилей 212 цанги создаются посредством изменения значений n, K и m. Таким образом, для простоты описания профиль муфты также может быть обозначен как S[n, K, m], а профиль цанги также может быть обозначен как C[n, K, m].
b
s
c
s
b
c
b
Согласно этим вариантам осуществления для заданного L, сумма (n+K) определяет длину профиля муфты L и длину профиля цанги L. В частности, профили муфты в каждой категории профиля (например, «А») характеризуются одинаковой длиной L=(n+K+1)L, и профили цанги в одинаковой категории профиля характеризуются одинаковой длиной L=(n+K+1-t)L.
r=
b
g
b
2
Параметр n определяет длину гребня 232 муфты и длину 234 канавки цанги. Таким образом, профили муфты в каждом наборе профилей (например, «А1») характеризуются одинаковой длиной гребня 232 в виде S(n+6)L, и профили цанги в одинаковом наборе профилей характеризуются одинаковой длиной канавки 234 в виде C=(n+t+5)L+ε.
s
b
r
b
c
b
g
b
2
Каждый набор профилей содержит (K-2) профилей муфты и (K-2) соответствующих профилей цанги с одинаковым n и одинаковым K, в которых все (K-2) профилей муфты характеризуются одинаковой длиной L=(n+K+1)L и одинаковым S=(n+δ)L, и все (K-2) профилей цанги характеризуются одинаковой длиной L=(n+K+1-t)L и одинаковым C=(n+t+δ)L+ε.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что, если t равно или близко 0, то профиль цанги полностью или почти полностью совпадает с профилем муфты, и, таким образом, может существовать риск, что профиль цанги не сможет войти в соответствующий профиль муфты, например, из-за большого производственного допуска профиля цанги и/или профиля муфты, и/или что цанга 200 будет входить в скользящую муфту 106 на высокой скорости, вследствие чего не будет достаточно времени на возврат смещенного профиля цанги в состояние без смещения перед выходом цанги 200 из скользящей муфты 106.
b
С другой стороны, если t равно или близко 1, канавки и соответствующие им гребни характеризуются максимальной разницей длин L, и возможен риск, что профиль цанги может по ошибке войти в несоответствующий профиль муфты (описано ниже).
Согласно некоторым вариантам осуществления t может быть выбрано в достаточной мере больше нуля и в достаточной мере меньше одного, чтобы гарантировать, что:
(i) профиль цанги, соответствующий профилю муфты в наборе, точно не подходил любому другому профилю муфты в том же наборе; и
(ii) разница длин между канавкой и соответствующей ей гребнем (например, разница длин между канавкой 184А муфты и гребнем 222А цанги, разница длин между канавкой 234 цанги и гребнем 232 муфты, или разница длин между канавкой 184В муфты и гребнем 222В цанги) была достаточной для простого входа гребня в канавку.
Например, согласно одному варианту осуществления t может быть выбрано как 0.9≥t≥0.1. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления t может быть выбрано как 0.8≥t≥0.2. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления t может быть выбрано как 0.7≥t≥0.3. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления t может быть выбрано как 0.6≥t≥0.4. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления t может быть выбрано приблизительно равным 0,5.
s
b
На фиг. 22 показан набор А1 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей цанги, когда n=0 и K=6, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=7L.
s
b
На фиг. 23 показан набор В1 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей цанги, когда n=0 и K=8, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=9L.
s
b
На фиг. 24 показан набор С1 из восьми профилей муфты и восьми соответствующих профилей цанги, когда n=0 и K=10, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=11L.
s
b
На фиг. 25 показан набор D1 из десяти профилей муфты и десяти соответствующих профилей цанги, когда n=0 и K=12, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 26 показан набор А2 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей цанги, когда n=1 и K=5, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=7L.
s
b
На фиг. 27 показан набор В2 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей цанги, когда n=1 и K=7, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=9L.
s
b
На фиг. 28 показан набор С2 из семи профилей муфты и семи соответствующих профилей цанги, когда n=1 и K=9, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=11L.
s
b
На фиг. 29 показан набор D2 из девяти профилей муфты и девяти соответствующих профилей цанги, когда n=1 и K=11, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 30 показан набор A3 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей цанги, когда n=2 и K=4, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=7L.
s
b
На фиг. 31 показан набор В3 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей цанги, когда n=2 и K=6, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=9L.
s
b
На фиг. 32 показан набор С3 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей цанги, когда n=2 и K=8, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=11L.
s
b
На фиг. 33 показан набор D3 из восьми профилей муфты и восьми соответствующих профилей цанги, когда n=2 и K=10, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 34 показан набор А4 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля цанги, когда n=3 и K=3, причем профиль муфты характеризуется длиной L=7L.
s
b
На фиг. 35 показан набор В4 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей цанги, когда n=3 и K=5, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=9L.
s
b
На фиг. 36 показан набор С4 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей цанги, когда n=3 и K=7, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=HL.
s
b
На фиг. 37 показан набор D4 из семи профилей муфты и семи соответствующих профилей цанги, когда n=3 и K=9, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 38 показан набор В5 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей цанги, когда n=4 и K=4, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=9L.
s
b
На фиг. 39 показан набор С5 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей цанги, когда n=4 и K=6, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=11L.
s
b
На фиг. 40 показан набор D5 из шести профилей муфты и шести соответствующих профилей цанги, когда n=4 и K=8, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 41 показан набор В6 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля цанги, когда n=5 и K=3, причем профиль муфты характеризуется длиной L=9L.
s
b
На фиг. 42 показан набор С6 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей цанги, когда n=5 и K=5, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=HL.
s
b
На фиг. 43 показан набор D6 из пяти профилей муфты и пяти соответствующих профилей цанги, когда n=5 и K=7, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 44 показан набор С7 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей цанги, когда n=6 и K=4, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=11L.
s
b
На фиг. 45 показан набор D7 из четырех профилей муфты и четырех соответствующих профилей цанги, когда n=6 и K=6, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 46 показан набор С8 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля цанги, когда n=7 и K=3, причем профиль муфты характеризуется длиной L=11L.
s
b
На фиг. 47 показан набор D8 из трех профилей муфты и трех соответствующих профилей цанги, когда n=7 и K=5, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 48 показан набор D9 из двух профилей муфты и двух соответствующих профилей цанги, когда n=8 и K=4, причем профили муфты характеризуются одинаковой длиной L=13L.
s
b
На фиг. 49 показан набор D8 из одного профиля муфты и одного соответствующего профиля цанги, когда n=9 и K=3, причем профиль муфты характеризуется длиной L=13L.
b
b
b
b
В таблице 1 ниже кратко представлены наборы профилей, показанных на фиг. 22-49. Как можно увидеть, за счет ограничения длин профиля муфты до 7L, 9L, 11L и 13L, можно получить всего 122 профиля муфты и 122 соответствующих профиля цанги и использовать их для гидроразрыва пласта в скважине.
Согласно вариантам осуществления, в которых на колонне труб используется два или более золотниковых клапанов 100, характеризующихся вышеуказанными профилями муфты, порядок размещения профилей муфты должен быть следующим:
1
(a) золотниковые клапаны должны характеризоваться разными профилями муфты; другими словами, для любых двух золотниковых клапанов по меньшей мере одно из n, K и m отличается;
s
s
(b) золотниковые клапаны меньшей длины L должны быть расположены выше по стволу скважины, чем золотниковые клапаны большей длины L; другими словами, золотниковые клапаны с меньшим (n+K) расположены выше по стволу скважины, чем золотниковые клапаны с большим (n+K);
s
r
r
(c) что касается золотниковых клапанов одинаковой длины L, то те, у которых больше S, должны быть расположены выше по стволу скважины, чем те, у которых меньше S; другими словами, что касается золотниковых клапанов с одинаковым (n+K), те, у которых n больше, расположены выше по стволу скважины, чем те, у которых n меньше; и
1
(d) золотниковые клапаны, характеризующиеся одинаковым набором профилей, т.е. те, которые характеризуются одинаковым n и одинаковым K, но разными m могут быть расположены в любом порядке.
s
s
s
Другими словами, золотниковые клапаны с «низшей» буквой обозначения категории (например, «А»), т.е. золотниковые клапаны с меньшей длиной профиля муфты L должны быть расположены выше по стволу скважины, чем золотниковые клапаны с «высшей» буквой обозначения категории (например, «D»), т.е. те, у которых меньшая длина профиля муфты L. Что касается золотниковых клапанов с одинаковой буквой обозначения категории, т.е. характеризующихся одинаковой длиной профиля муфты L, то те, у которых меньше номер набора (например, «А1»), должны быть расположены ниже по стволу скважины, чем, у которых больше номер набора (например, «A3»). На фиг. 50 показан пример колонны труб (такой как обсадная колонна или колонна насосно-компрессорных труб), характеризующейся наличием множества золотниковых клапанов 100 с вышеописанной компоновкой.
b
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления, если t равно или близко 1, и канавки и соответствующие им гребни характеризуются максимальной разницей длин L, два «смежных» профиля муфты и цанги являются совместимыми.
То есть профиль цанги может быть размещен не только в соответствующем профиле муфты, но также в профиле муфты с той же буквой обозначения категории, тем же номером набора и «смежным» номером профиля (т.е. больше или меньше на 1). Например, профиль цанги С(А1-2), т.е. С[0, 6, 2], может входить в предыдущий и следующий профили муфты S(A1-1) и S(Al-2), т.е. S[0, 6, 1] и S[0, 6, 3], но не может входить в другие профили муфты в наборе профилей А1, например S(Al-4).
Другими словами, профиль цанги может входить в предыдущий и следующий профили муфты в одном и том же наборе профилей, но не может входить в другие профили муфты в том же наборе профилей. То есть профиль цанги C[n, K, i] может входить в профили муфты S[n, K, i+1] и S[n, K, i-1], но не может входить в другие профили муфты, т.е. профили муфты S[n, K, j], где j≠i, j≠i+1 и j≠i-1.
Таким образом, согласно вариантам осуществления, в которых t=1, и два или более золотниковых клапанов 100, характеризующихся такими профилями муфты, как показанные на фиг. 22 49, используются на колонне труб, порядок размещения профилей муфты должен быть следующим:
1
(a) золотниковые клапаны должны характеризоваться разными профилями муфты; другими словами, для любых двух золотниковых клапанов по меньшей мере одно из n, K и m отличается;
1
2
2
1
(b) в каждом наборе профилей не следует использовать два профиля муфты S[n, K, j] и S[n, K, j] на одной и той же колонне труб, если |j-j|≤1; другими словами, для любых двух золотниковых клапанов с одинаковым n и одинаковым K, разница между их m должна быть больше 1;
s
s
(c) золотниковые клапаны меньшей длины L должны быть расположены выше по стволу скважины, чем золотниковые клапаны большей длины L; другими словами, золотниковые клапаны с меньшим (n+K) расположены выше по стволу скважины, чем золотниковые клапаны с большим (n+K);
s
r
r
(d) что касается золотниковых клапанов одинаковой длины L, то те, у которых больше S, должны быть расположены выше по стволу скважины, чем те, у которых меньше S; другими словами, что касается золотниковых клапанов с одинаковым (n+K), те, у которых n больше, расположены выше по стволу скважины, чем те, у которых η меньше; и
1
(e) золотниковые клапаны, характеризующиеся одинаковым набором профилей, т.е. те, которые характеризуются одинаковым n и одинаковым K, но разными m, могут быть расположены в любом порядке.
Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления вышеописанные профили муфты и профили цанги могут быть соединены последовательно или каскадом с другими подходящими профилями для получения удлиненных профилей. Например, на фиг. 51 показан набор удлиненных профилей муфты и цанги, полученный посредством последовательного размещения одного и того же профиля 286 между профилем в наборе профилей А1 и стопорным кольцом 192. Как показано на фиг. 52, согласно некоторым вариантам осуществления один и тот же профиль 286 может быть расположен последовательно выше по стволу скважины относительно профилей в наборе А1 для получения удлиненных профилей.
Согласно некоторым вариантам осуществления профили в одном и том же наборе могут быть расположены последовательно с другими профилями для получения удлиненных профилей. Например, на фиг. 53 показаны профили набора А1, последовательно расположенные с первыми четырьмя профилями в наборе В2 для получения удлиненных профилей.
Согласно приведенным выше вариантам осуществления профиль муфты находится на внутренней поверхности корпуса 152 муфты, вследствие чего упорный заплечик 194 стопорного кольца 192 расположен ниже по стволу скважины относительно него. Согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления, например показанным на фиг. 54-56, профиль муфты содержит часть профиля на внутренней поверхности корпуса 152 муфты, как описано выше, и часть профиля на внутренней поверхности защитной муфты 154, вследствие чего упорный заплечик 194 стопорного кольца 192 находится в профиле муфты.
Соответственно, цанга 200 может характеризоваться профилем цанги, выступающим как на корпусе 152 муфты, так и на защитной муфте 154 для соответствия профилю муфты. Для обеспечения гладкого прохождения передней или расположенной ниже по стволу скважины части цанги 200 через стопорное кольцо 192, каждый выступ 292 на цанге 200, который соответствует профилю на защитной муфте 154, характеризуется тупым углом на своей расположенной ниже по стволу скважины стороне.
b
b
Профиль на защитной муфте 154 может характеризоваться любой подходящей формой и может быть объединен с корпусом 152 муфты любого подходящего профиля, например любого из показанных на фиг. 22-49. Например, на фиг. 54-57 изображена защитная муфта 154, характеризующаяся наличием канавки 294 длины 2L и объединенная с наборами профилей A1, B1, С1 и D1, которые показаны на фиг. 22-25 соответственно. Соответственно, профиль цанги 200 содержит выступ или гребень 292 длины L для соответствия канавке 294.
b
b
Согласно некоторым вариантам осуществления канавка 294 может характеризоваться другой подходящей длиной. Например, на фиг. 58-61 изображена защитная муфта 154, характеризующаяся наличием канавки 294 длины 3L и объединенная с наборами профилей A1, B1, С1 и D1, которые показаны на фиг. 22-25 соответственно. Соответственно, профиль цанги 200 содержит выступ или гребень 292 длины 2L для соответствия канавке 294.
Согласно некоторым вариантам осуществления профиль на защитной муфте 154 может содержать одну или более канавок и/или один или более гребней.
Согласно некоторым вариантам осуществления профиль на защитной муфте 154 может представлять собой профиль, выбранный из показанных на фиг. 22-49. Например, набор удлиненных профилей может быть получен за счет последовательного размещения профилей в наборе профилей А1 с первыми четырьмя профилями в наборе профилей В2, причем первые четыре профиля в наборе профилей В2 расположены ниже по стволу скважины относительно стопорного кольца 192 или на защитной муфте 154.
Как показано на фиг. 62, согласно некоторым альтернативным вариантам осуществления профиль муфты (такой как профиль муфты в наборе профилей А1) может быть расположен ниже по стволу скважины относительно стопорного кольца 192. Таким образом, упорный заплечик 194 расположен выше по стволу скважины относительно профиля муфты. Согласно этим вариантам осуществления каждый выступ на цанге 200 характеризуется тупым углом на своей расположенной ниже по стволу скважины стороне для обеспечения гладкого прохождения цанги 200 через стопорное кольцо 192.
Как описано и выше и показано на фиг. 15А и 15В, скользящая муфта 126 золотникового клапана 100 может быть приведена в движение давлением посредством шара 242 и цанги 200 в открытое положение для открывания отверстий для текучей среды для гидроразрыва пласта, причем лепестки 218 цанги 200 могут быть приведены в движение давлением для расширения радиально наружу, когда воздействует направленное вверх по стволу скважины давление жидкости и происходит сжатие цанги, когда профиль 212 цанги входит в зацепление с заплечиком 194 стопорного кольца 192, что приводит к расширению радиально наружу лепестков 218 для дополнительного зацепления скользящей муфты 106 в целях усиления зацепления и повышения сопротивления давлению. На фиг. 63A-63F более подробно показан расширяемый радиально наружу профиль 212 цанги.
Как показано на фиг. 63А, для простоты описания считается, что канавки 184А и 184 В муфты характеризуются одинаковым ВД, а гребни 222А и 222 В цанги характеризуются одинаковым НД.
sg1
sr
sg2
Глубина H расположенной выше по стволу скважины канавки 184А муфты измеряется радиально между ее самой наружной поверхностью (т.е. ее «низом») и ее самым внутренним расположенным выше по стволу скважины краем (т.е. ее расположенным выше по стволу скважины «верхним» краем). Высота H гребня 232 муфты измеряется радиально между ее самой внутренней поверхностью (т.е. ее «верхом») и ее самым наружным краем (т.е. ее «нижним» краем). Глубина H расположенной ниже по стволу скважины канавки 184В муфты измеряется радиально между ее самой наружной поверхностью и ее самым внутренним расположенным ниже по стволу скважины краем, который также является самым внутренним краем упорного заплечика 194.
cr1
cg
cr2
Аналогично, высота H расположенных выше по стволу скважины гребней 222А цанги измеряется радиально между их самой наружной поверхностью (т.е. их «верхом») и их самым внутренним расположенным выше по стволу скважины краем (т.е. их расположенным выше по стволу скважины «нижним» краем). Глубина H канавки 234 цанги измеряется радиально между ее самой внутренней поверхностью (т.е. ее «низом») и ее самым наружным краем (т.е. ее «верхним» краем). Высота H расположенных ниже по стволу скважины гребней 222 В цанги измеряется радиально между их самой наружной поверхностью (т.е. их «верхом») и их самым внутренним расположенным ниже по стволу скважины краем (т.е. их расположенным ниже по стволу скважины «нижним» краем).
cg1
sg2
sr
s
cr1
cr2
cr
s
cr
cg
cr
2
s
cr
cg
cr
2
Согласно некоторым вариантам осуществления, показанным на фиг. 63А-3С, H=H=H=H и H=H=H. Как показано на фиг. 63В, чтобы профиль 212 цанги мог расширяться радиально наружу, когда профиль 212 цанги входит в зацепление с профилем 182 муфты, необходимо, чтобы поддерживался зазор между каждой из канавок 184А и 184В муфты и канавкой 234 цанги и каждым из соответствующих гребней 222А и 222 В цанги и гребнем 232 муфты. Другими словами, H-H>0, H-H>0 и ε>0. Таким образом, согласно этим вариантам осуществления H>H, H>H и ε>0.
sg1
sg2
sr
s
cr1
cr2
cr
s
cr
cg
cr
2
s
cr
cg
cr
cg
cr
s
cr
2
cg
s
cr
2
cg
s
cr
2
Согласно некоторым вариантам осуществления, в которых H=H=H=Hи H=H=H, и канавка 234 цанги расположена вокруг продольного центра профиля 212 цанги, канавка 234 цанги является самой расширенной частью, когда лепестки 218 расширяются или сгибаются радиально наружу (см. фиг. 63С). Согласно этим вариантам осуществления необходимо, чтобы H>H, H>H и ε>0. Предпочтительно, чтобы зазор между канавкой 232 цанги и гребнем 232 муфты превышал или был равен зазору между канавкой 184А/184 В муфты и соответствующим гребнем 222А/222 В цанги. Другими словами H-H>0, H-H>0, H-H≥H-H и ε>0. Таким образом, согласно этим вариантам осуществления H>H>H и ε>0. Согласно некоторым вариантам осуществления предпочтительно, чтобы H=H>H и ε>0, вследствие чего, когда профиль 212 цанги расширяется радиально наружу в профиле 182 муфты, гребень 234 цанги может полностью входить в зацепление с гребнем 232 муфты и зазор между ними исключен.
Как показано на фиг. 63В и 63С, после того как цанга 200 входит в зацепление со скользящей муфтой 106, дополнительное давление из положения выше по стволу скважины может переместить цангу 200 ниже по стволу скважины, что заставляет лепестки 218 расширяться или сгибаться радиально наружу, и дополнительно и в большей степени входить в сопрягаемое зацепление со скользящей муфтой 106.
sg1
sr
s
sg2
s
cr1
cr2
cr
Согласно некоторым вариантам осуществления, показанным на фиг. 63D-63F, глубина расположенной выше по стволу скважины канавки 184А муфты такая же, как высота гребня 232 муфты. Однако расположенная ниже по стволу скважины канавка 184 В муфты характеризуется глубиной, которая больше глубины расположенной выше по стволу скважины канавки 184А муфты. То есть H=H=H и H>H. Высоты гребней 222А и 222В цанги и глубина канавки 234 цанги одинаковы. То есть H=H=H.
сд
sg2
cr-
s
sg2
cr
2
Как показано на фиг. 63Е, согласно этим вариантам осуществления Н+H-HH>0, H-H>0 и ε>0, чтобы профиль 212 цанги мог расширяться радиально наружу, когда профиль 212 цанги входит в зацепление с профилем 182 муфты.
sgl
sr
s
sg2
s
cr1
cr2
cr
Согласно некоторым вариантам осуществления, в которых H=H=H, H>H, H=H=H, и канавка 234 цанги расположена вокруг продольного центра профиля 212 цанги, канавка 234 цанги является самой расширенной частью, когда лепестки 218 расширяются радиально наружу (см. фиг. 63Е).
cg
sg2
cr
s
sg2
cr
2
cg
sg2
cr
s
sg2
cr.
sg2
cr
cg
s
2
sg2
cr
cg
s
2
Согласно этим вариантам осуществления H+H-H-H>0, H-H>0 и ε>0. Предпочтительно, чтобы зазор между канавкой 232 цанги и гребнем 232 муфты превышал или был равен зазору между канавкой 184А/184В муфты и соответствующим гребнем 222А/222В цанги. Другими словами H+H-H-H≥H-HТаким образом, согласно этим вариантам осуществления H>H, H≥H и ε>0. Согласно некоторым вариантам осуществления предпочтительно, чтобы H>H, H=H и ε>0, вследствие чего, когда профиль 212 цанги расширяется радиально наружу в профиле 182 муфты, гребень 234 цанги может полностью входить в зацепление с гребнем 232 муфты и зазор между ними исключен.
Хотя выше были описаны варианты осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в них могут быть внесены варианты и модификации без отхода от объема настоящего изобретения.
Для полного определения настоящего изобретения и его объема следует обратиться к краткому описанию изобретения и приложенной формуле изобретения, изложенными и рассматриваемыми вместе с подробным описанием и чертежами, приведенными в настоящем документе, для их целенаправленной интерпретации.