УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ РАСШИРЯЕМОЙ ВНУТРЕННЕЙ ОБЛИЦОВКИ С КОНТРОЛЕМ УСТАНОВОЧНОГО ДИАМЕТРА ПО МЕРЕ ПРОДВИЖЕНИЯ
DEVICE FOR INSTALLATION OF EXPANDABLE INTERNAL LINING WITH INCREMENTAL CONTROL OF SETTING DIAMETER

Изобретение относится к устройствам для установки расширяемой внутренней облицовки в скважине или трубопроводе с контролем установочного диаметра по мере продвижения вниз.
Данное устройство относится к области установки внутренней облицовки в скважине или трубопроводе, например в обсадной колонне скважины, часть которой подлежит обработке с целью обеспечения герметичности, в частности, при ее ремонте и/или тампонировании.
Данное изобретение относится, в частности, к области добычи нефти или отбора воды.
Например, в области отбора воды пробуренные в грунте водосборные скважины, как правило, включают в себя непрерывную внутреннюю облицовку или обсадную колонну, выполненную в виде последовательности сравнительно коротких (порядка от 6 м до 12 м) цилиндрических стальных труб, соединенных торцами друг к другу посредством сварки. С помощью такой обсадной колонны, после того как она будет зацементирована, т.е. будет заполнено цементным раствором затрубное пространство между обсадной колонной и стенкой скважины, можно получить герметизацию по всей глубине ствола скважины, что необходимо для ликвидации возможности перетекания флюидов из одного почвенного горизонта в другой и загрязнения добываемой жидкости.
Со временем происходит так, что какая-то часть скважины или даже полностью скважина начинает нуждаться в повторной герметизации, например, в результате преждевременного износа и/или коррозии, или когда становится необходимо закрыть перфорационные отверстия, предназначенные для поступления воды внутрь обсадной колонны, например, когда они начинают пропускать нежелательные флюиды.
С этой целью внутрь обсадной колонны устанавливают внутреннюю облицовку немного меньшего диаметра и требуемой длины, называемую ремонтной накладкой обсадной колонны.
Ремонтная накладка обсадной колонны закрывает область, которую требуется загерметизировать.
Она крепится к внутренней поверхности обсадной колонны либо с помощью цементирования, либо посредством радиального расширения, которое заставляет материал расширяться выше предела его упругой деформации таким образом, что внешняя поверхность ремонтной накладки разглаживается и входит в непосредственный контакт с внутренней поверхностью обсадной колонны.
Такое расширение обычно достигается с помощью расширителя, называемого жестким "конусом", таким как оправка (в частности, вращающаяся оправка) с вращающимися валиками или периферическими пальцами, которые могут выдвигаться радиально наружу, или с помощью инструмента типа надувной камеры, называемого пакером, с гибкой и упруго-деформируемой трубчатой мембраной (выполняемой из резины или эластомера).
Современный уровень развития техники в данной области можно проиллюстрировать с помощью технического документа от 30 июня 2000 г. Австралийской корпорации IPI (Inflatable Packers International Pty Ltd.) под названием "Установка новых компактных хвостовиков", а также с помощью заявки на патент ЕР-А 1657365.
Данное устройство работает "поэтапно", последовательно осуществляя этапы надувания пакера, расширения секции ремонтной накладки, стравливания давления из пакера, перемещения сдутого пакера на один шаг в осевом направлении, снова производя надувание пакера, вызывающее расширение следующей секции ремонтной накладки, и т.д., по всей длине ремонтной накладки.
После этого сдутое пакерное устройство извлекается в осевом направлении.
Основной задачей настоящего изобретения является усовершенствование существующих технических решений с помощью устройства, обеспечивающего более высокий уровень качества выполняемой работы, т.е. за счет предупреждения продвижения устройства до момента, пока предыдущий этап расширения не будет должным образом завершен (иными словами при неполном или неравномерном расширении ремонтной накладки).
Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности спуска и установки ремонтной накладки в требуемом месте скважины или трубопровода непосредственно на месте, подлежащем ремонту, когда давление в пакере стравлено или имеется невысокое давление.
В соответствии с известной технологией ремонтная накладка в процессе ее установки в требуемое положение удерживается сцеплением, за счет предварительного незначительного повышения давления в пакере. Следовательно, мембрана пакера должна служить опорой для веса ремонтной накладки во время ее спуска в скважину. В настоящее время данный вес является сравнительно высоким.
Например, вес стальной цилиндрической ремонтной накладки длиной 12 м с внешним диаметром 200 мм и толщиной стенки 4 мм составляет порядка 250 кг.
Таким образом, при ее удержании пакером на его мембрану воздействует существенная осевая сила, требующая обеспечения технически соответствующей и дорогостоящей конструкции, в то время как пакер, по своей сути, предназначен для создания не поддерживающих осевых сил, а радиальных сил.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание устройства, позволяющего обеспечить поддержку ремонтной накладки в процессе ее спуска в осевом направлении и установки в требуемое положение в скважине или трубопроводе независимо от пакера, функция которого, таким образом, будет ограничена радиальным расширением ремонтной накладки, после того как она будет установлена в требуемое положение.
Но, кроме этого, авторам изобретения необходимо было позаботиться о возможности извлечения данного поддерживающего устройства в случае возникновения проблемы, даже если это устройство расположено под ремонтной накладкой.
Действительно важно, чтобы никакие механические элементы не падали на забой скважины и не могли остаться заблокированными под ремонтной накладкой или внутри нее, поскольку это может воспрепятствовать проведению последующих операций и/или поставить под угрозу дальнейшую полноценную эксплуатацию скважины.
Таким образом, объектом данного изобретения является устройство для установки расширяемой внутренней облицовки в скважине или трубопроводе, например внутри обсадной колонны, часть которой необходимо отремонтировать и/или затампонировать, с помощью металлической трубной облицовки или ремонтной накладки, исходный диаметр которой меньше диаметра скважины или трубопровода и которая деформируется посредством радиального расширения выше предела упругой деформации таким образом, что она входит в жесткий и плотный контакт со стенкой скважины или трубопровода, причем данное устройство содержит расположенный внутри ремонтной накладки расширитель, который может перемещаться в осевом направлении от одного торца ремонтной накладки до другого ее края и способен осуществлять постепенное радиальное расширение ремонтной накладки по всей ее длине.
Отличительной особенностью данного устройства является то, что оно снабжено контрольным элементом, устанавливаемым вблизи расширителя, непосредственно в задней его части, если смотреть по направлению его перемещения, и секция которого откалибрована таким образом, что контрольный элемент может свободно проходить внутрь ремонтной накладки, когда она расширена должным образом, следуя в данном случае за перемещением инструмента, и наоборот, не может пройти внутрь ремонтной накладки, когда она расширена недостаточно, что обеспечивает блокировку дальнейшего продвижения инструмента.
Таким образом, в случае прерывания продвижения контрольного элемента оператор немедленно получает информацию о возникновении проблемы и может предпринять действия по ее устранению в зависимости от ситуации, вместо того чтобы продолжать работать некорректным образом.
Например, он/она могут поднять расширитель на один-два шага вверх и предпринять операцию расширения снова с целью "повторного расширения" области, вызывающей блокирование.
Если нарушение не устраняется, можно поднять устройство на устье, чтобы произвести его проверку.
Другие преимущества и неограничивающие характеристики предлагаемого устройства включают следующее:
- Указанный контрольный элемент имеет дисковидную, конусную или двухконусную форму с максимальным калиброванным диаметром Ф;
- Указанный диаметр Ф больше, чем исходный внутренний диаметр ремонтной накладки обсадной колонны, и немного меньше внутреннего диаметра уже расширенной ремонтной накладки;
- Указанный контрольный элемент снабжен отверстиями, предотвращающими поршневание и имеющими преимущественно осевое направление;
- Указанный контрольный элемент имеет регулируемый диаметр, его конструкция допускает втягивание в радиальном направлении, чтобы, при необходимости, он мог пройти через нерасширенную часть ремонтной накладки;
- Расширитель представляет собой надувную камеру, или "пакер";
- Указанный пакер работает "поэтапно", последовательно выполняя фазы нагнетания давления - стравливания давления - перемещения;
- Указанный пакер включает в себя опорный элемент, взаимодействующий с дальней кромкой ремонтной накладки для обеспечения поддержки ремонтной накладки в процессе ее установки;
- Указанный опорный элемент обеспечивает также центрирование дальнего торца ремонтной накладки;
- Указанный опорный элемент снабжен втяжными опорными пальцами, втягивание которых дает возможность устройству войти внутрь ремонтной накладки, даже если данная секция ремонтной накладки еще не расширена должным образом;
- Указанный опорный элемент соединен с пакером посредством соединительной системы, обеспечивающей возможность втягивания вышеуказанных опорных пальцев, в случае, если действующее на нее растягивающее усилие превышает заданное предельно допустимое значение;
- Указанная соединительная система содержит предохранительные штифты с точно заданной механической прочностью;
- Указанные выше контрольный элемент, пакер и опорный элемент установлены на общем управляющем валу.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут очевидны после ознакомления с нижеследующим подробным описанием одного из возможных вариантов осуществления изобретения.
В описании изобретения делаются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
- Фиг.1 - продольный осевой разрез предлагаемого устройства, спущенного в скважину, перед началом операции установки внутренней облицовки;
- Фиг.2 - вид, аналогичный предыдущему, устройство изображено в процессе операции установки внутренней облицовки;
- Фиг.3 - продольный осевой разрез (детальное изображение) опорного элемента, поддерживающего ремонтную накладку, с опорными пальцами в выдвинутом положении;
- Фиг.4 - вид, аналогичный представленному на Фиг.3, опорные пальцы во втянутом положении, устройство извлекается.
На прилагаемой Фиг.1 буквой С обозначена стенка ствола скважины или трубопровода, который в данном случае является вертикальным.
Данная ситуация не является обязательной: скважина (или трубопровод) могут быть наклонными или даже горизонтальными и необязательно прямолинейными.
В дальнейшем в описании данного изобретения мы будем придерживаться следующей терминологии: термин "ближний" будет служить для обозначения элементов, расположенных ближе к устью скважины, а термин "дальний" - для обозначения элементов, расположенных ближе к забою скважины.
Стенка С скважины является цилиндрической, диаметр ствола скважины равен D.
Позицией 1 обозначено расширяемая внутренняя облицовка (или ремонтная накладка обсадной колонны), представляющая собой металлическую трубу цилиндрической формы с внешним диаметром d и толщиной стенки е. Металл, из которого изготовлена ремонтная накладка, должен быть механически прочным и коррозионно-устойчивым, а также достаточно пластичным, чтобы накладка могла должным образом расширяться.
Позицией 2 обозначается расширительный инструмент (пакер), который в данном случае представляет собой надувную цилиндрическую камеру с дальней и ближней торцевыми крышками (3а и 3b соответственно). Данные торцевые крышки закрываются и удерживают края надувной мембраны.
Пакер 2 установлен на полом управляющем валу 4.
В соответствии с известной технологией в него подается техническая жидкость под высоким давлением, соответствующим требуемой степени деформации (которая в значительной степени зависит от качества металла ремонтной накладки, толщины ее стенки и от разности D-d).
По меньшей мере одна из торцевых крышек, предпочтительно дальняя торцевая крышка 3a, является подвижной и может свободно скользить по валу 4. Таким образом, она может переместиться ближе к ближней торцевой крышке 3b для обеспечения компенсации уменьшения длины пакера по оси при его надувании.
Непосредственно над торцевой крышкой 3b установлен контрольный элемент 5, также находящийся на валу 4 и закрепленный на нем неподвижно.
Данный контрольный элемент имеет форму горизонтального диска, предпочтительно со скошенными горизонтальными поверхностями и/или закругленными кромками, облегчающими его вхождение внутрь и скольжение по внутренней поверхности расширенной ремонтной накладки.
В контрольном элементе выполнено несколько осевых отверстий 50 с целью предотвращения эффекта «поршневания», который может затруднять его перемещение в скважине в случае, если она заполнена жидкостью.
Согласно отличительному признаку изобретения максимальный диаметр Ф контрольного элемента больше, чем исходный диаметр d ремонтной накладки и незначительно меньше внутреннего диаметра D-2е уже расширенной ремонтной накладки.
Позицией 6 обозначается опорный элемент ремонтной накладки 1.
Данный опорный элемент крепится на дальней крае вала 4 с помощью специальной соединительной системы 40, изображенной в виде прямоугольника с диагоналями, работа которой будет описана ниже со ссылками на Фиг.3 и 4.
Опорный элемент 6 снабжен несколькими радиальными опорными пальцами 7, выполняющими функцию опоры для нижнего края ремонтной накладки. Диаметр цилиндрической стенки 60 вышеупомянутого опорного элемента равен (с возможными небольшими отклонениями) внутреннему диаметру (d-2е) ремонтной накладки 1.
Таким образом, опорный элемент 6 обеспечивает центрирование ремонтной накладки 1 вдоль продольной оси ствола скважины или трубопровода, в то же время поддерживая данную накладку с помощью опорных пальцев 7.
Рассмотрим перемещение предлагаемого устройства сверху вниз с ремонтной накладкой, находящейся внутри ствола скважины или трубопровода. Из рассмотрения Фиг.1 становится ясно, что спуск данного устройства может быть произведен, когда давление в пакере 2 стравлено, т.е. его мембрана не находится в контакте с внутренней поверхностью ремонтной накладки; вес ремонтной накладки приходится на опорные пальцы 7.
Однако в некоторых случаях бывает целесообразно слегка надуть пакер, чтобы обеспечить надежную неподвижность ремонтной накладки относительно устанавливающего устройства.
Когда устройство должным образом установлено и находится напротив секции С стенки скважины, процесс продолжается известным образом посредством деформации ремонтной накладки 1 методом радиального расширения, поэтапно, сверху вниз, путем последовательного надувания/стравливания давления/продвижения пакера, как было описано выше.
После выполнения первого этапа, т.е. когда верхняя часть ремонтной накладки расширена и прочно прижата к стенке С, ремонтная накладка сама удерживается на данном уровне, так что дальнейшее снижение поддерживающих устройств 6/7, движущихся вниз совместно с валом, на котором они установлены, и, естественно, отделяющихся от нижней кромки ремонтной накладки, не является проблемой.
На других рабочих этапах, при перемещении сверху вниз, дисковидный контрольный элемент 5 входит с небольшим зазором внутрь только что расширенной секции 10 ремонтной накладки 1, поскольку его диаметр откалиброван для этого. Этот процесс становится понятен, если мы рассмотрим Фиг.2.
И напротив, если расширение данной секции ремонтной накладки является неправильным (форма накладки нецилиндрическая) или недостаточным, контрольный элемент 5 не может пройти внутрь, и спуск устройства, таким образом, блокируется.
В общем случае это означает проблему в работе укладывающего устройства.
В описанной ситуации может потребоваться извлечь устройство (при стравленном давлении в пакере), чтобы произвести его ремонт или замену.
Но оператор сначала (и предпочтительно) попробует поднять устройство на один-два шага вверх и предпринять операцию расширения снова с целью "повторного расширения" области, вызывающей блокирование.
В случае принятия решения об извлечении инструмента, извлечение осуществляется путем вытягивания вверх вала 4.
Но это подразумевает, что опорный элемент 6 также может перемещаться вверх, входя при этом в еще нерасширенную секцию 11 ремонтной накладки 1. Таким образом, это подразумевает возможность втягивания опорных пальцев 7, поскольку диаметр огибающей их окружности равен d или близок к d, и, следовательно, больше, чем внутренний диаметр d-2е данной секции 11.
На Фиг.3 и 4 схематично показано, как это осуществляется.
Опорный элемент 6 представляет собой массивный корпус с цилиндрической стенкой 60 и дальней и ближней торцовыми поверхностями (60а и 60b соответственно) в форме усеченного конуса (образующими фаски, служащие для облегчения позиционирования и ограничения трения). Он включает в себя ряд опорных пальцев 7, равномерно распределенных по окружности и способных перемещаться вдоль своей собственной оси (т.е. перпендикулярно оси вышеупомянутого цилиндрического корпуса). Например, устройство может содержать четыре опорных пальца, расположенных под углом 90° друг к другу, или шесть пальцев, расположенных под углом 60°.
Данные опорные пальцы установлены в специально предусмотренных приемных отверстиях 62, выполненных в корпусе 6. Указанные опорные пальцы имеют выпуклую головку 71 (обращенную внутрь корпуса 6) и выполненный в форме усеченного конуса противоположный конец 70, при обычной работе выступающий из корпуса 6 для удержания нижней кромки ремонтной накладки, как показано на Фиг.3. Удерживаются опорные пальцы 7 в таком выступающем положении цилиндрической стенкой вала 4, диаметр которого специально подобран для этого; прижимаются пальцы 7 к поверхности вала 4 небольшими возвратными пружинами 70, которые, воздействуя на головку 71, стремятся задвинуть пальцы внутрь корпуса 6, т.е. втянуть их.
Следует отметить также, что секция 9 нижнего (дальнего) конца вала 4 выполнена с меньшим диаметром, чем основная часть вала, удерживающая опорные пальцы в выдвинутом (рабочем) положении (см. Фиг.3); разность между двумя вышеупомянутыми диаметрами вала составляет немного более 2е. В исходном положении (см. Фиг.3) головки 71 упираются в часть вала 4, имеющую большой диаметр, но немного выше переходной области с вышеупомянутой секцией 9 уменьшенного диаметра.
На валу 4 выполнен кольцеобразный фланец 41, выполняющий функцию выступа для основания ближней (верхней) выполненной в форме усеченного конуса торцовой поверхности 60b корпуса 6. Таким образом, осевые силы, прилагаемые к валу 4, передаются на корпус 6 сверху вниз через данный опорный фланец.
Вал 4 имеет еще один кольцеобразный фланец, расположенный ниже вышеупомянутого фланца 41, находящийся внутри цилиндрической полости 61, выполненной аксиально внутри корпуса 6.
Часть вала 4, находящаяся между фланцами 41 и 43, обозначена цифрой 42.
Во фланце 43 выполнены небольшие радиальные отверстия 63, например два отверстия, расположенные диаметрально напротив друг друга (т.е. соосные), или четыре отверстия, расположенные равномерно под углом 90° друг к другу. В каждом упомянутом отверстии 43 находится металлический штифт 8, выполненный в виде небольшого стержня с головкой, который может полностью входить в находящееся напротив него отверстие, предусмотренное в корпусе 6.
Стержень данных штифтов 8 имеет калиброванную секцию, чтобы он мог выдерживать заданное срезающее усилие и ломался при превышении данного усилия (предохранительные штифты).
Цилиндрическая полость 61 имеет определенную длину по оси, на которой, при срезании указанных штифтов, фланец 43 может перемещаться снизу вверх пока не упрется в верхнюю поверхность 610 указанной цилиндрической полости 61.
В обычном исходном положении (см. Фиг.3) фланец 43, наоборот, упирается в нижнюю поверхность 611 цилиндрической полости 61.
Следует отметить, что длина конечной секции 9 вала 4 немного больше возможной длины перемещения фланца 43 в полости 61.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Во время работы все элементы данного устройства находятся в положении, показанном на Фиг.3, т.е. опорные пальцы 7 выдвинуты и поддерживают ремонтную накладку при ее спуске вниз в скважину или трубопровод.
Направленное сверху вниз усилие, действующее на управляющий вал 4, передается непосредственно на опорный элемент 6 через фланец 41.
Прочность предохранительных штифтов достаточна, чтобы они не сломались, если в процессе работы возникнет преждевременная растягивающая нагрузка, которая может возникнуть, например, под действием вибрации или выталкивающей силы, воздействующей на элемент 6 в случае, если скважина или трубопровод заполнены жидкостью.
При возникновении осложнения в работе, типа описанного выше, когда ремонтная накладка недостаточно расширена, производится извлечение устройства, при котором осуществляется вытягивание вала 4 вверх, схематично обозначенное стрелкой F на Фиг.4.
При этом корпус 6 перемещается вверх до тех пор, пока опорные пальцы 7, находящиеся в выдвинутом положении, не войдут в контакт с нижней кромкой нерасширенной секции 11 ремонтной накладки.
В этот момент происходит остановка дальнейшего перемещения вверх, в результате чего на штифтах 8 возникают усилия, достаточные для срезания их у основания головки 8, которая остается в корпусе 6.
Управляющий вал 4, таким образом, отделяется от корпуса 6 и может перемещаться вверх, в то время как корпус 6 остается неподвижным, поскольку опорные пальцы 7 упираются в нижнюю кромку ремонтной накладки
Фланец 43 с находящимися в нем стержнями 8” срезанных штифтов при этом перемещается вверх по оси внутри цилиндрической полости 61 до тех пор, пока не упрется в верхнюю поверхность 610.
Во время данного перемещения концевая секция 9 малого диаметра также поднимается вверх и встает напротив опорных пальцев 7, которые при этом задвигаются внутрь (в направлении стрелок j) под действием возвратных пружин 70 и занимают втянутое положение, при котором диаметр окружности их торцов меньше внутреннего диаметра нерасширенной секции 11 ремонтной накладки.
Вследствие этого, становится возможным вхождение устройства вовнутрь и его можно извлечь.
Использование опорных элементов не является обязательным.
Можно обойтись и без них при условии, что пакер снабжен устройством для удержания собственного веса при спуске, а также при работе в горизонтальной или наклонной скважине, когда проблемы влияния веса не существует, или она не является столь важной.
Что касается направления перемещения пакера в вертикальной скважине, представленной на прилагаемых чертежах, здесь существуют два решения:
- Перемещение пакера сверху вниз посредством толкания вала, на котором установлен пакер;
- Путем вытаскивания данного вала в направлении снизу вверх.
Однако предпочтительным является первое техническое решение (перемещение сверху вниз).
Его преимущество заключается в том, что устройство можно легко извлечь при возникновении проблемы в процессе установки ремонтной накладки, например в результате разрыва или неожиданной деформации пакера. Действительно, поскольку в данном случае расширенной является верхняя часть ремонтной накладки, устройству легче выйти из этой расширенной секции, чем из нерасширенной (как будет в случае проведения операции расширения в направлении снизу вверх).
Исключительно в качестве рекомендации ниже мы приводим предпочтительные значения некоторых параметров для предлагаемого изобретения:
Диаметры:
D=165 мм;
d=140 мм.
Длина ремонтной накладки = 12 м;
Толщина стенки е=6 мм;
Рабочая длина пакера (= длина 1 шага) = 1 м;
Давление, создаваемое в пакере для радиального расширения ремонтной накладки, = 500 бар (50 МПа);
Осевое растягивающее усилие, при котором происходит срезания предохранительных штифтов, = 1 тонна.