КРЕПЕЖНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ
TOOLING TO BE USED IN BOREHOLE

Предпочтительное создание изобретения
Многие виды механических операций осуществляют при обслуживании и оптимизации эксплуатации скважин. Выполнение некоторых из этих операций требует приложения аксиальных усилий к устройству, размещенному в забое скважины в снаряде для заканчивания. Например, запорная арматура, размещенная в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне, может быть открыта или закрыта путем проталкивания или подъема внутренней детали. В других примерах аксиальные усилия используют при извлечении заглушки или газового вентиля и в различных ловильных операциях.
Для облегчения операции проталкивания или подъема скважинный снаряд закрепляют в конкретном месте в стволе скважины с помощью крепежного устройства. Например, во многих снарядах для закачивания используют якорные плашки, выдерживающие большие усилия. Однако якорные плашки ограничивают радиальное расширение относительно корпуса инструмента. Другие крепежные устройства используют захваты, проходящие от корпуса инструмента в соответствующую деталь желобка в колонне закачивания. Подобные устройства также могут выдерживать большие усилия, но требуют использования специальных крепежных желобков в определенных местах внутри колонны закачивания.
В различных операциях применяют инструменты, спускаемые в скважину на тросе, которые должны быть закреплены внутри насосно-компрессорной трубы в выбранных местах. Во многих применениях крепление инструмента, спускаемого в скважину на тросе, также требует значительного радиального развертывания крепежных механизмов. Были предприняты попытки создания подходящих крепежных механизмов путем встраивания плунжеров, которые можно перемещать в радиальном направлении наружу из корпуса инструмента для зацепления с внутренней поверхностью скважины. В других системах применялись различные соединения, расширяемые до окружающей трубы. Однако существующие конструкции характеризуются большой сложностью или имеют другие недостатки, ограничивающие их пригодность для конкретных применений.
Сущность изобретения
В целом настоящее изобретение касается устройства и способа крепления инструмента в стволе скважины. Один или несколько рычагов могут быть установлены на конструкции для поворотного перемещения между радиально внутренним положением и радиально наружным положением, которое крепит инструмент к окружающей стенке. Элемент отклоняющего клина предназначен для зацепления с рычагом или рычагами. При относительном аксиальном перемещении между элементом отклоняющего клина и одним или более рычагами, рычаги поворачиваются в требуемое положение в радиальном направлении.
Краткое описание чертежей
Некоторые варианты осуществления изобретения будут описаны далее со ссылкой на приложенные чертежи, на которых подобными ссылочными позициями обозначены подобные элементы и показано следующее:
фиг.1 представляет собой схематичный вид спереди крепежного устройства, развернутого в стволе скважины, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет собой частичный вид крепежного инструмента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 представляет собой вид, подобный виду на фиг.2, с изображением крепежного инструмента в радиально развернутой конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 представляет собой вид в разрезе примера крепежного инструмента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 представляет собой вид, подобный представленному на фиг.4, с изображением крепежного инструмента в развернутой конфигурации согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 представляет собой изометрический вид крепежного инструмента со множеством рычагов, радиально проходящих от корпуса крепежного инструмента, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 представляет собой вид, подобный виду, представленному на фиг.6, с изображением множества рычагов в радиально отведенном положении, при котором рычаги расположены в выемке корпуса крепежного инструмента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8 представляет собой изометрический вид другого примера крепежного инструмента согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.9 представляет собой вид, подобный виду, представленному на фиг.8, с изображением крепежного инструмента в радиально отведенном положении согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.10 представляет собой изометрический вид участка крепежного инструмента, показанного на фиг.8, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
В нижеследующем описании изложены многочисленные подробности для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено на практике без этих подробностей, при этом возможны многочисленные изменения или модификации на основании описанных вариантов осуществления изобретения.
Настоящее изобретение в целом относится к устройству и способу крепления инструмента в стволе скважины. Инструмент может быть закреплен внутри трубы, такой как обсадная колонна или внутренняя насосно-компрессорная труба, в любом соответствующем/требуемом месте расположения вдоль насосно-компрессорной трубы. В некоторых применениях инструмент также может быть закреплен в необсаженной скважине. В других применениях инструмент может быть закреплен внутри другого инструмента или устройства, например, клапана закачивания. Устройство и способ применимы для множества инструментов, относящихся к скважине, таким как инструменты, спускаемые в скважину на тросе. Например, крепежное устройство может быть использовано для прочного закрепления инструмента, спускаемого в скважину на тросе, в стволе скважине таким образом, данный инструмент мог приложить аксиальное усилие, требуемое для осуществления заданной операции.
Крепежное устройство сконструировано для обеспечения значительного выдвижения и отведения крепежного инструмента. Значительное радиальное изменение позволяет крепежному инструменту пройти через сужения в насосно-компрессорной колонне, например, во время обеспечения крепления в более широкой секции под сужением. Дополнительно, устройство позволяет произвести крепление в бесструктурных насосно-компрессорных колоннах различных диаметров. Однако даже хотя крепежный инструмент имеет большое отношение при открытии плашек противовыбросовых превенторов, инструмент обеспечивает значительную высокую прочность крепления.
В целом крепежный инструмент действует за счет выдвижения одного или несколько крепежных рычагов в направлении от корпуса или тела до установления контакта с поверхностью крепления. Каждый рычаг прикладывает радиальное усилие к поверхности крепления для создания значительной силы сцепления, которая закрепляет инструмент на месте. Поверхность крепления может быть внутренней поверхностью трубчатой конструкции, такой как эксплуатационная насосно-компрессорная колонна, обсадная колонна, трубопровод, необсаженная скважина или другая конструкция. Внутренняя поверхность часто является цилиндрической по форме, но она также может иметь более сложную геометрию, например треугольную, прямоугольную или другие формы внутри конструкций забоя скважины. Как описано более подробно ниже, каждый крепежный рычаг выдвигается наружу посредством взаимодействия с элементом отклоняющего клина, содержащим одну или несколько деталей отклоняющего клина, которые противодействуют рычагам при приведении в действие крепежного устройства. Элемент отклоняющего клина дополнительно удерживает рычаги при их зацеплении с поверхностью крепления, когда инструмент находится в конфигурации крепления. Каждый крепежный рычаг выдвигается, вызывая относительное перемещение между крепежным рычагом и элементом отклоняющего клина в одном направлении, при этом каждый крепежный рычаг закрывается/отворяется или может закрыться, вызывая относительное перемещение в другом, например, противоположном направлении.
На фиг.1 показан один вариант осуществления скважинной системы 20, содержащей крепежное устройство 24, имеющее крепежный инструмент 26. В этом варианте осуществления изобретения крепежный инструмент 26 соединен со скважинным снарядом 28, который может иметь разнообразные формы в зависимости от конкретного применения в скважине, в которой используются скважинный снаряд 28 и крепежный инструмент 26. Например, скважинный снаряд 28 может содержать инструмент, спускаемый на тросе, для осуществления различных погружных операций. Скважинный снаряд 28 может содержать инструмент заканчивания скважины, буровой снаряд, забойный блок обработки или другие разнообразные инструменты, разворачиваемые внутри скважины для осуществления требуемых операций.
В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения крепежный инструмент 26 и скважинный снаряд 28 разворачивают в стволе 30 скважины, внутри трубы 32, которая может содержать снаряд для заканчивания скважины, обсадную колонну, эксплуатационную насосно-компрессорную колонну или другую внутрискважинную конструкцию. Средство 34 транспортировки, такое как канат, используют для развертывания крепежного инструмента 26 и скважинного снаряда 28 в стволе 30 скважины с позиции 36 на поверхности скважины. Однако другие виды средств транспортировки, например гибкие насосно-компрессорные трубы, наматываемые на барабан, или соединенная скважинная колонна труб, также могут быть использованы, чтобы развернуть крепежный инструмент и скважинный снаряд.
Крепежный инструмент 26 содержит конструкцию 38 и один или несколько крепежных рычагов 40, которые перемещаются относительно конструкции 38 между радиально отведенным положением и радиально выдвинутым положением крепления. На фиг.2 показан участок крепежного инструмента 26 по одному варианту осуществления изобретения, как имеющий множество рычагов 40, расположенных в радиально отведенном или закрытом положении для обеспечения перемещения крепежного инструмента 26 вниз через трубу 32 и через возможные области сужений. В показанном варианте конструкция 38 содержит корпус 42, имеющий отверстия или выемки 44, при этом каждое отверстие или выемка 44 имеет такие размеры, чтобы принимать внутрь соответствующий крепежный рычаг 40. Когда рычаги 40 находятся в радиально отведенном/закрытом положении, они расположены внутри корпуса 42 инструмента. Удержание крепежных рычагов 40 приводит к тому, что рычаги не ограничивают способность крепежного инструмента 26 проходить через сужения, а также предотвращает рычаги от зацепления или подвешивания инструмента 26 на деталях во время развертывания или извлечения крепежного инструмента. В качестве примера, корпус 42 может быть цилиндрическим корпусом. Хотя показано множество рычагов 40, крепежный инструмент 26 может быть выполнен с единственным крепежным рычагом или многочисленными крепежными рычагами.
Во время приведения крепежного инструмента 26 в положение крепления, рычаги 40 перемещаются радиально наружу относительно конструкции 38/корпуса 42, как показано на фиг.3. В показанном варианте рычаги 40 поворачиваются радиально наружу в конфигурацию крепления. Каждый рычаг 40 содержит поворотный конец 46, который может быть установлен с возможностью поворота с помощью поворотного пальца 47 на поворотном основании 48. Поскольку рычаги 40 поворачиваются, конец 50 зацепления перемещается между отведенной конфигурацией (фиг.2) и выдвинутой конфигурацией крепления (фиг.3). На концах 50 зацепления, крепежные рычаги 40 могут дополнительно содержать детали 52 сцепления, такие как шарнирно-сочлененные кулачки, для облегчения зацеплении с окружающей стенкой, например, внутренней поверхностью трубы 32. Однако детали 52 сцепления могут быть выполнены заодно с соответствующими рычагами 40. В конкретном проиллюстрированном варианте крепежный инструмент 26 содержит три крепежных рычага 40, однако другое число крепежных рычагов 40, включая единственный крепежный рычаг, может быть использовано в альтернативных вариантах осуществления изобретения. Дополнительно, деталь 52 сцепления может быть установлена на единственном рычаге 40 или на множестве рычагов.
На фиг. 4 и 5, более детально показан один вариант крепежного инструмента 26. Как показано, элемент 54 отклоняющего клина установлен в конструкции 38 и ориентирован для взаимодействия с крепежными рычагами 40. Элемент 54 отклоняющего клина содержит множество клиновидных деталей 56 для взаимодействия с соответствующими деталями 58 каждого рычага 40. Например, соответствующие детали 58 могут содержать радиально внутренние поверхности вдоль рычагов 40 для зацепления с клиновидными деталями 56 во время относительного перемещения элемента 54 отклоняющего клина и рычагов 40. Один или оба элемента 54 отклоняющего клина и рычаги 40 могут быть аксиально подвижными, чтобы вызвать взаимодействие и конечное радиальное перемещение рычагов 40.
В конкретном проиллюстрированном варианте, множество рычагов 40 являются аксиально подвижными относительно элемента 54 отклоняющего клина благодаря выполнению поворотного основания 48 как подвижного поворотного основания. Приведение крепежного инструмента 26 в радиально выдвинутое наружу положение крепления создается перемещением поворотного основания 48 в аксиальном направлении по направлению к элементу 54 отклоняющего клина. Аксиальное перемещение заставляет клиновидные детали 56 входить в зацепление с соответствующими деталями 58 и каждый рычаг 40 поворачиваться радиально наружу, как показано на фиг.5. Непрерывное перемещение поворотного основания 48 и рычагов 40 по направлению к элементу 54 отклоняющего клина вызывает непрерывное перемещение радиально наружу множества рычагов 40 до их зацепления с окружающей стенкой, например, трубой 32 для закрепления скважинного снаряда 28. Относительное аксиальное перемещение элемента 54 отклоняющего клина от рычагов 40 вызывает или, по меньшей мере, позволяет рычагам 40 поворачиваться радиально внутрь в отведенную конфигурацию, как показано на фиг.4.
Клиновидные детали 56 и соответствующие детали 58 могут быть выполнены в соответствии с различными стилями и конфигурациями. В одном варианте осуществления изобретения поверхность контакта между клиновидными деталями 56 и соответствующими деталями 58 выполнена, чтобы распределять усилие контакта по большой площади, и таким образом минимизировать контактные напряжения. Уменьшение контактных напряжений позволяет увеличить допустимую нагрузку крепежного устройства. Распределение контактных усилий достигается за счет использования криволинейной поверхности контактной поверхности между клиновидными деталями 56 и соответствующими деталями 58. Например, каждая клиновидная деталь 56 может содержать криволинейную поверхность 60, при этом каждая соответствующая деталь 58 может содержать радиально внутреннюю криволинейную поверхность 62 на каждом рычаге 40. Криволинейные поверхности 60 имеют такую форму, что в точке своего контакта поверхности 60 являются касательными к криволинейным поверхностям 62 рычагов 40. Криволинейные поверхности 62 имеют большую кривизну, криволинейные поверхности 60 элемента 54 отклоняющего клина.
Относительное аксиальное перемещение элемента 54 отклоняющего клина и рычагов 40 может быть достигнуто с помощью различных механизмов. Один или более привод может быть соединен с рычагами 40 и/или элементом 54 отклоняющего клина для обеспечения требуемого относительного аксиального перемещения. В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.4 и 5 привод 64 соединен с поворотным основанием 48 для перемещения рычагов 40 относительно элемента 54 отклоняющего клина. Привод 64 может содержать гидравлический силовой цилиндр, электромеханический привод или другие подходящие приводы. В качестве примера привод 64 может содержать гидравлический поршень 66, установленный с возможностью перемещения внутри полости цилиндра 68 для выборочного перемещения под действием гидравлического давления. Однако другие варианты осуществления привода 64 могут содержать линейный приводной механизм, такой как ходовой винт или другой тип исполнительного механизма на винтовой основе. В других применениях привод 64 может содержать заряд взрывчатого вещества, пружину, газовый заряд или их комбинацию. Кроме того, в других применениях привод 64 может содержать скользящее соединение, расположенное в конструкции 38 таким образом, что оно позволяет избирательное относительное перемещение множества рычагов 40 и элемента 54 отклоняющего клина, когда конструкция 38 аксиально сжата. Эти и другие варианты осуществления привода 64 могут быть использованы для обеспечения относительного осевого перемещения для перевода крепежного инструмента 26 между отведенными положениями и выдвинутыми положениями крепления.
На фиг. 6 и 7 показаны изометрические виды одного варианта осуществления крепежного инструмента 26 для дополнительной иллюстрации работы привода 64. В этом варианте осуществления изобретения движение рычагов 40 направляется устройством 70 штифт-паз (см. фиг.7), которое обеспечивает расположение рычагов 40 вблизи элемента 54 отклоняющего клина. Также устройство 70 может быть выполнено для удержания рычагов 40 в выемках 44 корпуса 42, когда крепежный инструмент 26 находится в закрытой или отведенной конфигурации. Устройство 70 предотвращает неконтролируемое радиальное перемещение крепежных рычагов 40.
При перемещении привода 64 в первом аксиальном направлении поворотное основание 48 выталкивается по направлению к элементу 54 отклоняющего клина, который, в свою очередь, выталкивает множество рычагов 40 в радиально наружное положение, как показано на фиг.6. Однако когда привод 64 работает в противоположном направлении, поворотное основание 48 и рычаги 40 перемещаются в аксиальном направлении от элемента 54 отклоняющего клина. Поскольку перемещение от элемента 54 отклоняющего клина продолжается, рычаги 40 могут радиально отводиться в выемки 44, как наилучшим образом показано на фиг.7. В этом варианте осуществления изобретения рычаги 40 и привод 64 перемещаются как узел относительно корпуса 42 инструмента. Следовательно, если крепежный инструмент выходит из строя таким путем, который предотвращает отвод рычагов 40, рычаги могут быть закрыты автоматически, если они сталкиваются с сужением или другим препятствием, когда крепежный инструмент извлекают из ствола скважины 30. Когда рычаги встречают препятствие после выхода из строя привода крепежного инструмента, перемещение рычагов 40/привода 64 прекращается, в то время как остальная часть крепежного инструмента продолжает перемещаться во время извлечения. Вызванное относительное движение эффективно толкает крепежные рычаги 40 назад в выемки 44 с помощью устройства 70 штифт-паз до перевода крепежного инструмента 26 в радиально отведенную конфигурацию.
Другой вариант осуществления крепежного инструмента 26 показан на фиг. 8 и 9. В этом варианте осуществления изобретения множество крепежных рычагов 40 установлены с возможностью поворота на конструкции 38 в фиксированном месте, при этом элемент 54 отклоняющего клина перемещается относительно рычагов 40. В качестве примера, два рычага 40 могут быть закреплены штифтами на корпусе 42 для поворотного движения по отношению к корпусу 42. Поскольку элемент 54 отклоняющего клина перемещается, крепежные рычаги 40 могут быть переведены из радиально выдвинутой конфигурации крепления, как показано на фиг.8, в радиально отведенную конфигурацию, как показано на фиг.9.
За счет использования конструкции с двумя рычагами, показанной на фиг. 8 и 9, может быть достигнут больший коэффициент срабатывания противовыбросового превентора. Конструкция с двумя рычагами позволяет крепежным рычагам 40 иметь более высокую конфигурацию, охватывающую основной или полный диаметр корпуса 42 крепежного инструмента. Более высокая конфигурация достигается путем выполнения рычагов 40 как гнездовых рычагов. Например, первый рычаг 40 может содержать «U-образное» сечение 72 с размером, позволяющим секции 74 корпуса противоположного рычага 40 уместиться внутри зазора с U-образным сечением 72. Однако, крепежные рычаги 40 также могут быть выполнены в других различных гнездовых конфигурациях, включая конфигурации типа ножниц.
Как дополнительно показано на фиг.10, элемент отклоняющего клина направляется в аксиальном направлении по отношению к крепежным рычагам 40 с помощью толкающей штанги 76, составляющей часть привода 64. Образом, подобным тому, что описан выше по отношению к варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 4 и 5, элемент 54 отклоняющего клина содержит клиновидные детали 56, которые взаимодействуют с соответствующими деталями 58 крепежных рычагов 40. Перемещение элемента 54 отклоняющего клина в аксиальном направлении по направлению ко множеству рычагов 40 вызывает взаимодействие между клиновидными деталями 56 и соответствующими деталями 58, которые, в свою очередь, заставляют рычаги 40 поворачиваться в направлении радиально наружу. Необходимо отметить, что клиновидные детали 56 и соответствующие детали 58 могут содержать криволинейные поверхности для создания криволинейной поверхности контакта для распределения усилий нагрузки, как описано выше.
Извлечение элемента 54 отклоняющего клина в противоположном аксиальном направлении позволяет рычагам 40 поворачиваться обратно радиально внутрь, в сжатую конфигурацию, показанную на фиг.9. В некоторых вариантах осуществления изобретения соединения 78 установлены с возможностью поворота между рычагами 40 и втулкой 80, расположенной с возможностью скольжения на толкающей штанге 76. Когда элемент 54 отклоняющего клина извлечен, элемент 54 отклоняющего клина или другие детали, прикрепленные к толкающей штанге 76, входят в зацепление с втулкой 80 и вытягивают соединения 78. Перемещение соединений 78 заставляет крепежные рычаги 40 поворачиваться внутрь в закрытую или сжатую конфигурацию.
Крепежное устройство 24 может быть использовано в различных скважинных системах и в различных условиях работы и применения скважин. Крепежный инструмент может быть сконструирован с двумя крепежными рычагами, тремя крепежными рычагами или большим числом крепежных рычагов, в зависимости от параметров данного применения. Дополнительно, крепежный инструмент 26 может быть встроен или использован совместно со многими типами скважинных снарядов 28, которые развертывают с помощью троса или других подходящих средств транспортировки. Размер и конфигурация конструкции крепежного инструмента и крепежных рычагов может быть отрегулирована согласно размеру трубы, выполненной из труб, в которой инструмент используется, и согласно другим факторам, связанным с данными условиями работы или применения. Кроме того, один или более крепежный рычаг может быть приведен в действие с помощью различных исполнительных механизмов и/или устройств привода, включая гидравлические силовые цилиндры, электрические силовые цилиндры электромеханические устройства, устройства взрывного заряда, устройства газового заряда, пружины и другие подходящие подходы для срабатывание.
Соответственно, хотя только несколько вариантов осуществления изобретения были подробно описаны выше, для специалистов в данной области техники понятно, что возможны многочисленные модификации, не выходя за замысел данного изобретения. Подобные модификации предназначены быть включенными в объем данного изобретения, как он определен в формуле изобретения.