АППАРАТ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИННЫМ УСТРОЙСТВОМ
DOWNHOLE DEVICE CONTROL APPARATUS AND METHOD

Настоящее изобретение относится к методу управления внутрискважинными приборами и к устройству для управления ими.
Управление работой внутрискважинными клапанами и прочими приборами необходимо осуществлять на поверхности. На разных этапах бурения, эксплуатации и обслуживания скважины необходимо производить частое открывание и закрывание клапанов и прочих внутрискважинных приборов, в связи с чем следует предусмотреть установку контроллеров для дистанционного открывания и закрывания таких клапанов в скважине.
Активация и дезактивация внутрискважинных приборов часто включает в себя сбрасывание с поверхности специальных активирующих и дезактивирующих шариков. У таких методов есть один недостаток, который заключается в том, что временной интервал между моментом сбрасывания шарика с поверхности и моментом посадки шарика на соответствующий прибор при применении данного метода является переменным фактором. В скважинах с большой длиной ствола на активацию прибора может потребоваться до 40 минут, а на сброс второго шарика для его дезактивации - еще 40 минут. При применении описанных методов также ограничено количество возможных циклов активации-дезактивации, поскольку ограничено количество шариков, которые могут быть сброшены и удержаны в шароуловителе, а после переполнения шароуловителя необходимо извлечь прибор на поверхность и опорожнить шароуловитель, прежде чем будет выполнена повторная установка прибора.
Еще один распространенный метод управления приборами, установленными в стволе скважины, заключается в передаче изменения значений давления посредством скважинного флюида, при этом происходит возвратно-поступательное осевое перемещение гильзы относительно пальца. Такие модули традиционно именуются устройствами с байонетными пазами, поскольку на гильзе предусмотрен байонетный паз, в который входит палец. Гильзу начинают вращать относительно неподвижного пальца, перемещение которого ограничено формой байонетного паза. Например, при увеличении давления гильза перемещается вниз, палец занимает одно положение в пазе, и происходит открытие клапана, а при уменьшении давления гильза перемещается вверх относительно пальца, который направляется в другое положение по отношению к пальцу и пазу, при котором может произойти закрытие клапана. Паз может образовывать контур вокруг гильзы, при этом оба конца контура замкнуты таким образом, что происходит непрерывное движение гильзы вокруг своей оси и попеременное открытие и закрытие клапана. Давление, воздействующее на гильзу, может быть как давлением в стволе скважины, так и давлением в линии передачи сигналов управления.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение представлено устройством для управления внутрискважинным прибором в стволе нефтяной, газовой или водозаборной скважины, заявленным в независимом пункте 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также представлено устройством для управления внутрискважинным прибором в стволе нефтяной, газовой или водозаборной скважины, заявленным в независимом пункте 20 формулы изобретения.
Настоящим изобретением также предусматривается метод управления внутрискважинным прибором в стволе нефтяной, газовой или водозаборной скважины, заявленный в независимом пункте 27 формулы изобретения.
Настоящим изобретением также предусматривается дополнительный метод управления внутрискважинным прибором в стволе нефтяной, газовой или водозаборной скважины, заявленный в независимом пункте 39 формулы изобретения.
Как правило, палец может оставаться в одном из контуров без перемещения на соседнюю удлиненную осевую дорожку, перемещаясь при этом между различными конфигурациями пальца и паза внутри каждого контура. Как правило, палец циклично перемещается между двумя различными конфигурациями пальца и паза в пределах каждого контура, многократно переходя с одной на другую до тех пор, пока он не будет переведен с одного из таких контуров на соседнюю удлиненную осевую дорожку. Как правило, палец циклично перемещается из исходной точки каждого из контуров во второе положение контура, а затем обратно к исходной точке того же контура. Контуры могут быть подсоединены к дополнительным контурам или дорожкам, выполняющим как сходные, так и различные функции. Соответственно, такие дополнительные контуры могут в некоторых случаях аналогичным образом предусматривать цикличное перемещение, однако, если первый и второй контуры допускают цикличное перемещение, не обязательно, чтобы это делали и остальные контуры или дорожки.
Как правило, геометрия паза ограничивает движение пальца пределами одного контура вплоть до переключения.
Как правило, в состав каждого из контуров входят первая и вторая дорожки, при этом вторая дорожка возвращает палец в начальную точку первой дорожки. Как правило, палец обычно перемещается в противоположных осевых направлениях в пределах обеих дорожек. Как правило, палец может быть переведен из одного из контуров на соседнюю удлиненную осевую дорожку на второй возвратной дорожке. Как правило, такое переключение осуществляется путем реверсирования относительного осевого направления перемещения пальца и паза, как правило, путем реверсирования осевого направления перемещения гильзы, внутри которой сформирован паз. Как правило, такое переключение производится, когда палец находится в переходной части второй возвратной дорожки, обычно уже после прохождения соединения (как правило, тройникового), ведущего к соседней продольной дорожке. Как правило, тройниковое соединение инвертировано, и переключение с контура на соседнюю удлиненную осевую дорожку происходит при перемещении пальца в верхний сегмент тройника, ведущий по направлению к удлиненной осевой дорожке. Как правило, такой сегмент тройника является частью контура, тогда как другой его сегмент представляет собой отклоненную дорожку, соединенную с соседней продольной дорожкой. Как правило, один из сегментов (например, сегмент, подсоединенный к соседней продольной дорожкой) соосен со стволом тройника.
Как правило, в состав корпуса входит поршень, реагирующий на изменения давления в стволе скважины и перемещаемый по оси вдоль проходного отверстия устройства в соответствии с упомянутыми изменениями давления. Как правило, осевое перемещение поршня вдоль проходного отверстия вызывает относительное смещение пальца и паза.
Как правило, паз предусматривается на гильзе, перемещаемой относительно корпуса, а палец может быть предусмотрен на самом корпусе, однако возможны варианты осуществления, когда палец находится на гильзе, а паз - на корпусе. Как правило, гильза формируется как единое целое с поршнем. Таким образом, паз в ряде случаев может быть устроен на поршне, тогда как в остальных случаях он может быть устроен на отдельной гильзе, подсоединяемой к поршню.
Как правило, начало и окончание первой и второй дорожек, где палец переключается между обеими дорожками, находятся на удалении друг от друга на одной оси вдоль гильзы (поршня) и (или) могут быть расположены на одной окружности, тогда как в ряде вариантов выполнения начало и окончание первой и второй дорожек в пределах каждого контура могут располагаться соосно по оси корпуса. Конечная точка каждой дорожки, соответствующая начальной точке другой дорожки, как правило, образуется на углу паза, чем обуславливается изменение направления движения пальца относительно паза. Как правило, в результате происходит остановка, требующая реверсирования осевого направления перемещения пальца относительно паза. Например, первая дорожка может начинаться на одном конце гильзы или поршня, например, на нижнем, и продолжаться вдоль оси таких гильзы или поршня (как правило, с боковой или окружной составляющей в дополнение к осевой составляющей) вплоть до окончания первой дорожки, устроенного в форме перевернутой буквы V в таком положении, что он находится на одной оси с гильзой или поршнем на удалении от начальной точки первой дорожки, например, в верхней части гильзы или поршня либо в непосредственной близости от их верхней части. Перевернутая V соответствует переходу между первой и второй дорожками. С острия перевернутой V перемещения пальца ограничены второй дорожкой.
Как правило, начальные участки первой и второй дорожек линейны (т.е. продольны), и, как правило, они расположены параллельно оси (т.е. оси корпуса или гильзы и поршня) и не приводят в относительное вращение компоненты пальца и паза; а вторичные их части обычно также включают в себя прямые участки, однако они также могут откланяться от начального участка, и, таким образом, они часто продолжаются по оси и по окружности, вызывая тем самым вращение компонентов пальца и паза (как правило, вращение гильзы или поршня относительно неподвижного пальца) в соответствии с углом отклонения первой дорожки от оси. В ряде вариантов выполнения как первый линейный, так и второй отклоненный участки могут быть расположены под углом по отношению к основной оси поршня или гильзы. Такие варианты выполнения в ряде случаев могут также характеризоваться отклоненными участками, однако, как правило, вторые отклоненные участки расположены под большим углом, чем первые линейные, что позволяет придать гильзе большее вращение, чем линейным участкам. Как правило, в тех случаях, когда паз полностью расположен под углом (в большей или меньшей степени), перемещение пальца через паз придаст поршню непрерывное вращение вокруг своей оси, при этом степень вращения будет обычно изменяться в зависимости от угла расположения линейного и отклоненного участков паза относительно оси.
Как правило, переключение производится, когда палец находится в переходной части второго возвратной дорожки. Переходная часть второй возвратной дорожки, как правило, является осевой частью. Как правило, переключение происходит при реверсировании направления перемещения пальца в осевом участке паза. Как правило, осевая переходная часть примыкает к тройниковому соединению в пазе между контуром и соседней удлиненной продольной дорожкой, и, как правило, изменение направления перемещения пальца в переходной части паза заставляет палец перейти из одного контура на соседнюю удлиненную продольную дорожку.
Как правило, пазы включают в себя расположенные на удалении друг от друга конечные участки, на каждом из которых имеются несквозные дорожки (как правило, продольные), и отклоненные участки, как правило, отклоняющиеся от оси устройства и продольных переходных частей.
Как правило, в состав устройства входят чередующиеся друг с другом контуры и удлиненные продольные дорожки, расположенные по окружности вокруг гильзы или поршня. Обычно контуры и удлиненные продольные дорожки собраны в пары, в каждой их которых имеется один контур и прилегающая к нему удлиненная продольная дорожка. Простые варианты выполнения предполагают наличие только одного контура и одной удлиненной продольной дорожки, а палец может переходить между ними, находясь в контуре на холостом ходу и переключаясь в рабочее состояние в пределах удлиненной продольной дорожки. Однако в других вариантах выполнения могут присутствовать множественные пары "контур - удлиненная продольная дорожка", в ряде случаев последовательно чередующихся друг с другом (например, "контур - удлиненная дорожка - контур" и т.д.) по окружности вокруг гильзы или поршня. Таким образом, в таких вариантах выполнения палец может находиться в холостом состоянии в первом контуре, переключиться на соседнюю удлиненную продольную дорожку, в которой он может перевести прибор в рабочее состояние, а затем перейти на другой (при необходимости, отличный от первого) контур, где он снова будет пребывать в холостом состоянии до тех пор, пока не будет переведен на очередную (при необходимости, отличную от первой) продольную дорожку. В ряде вариантов выполнения может быть предусмотрено 2, 3, 4 или более пар "контур - продольная дорожка". Различные контуры могут в ряде случаев иметь как одинаковые, так и разные характеристики, но, как правило, все они имеют одинаковые характеристики на холостом ходу между различными положениями гильзы и поршня без активации прибора. Аналогичным образом, различные продольные дорожки могут иметь как одинаковые, так и разные характеристики, и при необходимости можно предусмотреть большую вариативность характеристик различных продольных дорожек, поскольку в ряде вариантов выполнения они могут быть настроены на переключение между различными рабочими состояниями прибора. Например, один второй контур может производить переключение между положениями "закрыто" и "открыто на 50%", а другой второй контур может производить переключение между положениями "закрыто" и "открыто на 75%" и т.д.
Как правило, скорость перемещения пальца в пределах первой дорожки отличается от скорости перемещения пальца во второй возвратной дорожке, что характерно для каждого контура. Как правило, палец медленнее перемещается во второй дорожке паза, чем в первой. Перемещение пальца через первую дорожу обычно происходит максимально быстро. Однако перемещение пальца через вторую (возвратную) дорожку в ряде случаев целенаправленно замедляется, чтобы создать большее временное окно для инициирования изменения направления перемещения пальца во второй дорожке паза. Таким образом обеспечивается большее временное окно на инициирование перехода с одного контура на другой, а сам такой переход облегчается и выполняется с большей точностью, при этом, как правило, может использоваться традиционное устьевое оборудование, например, поверхностные насосы. Как правило, разница в скорости между двумя дорожками регулируется посредством гидравлики, например, путем предоставления различных путей циркуляции флюида при перемещении пальца соответственно в первой и во второй дорожках. Например, палец может перемещаться медленнее во второй дорожке, чем в первой, поскольку флюид, вызывающий перемещение пальца во второй дорожке, может столкнуться на пути циркуляции с ограничителем потока, тогда как флюид, вызывающий перемещение пальца по первой дорожке может при необходимости перемещаться по путям циркуляции с более высокими значениями расхода и меньшим гидравлическим сопротивлением. При необходимости пути циркуляции флюида в первой и во второй дорожках могут конструктивно не отличаться друг от друга, при этом перепад скоростей в них регулируется функциональными мерами, например, путем подачи различных давлений при прохождении пальца через каждую из дорожек, что позволяет обеспечить более медленное перемещение пальца через вторую дорожку, чем через первую.
При необходимости различные участки второй дорожки (например, отклоненный и продольный участки) могут иметь разные характеристики, относящиеся к максимально возможной скорости перемещения пальца в этих участках, а в стандартных вариантах выполнения палец может при необходимости перемещаться быстрее через по меньшей мере один из отклоненных участков второй дорожки, чем через продольный участок. Таким образом, такие ограничения по перепаду скорости перемещения пальца через паз позволяют обеспечить быстрое перемещение пальца к точке перехода из контура в прилегающую продольную дорожку с последующим регулируемым, более медленным перемещением через переходную зону паза, что позволяет выделить больше времени (например, несколько минут) на инициирование изменений с поверхности с целью перевода пальца из контура в прилегающую к нему продольную дорожку, за которым при необходимости последует более быстрое перемещение обратно в исходную точку первой дорожки после прохождения пальцем переходной точки, в которой может быть выполнен переход из одного контура в другой.
При необходимости в качестве ограничителей скорости выступают ограничители потока флюида, при этом перемещение пальца через паз осуществляется гидравлическим усилием, однако в иных вариантах выполнения изобретения, в которых за перемещение пальца через паз отвечают иные движущие силы, ограничители скорости могут состоять из других отвечающих целевому назначению компонентов.
При необходимости устройство используется для управления клапаном, например, для перевода гильзы или поршня в положение, открывающее или закрывающее одно или более отверстий с целью ограничения или дросселирования потока флюида, например, в циркуляционном клапане. При необходимости устройство используется для управления режущим инструментом, например, для перевода гильзы или поршня в положение, позволяющее выдвинуть режущий элемент их корпуса инструмента, такого как расширитель ствола скважины. Контуры могут быть настроены таким образом, чтобы позволить оператору циркулировать флюид через инструмент, не выдвигая резаки из корпуса при нахождении в пределах контуров. Первые продольные дорожки могут быть настроены на переключение между невыдвинутым и частично выдвинутым положением резака, например, "выдвинут на 50%", а вторые продольные дорожки могут быть настроены на переключение между невыдвинутым положением и иной конфигурацией, например, "выдвинут на 100%". Варианты выполнения устройства также могут использоваться для выдвижения и втягивания лопаток стабилизаторов. Возможен целый ряд других вариантов использования устройства.
Особенно полезной представляется возможность использования устройства для цикличного переключения между различными конфигурациями холостого хода без обязательной активации управляемого прибора. Это позволяет управлять другими приводимыми в действие давлением приборами в составе бурильной колонны независимо от устройства, контролируемого вариантами выполнения настоящего изобретения. Это также позволяет осуществлять развинчивание и свинчивание труб, в состав которых входит устройство, являющееся предметом изобретения, с целью наращивания или снятия свечей без изменения конфигурации устройства, например, без переключения между нерабочей и частично или полностью рабочей конфигурациями прибора до тех пор, пока палец не будет переведен из первого во второй контур (или наоборот) в любой требуемый момент, выбираемый и регулируемый оператором.
Как правило, конструкцией устройства предусматривается наличие проходящего через его корпус канала, по которому жидкость свободно протекает, минуя устройство. При необходимости проходное отверстие корпуса может быть выравнено по проходному отверстию колонны, в составе которой установлено устройство.
Как правило, поршень может перемещаться давлением в проходном отверстии корпуса. Как правило, проходное отверстие позволяет осуществлять передачу давления флюида через установленное в колонне устройство для активации прочих приборов в составе колонны.
При необходимости возможно смещение гильзы или поршня при помощи упругой детали, такой как пружина, например, цилиндрическая витая пружина, в одном продольном направлении, а давление флюида (или иная движущая сила, вызывающая перемещение пальца в пазе) может оказывать действие в направлении, противоположном направлению приложения усилия упругой детали. Таким образом, гильза или поршень, как правило, могут быть смещены в одном направлении (например, вверх), а устройство может при необходимости активироваться посредством давления флюида (или иной движущей силы) для смещения гильзы или поршня вниз против направления усилия упругой детали.
Различные аспекты настоящего изобретения могут быть использованы как самостоятельно, так и в сочетании с одним или несколькими другими его аспектами на усмотрение специалистов в соответствующих областях. Различные аспекты изобретения могут при необходимости реализовываться в сочетании с одной или несколькими дополнительными функциями других аспектов изобретения. Кроме того, дополнительные функции, описываемые в связи с одним из вариантов выполнения, как правило, могут сочетаться друг с другом, а также в комбинации с другими функциями, относящимися к прочим вариантам выполнения изобретения.
Далее приводится подробное описание различных вариантов выполнения и аспектов изобретения со ссылками на сопровождающие рисунки. При этом другие аспекты, функции и преимущества настоящего изобретения очевидны сами по себе из настоящего подробного его описания с рисунками, иллюстрирующего целый ряд примеров его осуществления, аспектов и реализаций. Настоящее изобретение потенциально может иметь другие, отличные варианты выполнения и аспекты, а некоторые отдельные его части могут быть в различных отношениях видоизменены без отступления от объема и существа настоящего изобретения. Соответственно, приведенные рисунки и иллюстрации носят иллюстративный, а не ограничивающий характер. Кроме того, все термины и выражения используются в тексте настоящего документа исключительно в описательных целях и не должны толковаться как ограничивающие в объеме. Такие выражения, как "включает", "состоит из", "имеет", "содержит" и "предусматривает", а также их различные варианты имеют обобщающий характер и охватывают перечисляемые за ними предметы, эквиваленты, а также дополнительные предметы, которые не были перечислены, и не используются с целью исключения прочих дополнений, компонентов, законченных систем или операций. Аналогичным образом, выражение "состоит из" с юридической точки зрения трактуется как синоним терминов "включает" и "содержит".
Любые упоминания каких-либо документов, актов, материалов, разделов, статей и т.п.приводятся в настоящей спецификации исключительно с целью предоставления контекста для настоящего изобретения. Не делается никаких косвенных или прямых утверждений о том, что настоящий материал частично или полностью являлся частью теоретической базы или общеизвестных знаний в отрасли, к которой относится настоящее изобретение.
В настоящем тексте раскрытия сущности изобретения в случае если перед тем или иным составом, элементом или группой элементов стоит переходная фраза "состоит из", понимается, что мы также рассматриваем те же самые состав, элемент или группу элементов, что и те, перед которым стоят переходные фразы "по сути состоит из", "состоит из", "выбран из группы, состоящей из", "включает" или "является", предшествующие перечислению конкретного состава, элемента или группы элементов и наоборот.
Все численные значения, которые приводятся в настоящем тексте раскрытия сущности изобретения, приводятся с определительным наречием "приблизительно". Подразумевается, что все формы единственного числа любых элементов и прочих описываемых здесь компонентов включают в себя их формы множественного числа и наоборот.
На прилагаемых рисунках:
Рисунок 1 представляет собой вид в боковом разрезе первого циркуляционного прибора, в состав которого входит устройство, рассматриваемое в качестве предмета настоящего изобретения, в первой замкнутой конфигурации, при которой палец установлен в первом контуре, а циркуляционный прибор находится в положении "закрыто";
Рисунок 2 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 1, во второй замкнутой конфигурации, при которой палец все еще установлен в первом контуре, а циркуляционный прибор снова находится в положении "закрыто";
Рисунок 3 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 1, в третьей переходной конфигурации, при которой палец готов к переходу на ближайшую продольную дорожку;
Рисунок 4 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 1, в первой разомкнутой конфигурации, при которой палец установлен на продольной дорожке, а циркуляционный прибор находится в положении "открыто";
Рисунок 5 представляет собой вид в боковом сечении, аналогичный изображенному на Рисунке 1, при этом циркуляционный прибор находится в замкнутом положении, а палец установлен во втором контуре;
Рисунок 6 представляет собой вид в боковом сечении, аналогичный изображенному на Рисунке 2, при этом циркуляционный прибор находится в разомкнутом положении, а палец установлен на продольной дорожке;
Рисунок 7 - это вид в боковом сечении, аналогичный изображенному на Рисунке 3, при этом палец готов к переключению на следующую продольную дорожку;
Рисунок 8 - это схематический вид в плане паза устройства, изображенного на Рисунке 1, как если бы поверхность поршня была разделена по линии А-А Рисунка 9 и развернута на плоскости;
Рисунок 9 - это вид в перспективе поршня устройства, изображенного на Рисунке 1 с обозначением линии раздела А-А;
Рисунок 10 представляет собой вид в боковом разрезе второго циркуляционного прибора, в состав которого входит устройство, рассматриваемое в качестве предмета настоящего изобретения, в первой замкнутой конфигурации, при которой палец установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии низкое, а циркуляционный прибор находится в положении "закрыто";
Рисунок 11 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 10, во второй замкнутой конфигурации, при которой палец все еще установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии высокое, а циркуляционный прибор снова находится в положении "закрыто";
Рисунок 12 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 10, в третьей переходной конфигурации, при которой давление падает, а палец готов к переключению с первого контура на ближайшую продольную дорожку;
Рисунок 13 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 10, в первой разомкнутой конфигурации, при которой палец установлен на продольной дорожке, давление высокое, а циркуляционный прибор находится в положении "открыто", позволяя флюиду циркулировать;
Рисунок 14 представляет собой вид в боковом сечении, аналогичный изображенному на Рисунке 10, при этом циркуляционный прибор находится в замкнутом положении, давление в проходном отверстии низкое, а палец установлен на продольной дорожке;
Рисунок 15 - это вид в боковом сечении, аналогичный изображенному на Рисунке 12, при этом давление падает, палец готов к переходу на соседнюю продольную дорожку;
Рисунок 16 представляет собой вид в боковом разрезе третьего циркуляционного прибора, в состав которого входит устройство, рассматриваемое в качестве предмета настоящего изобретения, в первой замкнутой конфигурации, при которой палец установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии низкое, циркуляционный прибор находится в положении "закрыто", а внутренний проходной канал прибора открыт;
Рисунок 17 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 16, во второй замкнутой конфигурации, при которой палец все еще установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии высокое, циркуляционный прибор снова находится в положении "закрыто", а внутренний проходной канал прибора открыт;
Рисунок 18 представляет собой вид в боковом разрезе циркуляционного прибора, указанного на Рисунке 10, в первой разомкнутой конфигурации, при которой палец установлен на продольной дорожке, давление высокое, а циркуляционный прибор находится в положении "открыто", позволяя флюиду циркулировать;
Рисунок 19 представляет собой вид в боковом разрезе расширителя ствола скважины в первой замкнутой конфигурации, при которой палец установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии низкое, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
Рисунок 20 представляет собой вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 19, во второй замкнутой конфигурации, при которой палец все еще установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии высокое, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
Рисунок 21 представляет собой вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 19, в первой разомкнутой конфигурации, при которой палец установлен на продольной дорожке, давление высокое, резец расширителя выдвинут, а циркуляционное отверстие открыто;
Рисунок 22 - это вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 19, при этом резец расширителя находится в замкнутой конфигурации, давление в проходном отверстии низкое, но при этом палец установлен в следующем контуре, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
Рисунок 23 представляет собой вид в боковом разрезе видоизмененного расширителя ствола скважины в первой замкнутой конфигурации, при которой палец установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии низкое, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
Рисунок 24 представляет собой вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 23, во второй замкнутой конфигурации, при которой палец все еще установлен в первом контуре, давление в проходном отверстии высокое, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
Рисунок 25 представляет собой вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 23, в первой разомкнутой конфигурации, при которой палец установлен на продольной дорожке, давление высокое, резец расширителя выдвинут, а циркуляционное отверстие открыто;
Рисунок 26 - это вид в боковом разрезе прибора, изображенного на Рисунке 23, при этом резец расширителя находится в замкнутой конфигурации, давление в проходном отверстии низкое, но при этом палец установлен в следующем контуре, резец расширителя втянут, а циркуляционное отверстие закрыто;
На Рисунках 27-29 по аналогии с Рисунком 8 показаны три вида поршней с изображением альтернативных вариантов паза, применяемого в других конструкциях поршней, которые могут быть использованы в приборе, приведенном на Рисунке 1;
На Рисунках 30(a) и 30(b) изображен еще один пример прибора в сечении, а также в частичном боковом разрезе для первой нерабочей конфигурации без подачи давления при пальце, установленном в (неактивном) контуре;
На Рисунках 31(a) и 31(b) содержатся аналогичные изображения прибора, показанного на Рисунке 30, для второй нерабочей конфигурации с подачей давления при пальце, установленном в первом контуре;
На Рисунках 32(a) и 32(b) содержатся аналогичные изображения прибора, показанного на Рисунке 30, для первой рабочей конфигурации с подачей давления на прибор при пальце, установленном на продольной дорожке; а также
На Рисунках 33(a) и 33(b) содержатся аналогичные изображения прибора, на которых он не находится под давлением, а палец установлен в первом контуре;
На Рисунке 34 изображено еще один вариант выполнения прибора в сечении, а также в частичном боковом разрезе для первой нерабочей конфигурации без подачи давления на него при основном контрольном пальце, установленном в (неактивном) контуре, и вспомогательном контрольном пальце в нерабочем положении;
На Рисунке 34(a) показана часть А прибора, изображенного на рисунке 43, с увеличением.
На Рисунке 34 приводится аналогичный вид прибора, изображенного на Рисунке 34, в сечении, а также частичный вид в разрезе для второй нерабочей конфигурации под давлением;
На Рисунке 36 приводится аналогичный вид прибора, изображенного на Рисунке 34, когда прибор находится под давлением, основной контрольный палец установлен на продольной дорожке, а вспомогательный находится в первом нерабочем положении;
На Рисунке 37 приводится аналогичный вид прибора, изображенного на Рисунке 34, когда основной контрольный палец находится в контуре, а второстепенный - в положении "открыто наполовину";
На Рисунке 38 приводится аналогичный вид прибора, изображенного на Рисунке 34, когда основной контрольный палец находится в контуре, а вспомогательный установлен во втором нерабочем положении;
На Рисунках 39 и 40 приводятся виды сбоку внутренних компонентов прибора в различных конфигурациях;
Рисунок 41 - это схематический вид в плане паза на поршне клапана 970 инструмента, изображенного на Рисунках 34-40, как если бы поверхность поршня была развернута на плоскости;
На Рисунках 42, 42(a) и 42(b) приводится увеличенный вид прибора, изображенного на Рисунке 34, в сечении, а также частичный его вид в разрезе.
Обращаясь непосредственно к чертежам, следует отметить, что на Рисунке 1 в поперечном разрезе показан первый образец устройства для управления внутрискважинным прибором в рамках заявляемого изобретения. В состав устройства, изображенного на Рисунке 1, входит контрольный переводник 1 с корпусом 5, имеющим муфтово-ниппельные соединения на соответствующих концах, которые адаптированы для подсоединения корпуса 5 к колонне внутри ствола нефтяной или газовой скважины. В состав колонны обычно входит ряд трубных устройств, соединенных друг с другом концами и установленных выше и ниже устройства управления 1. Как показано на Рисунках, в данном примере устройство 1 подсоединено к колонне труб таким образом, что левый конец корпуса 5 расположен наиболее глубоко в стволе скважины, тогда как правая сторона корпуса 5 находится ближе к поверхности, при этом в других случаях могут применяться конфигурации, отличные от описанной. Корпус 5 имеет центральное сквозное отверстие 5b с тремя обращенными вверх фасками, первая из которых (6u) примыкает к верхнему концу, вторая (6l) - к нижнему концу, а третья (6m) - меньше первых двух и расположена посередине. Сквозное отверстие 5b проходит между обоими концами корпуса 5, обеспечивая прохождение флюида через корпус 5. Циркуляционная трубка 10 проходит продольно через корпус 5 (соосно с основной осью сквозного отверстия 5b) и имеет ограниченный внутренний диаметр, аналогичный внутреннему диаметру 5b под нижней ступенью 61. Циркуляционная трубка припаяна по внешней поверхности к нижней части циркуляционной трубки 10 и обычно прикручена и впаяна во внутреннюю резьбу в сужающейся части проходного отверстия 5b под нижней ступенью 6l, а в верхней своей части она удерживается цанговым фиксатором или стопорным кольцом, захватывающим муфту 12, которая обычно ввинчивается во внутреннюю резьбу на внутренней поверхности участка проходного отверстия 5b с увеличенным диаметром над первой ступенью 6u. Таким образом, циркуляционная трубка 10 обычно закрепляется продольно в сквозном отверстии 5b. Вместо винтовых резьб для присоединения циркуляционной трубки 10 к внутренней поверхности сквозного отверстия могут использоваться цанговые фиксаторы или стопорные кольца. В рассматриваемом примере циркуляционная трубка 10 обычно механически ввинчивается в корпус 5 только в нижней части и удерживается сверху при помощи муфты 12, однако в качестве альтернативы для ее удержания можно использовать винтовую резьбу или цанговый фиксатор с каждой или с одной из сторон.
Циркуляционной трубкой 10 определяется кольцевое пространство между внешней поверхностью циркуляционной трубки 10 и внутренней поверхностью сквозного отверстия 5b внутри корпуса 5. В пределах кольцевого пространства в нижней части прибора предусмотрена пружина 7. Пружина 7 своей нижней частью касается обращенной вверх поверхности нижней ступени 6l. Как правило, пружина 7 прижимается поршнем 20, установленным внутри кольцевого пространства над пружиной 7 и окружающим верхнюю часть циркуляционной трубки 10. Сжатием пружины 7 между обращенной вверх поверхностью нижней ступени 6l и обращенной вниз поверхностью поршня 20 поршень 20 выдавливается вверх в пределах кольцевого пространства, тем самым осуществляя нажим на нижнюю поверхность муфты 12. В расширенной конфигурации (см. Рис. 1), как правило, выбирается относительно слабое усилие сжатия пружины, которое рассчитывается таким образом, чтобы давление флюида в кольцевом пространстве над поршнем 20 превосходило усилие сжатия пружины 7, а поршень 20 мог бы перемещаться продольно внутри кольцевого пространства, как описано ниже. Поршень 20, как правило, герметично запаян по внутренней и внешней поверхности, чем обеспечивается его перемещение под действием гидродинамического усилия флюида внутри кольцевого пространства и недопущение прохождения флюидов. При скользящем перемещении поршня внутри кольцевого пространства до сжатия пружины, как правило, происходит выпуск флюида под поршнем через вытяжной канал 8, благодаря чему удается избежать блокировки поршня.
На корпусе предусмотрено некоторое количество расположенных по окружности циркуляционных отверстий 30, занимающих одинаковое осевое, но различные угловые положения вокруг корпуса 5. Они расположены соосно с отверстиями 11, проходящими через стенку циркуляционной трубки 10. Циркуляционные отверстия 30 проходят через стенку корпуса 5, при определенных обстоятельствах обеспечивая переток флюида между сквозным отверстием 5b корпуса и наружной поверхностью корпуса 5. Однако в положении, указанном на Рисунке 1, внутренняя поверхность отверстий 30 (а также наружная поверхность отверстий 11) блокируется поршнем 20, который герметично запаян ниже и выше осевого положения отверстий 10, 30, тем самым препятствуя перетоку жидкости между сквозным отверстием 5b и наружной частью корпуса, когда поршень 20 находится в положении, указанном на Рисунке 1.
На поршне 20 предусмотрено некоторое количество расположенных по окружности отверстий 25, занимающих такое же положение по окружности, как и циркуляционные отверстия 30 на корпусе 5. Циркуляционная трубка 10 также имеет ряд отверстий 11, расположенных по окружности. В других примерах расположение портов 11 по окружности циркуляционной трубки 10 может быть как аналогичным расположению отверстий 30 на корпусе 5, так и отличным от него. В данном примере отверстия 11 выравнены по отверстиям 30. Тем не менее, осевое положение отверстий 11 на циркуляционной трубке 10 такое, что отверстия 25 в поршне 20 соосны с отверстиями 11, только когда нижняя поверхность поршня 20 примыкает к фаске 6 т.Отверстия 25 на поршне 20 расположены аналогичным образом при общем осевом положении на поршне. Перемещение поршня 20 со скольжением вниз по сквозному отверстию 5b для сжатия пружин соответственно переводит отверстия 25 на поршне 20 в соосное положение с отверстиями 30 на корпусе 5, а также с отверстиями 11 через циркуляционную трубку 10, открывающую циркуляционный путь для перетока флюида между отверстием 5b на корпусе 5 и наружной поверхностью корпуса.
Перемещение поршня 20 внутри сквозного отверстия 5b регулируется при помощи пальца и паза ограничением степени продольного перемещения поршня 20 в пределах сквозного отверстия 5b и направления вращения поршня вокруг своей оси. Поршень 20 имеет форму гильзы с продольным сквозным отверстием, а в нашем примере контрольный паз формируется на внешней поверхности поршня. Схема взаимного расположения пальца и паза приводится на Рисунке 8. В данном примере палец 40 вставляется через резьбовое сквозное отверстие и проходит латерально через боковую стенку корпуса 5, а затем продвигается в сквозное отверстие на короткое расстояние, достаточное для захвата в паз 50 и удержания пальца 40 внутри паза 50 по ходу перемещения поршня 20 вверх-вниз. Паз 50, как правило, предусмотрен на наружной поверхности поршня 20. В альтернативных вариантах выполнения паз может быть предусмотрен на самостоятельной гильзе, отдельно присоединяемой к поршню, либо поршень может иметь палец, который может выдвигаться латерально в обращенный вовнутрь паз, предусмотренный на внутренней поверхности сквозного отверстия или на самостоятельной гильзе, присоединенной к сквозному отверстию. Схема, предполагающая наличие пальца и паза, может быть реализована на переходнике 1 устройства, но она не является неотъемлемой его частью, поэтому палец и паз могут входить в состав самостоятельного компонента.
Паз 50 на переводнике 1 имеет по меньшей мере один контур, при этом каждый из контуров позволяет пальцу 40 перемещаться между различными конфигурациями, определяющими две различные замкнутые конфигурации поршня 20, при которых отверстия 25 в поршне не соосны с отверстиями 30 в корпусе 5 и отверстиями 11 в циркуляционной трубке 10, и перетока флюида не происходит. Паз 50 в переводнике 1 имеет по меньшей мере одну продольную дорожку, расположенную, как правило, вдоль корпуса 5 и имеющую длину по продольному направлению, большую, чем длина части дорожки в несквозном конце контура, в котором палец 40 перемещается между двумя различными положениями паза 50, соответствующими различным конфигурациям поршня 20, которые либо допускают, либо не допускают поток флюида через отверстия 30.
Продольная дорожка соединяется с первым соседним контуром посредством первой отклоненной ветки дорожки 3d и со вторым соседним контуром посредством второй отклоненной ветки дорожки 4d. Продольная дорожка не образует части контура. Первая отклоненная ветка дорожки 3d и вторая отклоненная ветка дорожки 4d не образуют части контура, не позволяя пальцу совершать обратное цикличное перемещение с первой отклоненной ветки дорожки 3d на вторую отклоненную ветку дорожки 4d или обратно на продольную дорожку. Конфигурация паза 50 не предусматривает возвращения пальца 40 с отклоненной ветки дорожки 4d на продольную дорожку, в конце которой находится точка Р4, если только палец 40 не перемещается по общему круговому пути, окружающему поршень 20, образованному за счет чередования продольных дорожек и контуров.
Палец 40 может быть переведен с контура на одну из соседних с ним продольных дорожек в любой момент на усмотрение оператора, как будет описано ниже, а также он позволяет осуществлять многократный цикличный переход между обеими конфигурациями на каждом контуре без обязательного переключения между контурами, пока оператор сам не решит выполнить такое переключение. Палец 40 также может входить в контур из одной из соседних продольных дорожек, как будет описано ниже. Поэтому прибор может циклично переключаться между различными нерабочими конфигурациями, при которых в обеих конфигурациях наружные отверстия 30 закрыты, и по ним не происходит перетока флюида; но в любой момент по усмотрению оператора может быть выполнено переключение схемы "палец-паз" таким образом, чтобы палец перемещался по продольной дорожке с целью открытия и закрытия наружных портов 30.
Давление флюида в сквозном отверстии 5b передается на поршень 20 через продольное отверстие 12р, проходящее в осевом направлении через муфту 12, тем самым обеспечивая путь перетока флюида между сквозным отверстием 5b и кольцевым пространством между циркуляционной трубкой 10 и внутренней поверхностью сквозного отверстия 5b. Внутренняя и наружная поверхность поршня 20 герметично запаяна над и под отверстиями 25. Таким образом, изменения давления в сквозном отверстии 5b передаются на верхнюю поверхность поршня 20 через отверстие 12р, вызывая тем самым продольное скользящее перемещение поршня 20 в качестве реакции на изменения давления, например, сжимая пружину 7 в тех случаях, когда давление достаточно высоко и превосходит усилие сжатия пружины. Вращение поршня вокруг циркуляционной трубки 10 определяется ограничением пальца 40 в пределах паза 50, отводящего поршень.
На Рисунке 1 изображено нерабочее положение контрольного переводника 1, в котором не прилагается давление на сквозное отверстие 5b, а пружина 7 оказывает нажим на поршень 20, проталкивая его вверх по кольцевому пространству через нижний конец муфты 12. Сила противодействия, не допускающая дальнейшее продольное перемещение поршня 20, как правило, приходится на муфту 12; хотя палец 40, как изображено на Рис. 1, находится в нижнем конце паза 50 на наружной поверхности поршня 20, и, как правило, длина паза 50 рассчитана таким образом, что усилие, сдерживающее поршень 20, приходится на резьбу, фиксирующую муфту 12 на внутреннем сквозном отверстии корпуса 5, а палец 40 может быть настроен на то, чтобы просто направлять вращение поршня 20 вместо того, чтобы также удерживать поршень 20 от продольного перемещения при высоких значениях давления. Как правило, усилие пружины относительно слабое (около 300 фут-сила-фунт при минимальном сжатии и 1000 фут-сила-фунт при максимальном сжатии). При увеличении давления в пределах сквозного отверстия 5b давление флюида передается через отверстие 12р и оказывается на поршень 20, проталкивая его вниз по кольцевому пространству, как изображено на Рис. 2.
Как лучше всего видно на Рисунке 8, палец 40 начинается в точке Р1 на Рисунке 8, в нижнем конце продольной части паза 30 с несквозным концом. Как только поршень 20 начинает движение вниз по отношению к неподвижному пальцу 40, палец 40 перемещается продольно вверх по несквозному концу продольной части и заходит в отклоненную часть 1d, вызывающей вращение поршня 20 по часовой стрелке относительно неподвижного пальца 40, в то время как палец вращается против часовой стрелки через отклоненную часть. Последующая продольная секция сдерживает вращение, направляя при этом продольное перемещение поршня 20 до тех пор, пока паз 50 не войдет в последующую отклоненную секцию 1d', перемещаясь на этот раз по часовой стрелке по направлению к последующей продольной секции паза с глухим концом, которая прекращается в положении Р2, соответствующем положению паза 40, изображенному на Рисунке 2. Перемещение Пальца 40 от первого продольного отверстия с глухим концом через первое отклонение против часовой стрелки 1d, через первый продольный переход ко второй отклоненной по часовой стрелке дорожке 1d' и, наконец, ведущее ко второму продольному сквозному отверстию с глухим концом в положении Р2, соответствует первой дорожке контура паза 50.
В положении, указанном на Рис. 2, палец 40 переместился к верхнему концу первой дорожки контура, прекратив движение в положении Р2, изображенном на Рисунке 8. В этом положении ограничивается дальнейшее продольное перемещение поршня вверх. Таким образом, отверстия 25 не совмещаются с отверстиями 11, 30, что делает невозможной циркуляцию флюида. По мере компенсации давления флюида в сквозном отверстии 5b, например, при снижении расхода насосов на поверхности, усилие сжатия пружины 7 в конечном итоге становится достаточным для того, чтобы превысить давление флюида и заставить поршень 20 вернуться в исходное положение в кольцевом пространстве, таким образом чтобы палец 40 начал перемещаться вниз по пазу 50.
Начиная с положения Р2, при котором палец 40 находится в пазе 50 (см. Рис. 2), палец 40 следует по несквозному осевому пазу, но не входит в отклоненный участок первой дорожки 1d', а входит в отклоненный участок 2d второй дорожки или в возвратную дорожку контура. Вторая (или возвратная) дорожка контура включает в себя первую отклоненную секцию 2d, продолжающую свое движение против часовой стрелки, продольную секцию и вторую отклоненную секцию 2d', возвращающуюся по часовой стрелке и сходящуюся с продольной секцией с глухим концом, которая соответствует первой дорожке в положении Р1, откуда начал перемещение палец 40 на Рисунке 1. Если поршень 20 продолжит перемещаться вверх таким образом, что палец будет непрерывно следовать по второй возвратной дорожке, произойдет обратное цикличное движение пальца 40 в исходное положение Р1, и он будет готов к очередному циклу перемещения через первую дорожку. Переводник 1 может многократно осуществлять такое циклическое движение в пределах 2-х дорожек контура, оказывая давление вверх и вниз на протяжении любого количества требуемых циклов, не активируя при этом прибор. Это полезная функция, поскольку, как правило, необходимо время от времени останавливать работу насосов на поверхности, например, с целью свинчивания бурильных труб, добавления или снятия свечи бурильных труб. Таким образом, в случае использования устройства, описываемого в данном примере, насосы могут быть активированы и дезактивированы на поверхности с целью добавления к колонне или снятия с нее любого количества труб, не оказывая при этом никакого влияния на процессы активации и дезактивации прибора, контролируемого переводником 1, поскольку палец просто осуществляет цикличное перемещение в пределах двух дорожек контура, внутри которого оба конца паза соответствуют нерабочим конфигурациям прибора.
Первая и вторая дорожки, описанные выше, составляют контур, позволяя пальцу 40 осуществлять цикличное перемещение контура столько раз, сколько потребуется для свинчивания или развинчивания труб на поверхности без необходимости дополнительно активировать или дезактивировать внутрискважинный прибор, контролируемый переводником 1.
Когда переводник 1 находится в состоянии готовности к открытию циркуляционных отверстий 30, палец 40 осуществляет цикличное перемещение через первую дорожку из положения Р1 в положение Р2, что соответствует переходу между Рисунками 1 и 2, на возвратную или вторую дорожку контура, при этом палец переводится из контура на продольную дорожку. Это происходит на второй дорожке контура, в частности, в данном примере, где палец 40 вышел из первой отклоненной секции второй дорожки, и прежде чем он покинул вторую отклоненную дорожку с целью повторного входа в первую продольную дорожку, соответствующую начальному положению Р1. В некоторой точке в пределах упомянутой переходной зоны Р3 между концом первой отклоненной секции и концом второй отклоненной секции происходит реверсирование направления движения гильзы/поршня, как правило, переключением или регулированием режимов работы насосов на поверхности, например, увеличением расхода, что заставляет поршень 20 изменить продольное направление в пределах кольцевого пространства. В этой точке Р3 вместо того, чтобы двигаться вниз по второй дорожке в пределах переходной зоны между концом первой отклоненной секции и концом второй отклоненной секции, поршень 20 начинает движение вниз по кольцевому пространству, а палец 40 соответственно перемещается вверх по переходной части паза 50. В верхней части продольной секции второй дорожки вторая дорожка ответвляется в виде тройника, один из сегментов которого формирует первую отклоненную секцию второй дорожки внутри первого контура, а второй (как правило, соосный с продольной секцией) ведет к продольной дорожке. В силу геометрии паза при перемещении пальца 40 вверх по переходной секции происходит его движение внутрь продольной дорожки, при этом он не возвращается в отклоненную секцию 2d внутри второй дорожки контура. Соответственно, палец 40 переходит через отклоненную секцию продольной дорожки в положение Р4, в конец удлиненной дорожки, соответствующей положению переводника 1, как изображено на Рисунке 4. Продольная дорожка на Р4 обеспечивает больший осевой ход поршня 20 по кольцевому пространству до соприкосновения со ступенью 6m, образующей опорное плечо поршня, и начиная с этой точки, дальнейшее продольное перемещение поршня 20 вниз невозможно. В той же точке палец 40 занимает положение Р4 и расположен на самом верху или около самого верха паза, как изображено на Рисунке 4, однако противодействующая сила, уравновешивающая давление флюида, как правило, приходится на ступень 6m, а не полностью на палец 40 (хотя такой вариант тоже возможен). В таком положении Р4 отверстия 11, 25 и 30 соосны, чем обеспечивается переток флюида между внутренним сквозным отверстием циркуляционной трубки, через отверстия 11 циркуляционной трубки, отверстия поршня 2 5, и через отверстия корпуса 30, к наружной части прибора, как изображено на Рисунке 4. При необходимости отверстия 11 могут также быть выравнены по окружности с отверстиями 25 и 30, но это не является обязательным требованием. Этим обеспечивается циркуляция флюида от сквозного отверстия 5b над контрольным переводником 1 через отверстия с целью циркуляции флюида при высоких давлениях; эта функция полезна для промывки ствола от бурового шлама и выноса его на поверхность. Циркуляция продолжается при высоких давлениях, благодаря чему циркуляционный переводник, реализованный в настоящим изобретении, сможет, например, удерживать буровой шлам и прочий мусор в кольцевом пространстве между наружной частью корпуса 5 и внутренней поверхностью ствола скважины во взвешенном состоянии для последующего выноса на поверхность.
После завершения операций по циркуляции и перед прекращением работы насосы отключаются (либо происходит иная соответствующая их регулировка) на поверхности, а усилие пружины возвращает поршень 20 в положение, изображенное на Рисунке 5, путем перемещения пальца в обратное положение по продольной дорожке. Как и на другой стороне контура между второй отклоненной веткой продольной дорожки и первой дорожкой следующего контура имеется переходная зона Р5, таким образом, когда палец 40 попадает в конец второй отклоненной ветки продольной дорожки, он входит в следующий контур. Прежде чем палец 40 попадет в конец второй отклоненной секции, может быть выполнено реверсирование движения поршня 20 путем регулирования насосов с поверхности, благодаря чему палец 40 начнет перемещаться в противоположном направлении в переходной зоне Р5, как изображено на Рис. 8, перемещаясь в обратном направлении, заходя в первую дорожку следующего контура и в конечном итоге прекращая перемещение в конце короткого сквозного отверстия с глухим концом в положении Р2', как изображено на Рис. 8. Контрольный переводник фактически возвращается в положение Р2, как изображено на Рис. 2, однако он циклично переместился с первого контура через продольную дорожку и вошел в последующий контур, а палец может вернуться в положение Р1 в пределах следующего контура, перемещая поршень обратно в положение, указанное на Рисунке 1 (при этом перемещаясь через один цикл), находясь в состоянии готовности выполнить последующие операции с самого начала. Следовательно, палец 40 не будет перемещен в продольную дорожку с первого контура без реверсирования направления перемещения, инициированного оператором. Тем не менее, когда палец 40 выходит из продольной дорожки через отклоненную ветку, в связи с особенностями геометрии паза 50, палец принудительно заходит во второй, другой контур через отклоненную ветку продольной дорожки и не сможет вернуться на продольную дорожку, если только палец не переместится в пределах паза 40 по окружности вокруг корпуса 5 на один оборот и не вернется в точку входа на продольную дорожку. Если оператор продолжит чередовать относительное направление движения между пальцем 40 и пазом 50, то палец переместится из глухого конца контура в соединение между контуром и следующей продольной дорожкой, затем в конечную точку в пределах продольной дорожки, а затем в соединение между продольной дорожкой и следующим контуром и т.д. (т.е. из положения Р2 в Р3 и далее в Р4, в Р5 и так далее, как изображено на Рисунке 8). Такая схема упрощает процедуру эксплуатации внутрискважинного устройства.
На Рисунках 10-15 приводится дополнительный пример 101 контрольного переводника, изображенного на Рисунках 1-9, с аналогичными компонентами, которые могут иметь тот же самый шифр, увеличенный на 100, а также с компонентами, которые являются общими с предыдущим примером, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к тексту предыдущего раскрытия сущности изобретения, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. Во втором примере, изображенном на Рисунках 10-15, поршень 120, палец 140, паз 50, корпус 105, пружина 107, муфта 112, отверстия 111,125 и 130, как правило, аналогичны описанным ранее. Второй пример отличается циркуляционной трубкой 110 и муфтой 112, которыми предусматривается необязательная функция, контролирующая скорость перемещения пальца через переходную зону, которая, как правило, предусматривает дополнительное время на переключение дорожек.
Циркуляционная трубка имеет ряд расположенных по окружности малых отверстий 116, устроенных в виде кольца, которое проходит через стенку циркуляционной трубки 110 около верхней части циркуляционной трубки ПО. Точное продольное расстояние кольца малых отверстий 116, как правило, выбирается в соответствии с прохождением пальца 140 через соединение между контуром и продольной дорожкой паза 50 в начале продольной секции второй дорожки паза 50, как будет объяснено далее, но это расстояние может при необходимости варьироваться без отхода от объема изобретения. Поршень герметично запаян над и под кольцом малых отверстий 116 в положении, изображенном на Рисунке 10, а верхнее уплотнение кольцевого пространства на внутренней поверхности поршня расположено в непосредственной близости от верхнего конца поршня.
На видоизмененной муфте 112 все еще присутствует отверстие 112р, впускающее находящийся под давлением флюид из сквозного отверстия 105b, однако при этом предусматривается одноходовой обратный клапан 113, который пропускает флюид в кольцевое пространство из сквозного отверстия 105b, не позволяя флюиду истекать обратно из кольцевого пространства через клапан 113 в сквозное отверстие 105b. Как правило, предусмотрено три отверстия 112, каждое из которых оборудовано одноходовым клапаном 113. Клапаны, как правило, допускают высокое давление и высокий расход флюида в дозволенном направлении, обеспечивая быстрое заводнение кольцевого пространства и быструю передачу давления на поршень 120, чем обусловлены относительно невысокие потери при передаче флюида. На муфте также, как правило, на равном удалении от соседних отверстий 112р предусмотрен по меньшей мере один, а при необходимости несколько стравливающих клапанов 114, обеспечивающих поток флюида из кольцевого пространства обратно в сквозное отверстие 105b. При необходимости стравливающий клапан 114 может быть регулируемым. Как правило, стравливающий клапан имеет очень малый или регулируемый диаметр, допускающий только очень малый расход флюида, проходящего через стравливающий клапан 114, обычно гораздо меньший, чем расход в отверстии 112р и в обратном клапане 113. Поскольку поршень 120 герметично припаян в кольцевом пространстве к внутренней и наружной поверхностям, флюид может выходить из кольцевого пространства над поршнем через стравливающий клапан 114. Таким образом, скорость, с которой флюид может выходить из стравливающего клапана определяет скорость, с которой поршень может перемещаться обратно в кольцевое пространство после снижения давления. Следовательно, данная скорость перемещения может быть отрегулирована посредством стравливающего клапана.
В ходе эксплуатации приложение давления к сквозному отверстию 105b вызывает движение поршня 120 вниз по кольцевому пространству, перемещая палец 140 вверх по пазу из положения Р1 в положение Р2. Прибор может циклично переключаться между положениями Р1 и Р2, как описывалось выше. Заводнение кольцевого пространства происходит быстро по причине большого диаметра отверстий 112р, при этом одноходовые клапаны 113 не вызывают существенного ограничения заводнения кольцевого пространства, таким образом, поршень перемещается вниз (а палец - вверх по первой дорожке контура) относительно быстро, занимая положение, изображенное на Рисунке 2.
При этом обратное перемещение поршня вверх по кольцевому пространству (а также перемещение пальца вниз по второй [возвратной] дорожке контура) требует выхода флюида из кольцевого пространства над поршнем, прежде чем поршень 120 переместится вверх. Флюид в кольцевом пространстве не может проходить через обратные клапаны 113. Когда поршень находится в положении, изображенном на Рисунке 2, а палец 140 - в положении Р2, флюид в кольцевом пространстве может перетекать обратно в сквозное отверстие 105b через отверстия малого диаметра 116, а также через стравливающий клапан 114. Общая площадь сечения потока через малые отверстия 116 относительно велика, и первоначальное перемещение поршня 120 вверх происходит быстро по мере истечения флюида, главным образом, через малые отверстия 116. Когда самые верхние уплотнения поршня проходят через малые отверстия 116, палец только что переместился через тройниковое соединение между контуром и продольной дорожкой в переходной зоне около РЗ, находясь в состоянии готовности к переключению с контура на продольную осевую дорожку. В настоящий момент уплотнения на поршне закрывают малые отверстия 116, препятствуя прохождению флюида через малые отверстия 116 таким образом, что жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через стравливающий клапан 114 сквозного отверстия малого диаметра, расположенного в муфте 112. Скорость потока, проходящего через стравливающий клапан малого диаметра, гораздо ниже, чем расход через малые сквозные отверстия 116 и отверстия 112р, а отверстия 112р закрываются при помощи обратных клапанов 113, таким образом, поршень 120 очень медленно перемещается через переходную зону Р3, а палец, соответственно, остается в переходной зоне Р3 на протяжении более длительного периода, что может быть отрегулировано при помощи изменения перепада давления и выставления настроек стравливающего клапана. Стандартные настройки позволяют пальцу оставаться в переходной зоне второй (возвратной) дорожки в положении Р3 на протяжении периода 15 секунд - 2 минуты или дольше, в зависимости от характеристик стравливающего клапана 114 и перепада давления. Насосы на поверхности могут быть остановлены по мере необходимости, при этом могут вноситься изменения в бурильную колонну, как было описано ранее, путем цикличного перемещения пальца в пределах нерабочего контура.
Переключение с контура на продольную дорожку, как правило, происходит только по усмотрению оператора. Для переключения с контура на продольную дорожку оператор, как правило, увеличивает расход флюида, вызывая перемещение пальца в положение Р2, а затем оператор сокращает (или полностью прекращает) подачу давления от наземных насосов на период около 15 секунд - 2 минут, в результате чего палец перемещается в переходную зону Р3, после чего, пока палец все еще остается в переходной зоне Р3, оператор снова увеличивает расход флюида для перемещения пальца в положение Р4. Кольцевое пространство обводняется скважинным флюидом, проходящим через обратные клапаны большого диаметра 113 и отверстия 112р, благодаря чему поршень 120 перемещается вниз по кольцевому пространству (а палец 140 вверх по пазу 50) в положение Р4, что может быть выполнено быстро по причине большей площади сечения потока в отверстиях 112р и обратных клапанах 113. Следовательно, второй пример дает оператору больше возможностей по установке продолжительности переходного этапа. Остальные операции, относящиеся к данному примеру, аналогичны операциям, описанным выше для предыдущего примера. Любые мероприятия с бурильной колонной, выполняемые при отключенных насосах, как правило, занимают больше времени, чем переходный временной интервал 15 секунд - 2 минуты, требуемый для возвращения пальца через переходную зону Р3 в положение Р1. Это позволяет вносить изменения в бурильную колонну, такие как добавление или снятие отдельных свеч труб, в то время как палец осуществляет непрерывное цикличное перемещение в пределах двух дорожек контура. Обычно наращивание колонны бурильных труб одной свечой занимает более 2 минут.
На Рисунках 16-18 приводится видоизмененный пример 201 контрольного переводника 101, изображенного на Рисунках 10-15 с аналогичными компонентами, которые могут иметь тот же самый шифр, увеличенный на 100, а также с компонентами, которые являются общими с предыдущими примерами, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к описанию предыдущих примеров, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. В третьем примере, изображенном на Рисунках 16-18, поршень 220, палец 240, паз 50, корпус 205, пружина 207, муфта 212, отверстия 211, 225 и 230, как правило, аналогичны описанным ранее.
Циркуляционная трубка 210 имеет аналогичную схему расположения малых отверстий 216, при этом уплотнения поршня расположены над и под кольцом малых отверстий 216.
На видоизмененной муфте 212 все еще присутствует отверстие 212р, впускающее находящийся под давлением флюид из сквозного отверстия 205b, при этом предусматривается одноходовой обратный клапан 213, аналогичный клапану 113, который пропускает флюид в кольцевое пространство из сквозного отверстия 205b, не позволяя флюиду истекать обратно из кольцевого пространства через клапан 213 в сквозное отверстие 205b. Как правило, предусмотрено три отверстия 212, каждое из которых оборудовано одноходовым клапаном 113. На муфте 212 также, как правило, на равном удалении от соседних отверстий 212р предусмотрен по меньшей мере один, а при необходимости несколько стравливающих клапанов 214, обеспечивающих поток флюида из кольцевого пространства обратно в сквозное отверстие 205b. Стравливающий клапан 214 обычно регулируется, как описано выше во втором примере, давая контроль над скоростью, с которой флюид выходит через стравливающий клапан, и таким образом над скоростью, с которой поршень может перемещаться вверх по кольцевому пространству после уменьшения давления, регулируемого посредством стравливающего клапана, как описано выше в предыдущем примере.
Третий пример иллюстрирует, каким образом некоторые устройства, реализованные в настоящем изобретении, могут стандартно использоваться для закрытия сквозного отверстия под циркуляционным отверстием, отводя большее количество флюида через циркуляционное отверстие. Данный пример отличается от второго примера тем, что нижняя часть пружины 207 упирается в цанговый фиксатор, установленный на обращенную вверх фаску, которая окружает сужающуюся часть проходного отверстия 205b. Нижний конец циркуляционной трубки удерживает клапанную трубку 215, вращению которой внутри сквозного отверстия 205b препятствует направляющий палец. Трубка клапана 215 проходит через сужающуюся часть на уровне фаски, а в нижней своей части трубка клапана 215 несет запирающее устройство, такое как заслонка 219, которое, как правило, цепляется за одну сторону трубки клапана 215.
Верхняя поверхность заслонки 219 приспособлена под герметизацию нижнего конца клапанной трубки 215, закрывая при этом сквозное отверстие через переводник 201. Нижняя поверхность заслонки 219 имеет форму, позволяющую взаимодействовать с дугообразной верхней поверхностью воронки 218, постепенно изгибающейся таким образом, чтобы направлять закрытие заслонки вокруг оси шарнира, пока заслонка и трубка клапана продольно перемещаются по сквозному отверстию 205b переводника 201. После того как клапанная трубка переместилась по сквозному отверстию переводника 205b, дугообразная верхняя поверхность воронки 218 направила закрытие заслонки 219 над нижним концом клапанной трубки 215. Соответственно, все флюиды, проходящие через верхний конец циркуляционной трубки 210, отводятся через отверстия 225, 230, когда они выравнены относительно друг друга, что обеспечивает возможность создания более турбулентных условий циркуляции в затрубном пространстве за пределами корпуса 205b.
Принцип действия данного примера в остальном аналогичен предыдущему варианту: приложение давления к сквозному отверстию 205 вызывает движение поршня 220 вниз по кольцевому пространству, перемещая палец 240 вверх по пазу из положения Р1 в положение Р2. Устройство может циклично переходить из положения Р1 в положение Р2 и обратно, как было описано выше, не переключаясь с контура на продольную дорожку до тех пор, пока оператор не будет готов к этому. Заводнение кольцевого пространства происходит быстро по причине большого диаметра отверстий 212р, при этом одноходовые клапаны 213 не вызывают существенного ограничения заводнения кольцевого пространства, таким образом, поршень перемещается вниз (а палец - вверх по первой дорожке контура) относительно быстро, занимая положение, изображенное на Рисунке 2.
Обратное перемещение поршня вверх по кольцевому пространству (а также перемещение пальца вниз по второй [возвратной] дорожке контура, как изображено на Рисунке 3) требует выхода флюида из кольцевого пространства над поршнем, прежде чем поршень 220 переместится вверх. Флюид в кольцевом пространстве не может возвращаться через обратные клапаны 213. Когда поршень находится в положении, изображенном на Рисунке 2, а палец 240 - в положении Р2, флюид в кольцевом пространстве может перетекать в сквозное отверстие 205b через отверстия малого диаметра 216. Общая площадь сечения потока через малые отверстия относительно велика, и первоначальное перемещение поршня 220 вверх происходит быстро по мере истечения флюида через малые отверстия 216. Когда самые верхние уплотнения поршня проходят через малые отверстия 216, палец только что переместился через тройниковое соединение между контуром и продольной дорожкой и находится в переходной зоне около Р3, в состоянии готовности к переходу (при необходимости) с контура на продольную осевую дорожку. В настоящий момент уплотнения на поршне закрывают малые отверстия 216, препятствуя прохождению флюида через малые отверстия 216 таким образом, что жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через стравливающий клапан 214 сквозного отверстия малого диаметра, расположенного в муфте 212. Расход флюида, проходящего через стравливающий клапан малого диаметра, существенно ниже, чем скорость потока через малые отверстия 216 и отверстия 212р, таким образом, что поршень 220 перемещается очень медленно, а палец остается в переходной зоне Р3 на протяжении более длительного периода, что может быть отрегулировано при помощи изменения перепада давления и выставления соответствующих настроек стравливающего клапана. Стандартные настройки позволяют пальцу оставаться в переходной зоне второй (возвратной) дорожки в положении Р3 на протяжении 15 секунд - 2 минут (в качестве примера) или дольше. Насосы на поверхности могут быть остановлены по мере необходимости, при этом могут вноситься изменения в бурильную колонну, как было описано ранее. По решению оператора кольцевое пространство может быть снова обводнено скважинным флюидом, проходящим через обратные клапаны 213 и отверстия 212р, благодаря чему поршень 220 перемещается вниз по кольцевому пространству (а палец 240 вверх по пазу 50) в положение Р4, что может быть выполнено быстро по причине большей площади сечения потока в отверстиях 212р и обратных клапанах 213. Заслонка 219 входит в воронку 218, только когда палец перемещается внутрь продольной дорожки в положение Р4. Следовательно, в третьем примере у оператора также имеется возможность вручную настраивать продолжительность переходного этапа, а также направить большую долю внутрискважинного давления на циркуляционные отверстия 230 в результате закрытия сквозного отверстия 205b заслонкой 219.
На Рисунках 19-22 приводится устройство для расширения скважины, в состав которого входит четвертый пример (301) контрольного переводника с компонентами, аналогичными описанным выше, которые могут иметь тот же самый шифр, увеличенный на 100, а также с компонентами, которые являются общими с предыдущими примерами, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к описанию предыдущих примеров, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. В четвертом примере, изображенном на Рисунках 19-22, поршень 320, палец 340, паз 50, корпус 305, пружина 307, муфта 312, отверстия 311, 325 и 330, как правило, аналогичны описанным ранее. Циркуляционная трубка 310 имеет аналогичную схему расположения малых отверстий 316, при этом уплотнения поршня расположены над и под кольцом малых отверстий 316. На видоизмененной муфте 312 имеются отверстия 312р, обратные клапаны 313, а также стравливающие клапаны 314, как было описано выше в предыдущих примерах.
Четвертый пример отличается от предыдущих вариантов тем, что в дополнение к циркуляционному переводнику он включает в себя режущий инструмент, имеющий в нашем примере форму бурового расширителя. Нижний конец пружины 307 садится на обращенную вверх фаску приводной гильзы 315, выталкивающей резак 319 радиально по направлению от корпуса. Когда приводная гильза 315 движется вниз по сквозному отверстию переводника 305b, резак 319 перемещается вверх по направляющей против усилия фиксирующей пружины 317, выдвигаясь радиально по направлению от корпуса 305, и может быть использован для режущих работ.
В ходе эксплуатации приложение давления к сквозному отверстию 305b вызывает движение поршня 320 вниз по кольцевому пространству, перемещая палец 340 вверх по пазу из положения Р1 в положение Р2. Прибор может циклично переключаться между положениями Р1 и Р2, как описывалось выше. Заводнение кольцевого пространства происходит быстро по причине большого диаметра отверстий 312р, при этом одноходовые клапаны 313 не вызывают существенного ограничения заводнения кольцевого пространства, таким образом, поршень перемещается вниз (а палец - вверх по первой дорожке контура в положение Р2) относительно быстро, занимая положение поршня, изображенное на Рисунке 20.
Многократное цикличное обратное перемещение поршня вверх по кольцевому пространству (а также перемещение пальца вниз по второй [возвратной] дорожке контура) контролируется посредством малых отверстий 316 и стравливающего контура 314, как описано выше. Когда самые верхние уплотнения поршня проходят через малые отверстия 316, палец только что переместился через тройниковое соединение между контуром и продольной дорожкой и находится в переходной зоне около РЗ, в состоянии готовности к переходу с контура на продольную дорожку. В настоящий момент уплотнения на поршне закрывают малые отверстия 316, препятствуя прохождению флюида через малые отверстия 316 таким образом, что жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через стравливающий клапан 314 сквозного отверстия малого диаметра, расположенного в муфте 312. Расход флюида, проходящего через стравливающий клапан малого диаметра, существенно ниже, чем скорость потока через малые сквозные отверстия 316 и отверстия 312р, таким образом, что поршень 320 перемещается медленно, а палец остается в переходной зоне РЗ на протяжении более длительного периода, что может быть отрегулировано при помощи изменения перепада давления и выставления соответствующих настроек стравливающего клапана. Стандартные настройки позволяют пальцу оставаться в переходной зоне второй (возвратной) дорожки в положении РЗ на протяжении 15 секунд - 2 минут или дольше. Насосы на поверхности могут быть остановлены по мере необходимости, при этом могут вноситься изменения в бурильную колонну, как было описано ранее, в любой момент на усмотрение оператора. Кольцевое пространство может обводняться через обратные клапаны 313 и отверстия 312р, благодаря чему поршень 320 перемещается вниз по кольцевому пространству (а палец 340 вверх по пазу 50 в положение Р4,) что может быть выполнено быстро по причине большей площади сечения потока в отверстиях 312р и обратных клапанах 313. Переводник 305 имеет при этом конфигурацию, изображенную на Рисунке 21, при которой резец расширителя 319 выдвигается, а циркуляционные отверстия открываются. Переводник 305 может быть деактивирован таким же образом, как описано выше для остальных примеров, при этом резак 319 убирается обратно в корпус прибора усилием сжатия пружины 317 по мере продвижения поршня 320 вверх по кольцевому пространству. Следовательно, четвертый пример также дает оператору больше возможностей по установке продолжительности переходного этапа. Другие аналогичные примеры могут быть построены без резаков и, соответственно, не могут использоваться для расширения ствола скважины, однако вместо этого они оборудованы выдвигаемыми стабилизирующими элементами, поддерживающими заданный радиальный зазор между колонной и внутренней поверхностью ствола скважины.
На Рисунках 23-26 приводится устройство для расширения скважины, в состав которого входит пятый пример (401) контрольного переводника с компонентами, аналогичными описанным выше, которые могут иметь тот же самый шифр, увеличенный на 100, а также с компонентами, которые являются общими с предыдущими примерами, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к описанию предыдущих примеров, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. Во примерах, изображенных на Рисунках 23-26, поршень 420, палец 440, паз 50, корпус 405, пружина 407, муфта 412, отверстия 411, 425 и 430, как правило, аналогичны описанным ранее. Циркуляционная трубка 410 имеет аналогичную схему расположения малых отверстий 416, при этом уплотнения поршня расположены над и под кольцом малых отверстий 416. На видоизмененной муфте 412 имеются отверстия 412р, обратные клапаны 413, а также стравливающие клапаны 414, как было описано выше в предыдущих примерах.
Пятый пример отличается от четвертого тем, что резец 419 закреплен на корпусе шарнирно и перемещается радиально наружу от корпуса 405 путем вращения вокруг шарнирной оси, в то время как гильза привода 415 перемещается вниз по сквозному отверстию переводника 405b. Резец 419 прижимается сдерживающей пружиной 417, возвращающей его в исходное положение после завершения операций по резке.
В ходе эксплуатации приложение давления к сквозному отверстию 405b вызывает движение поршня 420 вниз по кольцевому пространству, перемещая палец 440 вверх по пазу из положения Р1 в положение Р2. Устройство может циклично переходить из положения Р1 в положение Р2 и обратно, как было описано выше, не переключаясь с контура на продольную дорожку. Заводнение кольцевого пространства происходит быстро по причине большого диаметра отверстий 412р, при этом одноходовые клапаны 413 не вызывают существенного ограничения заводнения кольцевого пространства, таким образом, поршень перемещается вниз (а палец - вверх по первой дорожке контура в положение Р2) относительно быстро, занимая положение поршня, изображенное на Рисунке 24.
Обратное перемещение поршня вверх по кольцевому пространству (а также перемещение пальца вниз по второй [возвратной] дорожке контура) контролируется посредством малых отверстий 416 и стравливающего контура 414, как описано выше.
Когда самые верхние уплотнения поршня проходят через малые отверстия 416, палец только что переместился через тройниковое соединение между контуром и продольной дорожкой и находится в переходной зоне около РЗ, в состоянии готовности к переходу с контура на продольную дорожку. В настоящий момент уплотнения на поршне закрывают малые отверстия 416, препятствуя прохождению флюида через малые отверстия 416 таким образом, что жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через стравливающий клапан 414 сквозного отверстия малого диаметра, расположенного в муфте 412. Расход флюида, проходящего через стравливающий клапан малого диаметра, существенно ниже, чем скорость потока через малые сквозные отверстия 416 и отверстия 412р, таким образом, поршень 420 перемещается медленно, а палец остается в переходной зоне РЗ на протяжении более длительного периода, что может быть отрегулировано при помощи изменения перепада давления и выставления соответствующих настроек стравливающего клапана. Стандартные настройки позволяют пальцу оставаться в переходной зоне второй (возвратной) дорожки в положении РЗ на протяжении 15 секунд - 2 минут или дольше. Насосы на поверхности могут быть остановлены по мере необходимости, при этом могут вноситься изменения в бурильную колонну, как было описано ранее. Кольцевое пространство может быть обводнено через обратные клапаны 413 и отверстия 412р, благодаря чему поршень 420 перемещается вниз по кольцевому пространству (а палец 440 вверх по пазу 50 в положение Р4), что может быть выполнено быстро по причине большей площади сечения потока в отверстиях 412р и обратных клапанах 413. Переводник 405 имеет при этом конфигурацию, изображенную на Рисунке 25, при которой резец расширителя 419 выдвигается, а циркуляционные отверстия открываются. Переводник 405 может быть деактивирован таким же образом, как описано выше для остальных примеров, при этом резак 419 убирается обратно в корпус прибора усилием сжатия пружины 417 по мере продвижения поршня 420 вверх по кольцевому пространству.
Обратите внимание на Рисунок 27, на котором схематично изображена альтернативная конструкция поршня 520 по аналогии со схемой на Рисунке 8. Альтернативная конструкция поршня 520 предусматривает паз 550, который фактически является зеркальным отражением паза 50, изображенного на Рисунке 8, и который, как правило, функционирует аналогично поршню 20 с пазом 50, как изображено на Рисунке 8, за тем исключением, что поршни 20 и 520 вращаются в противоположных направлениях.
Остальные функции поршня 520 аналогичны описанным выше для других примеров. В состав поршня 520, как правило, входит отдельная гильза, на которой предусмотрены отверстия (не указаны), аналогичные отверстиям 25, предусмотренным на поршне 20. Как правило, поршень 250 в результате не имеет неотъемлемых отверстий.
Обращаясь к Рисункам 28 и 29, следует обратить внимание на дополнительные раскрываемые альтернативные конструкции поршня 720, имеющие отличные вариации паза 750. Паз 750 имеет контуры L1' (хотя он мог бы иметь и более двух контуров, как описано для паза 650) и продольные дорожки L2', перемежающиеся друг с другом. В пазе 750 линейные секции глухих концов контуров L1' и продольные дорожки L2' не параллельны оси Х-Х поршня 720, таким образом, паз 750 отклонен под углом к оси Х-Х. Конфигурации, изображенные на Рисунках 28 и 29, представляют собой зеркальные отражения друг друга. Таким образом, ход пальца в пазе 750 вызывает непрерывное вращение поршня, а степень его вращения варьирует в зависимости от угла отклонения от оси X в каждой части паза 750. Линейные секции паза 750 с глухими концами, расположенные в контурах L1', а также продольные дорожки L2', как правило, параллельны друг другу, хотя это и не является обязательным требованием.
В стандартном примере устройство, являющееся предметом изобретения и входящее в состав контрольного переводника внутри циркуляционной колонны, как правило, в рамках первого примера, может эксплуатироваться следующим образом:
1. Приготовьтесь к спуску бурового снаряда в скважину, при этом насосы могут работать на холостом ходу с расходом 0 галлонов в минуту и напором 0 фунтов на квадратный дюйм. Палец, как правило, удерживается в положении Р1.
2. Спускайте приборы в ранее пробуренный ствол, при этом насосы должны работать с расходом 100 галлонов в минуту, что, как правило соответствует, давлению на долоте 24 фунта на квадратный дюйм. Поршень перемещается в положение Р2.
3. Добавляйте последующие секции буровых труб на поверхности при работе насоса в холостом режиме (расход 0 галлонов в минуту, давление на долоте 0 фунтов на квадратный дюйм). Палец перемещается из положения Р2 обратно в положение Р1 (проходя через переходную зону Р3). Наращивание колонны бурильных труб комплектом свечей занимает ориентировочно 2-5 минут.
4. Продолжайте выполнять шаги 2 и 3 до тех пор, пока буровой снаряд не достигнет требуемой глубины.
5. Выполняйте бурение с большим давлением, подаваемым насосами с поверхности, как правило, при расходе порядка 300 галлонов в минуту и более, что соответствует давлению на долоте на уровне 225 фунтов на квадратный дюйм. Палец величины хода перемещается в положение Р2 при закрытом циркуляционном клапане.
6. Добавляйте очередной комплект буровых труб на поверхности при работе насоса в холостом режиме (расход 0 галлонов в минуту, давление на долоте 0 фунтов на квадратный дюйм). Палец величины хода перемещается из положения Р2 обратно в положение Р1 (проходя через переходную зону 3), при этом происходит очередное наращивание колонны бурильных труб.
7. Продолжайте выполнять шаги 5 и 6 до тех пор, пока не потребуется активировать используемый прибор, например, циркуляционный переводник, буровой расширитель, стабилизатор и т.д.
8. Для активации прибора путем переключения с контура на продольную дорожку необходимо увеличить расход флюида, подаваемого насосами на поверхности, до 100 галлонов в минуту и более, перемещая палец в положение Р2, соответствующее давлению на долоте на уровне 24 фунтов/кв. дюйм или выше, затем снизить расход флюида до значений ниже 60 галлонов в минуту на поверхности (что соответствует давлению на долоте порядка 9 фунтов/кв. дюйм) или полностью остановить поверхностные насосы ориентировочно на 20-50 секунд. Палец перемещается в переходную зону (положение Р3). При пересечении пальцем величины хода переходной зоны Р3 запустите насосы снова с расходом 100 галлонов в минуту или выше, с давлением на долоте 24 фунта/кв. дюйм или выше. Это вызывает переключение пальца с контура на продольную дорожку и перемещение его в положение Р4. В этом положении происходит активация прибора. Как правило, циркуляционный переводник позволяет увеличить общую площадь сечения потока, при этом обычно может выдвигаться поверхность резака бурового расширителя и (или) стабилизирующие лопасти стабилизатора.
9. Для ОТКЛЮЧЕНИЯ прибора используется тот же метод, что и при выполнении шага 8. В этот раз при сокращении давления палец перемещается из положения Р4 в переходную зону Р5, а после увеличения расхода в системе палец переместится в положение Р2', соответствующее вышеупомянутому положению Р2.
10. Активация и дезактивация прибора осуществляется столько раз, сколько необходимо, посредством метода, описанного в шагах 8 и 9.
Как было упомянуто в шаге 8, для активации прибора насосы могут быть отключены на 20-50 секунд, однако возможна установка на другую продолжительность отключения. При необходимости значения расхода и давления (60 галлонов на метр, 9 фунтов/кв. дюйм) также можно отрегулировать. Допускается изменение значений расхода насоса и давления подачи флюида в пределах объемов изобретения.
Вариантами выполнения допускается создание приборов, которые переключаются между режимами высокого и низкого давления (или режимами "включено" и "выключено"), при этом значения давления могут быть сокращены (при необходимости до нуля) на определенный промежуток времени, после которого давление может быть увеличено или подано снова, когда прибор находится в рабочей конфигурации. Другими вариантами выполнения изобретения допускается переключение между режимами высокого и низкого давления, при этом давление сокращается до определенного значения, позволяющего осуществлять переключение между неактивными контурами и активными продольными дорожками.
Изобретение также предусматривает наличие контрольного паза для пальца и пазового приспособления для внутрискважинного контроллера, при этом паз включает в себя по меньшей мере один контур и по меньшей мере одну продольную дорожку, и такой по меньшей мере один контур настраивается на цикличное переключение прибора между различными неактивными конфигурациями, а такая по меньшей мере одна продольная дорожка настраивается на перевод прибора в активную конфигурацию.
Таким образом, варианты выполнения паза предусматривают наличие по меньшей мере одного контура в конфигурации "ВЫКЛ." и по меньшей мере одной продольной дорожки в конфигурации "ВКЛ.", при этом допускается переключение между по меньшей мере одним контуром и по меньшей мере одной продольной дорожкой.
Как правило, допускается изменение радиального интервала P1, Р2 и других положений в профиле в пределах объемов изобретения. Один профиль может иметь положения P1 и P2, расположенные по окружности от положения Р4, например, под углом 180 градусов, однако в других примерах возможны другие интервалы и (или) большее или меньшее количество пар контуров. Например, возможно наличие трех пар "контур - продольная дорожка", при этом равнозначные положения расположены под углом 60 градусов по окружности поршня. Возможно наличие другого количества профилей, расположенных под другими углами.
В раскрываемых примерах положения Р1 и Р2 не обязательно должны быть соосны друг с другом, как показано в приведенных примерах. При необходимости положение Р1 может смещаться по окружности относительно положения Р2, при этом оба конца продольных дорожек могут быть смещены по окружности относительно друг друга, за счет чего будет изменена форма профиля, но не обязательно будет изменена функциональность прибора.
На Рисунках 30-33 приводится видоизмененный пример контрольного переводника, изображенного на Рисунках 16-18 с аналогичными компонентами, которые могут иметь тот же самый шифр, только начинающийся с "8", а не с "2", а также с компонентами, которые являются общими с предыдущими примерами, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к описанию предыдущих примеров, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. В настоящем примере, изображенном на рисунках 30-33, поршень 820, палец 840, пружина 807, муфта 812, малые отверстия 816, отверстие 812р, одноходовые обратные клапаны 813 и стравливающий клапан 814, как правило, аналогичны описанным выше, хотя в некоторых вариантах паза 850 стандартно каждый контур и каждая продольная дорожка могут быть выполнены с удлиненными пазами в верхнем конце вместо перемежающихся коротких и длинных пазов между контурами и продольными дорожками, как изображено на чертежах.
Корпус 805 разделяется на клапанный переводник 805v, закрепленный при помощи муфтово-ниппельной схемы под поршневым переводником 805р. Клапанный переводник 805v содержит запорный элемент в виде заслонки 819, закрывающей сквозное отверстие 805b, аналогично заслонке 219. Заслонка 819 фиксируется на конце клапанной трубки 815 и перемещается вместе с клапанной трубкой 815. Клапанная трубка 815 смонтирована на нижнем конце клапанного поршня 870, расположенного соосно на наружной поверхности циркуляционной трубки 810, и может скользить относительно циркуляционной трубки 810, закрепленной на корпусе, как правило, при помощи муфты 812. При необходимости, муфта 812 также может включать в себя верхнюю муфту 812u и нижнюю муфту 812l, расположенные вдоль циркуляционной трубки и, как правило, неподвижно присоединенные к корпусу, например, сваркой, винтовым креплением и проч. Муфты 812u и 812l, как правило, отвечают за центровку циркуляционной трубки 810 внутри сквозного отверстия 805b, а также за ее продольное крепление к корпусу. Нижняя муфта 8121, как правило, выступает в качестве упора для пружины 807, которая зажимается между нижней муфтой 812l и нижним концом поршня 810.
Отверстия 830, проходящие через корпус, как правило, расположены на удалении от поршня 850, а в данном варианте выполнения изобретения они предусмотрены на клапанном переводнике 805v. Клапанный поршень 870, как правило, имеет отверстия 825, а отверстия 811 на циркуляционной трубке также предусмотрены и на клапанном переводнике 805v. Клапанный поршень 870 совершает продольное скользящее перемещение по циркуляционной трубке 810, открывая и закрывая отверстия 811, тем самым обеспечивая переток флюида через отверстия 830 или препятствуя ему. Клапанный поршень 870 имеет поршневую зону с различными диаметрами герметизации, таким образом, при воздействии перепада давления он перемещается по сквозному отверстию 805b к заслонке 819. Клапанный поршень также проталкивается в том же направлении при помощи крайне тонкой гильзы клапанного привода 817 (лучше всего видно на Рисунке 30b), расположенной выше циркуляционной трубки 810 и, при необходимости, проскальзывающей вниз с нажимом на верхний конец клапанной трубки 816.
Настоящий пример также включает в себя возможный механизм для ограничения хода пружины при перемещении поршня вниз по кольцевому пространству таким образом, что палец выступает практически в роли контроллера вращения и принимает на себя меньшую осевую нагрузку при приближении к концам пазов, благодаря чему данный пример может быть использован в режимах высокого давления без перегрузки пальца.
В состав механизма ограничения хода входит пара встроенных нижних и верхних гильз 860u и 860l, установленных соответственно на поршне 850 и на нижней муфте 812l и имеющих противоположно направленные чередующиеся элементы, которые обеспечивают различный продольный ход в зависимости от относительных угловых положений гильз 860u и 860l. В настоящем примере чередующиеся элементы представлены, как правило, плоскопараллельными штифтами 861u и 861l, хотя конкретная их форма может отличаться от варианта к варианту. Поскольку нижняя гильза 860l закреплена на нижней муфте, которая зафиксирована на корпусе, нижние штифты 861l не вращаются и не перемещаются поступательно. При этом верхняя гильза 860и закреплена на поступательно подвижном и вращающемся поршне 850, таким образом, он вращается и перемещается поступательно вместе с поршнем 850 относительно статичной нижней гильзы.
Таким образом, верхние штифты могут быть выравнены по окружности с нижними штифтами и расположены на равном удалении от них, как изображено на Рисунке 30b, или выравнены по окружности и соединены встык с нижними штифтами, как изображено на Рисунке 31b, таким образом, что концы штифтов ограничивают дальнейший продольный ход, или расположены с перерывами в виде вклиниваний по окружности, как изображено на Рисунке 32b, на котором достигается максимальный продольный ход гильз 860, или расположены с перерывами по окружности с равными интервалами в продольном направлении, как изображено на Рисунке 33b. В двух промежуточных положениях максимальный продольный ход поршня, таким образом, зависит от относительных угловых положений штифтов 861 на обеих гильзах. Относительные угловые положения штифтов при расположении гильз 860 на удалении друг от друга не всегда имеют значение; как правило, именно при расположении встык или чередовании штифтов гильзы прижаты друг к другу, что имеет решающее значение, поскольку тем самым либо обеспечивается, либо блокируется дополнительный продольный ход, необходимый для активации прибора.
Принцип действия данного примера в остальном аналогичен варианту, изображенному на Рисунке 16: приложение давления к сквозному отверстию вызывает движение поршня 820 вниз по кольцевому пространству, перемещая палец 840 вверх по пазу, что соответствует ранее описанным положениям Р1 и Р2. Устройство может циклично переходить из положениям Р1 в положение Р2 и обратно, как было описано выше, не переключаясь с контура на прилегающую продольную дорожку до тех пор, пока оператор не будет готов к этому. Заводнение кольцевого пространства происходит быстро по причине большого диаметра отверстий 812р, при этом одноходовые клапаны 813 не вызывают существенного ограничения заводнения кольцевого пространства, таким образом, поршень перемещается вниз (а палец - вверх по первой дорожке контура) относительно быстро, занимая положение, изображенное на Рисунке 31. На данном этапе штифты 861u и 861l выравнены и примыкают друг к другу, тем самым ограничивая продольный ход поршня 820, как правило, перед тем, как палец 840 дойдет до конца короткого паза. Это уменьшает силы, действующие на палец 840.
При необходимости поршень может быть сформирован вместе со всеми верхними пазами, имеющими одинаковые размеры, и ограничение хода в пределах паза может быть определено только гильзами 860.
Обратное перемещение поршня 820 вверх по кольцевому пространству (а также перемещение пальца вниз по второй [возвратной] дорожке контура) требует выхода флюида из кольцевого пространства над поршнем, прежде чем поршень 820 переместится вверх. Флюид в кольцевом пространстве не может проходить обратно через обратные клапаны 813, и, как и в предыдущем варианте, флюид в кольцевом пространстве направляется в сквозное отверстие 805b через малые отверстия 816. Общая площадь сечения потока через малые отверстия относительно велика, и первоначальное перемещение поршня 820 вверх происходит быстро по мере истечения флюида через малые отверстия 816. Когда самые верхние уплотнения поршня проходят через малые отверстия 816, палец только что переместился через тройниковое соединение между контуром и продольной дорожкой и находится в переходной зоне в состоянии готовности к переходу (при необходимости) с контура на продольную осевую дорожку. В настоящий момент уплотнения на поршне закрывают малые отверстия 816, препятствуя прохождению флюида через малые отверстия 816 таким образом, что жидкость в кольцевом пространстве может выходить только через стравливающий клапан 814 сквозного отверстия малого диаметра, расположенного в муфте 812. Расход флюида, проходящего через стравливающий клапан малого диаметра, существенно ниже, чем скорость потока через малые отверстия 816 и отверстия 812р, таким образом, что поршень 820 перемещается очень медленно, а палец остается в переходной зоне на протяжении более длительного периода, что может быть отрегулировано при помощи изменения перепада давления и выставления соответствующих настроек стравливающего клапана. Стандартные настройки позволяют пальцу оставаться в переходной зоне второй (возвратной) дорожки на протяжении 15 секунд - 2 минут (в качестве примера) или дольше. Насосы на поверхности могут быть остановлены по мере необходимости, при этом могут вноситься изменения в бурильную колонну, как было описано ранее. В то время как палец 840 циклично перемещается в пределах (неактивного) контура, штифты выравниваются относительно друг друга, как указано на Рисунках 30 и 31, таким образом, что верхние штифты 861u всегда расположены на удалении от гильзы клапанного привода 817, и никогда не происходит активация клапана.
По решению оператора о переключении дорожек и активации прибора, когда палец находится в переходной зоне, кольцевое пространство может быть снова обводнено скважинным флюидом, проходящим через обратные клапаны 813 и отверстия 812р, благодаря чему поршень 820 перемещается вниз по кольцевому пространству (а палец 840 вверх по пазу 850) в положение, указанное на Рисунке 32b и эквивалентное положению Р4, что может быть выполнено быстро по причине большей площади сечения потока в отверстиях 812р и обратных клапанах 813. Обратите внимание, что в результате вращения поршня 820 штифты 861 и на верхней гильзе 860и более не выравнены со штифтами 8611 на нижней гильзе 860l, благодаря чему два комплекта штифтов 861 могут заходить друг в друга, что позволяет верхним пальцами 861 и зацепляться в тонкую гильзу клапанного привода 817, прижимая ее вниз в положение, изображенное на Рисунке 32b. В результате весь клапанный поршень 870 и клапанная трубка 815 проскальзывают вниз по направлению к заслонке 819, сжимающей пружину, которая, в свою очередь, выталкивает клапанный поршень 870 вверх по сквозному отверстию по направлению к поршню 820.
Таким образом, находясь в активном положении при подаче давления, поршень 820 перемещает прилагаемую верхнюю гильзу 860u вниз по наружной поверхности циркуляционной трубы. Когда чередующиеся штифты на верхней гильзе сползают между штифтами нижней гильзы 860l, они захватывают нижний конец тонкой гильзы 817 клапанного активатора (расположенной под нижней гильзой 860l). Гильза клапанного привода закрепляется на клапанном поршне 870, а при проталкивании ее вниз по циркуляционной трубке на наружную поверхность циркуляционной трубки оказывается нажим через клапанный поршень до тех пор, пока уплотнение на внутренней поверхности клапанного поршня не пройдет под отверстием 811 на циркуляционной трубке, позволяя наземным насосам перекачивать флюид под высоким давлением через сквозное отверстие циркуляционной трубки, через отверстия 811 за герметизированную уплотнениями зону клапанного поршня 870. Наружная поверхность клапанного поршня 870 также герметично припаяна к внутренней поверхности клапанного переводника 805v, а при открытии отверстий 811 через циркуляционную трубку возникает перепад давлений, обусловленный разницей диаметров сечения потоков во внутренней герметичной и наружной зоне клапанного поршня 870, который передается по сквозному отверстию 805b и противодействует усилию пружины, сжатой между ступенью на клапанном поршне 870 и муфтой, закрепленной на корпусе клапана 805v. Под действием усилия, создаваемого перепадом давления, клапанный поршень 870 опускается по отношению к верхнему управляющему поршню 820 и независимо от него, при этом длина хода поршня не ограничивается ходом поршня 820. Когда усилие, создаваемое перепадом давления, сокращается под действием усилия сжатой пружины, усилие пружины возвращает клапанный поршень 870 в исходное положение, при этом отверстия 811 герметично закрыты. При необходимости перемещение верхнего управляющего поршня 820 в сквозном отверстии может быть приостановлено, при этом клапанный поршень 870 может перемещаться самостоятельно для закрытия заслонки и выравнивания отверстий 830 и 825, хотя в ряде вариантов выполнения оба поршня, как правило, перемещаются одновременно, сообщая большее усилие для закрытия заслонки. Давление в кольцевом пространство (обычно герметично закрытое) ниже герметично закрытой зоны клапанного поршня 870, как правило, соответствует давлению внешней среды, при этом, как правило, предусматривается отверстие малого диаметра через стенку клапанного переводника 870, соединяющее кольцевое пространство с внешней частью прибора, что позволяет снизить риск образования гидравлических пробок в клапанном поршне. При отсутствии давления в системе клапанный поршень 870, как правило, находится в положении "закрыто", как изображено на Рисунке 33а, при этом пружина разжата между муфтой и ступенью на клапанном поршне 870, прижимая клапанный поршень 870 к внутренней фаске на пальце в верхней части клапанного переводника 805v, выполняющего функцию поршневого упора.
После того как клапанный поршень 870 опустится достаточно для выравнивания отверстий 825 на клапанном поршне 870 и отверстий 811 на циркуляционной трубке, усилие, создаваемое давлением флюида в сквозном отверстии 805b, будет сообщено клапанному поршню 870, а затем передано вниз по клапанному переводнику 805v при высоких значения гидравлического давления. Таким образом, изначальные значения тягового усилия, сообщаемого гильзой 817 привода для приложения давления флюида на клапанный поршень 870, могут быть относительно низкими, при этом могут быть использованы более легкие и менее сложные компоненты. Кроме того, усилия, прилагаемые для закрытия клапана, могут быть направлены непосредственно на клапанный поршень, обеспечивая эффективную передачу силы и высокие значения сил закрытия. Как правило, отверстие небольшого диаметра, проходящее через стенку клапанного переходника в зону поршня, позволяет снизить риск образования гидравлических пробок в клапанном поршне 870.
Отверстия для струйной промывки 830 обеспечивают повторную циркуляцию флюида из сквозного отверстие 805b на высоких давлениях, пока сквозное отверстие закрыто при помощи заслонки, благодаря чему весь флюид из сквозного отверстия направляется через отверстия для струйной промывки. Благодаря тому, что отверстия для струйной промывки расположены на удалении от поршня 820, паз 850 может быть отсечен от потока флюидов, проходящих под высоким давлением через сквозное отверстие 805b и выходящих из отверстий для струйной промывки 830, что снижает риск попадания бурового шлама в паз и ограничения перемещения поршня.
После завершения циркуляционных работ отключаются наземные насосы, а клапанный поршень 870 возвращается в закрытое положение, изображенное на Рисунке 30, под действием усилия сжатия пружины.
Как и в предыдущем варианте, заслонка 819 входит в воронку 818, только когда палец перемещается внутрь продольной дорожки в положение Р4. Следовательно, в данном примере у оператора также имеется возможность вручную настраивать продолжительность переходного этапа, а также направить большую долю внутрискважинного давления на циркуляционные отверстия 830 в результате закрытия сквозного отверстия 805b заслонкой 819. Поршень 820 и паз 850 также могут быть рассчитаны на меньшие уровни, а их функционал может быть ориентирован на управление работой внутрискважинного оборудования, а не на создание движущей силы, требуемой для его эксплуатации, при этом в целом прибор может использоваться в режимах повышенного давления, а создание усилия может быть переведено на клапанный поршень, который может быть отделен от управляющего поршня 820.
Текущая схема также позволяет снять технологическую нагрузку с паза, который может иметь контуры и продольные дорожки, перемежающиеся друг с другом, при этом поведение пальца в пазе может регулироваться иными способами, например, посредством чередующихся штифтов под поршнем.
Следует отметить, что в данном примере возможна эксплуатация приборов, отличающихся от клапанов (например, резцов, буровых расширителей и т.д., что наглядно продемонстрировано в других примерах, описанных в настоящем документе), а также различных видов клапанов, а не только створчатых, как было показано, поскольку данные варианты выполнения изобретения приведены исключительно в качестве примеров.
На Рисунках 34-42b приводится видоизмененный пример контрольного переводника, изображенного на Рисунках 30-33 с аналогичными компонентами, которые могут иметь тот же самый шифр, только начинающийся с "9", а не с "8", а также с компонентами, которые являются общими с предыдущими примерами, но не описаны подробно в настоящем документе, при этом читателя отправляют к описанию предыдущих примеров, в котором содержится иллюстрация строения и функционирования соответствующих компонентов, указанных в данном примере. В данном примере, изображенном на Рисунках 34-42b, поршень 920, палец 940, пружина 907, муфта 912, малые отверстия 916, отверстия 912р, заслонка 919, одноходовые обратные клапаны 913, а также стравливающий клапан 914, как правило, аналогичны описанным ранее. Палец 940 и паз 950 в настоящем примере именуются соответственно основным управляющим пальцем 940 и основным управляющим пазом 950 для того, чтобы их можно было отличить от вспомогательного управляющего пальца 980 и от вспомогательного управляющего паза 990, подробное описание которых приводится далее по тексту.
Корпус 905 разделяется на клапанный переводник 905v, закрепленный при помощи муфтово-ниппельной схемы под поршневым переводником 905р. Клапанный переводник 905v содержит запорный элемент в виде заслонки 919, закрывающего сквозное отверстие 905b аналогично заслонке 819. Заслонка 919 фиксируется на конце клапанной трубки 915 и перемещается вместе с клапанной трубкой 915. Клапанная трубка 915 смонтирована на нижнем конце клапанного поршня 970, расположенного соосно на наружной поверхности циркуляционной трубки 910, и может скользить относительно циркуляционной трубки 910, закрепленной на корпусе, как правило, при помощи муфты 912. При необходимости, муфта 912 также может включать в себя верхнюю муфту 812u и нижнюю муфту 812l, расположенные вдоль циркуляционной трубки и, как правило, неподвижно присоединенные к корпусу, например, сваркой, винтовым креплением и проч. Муфты 912u и 912l, как правило, отвечают за центровку циркуляционной трубки 910 внутри сквозного отверстия 905b, а также за ее продольное крепление к корпусу. Нижняя муфта 912l, как правило, выступает в качестве упора для пружины 907, которая зажимается между нижней муфтой 912l и нижнем концом поршня 920.
Отверстия 930, проходящие через корпус, как правило, расположены на удалении от поршня 920, а в данном варианте выполнения изобретения они предусмотрены на клапанном переводнике 905v. Клапанный поршень 970, как правило, имеет уплотнение 935, предназначенное для открытия и закрытия отверстий 911 на циркуляционной трубке, а отверстия 911 на циркуляционной трубке 910 также предусмотрены и на клапанном переводнике 905v. Клапанный поршень 970 совершает продольное скользящее перемещение по циркуляционной трубке 910, открывая и закрывая отверстия 911, тем самым обеспечивая переток флюида через отверстия 930 или препятствуя ему. Клапанный поршень 970 имеет поршневую зону с различными диаметрами герметизации, таким образом, при воздействии перепада давления он перемещается по сквозному отверстию 905b к заслонке 919. Клапанный поршень 970 также проталкивается в том же направлении при помощи крайне тонкой гильзы клапанного привода 917 (аналогичной гильзе 817, изображенной на Рисунке 30b), расположенной выше циркуляционной трубки 910 и при необходимости проскальзывающей вниз с нажимом на верхний конец клапанной трубки 915.
Настоящий пример также включает в себя возможный механизм для ограничения хода пружины при перемещении поршня вниз по кольцевому пространству, таким образом, что палец выступает практически в роли контроллера вращения и принимает на себя меньшую осевую нагрузку при приближении к концам пазов, благодаря чему данный пример может быть использован в режимах высокого давления без перегрузки пальца.
В состав механизма ограничения хода входит пара встроенных нижних и верхних гильз 960u и 9601, установленных соответственно на поршне 920 и на нижней муфте 9121 и имеющих противоположно направленные чередующиеся элементы, которые обеспечивают различный продольный ход в зависимости от относительных угловых положений гильз 960и и 960l. В настоящем примере чередующиеся элементы представлены, как правило, плоскопараллельными штифтами 961u и 961l, хотя конкретная их форма может отличаться от варианта к варианту. Поскольку нижняя гильза 960l закреплена на нижней муфте, которая зафиксирована на корпусе, нижние штифты 961l не вращаются и не перемещаются поступательно. При этом, верхняя гильза 960u закреплена на поступательно подвижном и вращающемся поршне 920, таким образом он вращается и перемещается поступательно вместе с поршнем 920 относительно статичной нижней гильзы.
Таким образом, верхние штифты 961u могут быть выравнены по окружности с нижними штифтами 961l и расположены на равном удалении от них по аналогии с вариантом выполнения, изображенном на Рисунке 30b, или выравнены по окружности и соединены встык с нижними штифтами по аналогии с вариантом, приведенным на Рисунке 31b, как изображено на Рисунке 39, таким образом, что концы штифтов ограничивают дальнейший продольный ход, или расположены с перерывами в виде вклиниваний по окружности (по аналогии с вариантом, изображенным на Рисунке 32b, а также как изображено на Рисунке 40), при котором достигается максимальный продольный ход гильз 960, или расположены с перерывами по окружности с равными интервалами в продольном направлении (по аналогии с вариантом, изображенным на Рисунке 33b). В двух промежуточных положениях максимальный продольный ход поршня, таким образом, зависит от относительных угловых положений штифтов 961 на обеих гильзах. Примыканием или чередованием штифтов при прижатых друг к другу гильзах обеспечивается или блокируется дополнительный продольный ход, необходимый для активации прибора.
Перемещение клапанного поршня 970 внутри сквозного отверстия 905b регулируется при помощи вспомогательных пальца и паза путем ограничения степени продольного перемещения клапанного поршня 970 в пределах сквозного отверстия 905b и направления вращения клапанного поршня вокруг своей оси. Клапанный поршень 970 имеет форму гильзы с продольным сквозным отверстием, а в данном варианте выполнения изобретения вспомогательный контрольный паз 990 формируется на наружной поверхности клапанного поршня 970. Схема взаимного расположения пальца и паза приводится на Рисунке 41. В данном варианте выполнения вспомогательный контрольный палец 980 вставляется через резьбовое сквозное отверстие и проходит латерально через боковую стенку корпуса 905v, а затем продвигается в сквозное отверстие на короткое расстояние, достаточное для захвата во вспомогательный контрольный паз 990 и удержания вспомогательного контрольного пальца 980 внутри вспомогательного контрольного паза 990 по ходу перемещения клапанного поршня 970 вверх-вниз. Вспомогательный управляющий паз 990, как правило, предусмотрен на наружной поверхности клапанного поршня 970. В альтернативных вариантах вспомогательный контрольный паз 990 может быть предусмотрен на самостоятельной гильзе, отдельно присоединяемой к клапанному поршню 970, либо клапанный поршень 970 может иметь вспомогательный контрольный палец, который может выдвигаться латерально в обращенный вовнутрь паз, предусмотренный на внутренней поверхности сквозного отверстия или на самостоятельной гильзе, присоединенной к сквозному отверстию.
Вспомогательный управляющий паз 990 на клапанном поршне 970 имеет по меньшей мере один контур или замкнутый путь, как изображено на Рисунке 4.1, что позволяет вспомогательному управляющему пальцу 980 перемещаться между множеством различных конфигураций вспомогательного управляющего пальца и паза. Этот контур представляет собой замкнутый путь при рассмотрении с бокового ракурса клапанного поршня 970, но не является замкнутым при рассмотрении с продольного направления клапанного поршня 970, при этом он образует замкнутый путь по окружности вокруг клапанного поршня 970.
Принцип действия данного примера более подробно описан ниже. Принцип действия основного управляющего пальца 940 и основного управляющего паза 950 аналогичен варианту, изображенному на рисунках 30-33. Как наиболее наглядно продемонстрировано на Рисунках 8 и 41, основной управляющий палец 940 начинает свое перемещение в точке Р1 основного управляющего паза 950, а вспомогательный управляющий палец 980 начинает движение в точке Q1 вспомогательного управляющего паза 990, которые соответствуют положениям основного управляющего паза 950 и вспомогательного управляющего паза 990, изображенным на Рисунке 34.
По мере приложения давления на сквозное отверстие поршень 920 прижимается к кольцевому пространству, как было описано ниже, при этом поршень 920 начинает перемещаться вниз относительно неподвижного основного управляющего пальца 940, а основной управляющий палец 940 перемещается вверх по глухому концу продольной секции через отклоненные секции 1d и 1d' первой дорожки контура в положение Р2, изображенное на Рисунке 8, как было описано выше, что соответствует положению основного управляющего паза 950, изображенному на Рисунке 35. На данном этапе штифты 961u и 961l выровнены и примыкают друг к другу, как изображено на Рисунке 39, тем самым ограничивая продольный ход поршня 920, как правило, перед тем, как основной управляющий палец 940 дойдет до конца короткого паза. Это уменьшает силы, действующие на основной управляющий палец 940. При необходимости поршень может быть сформирован вместе со всеми верхними пазами, имеющими одинаковые размеры, и ограничение хода в пределах основного управляющего паза может быть определено только гильзами 960. Когда штифты выровнены, как указано на Рисунке 39, верхние штифты 961 и всегда находятся на удалении от гильзы 917 клапанного привода, поэтому клапанный поршень 970 никогда не активируется, а вспомогательный управляющий палец 980 остается в точке Q1 вспомогательного управляющего паза 990. Кроме того, в настоящей конфигурации отверстия 911 циркуляционной трубки перекрыты уплотнением 935, блокируя переток флюида между отверстиями 911 циркуляционной трубки и отверстиями 930 корпуса, а циркуляция флюида не может осуществляться через боковую стенку прибора.
По мере сокращения давления флюида в сквозном отверстии 905b, например, при снижении расхода насосов на поверхности, усилие сжатия пружины 907, в конечном итоге, становится достаточным для того, чтобы превысить давление флюида и заставить поршень 920 вернуться в исходное положение в кольцевом пространстве таким образом, чтобы основной управляющий палец 940 начал перемещаться вниз по основному управляющему пазу 950. По аналогии с вариантом, изображенном на Рисунках 30-33, начиная с положения Р2, основной управляющий палец 40 спускается по продольному пазу с глухим концом, но не заходит в отклоненный участок первой дорожки 1d', вместо этого оказываясь на второй (или возвратной) дорожке контура, включающей в себя отклоненные участки 2d и 2d', прежде чем окончательно вернуться в точку Р1. Переводник 1 может неоднократно циклично перемещаться таким образом в пределах двух дорожек контура между Р1 и Р2 столько раз, сколько будет необходимо, не перемещая вспомогательный управляющий палец 980, который остается в точке Q1 вспомогательного управляющего паза 990, а также не активируя внутрискважинный прибор, управляемый переводником 1.
Когда переводник находится в состоянии готовности к открытию циркуляционных отверстий 930 и (или) к активации прибора, управляемого переводником, основной управляющий палец 940 выполнит цикличное перемещение через первую дорожку из положения Р1 в положение Р2, а затем на возвратную или вторую дорожку контура, при этом палец переводится из контура на продольную дорожку. Это выполняется посредством реверсирования направления движения гильзы (поршня) в некоторой точке в пределах переходный зоны Р3. Реверсирование направления перемещения гильзы (поршня), как правило, осуществляется путем переключения или регулирования настроек насосов на поверхности, например, путем повышения уровня активности с целью увеличения давления флюида и изменения продольного направления перемещения поршня 920 внутри кольцевого пространства. За счет геометрии паза при перемещении основного управляющего пальца 940 вверх по переходной секции Р3 происходит его движение внутрь продольной дорожки, при этом он не возвращается в отклоненную секцию 2d внутри контура. Соответственно, основной управляющий палец 940 переходит через отклоненную секцию продольной дорожки в положение Р4 в конце удлиненной дорожки, соответствующей конфигурации основных управляющих пальца и паза, изображенным на Рисунке 36.
В результате вращения поршня 920 штифты 961u на верхней гильзе 960u более не выравнены со штифтами 961l на нижней гильзе 9601, благодаря чему два комплекта штифтов 961 могут заходить друг в друга, как изображено на Рисунке 40, что позволяет верхним пальцами 961u зацепляться в тонкую гильзу клапанного привода 917, прижимая ее вниз в положение, аналогичное конфигурации, которая изображена на Рисунке 32b. В результате весь клапанный поршень 970 и клапанная трубка 915 проскальзывают вниз по направлению к заслонке 919, сжимающей пружину 927, которая, в свою очередь, выталкивает клапанный поршень 970 вверх по сквозному отверстию по направлению к поршню 920. Тем временем, движением клапанного поршня 970 вспомогательный управляющий паз 990 на поршне клапана 970 вынужден переместиться относительно вспомогательного управляющего пальца 980, закрепленного на внутренней поверхности переводника.
Уплотнение 935 (наиболее наглядно показано на Рисунке 42b) на клапанном поршне 970 закрывает отверстия 911 циркуляционной трубки, прежде чем клапанный поршень 970 переместится по направлению к заслонке 919, как изображено на Рисунках 34 и 35. При перемещении клапанного поршня 970 по направлению к заслонке 919 уплотнение начинает открывать отверстия 911, образуя полость ww (наиболее наглядно на Рисунке 36) между внутренней поверхностью клапанного переводника 905v и наружной поверхностью циркуляционной трубки 910. Длина полости ww вдоль длины переводника увеличивается по мере дальнейшего продвижения клапанного поршня 970 по направлению к заслонке 919. По мере открытия отверстий 911 обеспечивается переток флюида между отверстиями 911 и полостью ww, в результате чего флюид из циркуляционной трубки 910 поступает в полость ww. Давление флюида в полости ww оказывает дальнейший нажим на клапанный поршень 970, проталкивая его дальше по направлению к заслонке 919. Когда клапанный поршень 970 перемещается в положение, обозначенное на Рисунке 36, полость ww вступает в гидродинамическую связь как с отверстиями 930 корпуса, так и с отверстиями 911 циркуляционной трубки, обеспечивая переток флюида между внутренним сквозным отверстием циркуляционной трубки 910 через отверстия 911 циркуляционной трубки, полость ww, и далее через отверстия 930 корпуса за пределы прибора, как изображено на Рисунке 36. По мере того, как вспомогательный управляющий паз 990 (см. Рисунок 41) начинает опускаться относительно неподвижного вспомогательного управляющего пальца 980, вспомогательный управляющий палец 980 производит продольное перемещение вверх по концу Q1, изображенному на Рисунке 41 в продольную секцию через отклоненные секции 1е и 2е контура в положение Q2. В данном примере вспомогательный управляющий палец и паз активируют циркуляцию флюида в точке Q2.
В данном примере воронка 918 соединена с клапанным переводником 805v посредством пружины 922, которая проталкивает воронку 918 вверх по сквозному отверстию по направлению к клапанному поршню 970. Как и в предыдущем варианте, заслонка 919 входит в воронку 918, когда клапанный поршень 970 проталкивает заслонку 919 по направлению к воронке 918. После того, как заслонка 919 полностью войдет в воронку 918, поршневой клапан 970 продолжит свое перемещение по направлению к воронке 918, что вызовет сжатие пружины 922, как изображено на Рисунке 36. Это соответствует конфигурации, при которой основной управляющий палец 940 перемещается на продольную дорожку в положение Р4, а вспомогательный управляющий палец 980 - в положение Q2. Как и в примере, описанном выше, в данном примере у оператора также имеется возможность направить большую долю внутрискважинного давления на циркуляционные отверстия 930 в результате закрытия сквозного отверстия 905b заслонкой 919.
При необходимости отверстия 911 циркуляционной трубки могут быть выравнены по окружности с отверстиями 930 корпуса, но это не является обязательным требованием. Этим обеспечивается циркуляция флюида от сквозного отверстия 905b над контрольным переводником через отверстия 911 и 930 за пределы прибора при высоких давлениях; эта функция полезна для промывки ствола от бурового шлама и выноса его на поверхность. Циркуляция продолжается при высоких давлениях, благодаря чему циркуляционный переводник, реализованный в настоящем изобретении, сможет, например, удерживать буровой шлам и прочий мусор в кольцевом пространстве между наружной частью корпуса 905 и внутренней поверхностью ствола скважины во взвешенном состоянии для последующего выноса на поверхность.
После завершения операций по циркуляции и перед прекращением работы насосы отключаются (либо происходит иная соответствующая их регулировка) на поверхности, и давление флюида опускается до нуля, а усилие пружины, оказываемое на поршень 920, становится выше давления флюида на поршень 920, в связи с чем поршень 920 возвращается в положение, изображенное на Рисунке 37, перемещением основного управляющего пальца 940 в обратное положение по продольной дорожке по направлению от точки Р4, изображенной на Рисунке 8. Между второй отклоненной веткой 4d продольной дорожки и первой дорожкой следующего контура имеется переходная зона Р5, таким образом, когда основной управляющий палец 940 попадает в конец второй отклоненной ветки 4d продольной дорожки, он входит в следующий контур и перемещается в положение Р1'. Тем временем в результате нажима пружины 907 на поршень 920, отталкивающего его от клапанного поршня 970, штифты 961u на верхней гильзе 960u более не оказывают нажима на тонкую гильзу 917 клапанного привода, за счет чего тонкая гильза 917 клапанного привода и клапанный поршень 970 перемещаются вверх под действием усилия сжатия фиксирующей пружины в положение, изображенное на Рисунке 37. Таким образом, вспомогательный управляющий паз 990, расположенный на клапанном поршне 970, начинает перемещаться вверх относительно неподвижного вспомогательного управляющего пальца 980, а вспомогательный управляющий палец 980 перемещается продольно вниз через первую крайнюю точку Q2 через отклоненную секцию 3е контура в положение Q3 глухого конца, как изображено на Рисунке 41. При перемещении клапанного поршня 970 в положение, изображенное на Рисунке 37, прекращается гидродинамическая связь с отверстиями 930 корпуса, блокируя переток флюида между внутренним сквозным отверстием циркуляционной трубкой и наружной частью прибора.
По мере подъема клапанного поршня 970 по направлению к поршню 920 происходит разжатие пружины 922, которая выталкивает воронку 918 обратно в сторону клапанного поршня 970, сохраняя захват между заслонкой 919 и воронкой 918, в то время как вспомогательный управляющий палец 980 перемещается из положения Q2 в положение Q3. Расстояние между точками Q1 и Q3 также достаточно большое для того, чтобы заслонка 919 оставалась захваченной воронкой 918, в то время как вспомогательный управляющий палец 980 перемещается из положения Q2 в Q3.
Таким образом, когда основной управляющий палец 940 перемещается из Р4 в Р1', а вспомогательный управляющий палец 980 перемещается из Q2 в Q3, заслонка 919 остается захваченной воронкой 918. Когда основной управляющий палец 940 находится в Р1', а вспомогательный управляющий палец 980 в Q3, давление флюида в системе отсутствует. Тем не менее, клапанный поршень 970 может реагировать на увеличение давления, в то время как заслонка 919 остается захваченной воронкой 918, а давление флюида может быть сообщено из отверстия 911 циркуляционной трубки на полость ww, в которой давление может воздействовать на клапанный поршень 970.
При повторном росте давления в результате увеличения расхода насоса оператором поршень 920 проталкивается по направлению к заслонке 919, при этом основной управляющий палец 940 перемещается из положения Р1' в Р2'. В результате вращения поршня 920 верхние пальцы 961 и захватываются тонкой гильзой 917 привода клапана, прижимая ее в положение конфигурации, изображенной на Рисунке 40, с последующим продавливанием клапанного поршня 970 по направлению к заслонке 919 и перемещением вспомогательного управляющего пальца 980 из положения Q3 в Q4. Клапанный поршень 970 также проталкивается за счет давления флюида в полость ww. В результате мы получаем конфигурацию, изображенную на Рисунке 38. Тогда полость ww вступает в гидродинамическую связь как с отверстиями 930 корпуса, так и с отверстиями 911 циркуляционной трубки, обеспечивая переток флюида между внутренним сквозным отверстием циркуляционной трубки через отверстия 911 циркуляционной трубки, полость ww, и далее через отверстия 930 корпуса за пределы прибора, как изображено на Рисунке 38. Заслонка 919 остается захваченной воронкой 918 в переходной зоне между конфигурацией, изображенной на Рисунке 37, и конфигурацией, изображенной на Рисунке 38.
Повторное снижение давления флюида путем сокращения расхода насоса на поверхности вызывает обратное проталкивание поршня 920 и клапанного поршня 970 усилием сжатия соответствующих пружин, при этом основной управляющий палец 940 перемещается из положения Р2' в положение Р1', а вспомогательный управляющий палец 980 - из положения Q4 в Q5. В результате конфигурация переводника (см. Рисунок 38) возвращается к первоначальной (Рисунок 37), при которой снова прекращается гидродинамическая связь полости ww с отверстиями 930 корпуса, блокируя переток флюида между внутренним сквозным отверстием циркуляционной трубкой и наружной частью прибора. Во время такого перехода заслонка 919 остается захваченной воронкой 918. Последующий рост давления флюида провоцирует перемещение основного управляющего пальца 940 из положения Р1' в положение Р2' и вспомогательного управляющего пальца 980 из положения Q5 в Q6. Принцип действия переводника при вспомогательном управляющем пальце 980, установленном в точке Q6, аналогичен вышеописанному принципу работы, когда палец установлен в точке Q4.
После завершения работ отключаются наземные насосы, а основной поршень 920 и клапанный поршень 970 под действием пружин возвращаются в исходное начальное положение, указанное на Рисунке 34. Соответственно, основной управляющий палец 940 возвращается в положение Р1', а вспомогательный управляющей палец 980 возвращается в неактивное положение Q1, изображенное на Рисунке 4.1. В результате конфигурация переводника возвращается к изображенной на Рис. 34, при которой заслонка 919 более не захвачена воронкой 918.
Таким образом, когда вспомогательный управляющий палец 980 занимает положения Q2, Q4 и Q6, прибор находится в состоянии полной активности, что обеспечивает циркуляцию флюида от сквозного отверстия 905b над контрольным переводником через циркуляционную трубку, через отверстия 911, полость ww и отверстия 930 корпуса за пределы прибора при высоких давлениях; эта функция полезна для промывки ствола от бурового шлама и выноса его на поверхность. Когда вспомогательный управляющий палец 980 занимает положения Q3 и Q5, отсутствует переток флюида из циркуляционной трубки за пределы прибора, поскольку отсутствует гидродинамическая связь между полостью ww и отверстиями 930 корпуса, как изображено на Рисунке 38.
Как было объяснено выше, при циклическом переводе основного управляющего пальца 940 из Р1' в Р2' и обратно вспомогательный управляющий палец 980 перемещается из Q3 в Q4, оттуда в Q5, а затем в Q6. Большее количество дорожек может имитировать поведение секции дорожек Q3-Q3-Q5 в пределах вспомогательного управляющего паза, изображенного на Рисунке 41, и в таком случае данная схема приобретет более расширенный характер. Расширенная схема может использоваться для активации прибора более трех раз за каждый цикл паза, изображенного на Рисунке 41.
Существует возможность сделать так, чтобы активные положения Q2, Q4 и Q6 соответствовали активации различных приборов или иной конфигурации прибора. Например, первое полностью активное положение Q2 в пределах вспомогательного управляющего паза 990 может использоваться для полной активации циркуляционного переводника. Второе полностью активное положение Q4 в пределах того же паза 990 может быть использовано для открытия плашек фрезера с целью увеличения зоны радиального вытеснения. Второе частично активное положение Q5 может также открывать плашки фрезера при меньшей зоне радиального вытеснения. Третье полностью активное положение Q6 в пределах вспомогательного управляющего паза 990 может применяться для активации бурового расширителя. Еще одно возможное применение схемы, изображенной на Рисунке 41, подразумевает ее использование для управления комбинированным расширителем-циркуляционным переводником, при которой положение Q2 может использоваться для активации только расширителя, положение Q4 - для активации только циркуляционного переводника, а третье положение Q6 - для одновременной активации бурового расширителя и циркуляционного переводника.
Существенным преимуществом некоторых вариантов выполнения настоящего изобретения над альтернативными решениями с использованием байонетного паза или со сбросом в ствол шариков заключается в том, что возможна реверсивная активация и дезактивация прибора в течение непродолжительного периода времени, например, одной минуты. Устройство может быть настроено на цикличный переход между неактивными конфигурациями без перемены цикла до тех пор, пока оператором не будет инициирована уникальная процедура переключения с контура на примыкающую продольную дорожку. Таким образом, при остановке оператором поверхностных насосов для наращивания буровой колонны прибор, как правило, будет оставаться в том же самом (неактивном) контуре. При повторном увеличении расхода насоса оператором прибор, как правило, совершит цикличное перемещение обратно в пределах того же контура, не меняя конфигурацию управляемого устройства.