СКРЕБОК С УСИЛЕННЫМ ВЕДУЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
SCRAPER WITH REINFORCED DRIVING ELEMENT

[0001] В нефтегазодобывающей промышленности стволы скважин в большинстве случаев заканчиваются заливкой цементом хвостовика ствола скважины (например, колонны обсадных труб, хвостовика обсадной колонны) в пробуренный ствол скважины. В некоторых операциях цементации скребок (который в качестве варианта именуется как очистительная цементировочная пробка, скребковая пробка, заливочная пробка для цементирования скважины, продавочная цементировочная пробка и очищающий скребок для бурильной трубы) подается под давлением в скважину для того, чтобы гидравлически принудительно направлять цементный раствор через хвостовик ствола скважины в открытый ствол скважины. Цементный раствор выходит из хвостовика ствола скважины и втекает в кольцевое пространство между хвостовиком ствола скважины и стенкой ствола скважины, где он в конечном итоге отверждается для создания цементной оболочки, которая удерживает хвостовик ствола скважины внутри ствола скважины.
[0002] Скребки в большинстве случаев подаются в скважину под давлением через протянутую внутрь ствола скважины заливочную колонну труб, которая включает несколько отрезков бурильной трубы или других труб, соединенных встык между собой. Скребки обычно имеют один или большее количество элементов для чистки бурильных труб или «чашек», которые расходятся раструбом в радиальном направлении наружу для того, чтобы входить в плотный контакт с внутренним диаметром заливочной колонны труб. Элементы скребка способствуют созданию разности давлений на противоположных сторонах скребка путем предотвращения движения потока текучей среды через скребок в то время, когда он подается под давлением в ствол скважины. Кроме того, элементы скребка также служат для "протирки" внутренней стенки заливочной колонны труб для проведения цементирования в скважине и тем самым в значительной степени удаляют цементный раствор из заливочной колонны труб.
[0003] От скребков часто требуется проходить через трубы с различными внутренними диаметрами в то время, когда они под давлением подаются в ствол скважины. Например, в одной и той же заливочной колонне труб в большинстве случаев используются самые разные диаметры труб, и каждый типоразмер труб может иметь разный внутренний диаметр. Более того, от скребков часто требуется проходить через ограничения с минимальными проходами, которые обусловлены различными скважинными инструментами, такими как цементировочная головка, предохранительные клапаны, переходник, отводящие устройства, подвесные устройства для хвостовика, узлы скребковой пробки хвостовика и другими общепринятыми инструментами для цементирования ствола скважины. В соответствии с этим скребок не только должен эффективно уплотнять и протирать трубы с разными внутренними диаметрами в то время, когда он под давлением подается в ствол скважины, но он должен также успешно проходить через ограничения с минимальными проходами при выполнении этих жизненно важных функций. Такие небольшие внутренние диаметры или ограничения в совокупности именуются в данном документе как «ограничения уменьшенного диаметра». В связи с огромной величиной трения, вызванной элементами скребка, когда они проходят через ограничения уменьшенного диаметра, скребок может заклиниваться и может не доходить до конечного места назначения. Как можно понять, извлечение застрявшего скребка может быть дорогостоящей и связанной со значительной затратой времени операцией.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0004] Приведенные ниже фигуры включены для иллюстрации определенных аспектов данного раскрытия изобретения и не должны рассматриваться в качестве исключительных вариантов осуществления данного изобретения. Раскрытый объект изобретения дает возможность применения значительных модификаций, изменений, комбинаций и эквивалентов по форме и функции без отклонения от объема данного раскрытия изобретения.
[0005] На фиг. 1 проиллюстрирована система скважины, которая может использовать принципы данного раскрытия изобретения.
[0006] На фиг. 2 проиллюстрировано изометрическое изображение иллюстративного варианта осуществления скребка в соответствии с фиг. 1.
[0007] На фиг. 3 проиллюстрирован вид скребка в поперечном разрезе в соответствии с фиг. 2.
[0008] На фиг. 4 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе ведущего элемента в соответствии с фигурами 2 и 3.
Подробное описание сущности изобретения
[0009] Данное раскрытие изобретения относится к скважинным инструментам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, и, более конкретно, к скребкам, которые содержат в себе усиленный ведущий элемент, предназначенный для эксплуатации с прохождением через жесткие ограничения с минимальными проходами в заливочной колонне труб или в хвостовике ствола скважины.
[0010] Варианты осуществления данного изобретения описывают скребок, который содержит в себе ведущий элемент, предназначенный для того, чтобы помогать скребку проходить через участки с уменьшенным диаметром, встречающиеся в заливочной колонне труб или в хвостовике ствола скважины, при этом указанный ведущий элемент может помочь предотвратить заклинивание скребка в стволе скважины. Скребки, описанные в данном документе, содержат в себе один или больше количество элементов скребка, расположенных вокруг оправки, причем каждый элемент содержит в себе чашку скребка, которая расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении по отношению к оправке. В отличие от традиционных ведущих элементов, которые не включают какую-либо форму жесткой механической опоры для предотвращения продавливания, обратного хода или обхода, описанные в данном документе ведущие элементы содержат в себе жесткий башмак и чашку, соединенную с башмаком. Эта чашка расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении от башмака и имеет максимальный диаметр меньший, чем максимальный диаметр элементов скребка или равный им. В некоторых вариантах реализации данного изобретения эта чашка в качестве варианта может иметь максимальный диаметр больше, чем по меньшей мере один из элементов скребка. Кроме того, башмак предназначен для обеспечения по меньшей мере одной из осевой или радиальной опор для чашки во время эксплуатации. В частности, предотвращение заклинивания скребка в заливочной колонне труб или в других частях ствола скважины имеет исключительно важное значение для операций цементирования.
[0011] На фиг. 1 проиллюстрирована система 100 скважины, которая может использовать принципы данного раскрытия изобретения в соответствии с одним или большим количеством вариантов осуществления данного изобретения. Как проиллюстрировано, система 100 скважины содержит в себе ствол 102 скважины, который проходит через различные слои Земли и имеет практически вертикальный участок 104, который переходит в практически горизонтальный участок 106. Верхняя часть вертикального участка 104 может иметь зацементированную в ней колонну обсадных труб 108, а горизонтальный участок 106 может проходить через подземный продуктивный пласт 110, несущий углеводороды. Хвостовик 112 соединен с дальним концом колонны обсадных труб 108 или же «подвешен» на подвесном устройстве 114 для хвостовика и проходит в ствол скважины из обсадной колонны 108 в горизонтальный участок 106. Любой из колонны обсадных труб 108 и хвостовика 112 могут именоваться в данном документе как “хвостовики ствола скважины”.
[0012] Поплавковый башмак 116 соединен с дальним концом хвостовика 112 и позволяет выпускать цемент и другие текучие среды из хвостовика 112 в кольцевое пространство 118, сформированное между хвостовиком 112 и внутренней стенкой ствола 102 скважины. Поплавковый башмак 116 может быть оснащен одним или большим количеством поплавков или устройствами обратного клапана, которые позволяют вытекать потоку текучей среды из хвостовика 112, одновременно предотвращая повторное попадание текучих сред обратно в хвостовик 112 из кольцевого пространства 118.
[0013] Текучие среды могут подаваться в хвостовик 112 и кольцевое пространство 118 через заливочную колонну 120 труб, которая может быть вставлена в хвостовик 112 на его верхнем конце. В некоторых случаях применения цементирования скребковая пробка 122 хвостовика (в качестве варианта называемая «цементной пробкой») может быть соединена с возможностью отсоединения с нижним концом заливочной колонны 120 труб. Скребковая пробка 122 хвостовика имеет проточный канал 124, который проходит через нее для обеспечения движения текучей среды между заливочной колонной 120 труб и хвостовиком 112 после того, как заливочная колонна 120 труб должным образом соединена с хвостовиком 112.
[0014] В иллюстративной операции цементирования цементный раствор 126 закачивается вниз по заливочной колонне 120 труб и в хвостовик 112 после прохождения через проточный канал 124 скребковой пробки 122. После прокачивания через хвостовик 112 цементный раствор 126 выгружается в открытый ствол 102 скважины через поплавковый башмак 116. Для содействия продвижению цементного раствора 126 через заливочную колонну 120 труб и хвостовик 112, скребок 128 может быть введен в заливочную колонну 120 труб и подан под давлением в ствол скважины. Скребок 128 может в качестве варианта именоваться как закачиваемая цементировочная пробка или очистительная цементировочная пробка. Как правило, текучая среда под давлением подается на его обращенную вверх сторону для того, чтобы гидравлически вынуждать скребок 128 двигаться через заливочную колонну 120 труб, при этом скребок перемещает цементный раствор 126 в хвостовик 112 и кольцевое пространство 118 по мере прохождения скребка 128 через заливочную колонну 120 труб.
[0015] Скребок 128 выполнен с возможностью предотвращения перетока текучей среды через скребок 128 как в направлении вверх, так и в направлении в ствол скважины. Для этого скребок 128 содержит в себе один или большее количество элементов 130 скребка (показаны два), которые выступают из центрального корпуса для того, чтобы плотно входить в контакт с внутренней стенкой заливочной колонны 120 труб. Элементы 130 скребка могут быть сформированы из любого подходящего материала, как например, из упругого эластомерного материала, и могут принимать любую форму, такую как форма выдающейся назад чашки. Уплотненный контакт элементов 130 скребка с внутренним диаметром заливочной колонны 120 труб позволяет текучей среде под давлением перемещать скребок 128 в ствол скважины, одновременно заставляя цементный раствор 126 и другие текучие среды (например, разделительную жидкость, отделяющую цементный раствор 126 от скребка 128) перемещаться в направлении вглубь скважины. По мере того, как скребок 128 продвигается внутри заливочной колонны 120 труб, протирающие элементы 130 протирают внутренний диаметр заливочной колонны 120 труб и тем самым очищают заливочную колонну 120 труб от остаточного цементного раствора 126.
[0016] Скребок 128 выполнен с возможностью быть принятым скребковой пробкой 122 хвостовика и входить в плотный контакт с ней, и тем самым преграждать проточный канал 124. После того, как скребок 128 принимается скребковой пробкой 122 хвостовика, увеличение давления текучей среды внутри заливочной колонны 120 труб освобождает скребковую пробку 122 хвостовика, и позволяет скребковой пробке 122 хвостовика вместе со скребком 128 перемещаться в ствол скважины в хвостовик 112. Скребковая пробка 122 хвостовика содержит в себе протирающие элементы 132, выполненные с возможностью плотно входить в контакт с внутренней стенкой хвостовика 112 и работать аналогично протирающим элементам 130 скребка 128, но по отношению к хвостовику 112. По мере того, как скребковая пробка 122 хвостовика и скребок 128 совместно продвигаются внутри хвостовика 112, элементы 132 протирают (чистят) внутреннюю стенку хвостовика 112 и цементный раствор 126 (и/или другие текучие среды) проталкивается через хвостовик 112 и в кольцевое пространство 118 через поплавковый башмак 116.
[0017] При прохождении через скважинный инструмент или участок заливочной колонны 120 труб с уменьшенным диаметром, элементы 130 скребка будут сжиматься в радиальном направлении для того, чтобы дать возможность скребку 128 проходить через такие места. По внешней периферии элементов 130 скребка по мере того, как они сжимаются в радиальном направлении, могут образовываться морщины, которые создают каналы утечки через скребок 128, которые уменьшают способность скребка 128 создавать перепад давления, необходимый для гидравлического перемещения скребка 128 в стволе скважины. В других случаях при прохождении через скважинный инструмент или участок заливочной колонны 120 труб с уменьшенным диаметром гидравлическое давление может заставлять элементы 130 скребка выворачиваться в направлении ствола скважины (то есть выворачивать себя наизнанку), что создает гораздо более значительные каналы утечки через скребок 128 и снижает его эффективность.
[0018] В соответствии с вариантами осуществления данного изобретения скребок 128 дополнительно содержит в себе ведущий элемент 134, используемый для того, чтобы помогать скребку 128 проходить через участки с небольшими внутренними диаметрами или через ограничения в заливочной колонне 120 труб, или через другие скважинные инструменты, содержащиеся в системе 100 скважины. Такие небольшие внутренние диаметры или ограничения в заливочной колонне 120 труб или скважинные инструменты в совокупности именуются в данном документе как «ограничения уменьшенного диаметра». Ведущий элемент 134 может быть расположен на определенном расстоянии по направлению оси от элементов 130 скребка вдоль корпуса скребка 128 и может иметь меньший диаметр по сравнению с элементами 130 скребка. Кроме того, геометрия ведущего элемента 134 может быть рассчитана так, чтобы он мог выдерживать повышенные гидравлические усилия, необходимые для перемещения скребка 128 через ограничения уменьшенного диаметра. Ведущий элемент 134 может быть выполнен с возможностью сочетания способности создания перепада давления и жесткой механической опоры уплотнительной манжеты пакера с конструкцией типа чашки, например, с гибкостью обычно применяемых элементов 130 скребка.
[0019] В то время как на фиг. 1 проиллюстрирован хвостовик 112, проходящий в горизонтальный участок 106 ствола 102 скважины, специалисты в данной области легко поймут, что хвостовик 112 одинаково хорошо подходит для использования исключительно или частично на вертикальном участке 106, или на отклоненном, или на наклонном участке между вертикальным участком 104 и горизонтальным участком 106. Использование терминов, указывающих направление, таких как выше, ниже, верхний, нижний, вверх, вниз, влево, вправо, вверх по стволу скважины, в ствол скважины и т.п., применяются в отношении иллюстративных вариантов осуществления данного изобретения, как они изображены на графических материалах, причем направление вверх обозначает направление к вершине соответствующей фигуры, а направление вниз означает направление к нижней части соответствующей фигуры, при этом направление вверх по стволу скважины определяет направление к поверхности скважины, а направление в ствол скважины определяет направление по направлению к носку скважины.
[0020] На фиг. 2 проиллюстрировано изометрическое изображение иллюстративного варианта осуществления скребка 128 согласно фиг. 1 в соответствии с одним или большим количеством вариантов осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано, скребок 128 содержит в себе два элемента 130 скребка, расположенных по направлению оси на определенном расстоянии друг от друга и указанные на фиг. 2 в качестве первого элемента 130a скребка и второго элемента 130b скребка. В то время как на фиг. 2 проиллюстрированы два элемента 130a, 130b скребка, должно быть ясно, что больше или меньше чем два элемента 130a, 130b скребка могут быть включены в состав скребка 128 без отступления от объема раскрытия настоящего изобретения. Как указано выше, элементы 130a, 130b скребка могут быть изготовлены, например, из упругого эластомерного материала, который позволяет элементам 130a, 130b скребка изгибаться в радиальном направлении внутрь в результате встречи с ограничением уменьшенного диаметра.
[0021] Скребок 128 также содержит в себе носовой узел 202, который может содержать переднюю чашку 204, уплотнительную секцию 206 и соединительный элемент 208. Передняя чашка 204 может быть расположена в передней части или на ведущем конце носового узла 202 и расширяется наружу в радиальном направлении от корпуса скребка 128. Передняя чашка 204 может помогать поддерживать скребок 128, который в общих случаях является центрированным внутри заливочной колонны 112 труб (фиг. 1) или внутри другой скважинной трубы, когда скребок 128 продвигается в ствол скважины. Кроме того, как и в случае с элементами 130a, 130b скребка, передняя чашка 204 может быть изготовлена из упругого эластомерного материала, который позволяет передней чашке 204 изгибаться в случае необходимости.
[0022] Уплотнительная секция 206 может быть выполнена с возможностью быть принятой внутрь приемной секции скважинного инструмента и входить с ней в плотный контакт. Например, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения уплотнительная секция 206 может быть выполнена с возможностью входа в проточный канал 124 (фиг. 1) скребковой пробки 122 (фиг. 1) и вхождения с ним в плотный контакт, но в качестве альтернативного варианта она может быть выполнена с возможностью вхождения в плотный контакт с приемной секцией другого типа скважинного инструмента без отступления от объема раскрытия данного изобретения. Чтобы облегчить вхождение в плотный контакт со скважинным инструментом, уплотнительная секция 206 может быть покрыта эластомерным компаундом и/или снабжена одним или большим количеством уплотняющих материалов. После того, как уплотнительная секция 206 надлежащим образом принята внутрь приемной секции скважинного инструмента, движение текучей среды через скважинный инструмент может быть в значительной степени предотвращено.
[0023] Соединительный элемент 208 проиллюстрирован на фиг. 2 как расположенный между передней чашкой 204 и уплотнительной секцией 106, но в качестве альтернативного варианта он может быть размещен в других местах по длине носового узла 202 без отступления от объема раскрытия настоящего изобретения. Соединительный элемент 208 может быть выполнен с возможностью соединения скребка 128 со скважинным инструментом. Соединение скребка 128 со скважинным инструментом с помощью соединительного элемента 208 позволяет скребку 128 и соответствующему скважинному инструменту в дальнейшем перемещаться как единое целое. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения соединительный элемент 208 может быть выполнен с возможностью вхождения в контакт с приемным элементом, предусмотренным в скребковой пробке 122 хвостовика (фиг. 1) (например, внутри проточного канала 124) и тем самым крепить скребок 128 к скребковой пробке 122 хвостовика.
[0024] Соединительный элемент 208 может содержать в себе любое самостоятельно срабатывающее устройство, предназначенное для вхождения в контакт и запирания в соответствующий приемный элемент скважинного инструмента. Например, в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения соединительный элемент 208 может содержать в себе защелкивающее кольцо цангового типа, имеющее множество вытянутых в осевом направлении цанговых пальцев 210, которые выступают наружу в радиальном направлении. Цанговые пальцы 210 могут быть выполнены с возможностью находить и входить в контакт с соответствующим цанговым профилем, предусмотренным приемным элементом скважинного инструмента. Однако в других вариантах осуществления настоящего изобретения соединительный элемент 208 может содержать в себе полукруглое стопорное кольцо или пружинное запорное кольцо, которое может быть прикреплено к носовому узлу 202 путем разжатия кольца на величину больше величины наружного диаметра носового узла 202 для фиксации в соответствующем пазу. После фиксации приемного элемента скважинного инструмента кольцо может защелкиваться или расширяться с вхождением в контакт с ним и тем самым фиксировать скребок 128 в скважинном инструменте. В то же время в других вариантах осуществления данного изобретения соединительный элемент 208 может содержать в себе один или большее количество ключей уникальной формы (не показаны), выполненных с возможностью выборочного вхождения в контакт с соответствующим приемным профилем уникальной формы в приемном элементе скважинного инструмента.
[0025] Ведущий элемент 134 также проиллюстрирован на фиг. 2, как входящий в состав скребка 128. В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения ведущий элемент 134 расположен по направлению оси между элементами 130a, 130b скребка и носовым узлом 202. Однако в других вариантах осуществления данного изобретения ведущий элемент 134 может быть расположен в других положениях по осевой длине скребка 128, как например, между элементами 130a, 130b скребка или, в качестве варианта, на противоположном, обращенном вверх по стволу скважины конце элементов 130a, 130b скребка без отступления от объема раскрытия данного изобретения.
[0026] На фиг. 3 проиллюстрирован вид скребка 128 в поперечном разрезе в соответствии с фиг. 2. Как проиллюстрировано, скребок 128 содержит удлиненную оправку 302, имеющую первый конец 304а и второй конец 304b, противоположный первому концу 304а. Носовой узел 202 может быть прикреплен к оправке 302 на втором конце 304b, например, с помощью резьбового соединения, путем использования одного или большего количества механических крепежных элементов (например, винтов, болтов, стопорных колец, штифтов и т.д.) или при помощи прессовой посадки.
[0027] Как проиллюстрировано, уплотнительная секция 206 может иметь уплотняющий профиль, выполненный с возможностью сопряжения с соответствующим профилем приемной секции скважинного инструмента. Более конкретно уплотнительная секция 206 может содержать в себе первую часть 306а и вторую часть 306b, где первая часть 306а имеет больший диаметр, чем вторая часть 306b. Одна или обе из первой и второй частей 306a, 306b могут быть выполнены с возможностью быть принятыми профилем, предусмотренным приемной секцией скважинного инструмента. По меньшей мере в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения проточный канал 124 (фиг. 1) скребковой пробки 122 (фиг. 1) хвостовика может предусматривать принимающий профиль, выполненный с возможностью приема и уплотнения первой и второй частей 306a, 306b.
[0028] Уплотнительная секция 206 может содержать в себе один или большее количество уплотнительных элементов 308 (показаны два), выполненные с возможностью входить в плотный контакт с приемной секцией скважинного инструмента. В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения отдельные уплотнительные элементы 308 могут быть расположены на каждой из первой и второй частей 306а, 306b, но в качестве варианта могут быть расположены в других устройствах (например, более чем один уплотнительный элемент 308, расположенный на одной или обеих первых и вторых частях 306a, 306b) без отступления от объема раскрытия данного изобретения. Уплотнительные элементы 308 могут быть изготовлены из множества материалов, включая, но не ограничиваясь перечисленным: эластомерный материал, резину, металл, композитный материал, керамику, любое их производное и их любую комбинацию. Как проиллюстрировано, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения, уплотнительные элементы 308 могут содержать в себе уплотнительные кольца круглого сечения или что-то подобное. Однако в других вариантах осуществления данного изобретения уплотнительные элементы 308 могут содержать в себе набор уплотнительных колец V-образного сечения или уплотнительных колец шевронного типа или другую подходящую конфигурацию уплотнения (например, уплотнения, которые являются круглыми, V-образными, U-образными, квадратными, овальными, T-образными и т.д.), как общеизвестно специалистам в данной области техники. Один или большее количество уплотнительных элементов 308 могут в качестве варианта содержать в себе формованное резиновое или эластомерное уплотнение, уплотнение металл-металл (например, уплотнительное кольцо круглого сечения, выжимное кольцо, разрезное кольцо, подъемное упорное кольцо поршневого типа, спускное упорное кольцо поршневого типа и т.д.) или любую комбинацию из упомянутого выше.
[0029] Как проиллюстрировано, каждый из первого и второго элементов 130а, 130b скребка содержит в себе или иным образом образует чашки 310а и 310b скребка соответственно, сформированные в большинстве случаев в форме усечённого конуса. Каждая чашка 310a, 310b скребка расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении и, таким образом, открывается в направлении заднего конца скребка 128; например, в направлении конца, направленного вверх по стволу скважины или задней части. Первый и второй элементы 130a, 130b скребка могут быть смещены в осевом направлении друг от друга по длине оправки 302 и закреплены на оправке 302 различными средствами или устройствами. Например, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения один или оба из элементов 130a, 130b скребка могут быть соединены непосредственно с внешней поверхностью оправки 302, как например, будучи отформованными прямо на наружной поверхности оправки 302 или будучи прикрепленными к ней с использованием одного или большего количества механических крепежных элементов (например, винтов, болтов, стопорных колец, штифтов и т.д.) или при помощи горячей посадки или прессовой посадки.
[0030] Однако в других вариантах осуществления данного изобретения один или оба из элементов 130a, 130b скребка могут быть отформованы или иным образом соединены со вставкой 312, а вставка 312 может иметь размер, позволяющий принимать оправку 302 и иным образом располагаться на ней. В таких вариантах осуществления даного изобретения вставка 312 может быть прикреплена к оправке 302 при помощи горячей посадки или в качестве альтернативного варианта с помощью стяжной гайки 314, соединенной с оправкой 302 на первом конце 304a.
[0031] В ведущем элементе 134 может быть сформовано или иным образом образовано центральное отверстие 316, выполненное с возможностью приема оправки 302 таким образом, что ведущий элемент 134 может быть перемещен вдоль оправки 302 до тех пор, пока он не окажется в заданной позиции. Ведущий элемент 134 может быть прикреплен к оправке 302 различными средствами или устройствами. Например, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения ведущий элемент 134 может быть соединен непосредственно с внешней поверхностью оправки 302, как например, с использованием одного или большего количества механических крепежных элементов (например, винтов, болтов, стопорных колец, штифтов и т.д.), резьбового соединения (например, центральное отверстие 316 и оправка 302 могут быть снабжены резьбой), или при помощи горячей посадки или прессовой посадки. Однако в других вариантах осуществления данного изобретения ведущий элемент 134 может удерживаться между элементами 130a, 130b скребка (например, вставкой 312) и носовым узлом 202 (например, уплотнительной секцией 206) и удерживаться на месте путем крепления резьбой стяжной гайки 314 к оправке 302 на первом конце 304а.
1
2
[0032] На фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе ведущего элемента 134 согласно фиг. 2 и фиг. 3 в соответствии с одним или большим количеством вариантов осуществления данного изобретения. Как проиллюстрировано, ведущий элемент 134 может включать в себя башмак 402 и чашку 404, соединенную с башмаком 402 и выступающую из него. Башмак 402, как правило, содержит в себе кольцевой корпус 406, предпочтительно изготовленный из материала, пригодного для вальцевания. Примеры подходящих материалов для корпуса 406 включают, но не ограничиваются перечисленным: металл (например, алюминий, сталь, латунь и т.д.), пластик, высокопрочный термопласт, фенопласт, композитный материал, стекло, и любую их комбинацию. Центральное отверстие 316 сформировано в осевом направлении через корпус 406 по продольной оси 407 ведущего элемента 134 и имеет диаметр D, который является достаточно большим, чтобы принимать оправку 302 (фиг. 3). Корпус 406 имеет диаметр D, который является достаточно малым, чтобы позволять ведущему элементу 134 проходить через известные ограничения уменьшенного диаметра, которые могут присутствовать в стволе скважины, но является достаточно большим, чтобы до максимальной степени усилить механическую опору чашки 404.
[0033] Кружка 404 может быть изготовлена из различных гибких и пружинящих материалов, включая, но не ограничиваясь перечисленным: эластомерный материал, термопластичную пластмассу, термореактивную пластмассу и пластик на основе полиуретана. Примеры подходящих эластомеров, которые могут быть использованы для изготовления чашки 404, включают, например, нитрилбутадиеновый каучук (NBR), который представляет собой сополимер акрилонитрила и бутадиена, карбоксилированный бутадиенакрилонитрильный каучук (XNBR), бутилкаучук, нитрильный каучук, гидрированный нитрилбутадиеновый каучук (HNBR - также называемый гидрированным акрилонитрилбутадиеновым каучуком или высоконасыщенным нитрилом), карбоксилированный гидрированный акрилонитрилбутадиеновый каучук (XHNBR), гидрированный карбоксилированный акрилонитрилбутадиеновый каучук (HXNBR), галогенированные бутилкаучуки, стирол-бутадиеновый каучук, этиленпропиленовый каучук, этилен-пропилендиеновый каучук, эпихлоргидриновый каучук, полиакриловый каучук, силиконовый каучук, фторсиликоновый каучук, хлоропреновый каучук, полисульфидный каучук, этиленпропиленовый каучук (EPR), этиленпропилендиеновый каучук (EPDM), тетрафторэтилен и пропилен (FEPM), фторуглерод (FKM), перфторэластомер (FEKM), натуральный полиизопрен, синтетический полиизопрен, полибутадиен, полихлоропрен, неопрен, байпрен, фторэластомеры, перфтороэластомеры, полиэфирные блок-амиды, хлорсульфонированный полиэтилен, этиленвинилацетат, термопластичные эластомеры, эластомерный белок резилин, волокнистый белок эластин, их комбинации и тому подобное. Примеры подходящих термопластичных материалов, которые могут быть использованы для изготовления чашки 404, включают, например, полифениленсульфид (PPS), полиэфирэфиркетоны (например, PEEK, PEK и PEKK) и политетрафторэтилен (PTFE). Примеры подходящих термореактивных материалов, которые могут быть использованы для изготовления чашки 404, включают, например, эпоксидные смолы и фенольные смолы.
[0034] Чашка 404 имеет в большинстве случаев форму усеченного конуса и обеспечивает первый или «ведущий» конец 408а и второй или «задний» конец 408b напротив ведущего конца 408а. Чашка 404 дополнительно образует внутреннюю поверхность 410a чашки и внешнюю поверхность 410b чашки, при этом внутренняя поверхность чашки в большинстве случаев образует внутренний объём чашки 404, а внешняя поверхность 410b чашки образует внешнюю часть чашки 404. Чашка 404 соединена с башмаком 406 на ведущем конце 408а и расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении от него по направлению к заднему концу 408b. В связи с этим, как и в случае с элементами 130a, 130b скребка (фиг. 3), ведущий элемент 134 в большинстве случаев открывается к заднему концу 408b.
[0035] По меньшей мере часть ведущего конца 408а может быть принята внутри желоба 410, образованного в башмаке 406 и соединенного с ним при помощи одного или нескольких способов крепления. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения желоб 410 может быть покрыт связующим агентом, а башмак 406 вслед за этим может быть помещен в качестве закладной детали в машину для литья под давлением, в которой чашка 404 отливается в форму на башмак 406. По мере того, как материал чашки 404 отверждается, связующий агент отверждается одновременно с ней для обеспечения склеенной поверхности соприкосновения между материалом башмака 406 и материалом чашки 404.
[0036] Как проиллюстрировано, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения внешняя поверхность 410b чашки может быть сформирована закрепленной частью 412а и открытой частью 412b. Укрепленная часть 412a может быть выполнена с возможностью обеспечения конструктивного усиления по отношению к чашке 404 для того, чтобы дать возможность ведущему элементу 134 воспринимать на себя осевую и радиальную нагрузку, оказываемую на чашку 404 и противостоять ей. Для этого укрепленная часть 412а может входить в контакт с торцевой стенкой 414, предусмотренной на одной стороне башмака 406. Укрепленная часть 412a может быть или может не быть соединена с торцевой стенкой 414.
[0037] Торцевая стенка 414 проходит в радиальном направлении от желоба 410 под углом 416, отклоненным от продольной оси 407. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения угол 416 может составлять 90° (т.е. это вертикальная торцевая стенка 414). Однако при этом в других вариантах осуществления данного изобретения для того, чтобы дать возможность торцевой стенке 414 обеспечивать достаточную степень радиальной опоры для чашки 404, угол 416 может находиться в диапазоне от около 60° до около 75° от продольной оси 407. В таких вариантах осуществления данного изобретения торцевая стенка 414 прилагает нормальное усилие к чашке 404, которое помогает предохранить чашку 404 от выворачивания наружу в радиальном направлении во время эксплуатации. Однако угол 416 в качестве варианта может быть предусмотрен с любым значением его величины в диапазоне между 1° и 90° без отступления от объема раскрытия изобретения. Следует иметь в виду, что с помощью наклонной торцевой стенки 414 башмак 402 помогает уменьшить гибкость чашки 404 таким образом, что ведущий элемент 134 может обеспечивать перепад давления, требующийся для перемещения скребка 128 (фиг. 2-3) через ограничения уменьшенного диаметра.
[0038] Открытая часть 412b выходит из укрепленной части 412a и проходит под углом 418, отклоненным от продольной оси 407. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения углы 416, 418 могут быть теми же самыми. Однако в других вариантах реализации данного изобретения углы 416, 418 могут быть отличающимися. Угол 418 может иметь величину в диапазоне от около 10° до около 45°, но предпочтительно составляет менее чем 30° и более чем 0°.
3
[0039] Угол 418 внешней поверхности 410b чашки определяет угол столкновения для чашки 404 в то время, когда скребок 128 (фиг. 2-3) перемещается в стволе скважины. Угол 418 может быть рассчитан таким образом, что максимальный наружный диаметр D ведущего элемента 134 составляет величину менее чем величина максимального наружного диаметра любого из элементов 130a, 130b скребка (фиг. 2-3) или равен ему. В соответствии с этим угол столкновения для ведущего элемента 134 может быть меньше чем соответствующие углы столкновения элементов 130a, 130b скребка. Следует иметь в виду, что меньший угол 418 позволит скребку 128 (фиг. 2-3) легче проходить через ограничения уменьшенного диаметра. Более того, меньший угол 418 также сделает чашку 404 менее чувствительной к выворачиванию, что приводит к обеспечению ведущего элемента 134 более высокой способностью к созданию перепада давления во время эксплуатации.
3
[0040] Однако следует отметить, что в данном документе также предусматриваются варианты осуществления данного изобретения, в которых максимальный наружный диаметр D ведущего элемента 134 является большим, чем по меньшей мере наружный диаметр одного из элементов 130a, 130b скребка (фиг. 2-3) без отступления от объема раскрытия данного изобретения. В таких вариантах осуществления данного изобретения опорная конструкция башмака 402 продолжает выполнять свое назначение по уменьшению гибкости чашки 404, что дает возможность ведущему элементу 134 обеспечивать перепад давления, требующийся для перемещения скребка 128 (фиг. 2-3) через ограничения уменьшенного диаметра.
[0041] Внутренняя поверхность 410a чашки проходит под углом 420, отклоненным от продольной оси 407. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения углы 418, 420 могут быть теми же самыми. Однако, в других вариантах реализации данного изобретения углы 418, 420 могут быть отличающимися. Угол 420 может иметь величину в диапазоне от около 10° до около 45°, но предпочтительно составляет менее чем 30° и более чем 0°. По меньшей мере в одном из вариантов осуществления данного изобретения угол 420 внутренней поверхности 410а чашки может быть больше чем угол 418 внешней поверхности 410b чашки. В результате это дает более жесткую чашку 404, что позволяет постепенно уменьшать толщину чашки 404 от переднего конца 408а к заднему концу 408b.
[0042] С целью лучшего понимания данного раскрытия изобретения приведен следующий пример типичного варианта осуществления данного изобретения. Следующий пример не следует воспринимать в качестве ограничивающего или определяющего объем раскрытия изобретения.
[0043] Описанный выше скребок 128 может быть введен в заливочную колонну 120 труб и транспортирован в ствол скважины. Ведущий элемент 134 может быть специально разработан для минимальных и наиболее жестких ограничений в заливочной колонне 120 труб. В большинстве случаев в одной и той же заливочной колонне труб используются несколько размеров труб (трубчатых элементов). В связи с этим заливочная колонна 120 труб в данном примере содержит в себе одну или большее количество труб диаметром 6-5/8 дюйма (около 168 мм), одну или большее количество труб диаметром 5-1/2 дюйма (около 140 мм), и одну или большее количество труб 5 дюймов (127 мм). В большинстве случаев существует два диаметра на каждый размер трубы из-за высадки вовнутрь конца трубы каждого соединения, и в связи с этим размеры этих труб могут иметь внутренние диаметры 6,065 дюйма (около 148,6 мм), 5,187 дюйма (около 131,7 мм), 4,670 дюйма (около 118,6 мм), 3,500 дюйма (около 88,9 мм), 4,276 дюйма (около 108,6 мм) и 3,687 дюйма (около 93,7 мм).
[0044] Скребок 128 должен не только эффективно уплотнять и очищать каждый из этих минимальных диаметров, он также должен успешно проходить через ограничения с минимальными проходами, которые обусловлены различными скважинными инструментами, такими как цементировочная головка, предохранительные клапаны, переходник, отводящие устройства, подвесные устройства для хвостовика узлы скребковой пробки хвостовика и другие общепринятые инструменты для цементирования ствола скважины. Ограничения минимальных проходов, которые обусловлены такими скважинными инструментами, в некоторых случаях могут составлять менее 2 дюймов (50,8 мм).
2
[0045] В данном примере диаметр D (фиг. 4) корпуса 406 (фиг. 4) башмака 402 (фиг. 4) может составлять 2,220 дюйма (около 56,4 мм). В результате ограничение минимального прохода, на которое рассчитан скребок 128, составляет 2,250 дюйма (около 57,1 мм) из-за твердого выступа башмака 402. Испытание, проведенное авторами изобретения, показало, что ведущий элемент 134 способен выдерживать давление более чем 1000 фунтов на кв.дюйм (около 6,9 МПа) при ограничении уменьшенного внутреннего диаметра, равном 2,50 дюйма (63,5 мм). Это является возможным частично благодаря углу 418 (фиг. 4) наружной поверхности 410b чашки (фиг. 4), который составлял около 20°, а также жесткой механической опоре башмака 402 на торцевой стенке 414 (фиг. 4). Следует иметь в виду, что небольшой угол 418 может оказаться выгодным при эффективном использовании тригонометрических принципов (т.е. чем меньше угол 418 относительно продольной оси 407, тем больше увеличится степень приложенного давления, направленного в радиальном направлении), что приведет к увеличению эффективного радиального уплотнения. Более значительное эффективное радиальное уплотнение может обеспечивать повышенное осевое усилие на эффективном диаметре поршня для того, чтобы преодолевать сопротивление, которое может возникать в результате взаимодействия между наружным диаметром элементов 130a, 130b скребка и внутренним диаметром ограничения.
[0046] В соответствии с этим ведущий элемент 134 может оказаться выгодным при объединении способности создания перепада давления и жесткой механической опоры уплотнительной манжеты пакера с конструкцией типа чашки, например, с гибкостью обычно применяемых элементов 130a, 130b скребка. В то время как обычные элементы 130a, 130b скребка имеют способность создания разности давлений, составляющей 50-100 фунтов на кв.дюйм (около 0,35-0,7 МПа), раскрытые в данном документе варианты осуществления ведущего элемента 134 могут демонстрировать разность давлений 1000 фунтов на кв.дюйм (около 6,9 МПа) или более.
[0047] Варианты осуществления данного изобретения, раскрытые в данном документе, включают:
[0048] A. Скребок, который содержит в себе один или больше количество элементов скребка, расположенных вокруг оправки, при этом каждый элемент скребка содержит в себе чашку скребка, которая выступает в радиальном направлении наружу и в обратном направлении по отношению к оправке, носовой узел, соединенный с оправкой, а также ведущий элемент, расположенный вокруг оправки и содержащий башмак и чашку, соединенную с башмаком, причем чашка расширяется наружу в радиальном направлении и в обратном направлении от башмака, и имеет максимальный диаметр меньше чем максимальный диаметр одного или большего количества элементов скребка или равен ему, и при этом башмак обеспечивает по меньшей мере одно из осевой или радиальной опоры для чашки.
[0049] B. Система скважины, которая содержит в себе заливочную колонну труб, проходящую в стволе скважины и соединенную с хвостовиком ствола скважины; скребок, перемещаемый в заливочную колонну труб для гидравлического принудительного перемещения текучей среды через заливочную колонну и в хвостовик ствола скважины, при этом скребок содержит в себе один или большее количество элементов скребка, расположенных вокруг оправки, каждый из которых содержит чашку скребка, которая расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении по отношению к оправке для того, чтобы входить в плотный контакт с внутренней стенкой заливочной колонны; носовой узел, соединенный с оправкой, и ведущий элемент, расположенный вокруг оправки и включающий башмак и чашку, соединенную с башмаком, при этом чашка расширяется в радиальном направлении наружу и в обратном направлении от башмака и имеет максимальный диаметр, меньший или равный максимальному диаметру одного или большего количества элементов скребка, а башмак при этом обеспечивает по меньшей мере одну из осевых и радиальных опор для чашки.
[0050] C. Способ, который включает подачу насосом текучей среды в заливочную колонну труб, протянутую в стволе скважины и соединенную со стволом скважины; подачу под давлением скребка в заливочную колонну, при этом скребок содержит в себе один или большее количество элементов скребка, расположенных вокруг оправки, носовой узел, соединенный с оправкой, и ведущий элемент, расположенный вокруг оправки и включающий в себя башмак и чашку, соединенные с башмаком, причем чашка имеет максимальный диаметр, меньший или равный максимальному диаметру одного или большего количества элементов скребка; введение в контакт внутренней стенки заливочной колонны с одним или большим количеством уплотнительных элементов, в то время как скребок продвигается в скважине и тем самым гидравлически вынуждает текучую среду перемещаться в хвостовик ствола скважины; продвижение вперёд скребка при помощи ведущего элемента через участок уменьшенного диаметра, образованный в заливочной колонне труб, и обеспечение по меньшей мере одно из осевой и радиальной опоры для чашки с помощью башмака в то время, когда ведущий элемент перемещает скребок через участок уменьшенного диаметра.
[0051] Каждый из вариантов осуществления данного изобретения A, B и C может иметь один или большее количество следующих дополнительных элементов в любой комбинации: Элемент 1: в котором ведущий элемент расположен по направлению оси между одним или большим количеством элементами скребка и носовым узлом. Элемент 2: дополнительно содержащий в себе центральное отверстие, сформированное в осевом направлении через башмак для того, чтобы принимать оправку. Элемент 3: в котором чашка состоит из гибкого материала, выбранного из группы, состоящей из эластомера, термопластичного материала, термореактивного материала, полиуретана и любой их комбинации. Элемент 4: в котором башмак состоит из материала, выбранного из группы, состоящей из металла, пластика, высокопрочного термопласта, фенопласта, композитного материала, стекла и любой их комбинации. Элемент 5: в котором башмак образует желоб, а чашка прикреплена к башмаку в желобе. Элемент 6: в котором чашка образует внутреннюю поверхность чашки и внешнюю поверхность чашки, и в котором внешняя поверхность чашки обеспечивает укрепленную секцию, которая входит в контакт с торцевой стенкой, образуемой башмаком. Элемент 7: в котором торцевая стенка проходит под углом, смещенным от продольной оси ведущего элемента, и составляет величину менее чем 90° для того, чтобы обеспечить радиальную опору для чашки. Элемент 8: в котором чашка обеспечивает внутреннюю поверхность чашки, которая проходит под первым углом по отношению к продольной оси ведущего элемента, и внешнюю поверхность чашки, которая проходит под вторым углом по отношению к продольной оси и отличается от первого угла.
[0052] Элемент 9: в котором часть ствола скважины обсажена колонной обсадных труб, а хвостовик ствола скважины содержит хвостовик обсадной колонны, соединенный с колонной обсадных труб и проходящий от нее. Элемент 10, дополнительно содержащий скважинный инструмент, соединенный с возможностью отсоединения с нижним концом заливочной колонны труб для приема скребка. Элемент 11: в котором ведущий элемент расположен по направлению оси между одним или большим количеством элементов скребка и носовым узлом. Элемент 12: в котором башмак образует желоб, а чашка прикреплена к башмаку в желобе. Элемент 13: в котором чашка образует внутреннюю поверхность чашки и внешнюю поверхность чашки и в котором внешняя поверхность чашки образует укрепленную часть, которая входит в контакт с торцевой стенкой, образованной башмаком. Элемент 14: в котором торцевая стенка проходит под углом, смещенным от продольной оси ведущего элемента, и который составляет величину менее чем 90° для того, чтобы обеспечить радиальную опору для чашки.
[0053] Элемент 15: в котором башмак образует желоб, а чашка прикреплена к башмаку в желобе, при этом способ дополнительно включает в себя обеспечение осевой опоры для чашки, причем чашка прикреплена к башмаку в желобе. Элемент 16: в котором чашка образует внутреннюю поверхность чашки и внешнюю поверхность чашки, и в котором внешняя поверхность чашки образует укрепленную часть, при этом способ дополнительно включает в себя обеспечение осевой опоры для чашки путем введения в контакт укрепленной части с торцевой стенкой, образованной башмаком. Элемент 17: в котором торцевая стенка проходит под углом, смещенным от продольной оси ведущего элемента, и который составляет величину менее чем 90°, при этом способ дополнительно включает в себя обеспечение радиальной опоры для чашки путем введения в контакт укрепленной части с торцевой стенкой, образованной башмаком.
[0054] В качестве неограничивающего примера иллюстративные комбинации, применимые к A, B и C, включают: элемент 6 с элементом 7; элемент 13 с элементом 14 и элемент 16 с Элементом 17.
[0055] Исходя из вышеизложенного, описанные системы и способы хорошо адаптированы для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые присущи им. Конкретные варианты осуществления данного изобретения, раскрытые выше, являются лишь иллюстративными, так как идеи данного изобретения могут быть модифицированы и воплощены в практику различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, получающих преимущества от идей данного документа. Кроме того, не предусматривается никаких ограничений в отношении особенностей конструкции или их толкования, показанных в данном документе, за исключением описанного ниже в формуле изобретения. В связи с изложенным очевидно, что раскрытые выше конкретные иллюстративные варианты осуществления данного изобретения могут быть изменены, объединены или модифицированы, и все такие изменения рассматриваются в рамках объема данного раскрытия изобретения. Системы и способы, иллюстративно раскрытые в данном документе, могут быть надлежащим образом осуществлены на практике при отсутствии любого элемента, который конкретно не раскрыт в данном документе и/или любого необязательного элемента, раскрытого в данном документе. В то время как композиции и способы описаны с использованием терминов "содержащие", "состоящие" или "включающие", различные компоненты или этапы, композиции и способы также могут "содержать в себе в основном" или "состоять из" различных компонентов и этапов. Все числа и диапазоны, раскрытые выше, могут изменяться на некоторую величину. Всякий раз, когда раскрывается числовой диапазон с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающий в пределы диапазона, раскрывается конкретно. В частности, каждый диапазон значений (в виде "от около а до около b", или, равносильно, "от приблизительно а до приблизительно b", или, равносильно, "от приблизительно a-b"), раскрытый в данном документе, следует описывать как определяющий каждое число и диапазон, включенные в более широкий диапазон значений. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свое простое, обычное значение, если иное явно и четко не определено патентообладателем. Кроме того, единственные числа имен существительных, используемые в формуле изобретения, определяются в данном документе как означающие один или большее количество элементов, которые он представляет. Если в этом описании есть какой-либо конфликт в использовании слова или термина и одного или большего количества патентных или других документов, которые могут быть включены в данный документ посредством ссылки, должны быть приняты определения, которые находятся в соответствии с этим описанием изобретения.
[0056] В контексте данного документа выражение "по меньшей мере один из", предшествующее ряду отдельных наименований, с терминами "и" или "или" для отделения любого из этих отдельных наименований, изменяет перечень в целом, а не каждый элемент перечня (т.е., каждое отдельное наименование). Выражение "по меньшей мере один из" допускает значение, которое включает по меньшей мере одно из любого одного из отдельных наименований и/или по меньшей мере одно из любой комбинации отдельных наименований и/или по меньшей мере одно из каждого из отдельных наименований. В качестве примера: каждое из выражений "по меньшей мере один из A, B и C" или "по меньшей мере один из A, B или C" относится только к A, только к B или только к C; к любой комбинации A, B и C; и/или по меньшей мере к одному из A, B и C.