ФИКСАТОР ОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ С ПРИВОДНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ СКВАЖИННОГО УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
LOCKING DEVICE OF LIMITER TO BE USED WITH DRIVE ELEMENT OF ACTUATING DEVICE, AND ITS APPLICATION METHOD

Изобретение относится в целом к фиксатору (ловушке) ограничительного элемента для использования с приводным (запускающим) элементом скважинного устройства и к способу его использования и, более конкретно, к трубчатому фиксатору в трубчатом приводном элементе для обеспечения при определенных условиях перемещения исполнительных элементов раздвижного расширителя, предназначенного для расширения участка скважины, находящегося ниже обсадной колонны или обшивки скважины.
По настоящей заявке испрашивается конвенционный приоритет по заявке US 60/872744, поданной 4.12.2006 на изобретение "Раздвижной расширитель со скользящими лопастями для расширения скважин", содержание которой полностью включено в данное описание посредством ссылки.
Раздвижные расширители обычно используются для увеличения диаметра скважин. Традиционно при бурении нефтяных, газовых и геотермальных скважин в них устанавливают и цементируют обсадную колонну для защиты от обрушения в скважину ее стенок и обеспечения необходимой опоры для последующего проведения буровых работ с целью углубления скважины. Обсадная колонна также обеспечивает изоляцию от различных пластов, предотвращает переток пластовых флюидов и обеспечивает управление флюидами и давлением в пластах по мере бурения скважины. При углублении существующих скважин внутри уже имеющейся обсадной колонны устанавливают и продолжают вниз новую колонну. Установка в скважине дополнительной обсадной колонны позволяет достичь больших глубин, однако недостатком такого метода является сужение скважины. Такое сужение ограничивает диаметр последующих секций скважины, поскольку буровое долото и обсадная колонна нижних секций скважины должны проходить через ранее установленную обсадную колонну. В связи с тем, что уменьшение диаметра скважины нежелательно, поскольку это снижает дебит нефтяной или газовой скважины, часто возникает необходимость в расширении скважины для увеличения ее диаметра с целью установки дополнительной обсадной колонны ниже уже установленной колонны или для повышения добычи углеводородов из скважины.
Для увеличения диаметра скважины используются различные способы. В одном из традиционных способов, описанном в общем виде в патенте US 7036611 под названием "Раздвижной расширитель для расширения скважин при проведении буровых работ и способы его применения", предусматривается перемещение приводного трубчатого элемента, обеспечивающего подачу давления гидравлической жидкости для привода лопастей, перемещаемых в боковом направлении и обеспечивающих расширение скважины. Приводной трубчатый элемент фиксируется, с возможностью освобождения, во внутреннем канале раздвижного расширителя с помощью срезных штифтов, элементов, входящих в зацепление друг с другом, фрикционных или ломающихся элементов, причем такой элемент содержит проход для потока текучей среды через седло приводного элемента. Этот проход для текучей среды закрывается, когда ограничительный элемент, такой как, например, так называемый "падающий шар", садится в седло приводного элемента, в результате чего давление гидравлической жидкости увеличивается, пока приводной элемент не будет смещен в другое положение. Ограничительный элемент удерживается в седле трубчатого элемента под действием силы тяжести и давления жидкости. Однако известные конструкции раздвижных расширителей не обеспечивают надежного удерживания ограничительного элемента.
В обычном устройстве, используемом для установки гравийных фильтров, который описан в патенте US 6702020 под названием "Пакер с циркуляционным переводником", для фиксации шара предусматривается использование трубчатого элемента (гильзы). Шар сбрасывают в устройство, где он садится на тонкую гильзу, которая выступает в качестве исходного седла для шара. После повышения давления шар проталкивается сквозь тонкую гильзу и садится с уплотнением в седло второй гильзы, которая является продолжением тонкой гильзы, и обе гильзы фиксируются в устройстве. Вторая гильза удерживается в ее исходном положении срезным штифтом. На второй гильзе установлено запорное кольцо, которое может выходить из своей канавки, в результате чего вторая гильза может сдвигаться под действием давления жидкости, приложенного к шару, находящемуся в седле, когда давления жидкости достаточно для срезания срезных штифтов, удерживающих вторую гильзу в ее исходном положении. В результате такого перемещения внутренний диаметр тонкой гильзы, сквозь которую прошел шар, еще больше уменьшается, когда она протягивается через уменьшенный диаметр окружающего корпуса и запирает шар в седле. Шар не может сместиться, особенно в противоположном направлении, пока давление не превысит заданного порогового значения. Недостатком такого устройства является то, что взаимодействие тонкой гильзы и второй гильзы, которое необходимо для фиксации шара, происходит только после того, как давление жидкости повышается настолько, что срезаются срезные штифты и освобождается запорное кольцо. Кроме того, гильза, используемая для фиксации шара в традиционном пакере для засыпки гравийного фильтра, не очень подходит для использования в скважинном устройстве, которое содержит приводной трубчатый элемент, таком как раздвижной расширитель, особенно когда такой элемент выборочно удерживается давлением жидкости, и освобождение приводного элемента необходимо только после того, как ограничительные элементы будут зафиксированы.
Кроме того, скачок уплотнения или повышение давления для фиксации ограничительного элемента может инициировать преждевременное освобождение трубчатого приводного элемента, в результате чего ограничительный элемент может быть зафиксирован в промежуточном или неизвестном положении, и устройство может быть приведено в действие преждевременно.
Соответственно, существует потребность в улучшении характеристик работы скважинного устройства, такого как раздвижной расширитель, путем обеспечения надежной и плотной фиксации ограничительного элемента. Также имеется потребность в четкой фиксации ограничительного элемента внутри приводного элемента, такого как подвижная гильза раздвижного расширителя. Кроме того, имеется потребность в обеспечении четко идентифицируемой фиксации ограничительного элемента, прежде чем приводной элемент может быть приведен в действие. И, наконец, имеется потребность в обеспечении надежной фиксации ограничительного элемента без необходимости использования динамически движущихся частей.
В одном варианте осуществления изобретения предлагается скважинное устройство, взаимодействующее при работе со стенкой скважины, проходящей в подземной породе, в котором обеспечивается плотная и надежная фиксация ограничительного элемента. Скважинное устройство включает: трубчатый корпус, имеющий продольную ось и первый канал; приводной элемент, имеющий второй канал и расположенный внутри первого канала трубчатого элемента; проход для потока промывочной жидкости (бурового раствора), включающий первый и второй каналы; фиксатор ограничительного элемента, расположенный во втором канале приводного элемента. Причем приводной элемент выполнен с возможностью выборочного предотвращения перемещения исполнительного элемента (компонента) скважинного устройства в ответ на действие промывочной жидкости, и фиксатор ограничительного элемента устроен таким образом, чтобы он обеспечивал посадку в нем с фиксацией ограничительного элемента.
В других вариантах осуществления изобретения предлагается фиксатор ограничительного элемента для использования с приводным элементом для обеспечения посадки в нем с фиксацией ограничительного элемента. Фиксатор ограничительного элемента обеспечивает четко идентифицируемую фиксацию ограничительного элемента при использовании, например, с подвижной гильзой раздвижного расширителя.
В других вариантах осуществления изобретения также предлагается раздвижной расширитель для расширения скважины, проходящей в толще подземных пород. Раздвижной расширитель устроен таким образом, чтобы в нем обеспечивалась надежная фиксация ограничительного элемента с помощью пассивных компонентов.
Кроме того, предлагается способ использования скважинного устройства в скважине, проходящей в толще подземных пород. Способ обеспечивает четко идентифицируемую фиксацию ограничительного элемента в скважинном устройстве перед срабатыванием приводного элемента.
В то время как в формуле изобретения конкретно заявляется объем изобретения, различные признаки, особенности и достоинства настоящего изобретения можно будет легче понять из нижеприведенного описания, в котором раскрываются частные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид сбоку раздвижного расширителя, содержащего фиксирующее устройство ограничительного элемента в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 - вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.1;
на фиг.3 - увеличенный вид продольного сечения одной части раздвижного расширителя, показанного на фиг.2;
на фиг.4 - увеличенный вид продольного сечения другой части раздвижного расширителя, показанного на фиг.2;
на фиг.5 - увеличенный вид продольного сечения еще одной части раздвижного расширителя, показанного на фиг.2;
на фиг.6 - вид сечения срезного узла одного из вариантов конструкции раздвижного расширителя;
на фиг.7 - частичный вид продольного сечения одного из вариантов конструкции раздвижного расширителя в закрытом или убранном (исходном) положении инструмента;
на фиг.8 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в исходном положении, с шаром в проходе для текучей среды;
на фиг.9 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в исходном положении, когда шар садится в сферическое седло и захватывается;
на фиг.10 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в котором сработал срезной узел, когда давление увеличилось, и подвижная гильза начинает двигаться внутри расширителя вниз из исходного положения;
на фиг.11 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в котором подвижная гильза перемещается в нижнее положение фиксации, в то время как лопасть расширителя перемещается толкающей гильзой под действием давления жидкости вперед в выдвинутое положение;
на фиг.12 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в котором лопасти (только одна лопасть показана на фиг.12) удерживаются в полностью выдвинутом положении толкающей гильзой под действием давления жидкости и подвижная гильза перемещается в положении фиксации;
на фиг.13 - частичный вид продольного сечения раздвижного расширителя, показанного на фиг.7, в котором лопасти (только одна лопасть показана на фиг.13) перемещаются в убранное положение смещающей пружиной, когда давление жидкости сбрасывается.
Иллюстрации, приведенные в настоящем описании, в некоторых случаях не являются действительными видами конкретной конструкции скважинного устройства, фиксатора ограничительного элемента с приводным элементом или другой части скважинного устройства, такого как раздвижной расширитель, а представляют обобщенные виды, которые используются исключительно в целях описания настоящего изобретения. Кроме того, общие для нескольких фигур элементы могут иметь одинаковые ссылочные номера.
На фиг.1 приведен вид раздвижного расширителя 100, содержащего фиксатор ограничительного элемента, обозначенный ссылочным номером 200 на фиг.2, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Раздвижной расширитель 100 может содержать трубчатый корпус 108, имеющий в целом цилиндрическую форму, с продольной осью L8. Трубчатый корпус 108 раздвижного расширителя 100 может иметь нижний конец 190 и верхний конец 191. Термины "нижний" и "верхний", используемые в отношении концов 190, 191, относятся к типичным положениям концов 190, 191 относительно друг друга, когда раздвижной расширитель 100 установлен в скважине. Нижний конец 190 трубчатого корпуса 108 раздвижного расширителя 100 может содержать нитки резьбы, например может представлять собой трубный конец с наружной резьбой для присоединения нижнего конца 190 к другой секции бурильной колонны или к другому элементу нижней части бурильной колонны, такому как, например, пилотное бурильное долото для бурения скважины. Аналогично, верхний конец 191 трубчатого корпуса 108 раздвижного расширителя 100 может содержать нитки резьбы, например может представлять собой охватывающий элемент с внутренней резьбой для присоединения верхнего конца 191 к другой секции бурильной колонны или к другому элементу нижней части бурильной колонны.
В трубчатом корпусе 108 установлены с фиксацией в определенных положениях три скользящих режущих блока или режущих лопасти (будут описаны ниже), которые разнесены по окружности корпуса 108 и могут занимать промежуточное положение между нижним (первым) концом 190 и верхним (вторым) концом 191. Лопасти 101 могут быть изготовлены из стали, карбида вольфрама, композиционного материала с частицами в матрице, например с прочными частицами, распределенными в металлической матрице, или из других подходящих материалов, известных в технике. Лопасти 101 удерживаются в исходном, убранном положении внутри трубчатого корпуса 108 раздвижного расширителя 100, как показано на фиг.7, однако они могут быть переведены в выдвинутое положение (см. фиг.12) с использованием гидравлического давления и при необходимости могут быть отведены обратно в убранное положение (описано ниже). Раздвижной расширитель 100 может быть устроен таким образом, чтобы лопасти 101 взаимодействовали со стенками ствола скважины в подземном пласте, окружающем скважину, в которую введен раздвижной расширитель 100, для удаления породы, когда они находятся в выдвинутом положении, и чтобы лопасти 101 не взаимодействовали со стенками пласта в скважине, когда они находятся в убранном положении. Хотя раздвижной расширитель 100 содержит три лопасти 101, в изобретении предусматривается, что для получения наилучших результатов может использоваться одна лопасть, две лопасти, четыре или более лопастей. Кроме того, хотя лопасти 101 показаны симметрично расположенными по окружности трубчатого корпуса 108, они могут быть также расположены асимметрично, и, кроме того, они могут быть расположены на разной высоте по длине корпуса 108 между концами 190 и 191.
Как показано на фиг.2, трубчатый корпус 108 охватывает канал 192 для текучей среды, который проходит продольно сквозь трубчатый корпус 108. Канал 192 для текучей среды направляет промывочную жидкость по существу через внутренний проход 151 трубчатого корпуса 108 в перепускном режиме, чтобы промывочная жидкость практически не действовала на лопасти 101, особенно в поперечном направлении или перпендикулярно продольной оси L8. Такое устройство, обеспечивающее защиту лопастей 101 от действия промывочной жидкости, обладает тем достоинством, что на лопастях в гораздо меньшей степени будут аккумулироваться твердые частицы, захваченные жидкостью, и меньше будет создаваться помех срабатыванию раздвижного расширителя 100. Однако было обнаружено, что защита лопастей 101 необязательна для обеспечения срабатывания раздвижного расширителя 100, если срабатывание, то есть выдвижение лопастей из исходного положения в выдвинутое положение и обратно в убранное положение, осуществляется под действием продольно направленной силы, которая является результатом сложения давления жидкости и силы действия смещающей пружины (описано ниже). В таком варианте осуществления изобретения продольно направленная сила непосредственно перемещает лопасти 101 путем воздействия на приводное устройство, такое как, например, толкающая гильза 116, подробно описанная ниже.
Раздвижной расширитель 100 может быть устроен таким образом, чтобы наиболее выступающая в радиальном направлении часть каждой лопасти 101 была спрятана в углублении трубчатого корпуса 108, когда лопасть находится в исходном или убранном положении, так чтобы эта часть не выходила за пределы наружного диаметра трубчатого корпуса 108. Такое устройство обеспечивает защиту лопастей 101, когда раздвижной расширитель 100 находится в скважине внутри обсадной колонны, и позволяет продвигать раздвижной расширитель 100 в такой обсадной колонне. В других вариантах осуществления изобретения наиболее выступающая часть каждой лопасти 101 может совпадать или немного выходить за пределы наружного диаметра трубчатого корпуса 108. Как показано на фиг.12, лопасти 101 могут выходить за пределы наружного диаметра трубчатого корпуса 108, когда они находятся в выдвинутом положении для взаимодействия со стенками скважины при ее расширении.
Дальнейшее описание содержит ссылки на фиг.2, а также ссылки на фиг.3-5, на которых показаны увеличенные частичные виды продольного сечения различных частей раздвижного расширителя 100. При необходимости также могут быть сделаны ссылки на фиг.1. Три скользящих режущих блока или режущих лопасти удерживаются в трех направляющих 148 лопастей трубчатого корпуса 108. Каждая лопасть 101 снабжена режущими элементами 104, которые взаимодействуют с породой подземного пласта, формирующей стенку скважины, когда лопасти 101 находятся в выдвинутом положении (см. фигуру 12). Могут использоваться режущие элементы 104 с поликристаллическими синтетическими алмазами или режущие элементы других типов, известные специалистам в данной области техники.
Раздвижной расширитель 100 содержит срезной узел 150, обеспечивающий удерживание расширителя 100 в исходном положении путем удерживания подвижной гильзы 128 от перемещения в направлении верхнего конца 191 расширителя 100. На фиг.6 показан увеличенный вид части срезного узла 150. Срезной узел 150 содержит верхний трубчатый фиксатор 124, несколько срезных винтов 127 и подвижную гильзу 128. Верхний трубчатый фиксатор 124 удерживается во внутреннем канале 151 трубчатого корпуса 108 между кольцевым выступом 152 и стопорным кольцом 132 (показано на фиг.5) и содержит кольцевое уплотнение 135, обеспечивающее герметизацию для жидкости между внешней поверхностью 153 верхнего трубчатого фиксатора 124 и внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108. Верхний трубчатый фиксатор 124 снабжен вырезами 154 для удерживания в них срезных винтов 127, причем в рассматриваемом варианте осуществления изобретения каждый срезной винт 127 вворачивается в отверстие 155 с резьбой подвижной гильзы 128. Срезные винты 127 удерживают, при определенных условиях, подвижную гильзу 128 внутри канала 156 верхнего трубчатого фиксатора 124 от продольного перемещения в глубину скважины (направление 157), то есть в направлении нижнего конца 190 раздвижного расширителя 100. Верхний трубчатый фиксатор 124 содержит внутренний кольцевой выступ 158 для предотвращения движения подвижной гильзы 128 вверх в направлении 159, то есть в направлении верхнего конца 191 раздвижного расширителя 100. Кольцевое уплотнение 134 обеспечивает уплотнение между подвижной гильзой 128 и внутренней поверхностью 156 верхнего трубчатого фиксатора 124. Когда срезные винты 127 срезаются, подвижная гильза 128 может перемещаться продольно внутри трубчатого корпуса 108 вниз в направлении 157. Достоинством такого устройства является то, что части срезанных винтов 127 удерживаются внутри верхнего трубчатого фиксатора 124 и подвижной гильзы 128, то есть, предотвращается их выпадение и попадание в другие части раздвижного расширителя 100 при расширении скважины. Хотя на фигурах показаны срезные винты 127, могут использоваться и другие срезные элементы, такие как, например, срезной стержень, срезная проволока или срезной штифт. Другие срезные элементы могут также содержать конструктивные элементы для надежного удерживания срезанных частей внутри содержащих их компонентов, аналогично тому, как удерживаются части срезных винтов 127 в рассматриваемом варианте осуществления изобретения. В этой связи, срезной узел 150 может удерживать во внутреннем канале 156 раздвижного расширителя 100 приводной трубчатый элемент (подвижную гильзу) с возможностью его высвобождения с использованием срезных штифтов, элементов, входящих в зацепление друг с другом, фрикционных или ломающихся элементов.
Как можно видеть на фиг.4, верхний трубчатый фиксатор 124 содержит также замок 160, который запирает трубчатый уплотнительный элемент 126 в продольном направлении между внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108 и внешней поверхностью 162 подвижной гильзы 128. Верхний трубчатый фиксатор 124 также содержит одну или несколько лапок 163 и одно или несколько отверстий 161, разнесенных по нему аксиально. Когда подвижная гильза 128 смещается на достаточное расстояние вниз в продольном направлении 157, одна или несколько лапок 163 пружинно смещаются внутрь в радиальном направлении, останавливая движение подвижной гильзы 128 между лапками 163 верхнего трубчатого фиксатора 124 и между амортизирующим элементом 125, установленным на верхнем конце трубчатого уплотнительного элемента 126. Кроме того, когда подвижная гильза 128 смещается на достаточное расстояние вниз в продольном направлении 157, одно или несколько отверстий 161 верхнего трубчатого фиксатора 124 открываются, обеспечивая сообщение для текучей среды с входным отверстием 164 промывочной насадки из канала 192 для текучей среды. Амортизирующий элемент 125 трубчатого уплотнительного элемента 126 обеспечивает пружинное удерживание подвижной гильзы 128 на лапках верхнего трубчатого фиксатора 124, а также ослабляет ударную нагрузку, которая действует на подвижную гильзу 128, когда ее движение останавливается трубчатым уплотнительным элементом 126.
Амортизирующий элемент 125 может содержать эластичный или податливый материал, такой как, например, эластомер или другой полимер. В одном из вариантов осуществления изобретения амортизирующий элемент 126 может содержать нитрильный каучук. Использование амортизирующего элемента 125 между подвижной гильзой 128 и трубчатым уплотнительным элементом 126 может уменьшить или исключить деформацию подвижной гильзы 128 и/или трубчатого уплотнительного элемента 126, которая могла бы возникнуть.
Необходимо отметить, что любой уплотнительный или амортизирующий элемент, указанный в настоящем описании для использования в раздвижном расширителе 100, может содержать любой подходящий материал, известный специалистам в данной области техники, такой как, например, полимер или эластомер. Материал, из которого выполнен уплотнительный элемент, может быть выбран таким образом, чтобы он обеспечивал работу при сравнительно высокой температуре (например, примерно 400°F или выше). Например, уплотнительные элементы могут быть изготовлены из материала Teflon™, полиэфирэфиркетона (РЕЕК™), полимера или эластомера или же для этой цели может использоваться материал, обеспечивающий уплотнение металл-металл для ожидаемых условий в скважине. В частности, любой уплотнительный или амортизирующий элемент, указанный в настоящем описании, такой как, например, амортизирующий элемент 125 или уплотнительные элементы 134 и 135, указанные выше, или уплотнительный элемент 136, указанный ниже, или другие уплотнительные элементы, используемые в раздвижном расширителе в соответствии с изобретением, могут содержать материал, предназначенный для использования при сравнительно высокой температуре, а также в очень агрессивной среде.
Трубчатый уплотнительный элемент 126 включает уплотнительное кольцо 136, обеспечивающее уплотнение между внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108 и Т-образным уплотнительным элементом 137, обеспечивающим уплотнение между внешней поверхностью 162 подвижной гильзы 128, как часть системы уплотнения между подвижной гильзой 128 и входным отверстием 164 промывочной насадки. Кроме того, трубчатый уплотнительный элемент 126 выравнивает, поддерживает и направляет подвижную гильзу 128 в продольном направлении внутри трубчатого корпуса 108. Кроме того, уплотнительные элементы 136 и 137 могут также предотвращать вытекание текучей среды из внутренней части раздвижного расширителя 100 наружу через входное отверстие 164 промывочной насадки, пока подвижная гильза 128 не будет освобождена из ее исходного положения.
Нижний конец 165 подвижной гильзы 128 (также см. фиг.3), в котором размещается стопорная втулка 130 седла клапана, выравнивается, поддерживается и направляется в продольном направлении кольцевым поршнем или нижним трубчатым фиксатором 117. Нижний трубчатый фиксатор 117 соединен в продольном направлении с толкающей гильзой 115, которая удерживается между подвижной гильзой 128 и внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108. Когда подвижная гильза 128 находится в состоянии "готовности" или в исходном положении при выполнении бурения, гидравлическое давление может действовать на толкающую гильзу 115 и на нижний трубчатый фиксатор 117 между внешней поверхностью 162 подвижной гильзы 128 и внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108. Когда раздвижной расширитель 100 находится в исходном положении, то независимо от того, имеется или нет гидравлическое давление, толкающая гильза 115 удерживается от движения вверх в направлении 159 нижним фиксирующим узлом, то есть одной или несколькими скобами 166 нижнего трубчатого фиксатора 117.
Скобы 166 удерживаются между кольцевой канавкой 167 во внутренней поверхности 151 трубчатого корпуса 108 и стопорной втулкой 130 седла клапана. Каждая скоба 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 представляет собой запорную защелку с отходящим зубцом, который может входить в канавку 167 трубчатого корпуса 108, когда ее прижимает стопорная втулка 130 седла клапана. Скобы 166 запирают нижний трубчатый фиксатор 117 и удерживают толкающую гильзу 115 от перемещения вверх в направлении 159, пока стопорная втулка 130 седла клапана с ее бóльшим внешним диаметром 169 не переместится за нижний трубчатый фиксатор 117, после чего скобы 166 могут отойти радиально внутрь в направлении меньшего внешнего диаметра 170 подвижной гильзы 128. Когда скобы 166 отходят внутрь в радиальном направлении, они могут выйти из зацепления с канавкой 167 трубчатого корпуса 108, в результате чего толкающая гильза 115 перемещается в ответ на действие гидравлического давления преимущественно продольно вверх в направлении 159.
Достоинством такого устройства является то, что нижний трубчатый фиксатор 117 удерживает вес подвижной гильзы 128, минимизируя силы, действующие на срезной узел 150, которые потенциально могут ослаблять или приводить к преждевременному выходу из строя срезных элементов, а именно срезных винтов 127. Таким образом, для срабатывания срезного узла 150 необходимо выполнить явно выраженное действие, такое как введение в раздвижной расширитель 100 шара или другого ограничительного элемента для обеспечения повышения давления потока гидравлической текучей среды, когда ограничительный элемент будет захвачен предлагаемым в настоящем изобретении фиксатором 200, прежде чем срезные винты 127 будут срезаны, или срезной узел 150 освободит приводной элемент или подвижную гильзу 128.
Фиксатор 200 ограничительного элемента, показанный на фиг.2, 3, расположен на нижнем конце 165 подвижной гильзы 128. Необходимо понимать, что фиксатор 200 ограничительного элемента может быть расположен в средней или верхней части приводного элемента или подвижной гильзы 128. Фиксатор 200 ограничительного элемента содержит внутри внутреннего канала 194 подвижной гильзы 128 втулку 129 шарикового фиксатора (для фиксации ограничительного элемента со сферической поверхностью) и трубчатую вставку 131. Дополнительно в состав фиксатора 200 ограничительного элемента может быть включено уплотнительное кольцо 139 для обеспечения дополнительного уплотнения между внутренней поверхностью 194 подвижной гильзы 128 и трубчатой вставкой 131. Ограничительный элемент в форме шара 147 (см. фиг.8-13) или другого подходящего устройства может быть введен внутрь раздвижного расширителя 100 для инициирования или запуска действия срезного узла 150, происходящего после того, как ограничительный элемент будет надежно зафиксирован в фиксаторе 200. После введения в раздвижной расширитель 100 шара 147 промывочная жидкость транспортирует его в фиксатор 200 ограничительного элемента, где шар 147 будет удержан кольцевой частью 197 втулки 129 шарикового фиксатора, пластично деформирующейся в расширенной части 196 внутреннего канала 194 подвижной гильзы 128, причем шар 147 будет создавать уплотнение в седле 195 трубчатой вставки 131. Дополнительно шар 147 может удерживаться внутри внутреннего канала трубчатой вставки 131, после того как он будет доставлен туда гидравлическим давлением, создаваемым потоком промывочной жидкости. После того как шар 147 перекроет поток жидкости, будучи зафиксированным во втулке 129 шарикового фиксатора, гидравлическое давление внутри раздвижного расширителя 100 будет увеличиваться, пока срезные винты 127 не будут срезаны. После срезания срезных винтов 127 подвижная гильза 128 вместе с коаксиально удерживаемой стопорной втулкой 130 седла клапана будет перемещаться под действием гидравлического давления продольно вниз в направлении 157, пока она не будет снова удержана верхним трубчатым фиксатором 124, как уже было описано, то есть подвижная гильза 128 перемещается в нижнее положение. После этого поток промывочной жидкости может восстановиться через отверстия 173 для текучей среды в подвижной гильзе 128 выше шара 147. Достоинством такого устройства является то, что фиксатор 200 ограничительного элемента состоит из простых неподвижных частей, а именно из втулки 129 шарикового фиксатора и трубчатой вставки 131, для обеспечения надежной посадки и удерживания ограничительного элемента.
Понятно, что ограничительный элемент, а именно шар 147, имеет такой размер, чтобы он садился в фиксаторе 200 ограничительного элемента в седло 195, имеющее соответствующие шару размеры и форму, для перекрытия практически всего потока промывочной жидкости, проходящего через подвижную гильзу 128 и обеспечения в этом случае перемещения подвижной гильзы 128 внутри раздвижного расширителя в такое положение, в котором обеспечивается сообщение для жидкости между внутренним каналом 151 и рабочими (исполнительными) компонентами, такими как приводной механизм толкающей гильзы 115.
Дополнительно шар 147, используемый для активирования раздвижного расширителя 100, может взаимодействовать со втулкой 129 шарикового фиксатора и трубчатой вставкой 131 фиксатора 200 ограничительного элемента, которые достаточно пластичны, так что шар 147 может обжиматься ими, когда он садится в седло, для предотвращения смещений шара, которые могут создавать проблемы для работы раздвижного расширителя 100 или повреждать его. В этой связи, втулка 129 шарикового фиксатора и трубчатая вставка 131 могут быть изготовлены из пластичного материала, такого как металл, эластомер или другой материал, характеризующийся деформируемостью, подходящей для обеспечения посадки с фиксацией шара 147. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения кольцевая часть втулки 129 шарикового фиксатора представляет собой тонкостенную кольцевую трубку, изготовленную из металла с низким пределом текучести, подходящего для деформирования в углубление расширенной части 196 подвижной гильзы 128, когда во втулку садится шар 147. Трубчатая вставка 131 может быть изготовлена или покрыта пластичным материалом, таким как тетрафторэтилен, подходящий для обеспечения посадки и удерживания шара 147 после его фиксации.
Также для обеспечения опоры для подвижной гильзы 128 и подавления вибрации, которая может возникать после ее останова в продольном направлении, стопорная втулка 130 седла клапана и нижний конец 165 подвижной гильзы 128 удерживаются муфтой-стабилизатором 122. Это можно видеть также на фиг.3 и 12. Муфта-стабилизатор 122 соединена с внутренней поверхностью 151 трубчатого корпуса 108 и удерживается между фиксирующим кольцом 133 и защитной втулкой 121, которая удерживается круговым выступом 171 на внутренней поверхности 151 трубчатого корпуса 108. Фиксирующее кольцо 133 удерживается в кольцевой канавке 172 во внутренней поверхности 151 трубчатого корпуса 108. Защитная втулка 121 обеспечивает защиту от эрозионного действия гидравлической жидкости на трубчатый корпус 108 за счет того, что жидкость протекает через отверстия 173 для жидкости подвижной гильзы 128, ударяется в защитную втулку 121 и проходит через муфту-стабилизатор 122, когда в ней удерживается подвижная гильза 128.
После того как подвижная гильза 128 перемещается на расстояние, достаточное для того, чтобы скобы 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 вышли из канавки 167 трубчатого корпуса 108, скобы 166, соединенные с толкающей гильзой 115, могут перемещаться вверх в направлении 159. Это можно видеть также на фиг.3, 4 и 11. Для того чтобы толкающая гильза 115 перемещалась вверх в направлении 159, перепад давлений жидкости во внутреннем канале 151 и с внешней стороны 183 трубчатого корпуса 108, создаваемый потоком гидравлической жидкости, должен быть достаточным для преодоления возвращающей силы или смещения пружины 116. Пружина 116 сжатия, противодействующая движению толкающей гильзы 115 вверх в направлении 159, удерживается на внешней поверхности 175 толкающей гильзы 115 между кольцом 113, закрепленным в канавке 174 трубчатого корпуса 108, и нижним трубчатым фиксатором 117. Толкающая гильза 115 может перемещаться продольно вверх в направлении 159 под действием гидравлической жидкости, однако ее движение ограничивается верхним выступом кольца 113, и она не может уйти вниз в направлении 157 ниже защитной втулки 184. Толкающая гильза 115 может содержать Т-образное уплотнение 138 относительно трубчатого корпуса 108, Т-образное уплотнение 137 относительно подвижной гильзы 128 и грязесъемную манжету 141 между подвижной гильзой 128 и толкающей гильзой 115.
Толкающая гильза 115 содержит в своей верхней части 176 соединенную с ней вильчатую обойму 114 (см. фиг.4). Вильчатая обойма 114 содержит три рычага 177, каждый из которых соединен с одной из лопастей 101 с помощью штифтового соединителя 178. Рычаги 177 могут иметь фасонную поверхность, обеспечивающую выталкивание частиц породы и другого мусора, когда лопасти 101 перемещаются в убранное положение. Фасонная поверхность рычагов 177 в сочетании с прилегающими стенками полости корпуса 108 может образовывать углы порядка 20°, которые лучше всего подходят для удаления любой уплотненной глинистой породы, и рычаги 177 могут быть выполнены из материала, имеющего поверхность с малым коэффициентом трения, для предотвращения прилипания частиц породы и другого мусора. Штифтовой соединитель 178 содержит соединительное звено 118 для присоединения лопасти к рычагу 177, причем соединительное звено 118 соединяется с лопастью с помощью штифта 119 лопасти, закрепленного стопорным кольцом 142, и соединяется с рычагом 177 с помощью штифта 120 обоймы, который закрепляется с помощью шплинта 144. Штифтовый соединитель 178 обеспечивает поворот лопастей 101 относительно рычагов 177 обоймы 114, в то время как приводное устройство непосредственно воздействует на лопасти 101, перемещая их между убранным и выдвинутым положениями. Достоинством такого устройства является то, что приводное устройство, состоящее из толкающей гильзы 115, вильчатой обоймы 114 и соединителя 178, непосредственно выдвигает и убирает лопасти 101, в то время в известных конструкциях одна часть используется для передачи гидравлического давления на лопасти в поперечном направлении наружу, а другая часть, такая как, например, пружина, используется для втягивания лопастей внутрь корпуса 108.
Для обеспечения перемещения лопастей 101 между убранным и выдвинутым положениями они установлены на направляющих 148 в трубчатом корпусе, как это лучше всего видно на фиг.2 и 4. Направляющие 148 лопастей снабжены пазом 179 соединения "ласточкин хвост", который проходит вдоль трубчатого корпуса 108 под острым углом 180 относительно продольной оси L8. Каждая из лопастей 101 снабжена рельсовым основанием, имеющим форму "ласточкина хвоста", который сопрягается с пазом 179 направляющих 148 для прикрепления лопастей 101 к трубчатому корпусу с возможностью скольжения относительно него. Когда толкающую гильзу 115 перемещают под действием гидравлического давления, лопасти 101 будут выдвигаться вверх и наружу через проход 182 для лопасти в выдвинутое положение для резания породы пласта. Лопасти 101 выталкиваются по направляющим 148, пока движение вперед не будет остановлено трубчатым корпусом 108 или верхним блоком-стабилизатором 105, соединенным с трубчатым корпусом 108. В полностью выдвинутом положении (вверх-наружу) лопости 101 устанавливаются таким образом, чтобы режущие элементы 104 увеличивали диаметр скважины в подземной породе на заданную величину. Когда гидравлическое давление, создаваемое потоком промывочной жидкости через раздвижной расширитель 100, сбрасывается, пружина 116 через толкающую гильзу 115 и соединитель 178 будет возвращать лопасти 101 в убранное положение. Если силы пружины не достаточно для возвращения узла в убранное положение, то расширитель поднимают в скважине до башмака обсадной колонны, так чтобы башмак мог взаимодействовать с лопастями 101, помогая их перемещению по направляющим 148 и, соответственно, извлечению раздвижного расширителя 100 из скважины. В этой связи, раздвижной расширитель 100 содержит конструктивную особенность, улучшающую возможности извлечения расширителя из скважины. Наклон 180 направляющих 148 лопастей составляет 10° относительно продольной оси L8 раздвижного расширителя 100.
В дополнение к верхнему блоку-стабилизатору 105 раздвижной расширитель 100 также содержит средний блок-стабилизатор 106 и нижний блок-стабилизатор 107. Блоки-стабилизаторы 105, 106, 107 способствуют центрированию раздвижного расширителя 100 в скважине при его перемещении в нужное положение в обсадной колонне или в хвостовике обсадной колонны, а также в процессе бурения и расширения скважины. Как уже указывалось, верхний блок-стабилизатор 106 может использоваться для остановки или ограничения движения вперед лопастей 101, определяя величину выхода лопастей 101 в скважину при бурении. Кроме того, что верхний блок-стабилизатор 105 обеспечивает упор для ограничения выдвижения лопастей в поперечном направлении, он может обеспечивать дополнительную устойчивость, когда лопасти 101 убраны, и раздвижной расширитель 100 бурильной колонны находится на таком участке скважины, на котором расширение не требуется, в то время как бурильная колонна вращается.
Раздвижной расширитель 100 может содержать промывочные насадки 110 из карбида вольфрама, как показано на фиг.9. Промывочные насадки 110 предназначены для охлаждения и промывания режущих элементов 104, а также для удаления мусора от лопастей 101 при бурении. Промывочные насадки 110 могут содержать уплотнительные кольца 140 между насадкой и трубчатым корпусом 180, для обеспечения уплотнения между указанными компонентами расширителя. Промывочные насадки 110 устроены таким образом, чтобы они направляли промывочную жидкость на лопасти 101 вниз в направлении 157, однако могут использоваться насадки, которые направляют промывочную жидкость вбок или вверх в направлении 159.
Далее описывается работа раздвижного расширителя 100 с фиксатором 200 ограничительного элемента. Работа раздвижного расширителя 100 описывается, в основном, со ссылками на фиг.7 - 13, и в некоторых случаях даются ссылки на фиг.1-6. Раздвижной расширитель 100 может быть установлен в забойной части бурильной колонны над пилотным долотом и выше или ниже устройства выполнения каротажа в процессе бурения (если такое устройство используется). Перед "включением" раздвижного расширителя 100 он находится в исходном положении с убранными лопастями 101, как показано на фиг.7. Например, подвижная гильза 128 внутри раздвижного расширителя 100 предотвращает случайное выдвижение лопастей 101, как это было описано выше, или активацию и срабатывание других рабочих компонентов и удерживается срезным узлом 150, который прикреплен с помощью срезных винтов 127 к верхнему трубчатому фиксатору 124, прикрепленному к трубчатому корпусу 108. Когда подвижная гильза 128 удерживается в исходном положении, приводное устройство лопастей не может непосредственно перемещать лопасти 101 ни под действием смещающих сил, ни под действием гидравлических сил. Подвижная гильза 128 снабжена на ее нижнем конце увеличенной концевой частью, стопорной втулкой 130 седла клапана. Эта стопорная втулка 130 седла клапана, имеющая увеличенный диаметр, удерживает скобы 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 в защелкнутом положении, в результате чего предотвращается движение вверх толкающей гильзы 115 под действием перепада давлений и, соответственно, активация лопастей 101. Отходящие наружу зубцы 163 запирающих скоб 166 защелкиваются в канавке 167 внутренней поверхности 151 трубчатого корпуса 108. Когда возникает необходимость в приведении в действие раздвижного расширителя 100, поток промывочной жидкости на короткое время прерывают, и в бурильную колонну бросают шар 147 или другой ограничительный элемент, после чего возобновляется подача промывочной жидкости. Шар 147 движется вниз в направлении 157 под действием силы тяжести и/или потока промывочной жидкости, как показано на фиг.8. Через некоторое время шар 147 достигает фиксатора 200 ограничительного элемента и вдавливается в него под действием гидравлической жидкости, пока он не будет зафиксирован кольцевой частью 197 втулки 129 шарикового фиксатора в расширенной части 196 внутреннего канала 194 подвижной гильзы 128 с формированием уплотнения на седле 195 трубчатой вставки 131, как это было описано выше (см. фиг.9). Шар 147 после посадки в фиксаторе 200 ограничительного элемента прерывает поток промывочной жидкости, что приводит к повышению давления в колонне выше фиксатора 200. По мере нарастания давления шар может проталкиваться через более узкую часть втулки 129 шарикового фиксатора, пока он не окажется в ее кольцевой части 197, соответствующей увеличенной части 196, для надежной посадки шара 147 на трубчатой вставке 131.
При заданном давлении, которое определяется числом заранее установленных срезных винтов 127, изготовленных из бронзы или другого подходящего материала, и их прочностью на срез, срезные винты 127 срезного узла 150 срезаются, в результате чего подвижная гильза 128 начинает двигаться вниз (см. фиг.10). По мере того как подвижная гильза 128 с расширенной концевой частью стопорной втулки 130 седла клапана движется вниз, защелкивающиеся скобы 166 нижнего трубчатого фиксатора 117 могут свободно перемещаться внутрь и выходят из зацепления с трубчатым корпусом 108.
После этого, как показано на фиг.11, нижний трубчатый фиксатор 117 будет прикреплен к толкающей гильзе 115, активизируемой давлением, которая теперь двигается вверх под действием давления промывочной жидкости, поскольку она протекает через отверстия 173, когда подвижная гильза 128 двигается вниз. По мере роста давления жидкости смещающая сила, создаваемая пружиной, преодолевается, и толкающая гильза 115 может перемещаться вверх в направлении 159. Толкающая гильза 115 прикреплена к вильчатой обойме 114, которая, в свою очередь, с помощью соединителя 178 и штифтов прикреплена к лопастям 101, которые теперь перемещаются вверх толкающей гильзой 115. При движении вверх лопасти 101 могут скользить, например, в пазах 179 (показаны на фиг.2) по наклонным направляющим 148, на которых они установлены.
Как показано на фиг.12, ход лопастей 101 прекращается, когда они полностью выдвигаются, после упора их передних накладок с упрочненной поверхностью, например, в блок-стабилизатор 105. После того как лопасти 101 переведены в выдвинутое положение, можно начинать расширение скважины.
При выполнении операции расширения скважины с использованием раздвижного расширителя 100, нижние и средние накладки 106, 107 с упрочненной поверхностью способствуют стабилизации трубчатого корпуса 108, когда режущие элементы 104 лопастей расширяют скважину, а верхние накладки 105 с упрочненной поверхностью также содействуют стабилизации верхней части раздвижного расширителя 100, когда лопасти 101,102 и 103 находятся в убранном положении.
После того как подвижная гильза 128 с шаром 147 опустится вниз, она останавливается в положении, в котором отверстия 173 перепуска жидкости расположены выше шара 147 в подвижной гильзе 128, и выходящие из них потоки жидкости ударяются в защитную втулку 121 с упрочненной поверхностью, которая предотвращает или вообще исключает эрозионное разрушение, вызываемое падающими потоками промывочной жидкости. Затем поток промывочной жидкости может продолжать течь вниз в нижнюю часть бурильной колонны, и верхний конец подвижной гильзы 128 будет захвачен, то есть зафиксирован между лапками 163 верхнего трубчатого фиксатора 124 и амортизирующим элементом 125 трубчатого уплотнительного элемента 26, а нижний конец подвижной гильзы 128 будет зафиксирован в поперечном направлении муфтой-стабилизатором 122.
После того как давление промывочной жидкости будет сброшено, пружина 116 способствует перемещению нижнего трубчатого фиксатора 117 и толкающей гильзы 115 с прикрепленными лопастями 101 обратно вниз, причем лопасти 101 перемещаются также при этом внутрь трубчатого корпуса 108 практически в их исходное, убранное положение (см. фиг.13). Однако поскольку подвижная гильза 128 переместилась в нижнее фиксированное положение, запорная втулка 130 седла клапана увеличенного диаметра больше не будет больше отжимать скобы 166 в канавку 167 и поэтому нижний трубчатый фиксатор 117 не будет защелкнут и будет подвергаться действию перепадов давления для последующей работы или активации толкающей гильзы 115 или других рабочих компонентов скважинного устройства.
Всякий раз как восстанавливается поток промывочной жидкости в бурильной колонне и внутри раздвижного расширителя 100, толкающая гильза 115 с обоймой 114 и лопастями 101 может перемещаться вверх с лопастями 101, скользящими по наклонным направляющим 148 для выполнения следующей операции расширения скважины. Всякий раз как поток промывочной жидкости прекращается, то есть разность давлений падает ниже величины возвращающей силы пружины 116, лопасти 101 возвращаются в пружиной 116 в убранное положение.
Фиксатор 200 ограничительного элемента обеспечивает плотное и надежное удерживание ограничительного элемента 147 внутри скважинного устройства, такого как раздвижной расширитель 100. Кроме того, фиксатор 200 ограничительного элемента обеспечивает четко идентифицируемую фиксацию ограничительного элемента 147 внутри приводного элемента, такого как подвижная гильза 128, перед или в процессе ее освобождения внутри скважинного устройства. Фиксатор 200 ограничительного элемента обеспечивает также четкую фиксацию ограничительного элемента без необходимости использования быстродвижущихся частей, что может вызывать преждевременное срабатывание или приводить к захвату ограничительного элемента в неопределенном или неизвестном положении.
Раздвижной расширитель 100 может содержать предохранительный переводник 109, показанный на фиг.1 и фиг.2, который присоединяется к нижней соединительной муфте корпуса 108 расширителя. Использование предохранительного переводника 109, который позволяет выполнять корпус 108 в форме конструкции, состоящей из одной части, дает возможность более прочного соединения между ними (имеет более высокий момент свинчивания) по сравнению с традиционным инструментом, состоящим из двух частей и содержащим верхнее и нижнее соединения. Предохранительный переводник 109, хотя и не является обязательным элементом, обеспечивает более эффективное присоединение к другому оборудованию и инструментам нижней части бурильной колонны.
Срезные винты 127 срезного узла 150, удерживающие подвижную гильзу 128 и верхний трубчатый фиксатор 124 в исходном положении, используются для обеспечения или создания спускового устройства, срабатывающего, когда давление повышается до заданной величины. Заданная величина давления промывочной жидкости внутри раздвижного расширителя 100, при котором срезаются срезные винты, может составлять, например, 70 кг/см 111 или даже 140 кг/см. Понятно, что величина давления, при котором срабатывает раздвижной расширитель 100, может быть меньше или больше вышеуказанных значений. Также понятно, что может быть использована более высокая величина давления, при котором срезаются срезные винты 127, для того, чтобы можно было использовать пружинный элемент 116 с большим усилием растяжения для повышения надежности приведения лопастей в исходное (убранное) положение после сброса гидравлического давления. В этой связи, в фиксатор 200 ограничительного элемента может садиться с фиксацией ограничительный элемент, такой как шар 147, когда величина давления существенно меньше, чем давление, необходимое для срабатывания срезного узла 150, в то время как фиксация ограничительного элемента обеспечивается при давлениях, значительно превышающих давление, необходимое для срабатывания срезного узла 150. Кроме того, фиксатор 200 ограничительного элемента может обеспечивать фиксацию этого элемента при обратном давлении. Понятно, что фиксатор 200 ограничительного элемента, может быть устроен таким образом, чтобы ограничительный элемент садился в него с фиксацией при различных гидравлических давлениях, и чтобы характеристики фиксации выбирались в зависимости от срезного узла 150 приводного элемента, такого как подвижная гильза 128.
В других вариантах осуществления изобретения в фиксатор 200 ограничительного элемента внутри приводного элемента может садиться с фиксацией ограничительный элемент для обеспечения срабатывания приводного элемента под действием гидравлического давления после перекрытия канала прохождения жидкости, в результате чего приводной элемент перемещается вниз в продольном направлении для перемещения исполнительного элемента вверх в продольном направлении, вниз в продольном направлении, вбок наружу или в другом направлении. В этой связи приводной элемент может защищать перемещение исполнительного элемента, подвергающегося действию гидравлического давления, от преждевременного срабатывания, пока ограничительный элемент не будет надежно зафиксирован и приводной элемент не переместится на определенное расстояние.
Хотя в описании были рассмотрены конкретные варианты осуществления изобретения, однако специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и другие варианты. Соответственно, предполагается, что объем изобретения ограничивается только прилагаемыми признаками формулы и их эквивалентами.