Встроенное устройство клиновой подвески хвостовика с адаптивной фиксацией

Группа изобретений относится к нефтегазовой промышленности, а именно к устройству подвески хвостовика внутри скважины и способу его установки. Устройство содержит кольцевую опору клина, окружающую секцию хвостовика, которая должна быть подвешена. Опора клина содержит окна, в каждом из которых размещается, по меньшей мере, одна промежуточная опора клина. Промежуточные опоры клина, в свою очередь, содержат окна, в каждом из которых устанавливается клиновый элемент. При этом между опорой и промежуточными опорами клина формируется механизм "шип-канавка" так же, как и между промежуточной опорой и клиновым элементом, в результате чего аксиальное перемещение клинового элемента преобразуется с помощью смещающих поверхностей в перемещение в радиальном направлении наружу, как промежуточной опоры, так и клинового элемента. Введение одной или нескольких встроенных промежуточных опор клина обеспечивает увеличение хода клиновых элементов в радиальном направлении относительно внутреннего хвостовика. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в общем к конструкции удерживающих клиновых узлов, и в частности, к конструкции устройств подвески хвостовиков, используемых для подвешивания хвостовика внутри скважины.

Уровень техники

Хвостовик (колонна-хвостовик) представляет собой трубчатый элемент, который обычно проходит внутри обсадной колонны и подвешен внутри нее. Хвостовики в большинстве случаев удерживаются внутри скважины с помощью зубчатых клиньев, размещенных на подвеске хвостовика. Клинья устанавливаются в положение удерживания путем их аксиального смещения относительно оправки подвески хвостовика. По мере того как клинья смещаются аксиально, они выталкиваются в радиальном направлении наружу наклонной поверхностью, устроенной в оправке подвески. По мере выхода клиньев в радиальном направлении наружу их зубчатые внешние поверхности будут сцепляться с поверхностью окружающей обсадной колонны. Например, в патенте US 4,497,368, выданном Baugh, описывается такая конструкция, в которой клинья выходят в радиальном направлении наружу при их перемещении по коническим элементам, размещенным в трубчатом корпусе центрального барабана (оправки). В патентах US 5,086,845 и 6,431,277, выданных, соответственно, Baugh и Сох и др., описывается конструкция устройства подвески, в которой нагрузка передается по всей окружности барабана через опору для клиньев. Патенты US 4,497,368, 5,086,845 и 6,431,277 принадлежат правопреемнику прав на настоящее изобретение, и его содержание вводится ссылкой в настоящую заявку.

Недостаток такого известного способа установки клиньев в положение удерживания заключается в том, что клинья могут перемещаться в радиальном направлении лишь в ограниченных пределах. Глубина наклонной поверхности (рампы), по которой перемещаются клинья, и, соответственно, величина смещающего действия в основном ограничивается толщиной клиньев и толщиной опоры для клиньев в корпусе барабана. Эти толщины практически одинаковы, хотя клинья обычно имеют несколько меньшую толщину по сравнению с толщиной опоры для клиньев, так чтобы зубцы клина не выступали над опорой, когда клин не находится в рабочем положении (положении удержания). Если необходимая величина хода клиньев определяется как расстояние между внешним диаметром инструмента и внутренним диаметром обсадной колонны, в которой он должен быть подвешен, то в этом случае величина хода ограничивается исключительно толщиной клина. Толщина клина, в свою очередь, ограничивается тем обстоятельством, что он опирается на корпус оправки и должен быть тоньше, чем опора. Это ограничение может быть ослаблено за счет уменьшения наружного диаметра той части оправки, на которую опирается клин. Однако такое уменьшение наружного диаметра и толщины оправки приведет к уменьшению номинального давления для инструмента, что нежелательно.

Дальнейшее ограничение на ход клина определяется механизмом, используемым для удерживания на оправке конца клинового элемента, который не выталкивается наружу. В конструкции, описанной в патенте US 5,086,845, могут использоваться различные типы клиньев. Однако позже была введена выступающая пластина для удерживания на месте нижних концов клиньев. Такое устройство также ограничивает ход клиньев, снижая степень свободы их перемещения.

Задачей настоящего изобретения является решение проблем известных конструкций и способов.

Краткое изложение сущности изобретения

В изобретении предлагается устройство подвески хвостовика, которое снабжено кольцевой опорой для клиньев, окружающей подвешиваемую часть хвостовика и прикрепленной к ней. Опора для клиньев содержит окна, в каждом из которых размещается по меньшей мере одна промежуточная опора клина.

Промежуточные опоры для клиньев, в свою очередь, содержат окна, в каждом из которых устанавливается клиновый элемент. При этом между опорой и промежуточными опорами для клиньев формируется смещающий (кулачковый) механизм так же, как и между промежуточной опорой и клиновым элементом, в результате чего аксиальное перемещение клинового элемента преобразуется в перемещение в радиальном направлении наружу как промежуточной опоры, так и клинового элемента. В предпочтительном варианте осуществления изобретения смещающий механизм представляет собой взаимодействующую пару шип - канавка. Введение одной или нескольких встроенных промежуточных опор для клиньев обеспечивает увеличение хода клиновых элементов в радиальном направлении относительно внутреннего хвостовика. Такой увеличенный радиальный ход обеспечивает использование подвески хвостовика для большего диапазона внутренних диаметров обсадной колонны. Кроме того, благодаря увеличенному радиальному ходу клиньев подвеска может обеспечивать более надежную фиксацию хвостовика.

Другой особенностью настоящего изобретения является улучшенная связь между клиновым элементом и установочной муфтой, обеспечивающая вращательное движение между клиновыми элементами и установочной муфтой. Вращающийся соединительный элемент лучше приспособлен для увеличенного радиального хода клиньев, обеспечиваемого использованием промежуточных опор для клиньев.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - вид сбоку частичного поперечного сечения варианта конструкции устройства клиновой подвески хвостовика с гибкой фиксацией, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, в исходном положении,

фиг.2 - вид сбоку частичного поперечного сечения конструкции устройства клиновой подвески хвостовика с гибкой фиксацией, показанного на фиг.2, в положении установки,

фиг.3 - вид сбоку варианта конструкции клинового элемента, используемого в устройстве подвески хвостовика, показанном на фиг.1 и 2,

фиг.4 - вид сверху клинового элемента, показанного на фиг.3,

фиг.5 - вид сверху варианта промежуточной опоры для клиньев, используемой в устройстве подвески хвостовика, показанном на фиг.1 и 2,

фиг.6 - вид поперечного сечения опоры, показанной на фигуре 5, выполненного по линиям 6-6 фигуры 5.

Варианты осуществления изобретения

На фиг.1 и 2 показан вариант конструкции встроенного клинового устройства 10 подвески хвостовика с фиксацией клиньями, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 показано, что устройство 10 подвески окружает радиально-трубчатый хвостовик 12, который должен удерживаться внутри окружающей обсадной колонны (не показана) устройством 10 подвески. В хвостовике 12 формируется по его длине аксиальный проход 14 для потока транспортируемых флюидов.

На верхнем конце устройства 10 подвески хвостовика имеется опора 16 для клиньев, которая жестко прикреплена к хвостовику 12 с помощью резьбового соединения 18. Опора 16 для клиньев содержит в направлении продольной оси верхний конец 20 и нижний конец 22. В опоре 16 для клиньев прорезаны угловые окна 24, разнесенные по ее периметру. Количества окон 24 может варьироваться в зависимости от количества клиньев, которые необходимо использовать в устройстве 10 подвески хвостовика. Каждое из окон 24 имеет две боковых стенки 26, которые сходятся в направлении верхнего конца 28 окна 24. Кроме того, каждая боковая стенка 26 содержит канавку 30, которая отклоняется в радиальном направлении наружу по мере приближения к верхнему концу 28 окна 24.

Промежуточная опора 34 клина размещается в каждом из окон 24 с возможностью перемещения. Промежуточная опора 34 клина показана на фиг.5 и 6 отдельно от других элементов устройства 10 подвески хвостовика. Промежуточная опора 34 содержит корпус 36, имеющий в целом клиновидную форму, с прорезанным в нем центральным окном 38. Центральное окно 38 имеет боковые стенки 40, которые сходятся в направлении верхнего конца 42 корпуса 36. В боковых стенках 40 сформированы канавки 44 с наклонными стенками. Ниже центрального окна 38 имеется соединительная канавка 46, которая проходит от центрального окна 38 к нижнему концу 48 корпуса 36. От каждой из боковых сторон 52 корпуса 36 отходят вбок шипы 50. Эти шипы 50 имеют такую форму и размеры, чтобы они могли помещаться в канавках 30 опоры 16 с возможностью скольжения по стенкам канавки. Взаимодействие шип - канавка обеспечивает осевое перемещение промежуточной опоры 34 клина относительно опоры 16 клина. Промежуточная опора 34 клина перемещается в радиальном направлении наружу в результате толкающего действия наружной смещающей поверхности 35 боковых стенок 26. Специалистам в данной области техники будет ясно, что для обеспечения выталкивания промежуточной опоры 34 в радиальном направлении наружу при ее осевом перемещении могут быть использованы и другие подходящие смещающие средства, такие как, например, наклонные плоскости (то есть рампы).

В окне 38 каждой промежуточной опоры 34 размещается клиновый элемент 54. Вариант конструкции клинового элемента 54 показан отдельно от других элементов устройства подвески хвостовика на фиг.3 и 4. Клиновый элемент 54 представляет собой корпус 56, имеющий в целом клиновидную форму, причем размеры и форма элемента 54 выбираются таким образом, чтобы он размещался внутри центрального окна 38 промежуточной опоры 34 клина. От корпуса 56 клина отходят зубцы 58, которые обеспечивают сцепление с окружающей обсадной колонной или с колонной-хвостовиком. От боковых стенок 62 корпуса 56 клина отходят в сторону шипы 60, которые располагаются внутри канавок 44 промежуточной опоры 34 клина. Взаимодействие шип - канавка обеспечивает осевое перемещение клинового элемента 54 относительно промежуточной опоры 34 клина. Кроме того, наружная наклонная поверхность 55, связанная с канавками 44, будет выталкивать наружу клиновый элемент 54. Так же, как и в предыдущем случае, специалистам в данной области техники будет ясно, что для обеспечения такого действия могут использоваться и другие подходящие смещающие устройства, такие как, например, наклонные плоскости (то есть рампы). От нижнего конца 66 корпуса 56 клина отходит часть 64 петлевого шарнирного соединения.

Как можно видеть на фиг.1 и 2, от каждой части 64 петлевого шарнирного соединения в направлении установочной муфты 70 отходят соединительные элементы 68. Каждый из соединительных элементов 68 соединяется с частью 64 петлевого шарнирного соединения и с установочной муфтой 70 с помощью шарнирных пальцев 72, в результате чего обеспечивается поворот соединительных элементов 68 относительно части 64 петлевого шарнирного соединения и установочной муфты 70.

При использовании устройства установочная муфта 70 перемещается в аксиальном направлении с использованием одного из хорошо известных способов, в том числе и с использованием гидравлического привода. В патенте US 5,086,845 подробно описан один из вариантов такого гидравлического привода. При аксиальном перемещении установочной муфты 70 вверх относительно хвостовика 12 она переводится из нижнего положения, показанного на фиг.1, в верхнее рабочее положение, показанное на фиг.2. Клиновые элементы 54 также при этом поднимаются вверх. Перемещение вверх клиновых элементов 54 приводит к тому, что они также смещаются в радиальном направлении наружу в результате скольжения по наклонным поверхностям 55, связанным с канавками 44. Кроме того, промежуточные опоры 34 для клиньев также будут перемещаться аксиально вверх и одновременно в радиальном направлении наружу относительно опоры 16 для клиньев благодаря выталкивающему действию опоры 16 на наклонные поверхности 55, связанные с канавками 30. Благодаря тому что клиновые элементы 54 размещены (вделаны) внутри промежуточных опор 34 для клиньев, а промежуточные опоры 34 для клиньев дополнительно размещены (вделаны) в окна 26 опоры 16 для клиньев, клиновые элементы 54 смещаются в радиальном направлении наружу в большей степени, чем это происходит в известных конструкциях аналогичных устройств.

Клиновый элемент 54, промежуточная опора 34 клина и окно 24 в целом формируют совместно клиновый узел 74. Обычно в устройстве 10 подвески хвостовика используется несколько клиновых узлов 74. В предпочтительных вариантах устройств подвески хвостовиков, сконструированных в соответствии с настоящим изобретением, используется три или более клиновых узлов 74. Однако изобретение не ограничивается каким-либо определенным количеством клиновых узлов.

В описанном варианте осуществления изобретения используется одна промежуточная опора 34 клина, которая встроена между клиновым элементом 54 и опорой 16 для клиньев. Однако ясно, что для некоторого конкретного клинового узла 74 может использоваться несколько промежуточных опор, устройство которых аналогично устройству промежуточной опоры 34 клина. Они встраиваются или помещаются одна внутри другой, причем каждая из них может перемещаться аксиально и радиально по отношению друг к другу.

Достоинством устройства 10 подвески хвостовика является увеличенный радиальный ход клиновых элементов 54. Это является результатом использования промежуточной опоры 34 клина, которая сама перемещается в радиальном направлении наружу относительно опоры 16 клина в процессе установки. В этом случае дополнительный радиальный ход, обеспечиваемый промежуточной опорой 34 клина, равен примерно ее толщине. Кроме того, поворотный соединительный элемент между установочной муфтой 70 и частью 64 петлевого шарнира каждого клинового элемента 54 лучше приспособлен к увеличенному ходу при установке клиновых элементов 54, в результате чего обеспечивается большая степень свободы их перемещения.

Специалистам в данной области техники будет ясно, что возможны различные модификации и изменения вышеописанных вариантов осуществления изобретения, и что изобретение ограничивается только пунктами прилагаемой формулой и любыми их эквивалентами.

1. Клиновый узел для устройства подвески хвостовика, содержащий опору клина, окружающую хвостовик и имеющую первое окно, промежуточную опору клина, размещенную в первом окне опоры клина и имеющую второе окно, и клиновый элемент, предназначенный для обеспечения сцепления с окружающим трубчатым элементом и размещаемый внутри второго окна.

2. Клиновый узел по п.1, в котором клиновый элемент соединен с промежуточной опорой клина с помощью смещающего механизма, преобразующего аксиальное перемещение клинового элемента в его радиальное перемещение относительно промежуточной опоры.

3. Клиновый узел по п.1, в котором промежуточная опора клина соединена с опорой клина с помощью смещающего механизма, преобразующего аксиальное перемещение клинового элемента в радиальное перемещение промежуточной опоры клина.

4. Клиновый узел по п.1, в котором клиновый элемент снабжен зубцами для обеспечения сцепления с окружающим трубчатым элементом.

5. Клиновый узел по п.1, который дополнительно содержит соединительный элемент, проходящий от клинового элемента к установочной муфте и соединенный с клиновым элементом с возможностью поворота.

6. Устройство подвески хвостовика для фиксации его секции внутри окружающего трубчатого элемента, содержащее кольцевую опору клина, окружающую часть хвостовика, которая должна быть подвешена, и снабженную по меньшей мере одним первым окном, промежуточную опору клина, размещенную внутри одного из первых окон и снабженную вторым окном, и клиновый элемент с зубцами, предназначенный для обеспечения сцепления с окружающим трубчатым элементом и размещаемый внутри второго окна.

7. Устройство по п.6, содержащее дополнительно установочную муфту, которая может перемещаться аксиально относительно опоры клина между исходным положением и положением установки и соединяется с клиновым элементом, так что при аксиальном перемещении установочной муфты в установочное положение клиновый элемент выталкивается в радиальном направлении наружу.

8. Устройство по п.7, содержащее соединительный элемент, проходящий между клиновым элементом и установочной муфтой.

9. Устройство по п.8, в котором соединительный элемент прикреплен к клиновому элементу с возможностью поворота.

10. Устройство по п.8, в котором соединительный элемент прикреплен к установочной муфте с возможностью поворота.

11. Устройство по п.6, в котором клиновый элемент связан со вторым окном с помощью смещающего механизма, преобразующего аксиальное перемещение клинового элемента в радиальное перемещение клинового элемента относительно промежуточной опоры клина.

12. Устройство по п.11, в котором промежуточная опора клина дополнительно связана с первым окном с помощью смещающего механизма, преобразующего аксиальное перемещение клинового элемента в радиальное перемещение промежуточной опоры клина относительно опоры клина.

13. Устройство по п.8, в котором используется несколько промежуточных опор клина и такое же количество клиновых элементов.

14. Способ установки устройства подвески хвостовика внутри окружающего трубчатого элемента, где указанное устройство содержит опору клина, промежуточную опору клина и клиновый элемент, а способ включает следующие шаги: первоначальное размещение клинового элемента в промежуточной опоре клина, воздействие на промежуточную опору клина для ее выталкивания в радиальном направлении наружу относительно опоры клина и воздействие на клиновый элемент для его выталкивания в радиальном направлении наружу изнутри промежуточной опоры клина для формирования сцепления с окружающим трубчатым элементом.

15. Способ по п.14, в котором клиновый элемент выталкивается в радиальном направлении наружу из промежуточной опоры клина с помощью смещающего механизма.

16. Способ по п.14, в котором промежуточная опора клина выталкивается в радиальном направлении наружу из опоры клина с помощью смещающего механизма.

17. Способ по п.14, в котором шаг выталкивания клинового элемента в радиальном направлении наружу дополнительно включает стадию поворота клинового элемента относительно соединительного элемента, прикрепленного с возможностью поворота.

18. Способ по п.14, в котором перемещение клинового элемента и промежуточной опоры клина в радиальном направлении является результатом аксиального перемещения установочной муфты относительно опоры клина.