Регулируемый работающий на срез узел
Группа изобретений относится к области нефтедобычи, в частности к скважинным инструментам, в которых используют работающие на срез элементы. Технический результат – обеспечение баланса между срезающей нагрузкой, при которой срезается работающий на срез элемент и дополнительными нагрузками, которые могут воздействовать на компоненты. Скважинный инструмент содержит внутренний и наружный компоненты, выполненные с возможностью перемещения относительно друг друга и образования работающего на срез сочленения между ними. Работающий на срез элемент перекрывает собой работающее на срез сочленение. Работающий на срез элемент имеет первую часть, отличающуюся по площади поперечного сечения от второй части. Криволинейная поверхность связана с внутренним или наружным компонентом и упирается в работающий на срез элемент. Криволинейная поверхность перемещает работающий на срез элемент по мере перемещения внутреннего и наружного компонентов относительно друг друга и переводит работающий на срез элемент между состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению первая часть элемента, и состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению вторая часть элемента. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к скважинным инструментам, в которых используются работающие на срез элементы.
[0002] Многие скважинные инструмент содержат компоненты, соединенные между собой работающим на срез элементом. Работающим на срез элементом является штифт, болт или другой элемент, перекрывающий собой плоскость среза между двумя компонентами, чтобы удерживать компоненты от перемещения в направлении вдоль их плоскости среза. Работающий на срез элемент конструируют в расчете на его срезание при определенной срезающей нагрузке, то есть на удержание компонентов от перемещения относительно друг друга, пока срезающая нагрузка не возрастет до указанного значения. При конструировании работающих на срез элементов необходимо обеспечивать баланс между указанной срезающей нагрузкой, при которой срезается работающий на срез элемент и дополнительными нагрузками, которые могут воздействовать на компоненты. Например, если указанная расчетная срезающая нагрузка слишком мала, возможно непредусмотренное срезание работающего на срез элемента. Если указанная расчетная срезающая нагрузка слишком велика, возможны обстоятельства, при которых срезание работающего на срез элемента оказывается затруднительным или невозможным. В отношении инструмента, используемого в скважине, необходимость баланса особенно актуальна с учетом условий окружающей среды. Например, компоненты инструмента могут быть подвергнуты воздействию срезающих нагрузок (как постоянных, так и ударных) при перемещении инструмента по скважине вверх и вниз и при других операциях с инструментом. Кроме того, если происходит преждевременное срезание работающего на срез элемента, инструмент выходит из строя, и требуется длительное и дорогостоящее извлечение инструмента на поверхность для восстановления его исправности.
ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0003] Фиг. 1 представляет собой схему (вид сбоку) скважины, содержащей скважинный инструмент.
[0004] Фиг. 2A представляет собой вид в поперечном сечении примера скважинного инструмента с внутренним и наружным трубчатыми элементами, соединенными между собой элементом, работающим на срез. Фиг. 2B представляет собой детальное изображение примера скважинного инструмента, показанного на фиг. 2A.
[0005] Фиг. 3A представляет собой вид в поперечном сечении примера скважинного инструмента, показанного на фиг. 2A, при нахождении работающего на срез элемента в состоянии с пониженным сопротивлением срезающим нагрузкам. Фиг. 3B представляет укрупненное изображение детали фиг. 3A.
[0006] Одинаковые ссылочные символы на различных чертежах обозначают одинаковые элементы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Как показано на фиг. 1, скважина содержит по существу цилиндрический ствол 10 скважины, проходящий от устья 22 скважины на поверхности 12 вниз в землю в одну или большее количество подземных областей 14, представляющих интерес (показана одна область). Подземная область 14 может соответствовать одной формации, части формации или более чем одной формации, доступной через скважину, и одна скважина может обеспечивать доступ к одной или большему количеству подземных областей 14. В некоторых случаях формации подземной области являются углеводородсодержащими – такими как залежи нефти и/или газа - и скважина используется для добычи из неё углеводородов и/или для увеличения добычи углеводородов из другой скважины (например, в качестве нагнетательной или наблюдательной скважины). Однако изложенные здесь концепции применимы к скважине практически любого типа. Часть ствола 10 скважины, проходящего от устья 22 скважины в подземную область 14, крепят отрезками трубы, именуемыми обсадной колонной 16.
[0008] Изображенная скважина представляет собой вертикальную скважину, проходящую по существу вертикально от поверхности 12 в подземную область 14. Однако изложенные здесь концепции применимы к множеству других различных конфигураций скважин, включая горизонтальные, наклонные или другие отклоняющиеся от вертикали скважины и многоствольные скважины.
[0009] Показана колонна 18 трубчатых элементов, опускаемая с поверхности 12 вовнутрь ствола 10 скважины. Колонна 18 трубчатых элементов представляет собой ряд состыкованных между собой отрезков трубы, образующих последовательность из конца в конец, и/или цельную (то есть не содержащую стыков) длинномерную трубу и содержит один или большее количество скважинных инструментов (для примера показан один скважинный инструмент - 20). В колонне 18 имеется внутреннее центральное отверстие, по которому возможна передача текучей среды между устьем 22 скважины и участками вниз по скважине (например, подземной областью 14 и/или другими местами). В некоторых случаях колонна 18 может быть сконструирована так, что она не проходит от поверхности 12, а вводится вовнутрь скважины на проволоке - например на тросовой проволоке, на каротажном кабеле, электрическом кабеле и/или на другой проволоке.
[0010] На фиг. 2A представлен вид скважинного инструмента 20 в поперечном сечении по оси. Скважинный инструмент 20 относится к типу, в котором первый компонент (например, внутренний трубчатый элемент 22) соединен со вторым компонентом (например, наружным трубчатым элементом 24) так, что компоненты могут перемещаться относительно друг друга. Скважинный инструмент 20 содержит работающий на срез элемент, который соединяет, или скрепляет два трубчатых элемента 22, 24 между собой и предотвращает относительное перемещение в указанном направлении, но может быть срезан для предоставления двум трубчатым элементам 22, 24 свободы перемещения. Скважинный инструмент 20 может представлять собой комбинацию различных инструментов, включающих в себя компоненты (трубчатые или другой формы), перемещающиеся относительно друг друга. В некоторых случаях скважинный инструмент 20 представляет собой клапан, в котором внутренний и наружный трубчатые элементы перемещаются относительно друг друга для открытия и закрытия клапана. В некоторых случаях скважинный инструмент 20 представляет собой пакер, в котором внутренний и наружный трубчатые элементы перемещаются относительно друг друга при укладке пакера. В рамки изложенных здесь концепций вписываются скважинные инструменты других типов.
[0011] Как показано, внутренний трубчатый элемент 22 вставлен в наружный трубчатый элемент 24 в виде концентрической окружности, и при этом наружная поверхность внутреннего трубчатого элемента 22 примыкает к внутренней поверхности наружного трубчатого элемента 24 и упирается в неё. Внутренний трубчатый элемент 22 и наружный трубчатый элемент 24 могут перемещаться относительно друг друга - например, поворачиваться вокруг их общей центральной оси или выдвигаться один из другого в осевом направлении вдоль их общей центральной оси. Место соединения между внутренним трубчатым элементом 22 и наружным трубчатым элементом 24 представляет собой работающее на срез сочленение 26, на котором поверхности трубчатых элементов 22. 24 перемещаются по соседству друг с другом. Один или большее количество работающих на срез элементов 28 расположены в соответствующем количестве отверстий 30 в наружном трубчатом элементе 24. Показаны пять работающих на срез элементов 28 и отверстий 30, но допускается их большее или меньшее количество. Работающие на срез элементы 28 перекрывают собой работающее на срез сочленение 26 и выступают вовнутрь соответствующего количества криволинейных пазов 36 во внутреннем трубчатом элементе 22.
[0012] Работающие на срез элементы 28 размещаются в отверстиях 30 способом, при котором работающие на срез элементы 28 имеют возможность перемещения в радиальном направлении. В некоторых случаях работающие на срез элементы 28 имеют цилиндрическую форму, а отверстия 30 являются круглыми, но допускаются также другие формы. Каждое из отверстий 30 имеет колпачок 32 с пружиной 34, действующей между колпачком 32 и работающим на срез элементом 28. Пружина 34 смещает работающий на срез элемент 28 по радиусу вовнутрь для соприкосновения с нижней криволинейной поверхностью 38 криволинейного паза 36. В некоторых случаях пружина 34 представляет собой металлическую спиральную или пластинчатую пружину, но допускается множество других различных форм пружины 34. Например, в качестве пружины 34 может быть использована втулка из эластомера, жидкостная пружина и/или пружина другого типа. В некоторых других случаях возможна работа без пружины 34 со смещением работающих на срез элементов 28 по радиусу вовнутрь другим способом (например, с помощью магнитов и/или иным способом).
[0013] Криволинейные пазы 36 имеют удлиненную форму и в направлении своей длины охватывают по окружности внутренний трубчатый элемент 22. Ширину криволинейных пазов 36 выбирают так, чтобы обеспечить плотный контакт с работающими на срез элементами 28. Это значит, что работающие на срез элементы 28 удерживаются в криволинейных пазах 36 от телескопического перемещения вдоль продольной оси трубчатых элементов 22, 24 и удерживают внутренний и наружные трубчатые элементы 22, 24 от перемещения относительно друг друга в осевом направлении. Однако трубчатые элементы 22, 24 имеют свободу поворота относительно друг друга вокруг их общей центральной оси в пределах пазов 36.
[0014] На фиг. 2B лучше показано, что работающие на срез элементы 28 содержат по меньшей мере две части, различающиеся между собой по площади поперечного сечения и соответственно создающих по меньшей мере два различных сопротивления срезу. На фиг. 2B показаны две части, из которых часть 40 имеет меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с частью 42, но допускается большее количество этих частей. Нижняя криволинейная поверхность 38 каждого криволинейного паза 36 проходит под уклон вдоль окружности внутреннего трубчатого элемента 22 от одного конца криволинейного паза к другому. Иными словами, каждый криволинейный паз 36 является на одном своем конце более глубоким, чем на другом. Как показано на фиг. 2B, работающий на срез элемент 28 упирается в левостороннюю стенку 44 криволинейного паза 36, являющуюся также концом с увеличенной глубиной криволинейного паза 36. Глубина криволинейного паза 36 такова, что в состоянии, когда работающий на срез элемент 38 упирается в левостороннюю стенку 44, имеющая увеличенную площадь поперечного сечения часть 42 работающего на срез элемента 28 совмещается по расположению с работающим на срез сочленением 26. Поворот трубчатых элементов 22, 24 относительно друг друга вокруг их общей центральной оси вызывает перемещение конца паза 36 с уменьшенной глубиной под работающий на срез элемент 28, как показано на фиг. 3A и 3B, и выдвижение работающего на срез элемент 28 по радиусу наружу. Глубина криволинейного паза 36 на конце с уменьшенной глубиной такова, что в состоянии, когда работающий на срез элемент 28 упирается в правостороннюю стенку 46 криволинейного паза 36, имеющая меньшую площадь поперечного сечения часть 40 работающего на срез элемента 28 совмещается по расположению с работающим на срез сочленением 26. Это значит, что возможен перевод инструмента 20 между состояниями со срезанием работающего на срез элемента 28 при пониженной срезающей нагрузке и при повышенной срезающей нагрузке путем поворота внутреннего трубчатого элемента 22 и наружного трубчатого элемента 24 относительно друг друга. Как показано на фиг. 3A, все криволинейные пазы 36 могут быть согласованы по фазе исполнения для одновременного совмещения соответствующей им части 40, имеющей меньшую площадь поперечного сечения, по расположению с работающим на срез сочленением 26 на одной и той же позиции поворота. Аналогично, как показано на фиг. 3А, все криволинейные пазы 36 могут быть согласованы по фазе исполнения для одновременного совмещения соответствующей им части 42, имеющей увеличенную площадь поперечного сечения, по расположению с работающим на срез сочленением 26 на одной и той же позиции поворота. В некоторых случаях возможно разнесение по фазе исполнения криволинейных пазов 36 и/или работающих на срез элементов 28, например, для получения различающихся между собой сопротивлений срезу при различных поворотах трубчатых элементов 22, 24 относительно друг друга.
[0015] В некоторых случаях, часть 42 с увеличенной площадью поперечного сечения может быть выполнена с возможностью создания намного более высокого сопротивления срезу по сравнению с частью 40, имеющей уменьшенную площадь поперечного сечения. Такой вариант исполнения позволяет инструменту 20 по существу блокировать трубчатые элементы 22,24 в соединении между собой путем манипулирования инструментом 20 в скважине, чтобы исключить непредусмотренное срезание работающего на срез элемента 28. Например, инструмент 20 может быть первоначально скомпонован так, что часть 42 работающего на срез элемента, имеющая увеличенную площадь поперечного сечения, перекрывает собой работающее на срез сочленения 26 для обеспечения возможности опускания инструмента вовнутрь скважины и манипулирования им вверх и вниз по стволу по мере необходимости. Далее, когда потребуется использование скважинного инструмента 20 в работе, инструмент 20 может быть перестроен так, что часть 40 работающего на срез элемента, имеющая меньшую площадь поперечного сечения, перекрывает собой работающее на срез сочленение 26.
[0016] Хотя в описанном выше варианте криволинейные пазы 36 сориентированы и проходят с уклоном в направлении по окружности, в ином варианте исполнения криволинейные пазы 36 могут быть сориентированы и проходить с уклоном в осевом направлении. При прохождении криволинейных пазов 36 под уклон в осевом направлении предположительно произойдет смещение по оси трубчатых элементов 22, 24, изменяющее выравнивание работающих на срез элементов 28, и работающие на срез элементы 28 служат для воспрепятствования повороту трубчатых элементов 22, 24 относительно друг друга. Кроме того, хотя в приведенном выше описании криволинейные пазы 36 находятся во внутреннем трубчатом элементе 22 и работающие на срез элементы 28 расположены в наружном трубчатом элементе 24, в других случаях возможно расположение всех или некоторых криволинейных пазов 36 в наружном трубчатом элементе 24 и всех или некоторых работающих на срез элементов 28 во внутреннем трубчатом элементе 22.
[0017] Описан ряд вариантов реализации изобретения. Тем не менее, следует понимать, что возможно внесение различных изменений. Соответственно, другие варианты реализации изобретения входят в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Скважинный инструмент, содержащий внутренний и наружный трубчатые элементы, вставленные один в другой с возможностью перемещения относительно друг друга и образующие между собой работающее на срез сочленение, на котором поверхность внутреннего трубчатого элемента примыкает к поверхности наружного трубчатого элемента; работающий на срез элемент, перекрывающий собой работающее на срез сочленение, причем работающий на срез элемент содержит первую часть, отличающуюся по площади поперечного сечения от его второй части; и связанную с внутренним или наружным трубчатым элементом криволинейную поверхность, которая упирается в работающий на срез элемент и перемещает работающий на срез элемент по мере перемещения внутреннего и наружного трубчатых элементов относительно друг друга и переводит работающий на срез элемент между состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению первая часть элемента, и состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению вторая часть элемента.
2. Скважинный инструмент по п. 1, в котором криволинейная поверхность расположена с уклоном для перемещения работающего на срез элемента в радиальном направлении, и криволинейная поверхность проходит в направлении по окружности для перемещения работающего на срез элемента в радиальном направлении при повороте внутреннего и наружного трубчатых элементов относительно друг друга.
3. Скважинный инструмент по п. 2, в котором работающий на срез элемент обеспечивает удержание внутреннего и наружного трубчатых элементов от перемещения в осевом направлении относительно друг друга, пока не происходит срезание работающего на срез элемента.
4. Скважинный инструмент по п. 1, в котором работающий на срез элемент смещен вовнутрь криволинейной поверхности.
5. Скважинный инструмент по п. 1, в котором границы криволинейной поверхности определяются поверхностью внутреннего трубчатого элемента.
6. Скважинный инструмент по п. 5, в котором наружный трубчатый элемент содержит отверстие под работающий на срез элемент, в котором размещается работающий на срез элемент, и содержит пружину в отверстии под работающий на срез элемент, выполненную с возможностью смещения работающего на срез элемента вовнутрь криволинейной поверхности внутреннего трубчатого элемента.
7. Скважинный инструмент по п. 1, содержащий второй работающий на срез элемент, перекрывающий собой работающее на срез сочленение и имеющий первую часть, отличающуюся по площади поперечного сечения от второй части второго работающего на срез элемента; и содержащий вторую криволинейную поверхность, которая упирается во второй работающий на срез элемент и перемещает второй работающий на срез элемент по мере перемещения внутреннего и наружного трубчатых элементов относительно друг друга и переводит второй работающий на срез элемент между состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению первая часть второго работающего на срез элемента, и состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению вторая часть второго работающего на срез элемента.
8. Скважинный инструмент по п. 7, в котором первая упомянутая криволинейная поверхность и вторая криволинейная поверхность согласованы по фазе исполнения для одновременного совмещения второй части двух работающих на срез элементов по расположению с работающим на срез сочленением.
9. Способ, включающий в себя перекрытие работающего на срез сочленения скважинного инструмента в скважине первой частью работающего на срез элемента, причем работающее на срез сочленение находится между внутренним и наружным компонентами скважинного инструмента; и перемещение первой части работающего на срез элемента в сторону от работающего на срез сочленения и второй части работающего на срез элемента на позицию перекрытия работающего на срез сочленения, причем вторая часть имеет площадь поперечного сечения, превышающую площадь поперечного сечения первой части.
10. Способ по п. 9, в котором перекрытие работающего на срез сочленения скважинного инструмента в скважине первой частью работающего на срез элемента включает в себя удержание внутреннего и наружного компонентов скважинного инструмента от перемещения в некотором направлении.
11. Способ по п. 9, в котором перемещение первой части работающего на срез элемента в сторону от работающего на срез сочленения и второй части работающего на срез элемента на позицию перекрытия работающего на срез сочленения включает в себя перемещение внутреннего трубчатого элемента или наружного трубчатого элемента относительно друг друга.
12. Способ по п. 11, в котором перемещение внутреннего трубчатого элемента или наружного трубчатого элемента включает в себя воздействие криволинейной поверхности на работающий на срез элемент для его перемещения в радиальном направлении.
13. Способ по п. 12, в котором перемещение внутреннего трубчатого элемента или наружного трубчатого элемента включает в себя поворот внутреннего трубчатого элемента или наружного трубчатого элемента относительно друг друга.
14. Способ по п. 9, включающий в себя перемещение первой части второго работающего на срез элемента с позиции перекрытия работающего на срез сочленения в сторону от работающего на срез сочленения и перемещение второй части второго работающего на срез элемента на позицию перекрытия работающего на срез сочленения.
15. Способ по п. 14, включающий в себя одновременное перемещение первого работающего на срез элемента и второго работающего на срез элемента.
16. Скважинное устройство для использования в скважине, содержащее первый компонент скважинного устройства, примыкающий ко второму компоненту скважинного устройства и образующий вместе с ним работающее на срез сочленение; и работающий на срез элемент, перекрывающий работающее на срез сочленение для воспрепятствования перемещению первого и второго компонентов относительно друг друга в некотором направлении, причем имеется возможность перевода работающего на срез элемента между состоянием, в котором он создает первое сопротивление срезающим нагрузкам на работающем на срез сочленении, и состоянием, в котором он создает второе, отличное от первого сопротивление срезающим нагрузкам на работающем на срез сочленении.
17. Скважинное устройство по п. 16, в котором работающий на срез элемент содержит по меньшей мере две части с различающимися между собой площадями поперечного сечения, и в котором перемещение работающего на срез элемента для совмещения различных частей работающего на срез элемента по расположению с работающим на срез сочленением вызывает перевод работающего на срез элемента между состоянием, в котором он создает первое сопротивление срезающим нагрузкам на работающем на срез сочленении, и состоянием, в котором он создает второе, отличное от первого сопротивления срезающим нагрузкам на работающем на срез сочленении.
18. Скважинное устройство по п. 17, в котором первый компонент скважинного устройства содержит криволинейную поверхность, которая упирается в работающий на срез элемент, и в котором перемещение первого компонента скважинного устройства во втором направлении вызывает перемещение работающего на срез элемента под действием криволинейной поверхности для совмещения различных частей работающего на срез элемента по расположению с работающим на срез сочленением.
19. Скважинное устройство по п. 16, в котором первым компонентом скважинного устройства является первый трубчатый элемент и вторым компонентом скважинного устройства является второй трубчатый элемент, вставленный в первый трубчатый элемент для получения телескопического соединения.
20. Скважинное устройство по п. 19, в котором первый трубчатый элемент содержит криволинейную поверхность для перемещения работающего на срез элемента между состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению первая часть элемента с первым сопротивлением срезающим нагрузкам, и вторым состоянием, в котором с работающим на срез сочленением совмещается по расположению вторая часть элемента со вторым, отличным от первого сопротивления срезающим нагрузкам.
