Двунаправленные плашки
Скважинный инструмент, который удерживается в стволе скважины с помощью однонаправленной плашки и двунаправленной плашки. Двунаправленная плашка имеет раму плашки и по меньшей мере два блока плашек. Рама плашки содержит центральное кольцо и множество планок, проходящих в продольном направлении вверх и вниз по стволу скважины от центрального кольца и расположенных на расстоянии друг от друга по радиусу вокруг центрального кольца, образовывая по меньшей мере две пары пазов. Каждая пара пазов имеет первый паз, проходящий в продольном направлении вверх по стволу скважины от центрального кольца, и второй паз, проходящий в продольном направлении вниз по стволу скважины от центрального кольца. Блоки плашек имеют первый захватный блок, второй захватный блок и канавку между первым захватным блоком и вторым захватным блоком. Первый захватный блок и второй захватный блок имеют внешнюю поверхность, выполненную с возможностью захватывания обсадной колонны. Первый захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения в первый паз, а второй захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения во второй паз, в результате чего блок плашек имеет установленное положение, в котором канавка принимает часть центрального кольца, а первый захватный блок и второй захватный блок выступают радиально наружу из рамы плашки, чтобы иметь возможность зацепления с обсадной колонной, и блок плашек имеет неустановленное положение, в котором блок плашек задвинут радиально внутрь относительно установленного положения. Технический результат заключается в повышении эффективности скважинного инструмента. 17 з.п. ф-лы, 26 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[1] Настоящее изобретение в целом относится к оборудованию, которое используется при операциях, выполняемых в подземной скважине, и более конкретно, как описано в данном документе для некоторых вариантов реализации изобретения, к извлекаемому пакеру с множеством плашек или мостовой пробке.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] В процессе обработки и подготовки подземных скважин для добычи, скважинный пакер или мостовая пробка спускается в скважину на рабочей колонне или эксплуатационной колонне. Назначение пакера или мостовой пробки заключается в обеспечении изоляции между зонами ствола скважины. Например, пакер или мостовую пробку можно использовать для уплотнения кольцевого пространства между наружной частью эксплуатационной колонны и внутренней частью обсадной колонны скважины, чтобы блокировать перемещение текучих сред через кольцевое пространство, проходящее через место установки пакера или мостовой пробки. Пакер или мостовая пробка обычно снабжены плашками якоря, имеющими противолежащие поверхности с выступами и впадинами, которые взаимодействуют с комплементарными противолежащими заклинивающими поверхностями, в результате чего плашки якоря радиально выступают в захватывающее зацепление со стволом обсадной колонны скважины в ответ на относительное осевое перемещение заклинивающих поверхностей.
[3] Пакер или мостовая пробка также содержит кольцевые уплотнительные элементы, которые могут радиально расширяться и входить в уплотняющее взаимодействие со стволом обсадной колонны скважины. Продольное перемещение компонентов пакера, которое устанавливает плашки якоря и уплотнительные элементы, может выполняться либо гидравлически, либо механически.
[4] После установки пакера или мостовой пробки и создания уплотнения со стволом обсадной колонны скважины, он должен поддерживать уплотняющее взаимодействие при снятии приложенного гидравлического или механического усилия. Кроме того, важно, чтобы пакер или мостовая пробка оставались заблокированными в таком установленном и уплотненном положении, выдерживая при этом гидравлическое давление, прикладываемое снаружи или изнутри из пласта и/или манипуляции с колонной НКТ и инструментами для подземного ремонта скважин, без отсоединения пакера или мостовой пробки, или без нарушения уплотнения. Это затруднено для глубоких скважин, в которых пакер или мостовая пробка и ее компоненты подвергаются высоким скважинным температурам, например, температурам до 400 °F (205 °С) и выше, и высоким скважинным давлениям, например 5000 фунтов на квадратный дюйм («фунт/кв. дюйм») (35 МПа).
[5] Одной из распространенных проблем с пакерами и мостовыми пробками является необходимость предотвращать скольжение как по направлению вверх по стволу скважины, так и вниз по стволу скважины. Узел плашек, используемый с пакерами и мостовыми пробками, часто содержит наклонные захватные элементы, которые предотвращают проскальзывание в одном направлении, но допускают проскальзывание в противоположном направлении. В некоторых пакерах используются узлы двунаправленных плашек, то есть, узлы плашек с захватными элементами, которые не допускают проскальзывания ни по направлению вверх по стволу скважины, ни вниз по стволу скважины. Однако их бывает достаточно сложно установить в обсадной колонне и при ненадлежащей установке они могут проскальзывать под воздействием скважинных усилий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[6] На фиг. 1А и 1В схематически проиллюстрировано изолирующее устройство, расположенное в стволе скважины в неустановленном и установленном положениях, соответственно.
[7] На фиг. 2A-2D проиллюстрирован частичный вид в разрезе изолирующего устройства в неустановленном положении с задвинутыми плашками.
[8] На фиг. 3А-3D проиллюстрированы частичные виды в разрезе компонентов изолирующего устройства в частично установленном положении, в котором однонаправленные плашки находятся в рабочем положении, но двунаправленные плашки еще не находятся в рабочем положении.
[9] На фиг. 4А-4D проиллюстрированы частичные виды в разрезе компонентов изолирующего устройства в установленном положении, в котором и однонаправленные плашки и двунаправленные плашки находятся в рабочем положении.
[10] На фиг. 5 проиллюстрирован вид спереди компонентов плашек в неустановленном положении с заблокированным байонетным пазом.
[11] На фиг. 6 изображен байонетный паз в заблокированном положении, когда изолирующее устройство находится в неустановленном положении, проиллюстрированном на фиг. 5.
[12] На Фиг. 7 проиллюстрирован вид спереди компонентов плашек в неустановленном положении во время разблокирования байонетного паза.
[13] На Фиг. 8 изображен байонетный паз во время разблокирования для положения скважинного инструмента, проиллюстрированного на фиг. 7.
[14] На фиг. 9 проиллюстрирован вид спереди компонентов плашек в частично установленном положении, в котором однонаправленные плашки уже находятся в рабочем положении, но двунаправленные плашки еще не находятся в рабочем положении.
[15] На фиг. 10 изображен байонетный паз в разблокированном положении для положения изолирующего устройства, проиллюстрированного на фиг. 9.
[16] Фиг. 11 представляет собой вид в перспективе блока двунаправленных плашек.
[17] Фиг. 12 представляет собой вид сбоку блока двунаправленных плашек.
[18] Фиг. 13 представляет собой вид предустановленного механизма, используемого с двунаправленными плашками. Предустановленный механизм показан в положении, когда двунаправленная плашка не находится в рабочем положении.
[19] Фиг. 14 представляет собой вид предустановленного механизма, используемого с двунаправленными плашками. Предустановленный механизм показан в положении, когда двунаправленная плашка находится в рабочем положении.
[20] Фиг. 15 представляет собой вид в перспективе разрезного стопорного кольца согласно некоторым вариантам реализации изобретения.
[21] Фиг. 16 представляет собой вид сбоку участка разрезного стопорного кольца, проиллюстрированного на фиг. 15.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[22] В приведенном ниже описании, подобные детали обозначены в описании и на чертежах, соответственно, одинаковыми ссылочными номерами. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, а пропорции некоторых частей представлены в увеличенном масштабе, чтобы лучше проиллюстрировать детали и признаки изобретения. В нижеследующем описании термины «верхний», «вверх», «нижний», «ниже», «вниз по стволу скважины» и т. п., используемые в данном документе, относятся к забою или самой удаленной части окружающего ствола скважины, даже если ствол скважины или его участки могут быть отклоненными или горизонтальными. Термины «внутрь» и «наружу» означают, соответственно, по направлению к геометрической оси описываемого объекта, и по направлению от нее. Там, где используются компоненты относительно известной конструкции, их конструкция и работа подробно не описываются.
[23] На чертежах, и, более конкретно, на фиг. 1А и фиг.1В, скважинный пакер или мостовая пробка, обычно называемая в данном документе изолирующим устройством 10, схематически проиллюстрирована спущенной в скважину 15. Скважина 15 содержит ствол скважины 20, имеющий обсадную колонну 25, расположенную в нем. Изолирующее устройство 10 схематически показано в своем неустановленном положении 22 на фиг. 1A и на фиг. 2A-2D. Изолирующее устройство 10 схематически показано в частичном установленном положении (однонаправленные плашки находятся в рабочем положении, а двунаправленные плашки не находятся в рабочем положении) на фиг. 3A-3D. Изолирующее устройство 10 схематически показано в своем установленном положении 24 на фиг. 1B и на фиг. 4A-4D. Изолирующее устройство 10 имеет верхний конец 30 и нижний конец 32. Верхний конец 30 выполнен с возможностью соединения с другим инструментом, рабочей колонной или колонной НКТ 34, известной в данной области техники, для спуска в скважину 15 и перемещения внутри нее. Нижний конец 32 может быть выполнен с возможностью соединения со скважинным оборудованием и/или инструментами 36, которые используются в процессе обработки и подготовки скважин для добычи, или с эксплуатационной колонной и/или другим оборудованием для добычи, таким как, но не ограничиваясь ими, фильтры для добычи, полированные ниппели и фильтры-хвостовики. Однако нижний конец 32 не обязательно должен соединяться со скважинным оборудованием или инструментами.
[24] Как показано на фиг. 2А, изолирующее устройство 10 имеет переходник 38 на верхнем конце 30. Переходник 38 имеет верхний конец 40 и нижний конец 42. Переходник 38 выполнен с возможностью соединения с другим инструментом, рабочей колонной или колонной НКТ 34.
[25] Изолирующее устройство 10 дополнительно содержит оправку 44. Оправка 44 имеет верхний конец 46 и нижний конец 48 (фиг. 2D). Верхний конец 46 соединяется резьбовым соединением с переходником 38, а нижний конец 48 соединяется резьбовым соединением с переходником 49 (фиг. 2D), который может быть выполнен с возможностью соединения с расположенным ниже скважинным оборудованием, но не обязательно должен иметь такое соединение. Оправка 44 имеет внутреннюю поверхность или стенку 50, образующую продольный канал 52 для протекания по нему текучих сред, и имеет внешнюю поверхность или стенку 51. Используемый в данном документе термин «осевой» или «в осевом направлении» обычно относится к направлению продольно вдоль оправки вниз или вверх по стволу скважины, а «радиально» относится к направлению, перпендикулярному к осевому направлению.
[26] Оправка 44 содержит верхнюю часть 54 (фиг. 2А и фиг.2В), центральную часть 56 (фиг. 2В и фиг. 2С) и нижнюю часть 58 (фиг. 2С и фиг. 2D), которые могут соединяться вместе резьбовым соединением. Корпус пакера 60 располагается вокруг верхней части 54. Корпус пакера 60 содержит колпак 62, имеющий верхний конец 64 и нижний конец 66. Верхний конец 64 входит в зацепление с обращенным вверх упорным торцом 68, образованным на переходнике 38. Нижний конец 66 соединяется резьбовым соединением с верхним толкающим башмаком пакера 70 посредством резьб 72 на внутренней поверхности колпака 62 и внешней поверхности верхнего толкающего башмака 70. Внутренняя поверхность верхнего толкающего башмака 70 соединяется резьбовым соединением с верхним концом 73 пакерной втулки 74 посредством резьб 76. Верхний толкающий башмак пакера 70 имеет обращенный вниз наклонный упорный торец 77, которое входит в зацепление с верхним уплотнительным элементом 80. Верхний толкающий башмак 70 уплотнительным образом располагается вокруг оправки 44 и, таким образом, имеет канавку 78 с уплотнительным кольцом 79.
[27] Корпус пакера 60 проиллюстрирован с тремя уплотнительными элементами: верхним уплотнительным элементом 80, средним уплотнительным элементом 82 и нижним уплотнительным элементом 84. Как будет понятно, корпус пакера 60 может иметь больше или меньше трех элементов. Уплотнительные элементы 80, 82, 84 могут быть выполнены из эластомерного материала, такого как, например, бутадиен-нитрильный каучук, VITON® FKM (Vicon) FLOREL® или AFLAS. Приведенные в данном документе примеры не носят ограничительного характера. Три уплотнительных элемента располагаются вокруг пакерной втулки 74. Нижний уплотнительный элемент 84 входит в зацепление с обращенным вверх наклонным упорным торцом 86 нижнего толкающего башмака 88 корпуса пакера 60. Нижний толкающий башмак 88 может скользить относительно пакерной втулки 74. Дополнительно, нижний толкающий башмак 88 уплотнительным образом располагается вокруг пакерной втулки 74 и, таким образом, имеет канавку 90 с уплотнительным кольцом 92. Вдоль длины изолирующего устройства 10 имеется ряд мест, где уплотнения располагаются в канавках, выполненных на внутренней или внешней поверхности сопрягаемых деталей. Вместо того, чтобы конкретно указывать каждое уплотнение, уплотнения обозначены буквой «S», и следует понимать, что такие уплотнения могут включать уплотнительные кольца, подкладные кольца и любые другие типы уплотнений, известные в данной области техники, которые используются для создания уплотнения между сопрягаемыми деталями. Обозначение буквой «S» не означает, что все уплотнения идентичны, а просто говорит о том, что могут использоваться типы уплотнений, известные в данной области техники.
[28] Как показано на фиг. 2B, нижний толкающий башмак 88 соединяется с наружной втулкой 100 посредством муфты 94, которая соединяется резьбовым соединением на верхнем конце 96 с нижним толкающим башмаком 88 и соединяется резьбовым соединением на нижнем конце 98 с наружной втулкой 100. Дополнительно, нижний конец 75 пакерной втулки 74 образует обращенный вверх упорный торец 77, который входит в зацепление с муфтой 94, чтобы ограничить перемещение вниз муфты 94 и нижнего толкающего башмака 88, за исключением связанного с перемещением вниз движения оправки 44.
[29] Как будет понятно из приведенного выше описания, колпак 62, верхний толкающий башмак 70 и втулка 74 удерживаются в фиксированном положении относительно оправки 44. Однако нижний толкающий башмак 88 может скользить вверх относительно оправки 44. Когда нижний толкающий башмак 88 скользит вверх, он оказывает осевое давление на уплотнительные элементы 80, 82 и 84, которое заставляет их расширяться в радиальном направлении, чтобы обеспечить уплотняющее взаимодействие с обсадной колонной 25.
[30] Ниже по стволу скважины от наружной втулки 100 располагается узел двунаправленных плашек 110, который содержит верхний плашечный клин 112, нижний плашечный клин 122 и двунаправленную плашку 140. Верхний плашечный клин 112 имеет верхний конец 114 и нижний конец 116 и соединяется резьбовым соединением на верхнем конце 114 с наружной втулкой 100. Верхний плашечный клин 112 имеет внутреннюю поверхность 118, плотно прилегающую к оправке 44 с возможностью скольжения относительно нее. Верхний плашечный клин 112 имеет множество верхних клиновидных конусов 120, образованных на его внешней поверхности.
[31] Нижний плашечный клин 122 имеет верхний конец 124, нижний конец 126 (фиг. 2C) и внутреннюю поверхность 128, плотно прилегающую к оправке 44 с возможностью скольжения относительно нее. На внешней поверхности нижнего плашечного клина 122 образовано множество нижних клиновидных конусов 130. Нижние клиновидные конусы 130 противостоят верхним клиновидным конусам 120; то есть они находятся в противоположных направлениях с нижним клиновидным конусом 130, наклоненным радиально наружу в направлении вниз по стволу скважины, и верхним клиновидным конусом 120, наклоненным радиально наружу в направлении вверх по стволу скважины На нижнем конце 126 нижний плашечный клин 122 прикрепляется к плашечному клину 252 узла однонаправленных плашек 250 (фиг. 2С).
[32] Как показано на фиг. 2B, 11 и 12, двунаправленная плашка 140 содержит раму плашки 142 и множество блоков двунаправленных плашек 160. Рама плашки 142 обычно образует цельную конструкцию, имеющую верхнее кольцо 144, центральное кольцо 146, нижнее кольцо 148 и множество проходящих в продольном направлении планок 150. Как можно видеть из фиг. 2В, каждая планка соединяется на верхнем конце 152 с верхним кольцом 144 и соединяется на нижнем конце 154 с нижним кольцом 148. Кроме того, каждая планка 150 соединяется с центральным кольцом 146 в положении между верхним концом 152 и нижним концом 154, обычно примерно по середине. Планки 150 располагаются на расстоянии друг от друга по радиусу вокруг центрального кольца так, чтобы образовывать множество пар пазов 155, каждая из которых содержит верхний паз 156, проходящий в продольном направлении вверх по стволу скважины от центрального кольца 146, и нижний паз 158, проходящий в продольном направлении вниз по стволу скважины от центрального кольца 146. В каждой паре пазов 155 верхний паз 156 и нижний паз 158 выровнены в продольном направлении.
[33] Блок двунаправленных плашек 160 имеет первый захватный блок 166 и второй захватный блок 168. Каждый блок двунаправленных плашек 160 располагается в раме плашки 142 так, что он состыкуется с парой пазов с первым захватным блоком 166, расположенным в верхнем пазу 156 пары пазов, и вторым захватным блоком 168, расположенным в нижнем пазу 158 пары пазов. Каждый блок двунаправленных плашек 160 может радиально скользить из неустановленного положения в установленное положение, которое находится в радиальном направлении наружу от неустановленного положения.
[34] Первый захватный блок 166 и второй захватный блок 168 образуют часть верхней поверхности 164 блока двунаправленных плашек 160. Каждый захватный блок 166, 168 имеет внешнюю захватную поверхность 170, выполненную с возможностью захватывания обсадной колонны, когда блок двунаправленных плашек находится в установленном положении. Внешняя захватная поверхность 170 содержит захватные элементы 172, имеющие кромки сцепления 174, причем кромки сцепления 174 совпадают с радиальной осью плашки, то есть, радиальной осью оправки. Как правило, захватные элементы 172 могут представлять собой серию выступающих в поперечном направлении зубьев (как показано на фиг. 12), где каждый зуб совпадает с радиальной осью плашки. Иными словами, каждый зуб выровнен таким образом, что его кромка сцепления 174 выступает прямо радиально наружу и не имеет наклона по направлению вверх или вниз по стволу скважины. Выступая прямо радиально наружу, кромка сцепления 174 обеспечивает захват, одинаково противодействующий силам, направленным как вниз, так и вверх по стволу скважины, которые в противном случае могли бы вызвать перемещение изолирующего устройства 10 вниз или вверх по стволу скважины, соответственно.
[35] Количество захватных элементов на захватных блоках 166, 168 таково, что блок двунаправленных плашек 160 может выдвигаться для захватного зацепления и удержания пакера 10 на месте, относительно обсадной колонны 25. Когда пакер 10 используется при высоких температурах и высоких давлениях, для блока двунаправленных плашек 160 может применяться обогащенная углеродом сталь, такая как термообработанная легированная сталь 1018 или 8620.
[36] Между первым захватным блоком 166 и вторым захватным блоком 168 располагается проходящая в поперечном направлении центральная канавка 176. Перпендикулярно к центральной канавке 176 располагается проходящий в продольном направлении центральный канал 178, имеющий поверхность канала 180. Центральная канавка 176 располагается ниже центрального кольца 146, когда блок двунаправленных плашек 160 расположен в раме плашки 142, в результате чего центральная канавка 176 может по меньшей мере частично принимать центральное кольцо 146, когда блок двунаправленных плашек 160 находится в установленном положении. Кроме того, пружина 182 располагается в центральном канале 178 между центральным кольцом 146 и поверхностью канала 180. Пружина 182 смещает блок двунаправленных плашек 160 в неустановленное положение. Например, пружина 182 может быть дуговой пружиной.
[37] Блок двунаправленных плашек 160 имеет внутреннюю поверхность с рядом клиновидных поверхностей 162, 163. Верхние клиновидные поверхности 162 располагаются противоположно нижним клиновидным поверхностям 163; то есть, они располагаются в противоположных направлениях. Верхние клиновидные поверхности 162 располагаются рядом и, как правило, стыкуются с верхними клиновидными конусами 120 верхнего плашечного клина 112. Нижние клиновидные поверхности 163 располагаются рядом и, как правило, стыкуются с нижними клиновидными конусами 130 нижнего плашечного клина 122. Таким образом, когда верхний плашечный клин 112 и нижний плашечный клин 122 перемещаются в продольном направлении так, чтобы сближаться друг с другом, блок двунаправленных плашек 160 будет перемещаться радиально наружу в установленное положение благодаря взаимодействию клиновидных конусов 120, 130 с клиновидными поверхностями 162, 163, соответственно. Впоследствии, когда верхний плашечный клин 112 и нижний плашечный клин 122 перемещаются в продольном направлении друг от друга, блок двунаправленных плашек 160 будет перемещаться радиально внутрь в неустановленное положение посредством смещения пружины 182.
[38] Как видно на фиг. 13-16, предустановленный механизм 190 используется для предотвращения относительного перемещения между оправкой 44 и нижним плашечным клином 122 до тех пор, пока к оправке 44 изолирующего устройства 10 не будет приложена заданная нагрузка. Предустановленный механизм 190 содержит разрезное стопорное кольцо или компрессионное кольцо 200. Стопорное кольцо 200 обычно имеет трубчатую форму или кольцевую форму и содержит первый кольцевой конец 202 и второй кольцевой конец 204, которые определяют паз или зазор 206. Соответственно, стопорное кольцо 200 имеет первый внутренний диаметр или недеформированный диаметр, когда стопорное кольцо 200 находится в ненапряженном состоянии, и второй внутренний диаметр, который меньше, чем недеформированный диаметр, когда стопорное кольцо 200 радиально сжимается, а ширина щели 206 уменьшается. Стопорное кольцо 200 имеет наименьший диаметр, когда оно сжимается так, что первый кольцевой конец 202 соприкасается со вторым кольцевым концом 204.
[39] Стопорное кольцо 200 имеет внешнюю поверхность 208, внутреннюю поверхность 210, верхний край 212 и нижний край 214. Стопорное кольцо 200 имеет верхний угол подъема 216, проходящий между верхним краем 212 и внешней поверхностью 208, и нижний угол подъема 218, проходящий между нижним краем 214 и внешней поверхностью 208. В некоторых вариантах реализации изобретения стопорное кольцо 200 может иметь только один из углов подъема.
[40] Как проиллюстрировано на фиг. 13 и 14, стопорное кольцо 200 располагается в канавке 45, образованной в оправке 44. Канавка 45 имеет такую глубину, что стопорное кольцо 200 может сжиматься в канавке 45 так, чтобы не выступать за пределы внешней поверхности 51 оправки 44. Тем не менее, в его ненапряженном состоянии, по меньшей мере первый участок 220 стопорного кольца 200 выступает над внешней поверхностью 51 оправки 44. Первый участок 220 стопорного кольца 200 выступает наружу в канавку корпуса 134, образованную во внутренней поверхности или стенке 132 нижнего плашечного клина 122. Канавка корпуса 134 образована первым участком 136 внутренней поверхности 132, имеющим диаметр, который больше диаметра второго участка 138 внутренней поверхности 132, образуя таким образом упорный торец 139. Упорный торец 139 обычно представляет собой угловой упорный торец. Кроме того, диаметр первого участка 136, как правило, немного меньше недеформированного диаметра стопорного кольца и больше диаметра поверхности оправки 132.
[41] Соответственно, когда изолирующее устройство 10 находится в неустановленном положении 22, стопорное кольцо находится в положении, проиллюстрированном на фиг. 13. Когда к оправке 44 прилагается направленная вниз нагрузка, нижний плашечный клин 122 оказывает сопротивление перемещению относительно оправки 44 вследствие взаимодействия упорного торца 139 и угла подъема 218. Когда направленная вниз нагрузка на оправку 44 превышает заданную величину, стопорное кольцо 200 сжимается из-за взаимодействия упорного торца 139 и угла подъема 218; таким образом, стопорное кольцо сжимается в канавку 184 так, чтобы больше не выступать над внешней поверхностью 51. Нижний плашечный клин 122 теперь может перемещаться относительно оправки 44 так, чтобы разместить второй участок 138 над стопорным кольцом 200 и передвинуть нижний плашечный клин 122 относительно блока двунаправленных плашек 160, как видно на фиг. 14. Такое относительное перемещение приводит к тому, что нижний плашечный клин 112 приближается к верхнему плашечному клину 122; таким образом, блок двунаправленных плашек 160 будет перемещаться радиально наружу в установленное положение благодаря взаимодействию клиновидных конусов 120, 130 с клиновидными поверхностями 162, 163, соответственно. Когда нагрузка уменьшается ниже заданного усилия, нижний плашечный клин 122 скользит в осевом направлении относительно оправки 44 так, чтобы расположить первый участок 136 внутренней стенки над стопорным кольцом таким образом, чтобы стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние. Величина нагрузки, необходимая для превышения заданного усилия и, таким образом, запуска предустановленного механизма для реализации относительного перемещения между частями, определяется степенью взаимодействия угла подъема и углового упорного торца, а также толщиной и материалом конструкции стопорного кольца 200. Как правило, стопорное кольцо изготавливается из металла, такого как сталь или латунь; однако, благодаря изложенному в данном документе описанию, специалист в данной области техники может легко определить конструкцию предустановленного механизма, чтобы достичь различных заданных усилий. Дополнительные варианты реализации изобретения будут очевидны для специалиста в данной области техники благодаря изложенному описанию. Например, канавка корпуса 134 может иметь угловой упорный торец на каждой стороне стопорного кольца 200 в неустановленном положении. Верхний угловой торец взаимодействует с верхним углом подъема 216, а нижний угловой торец взаимодействует с углом подъема 218. Таким образом, предотвращается ограничительное перемещение в любом направлении без приложения подходящей нагрузки.
[42] Как показано на фиг. 2С, нижний конец 126 нижнего плашечного клина 122 соединяется резьбовым соединением с плашечным клином 252 узла однонаправленных плашек 250. Узел однонаправленных плашек 250 представляет собой механический узел плашек, расположенный вокруг оправки 44 ниже узла двунаправленных плашек 110. Узел однонаправленных плашек 250 известен в данной области техники и, следовательно, содержит плашечный клин 252, входящий в зацепление с множеством плашек 254 под ним. Плашки 254 содержат захватные элементы 256 на своей внешней поверхности. Как правило, захватные элементы 256 располагаются под углом по направлению вниз по стволу скважины, благодаря чему они обеспечивают защиту от перемещения скважинного пакера 10 вниз по стволу скважины во время установки на узел двунаправленных плашек 110. Как правило, захватные элементы 256 представляют собой выступы, но могут быть и наклонными зубьями.
[43] Узел плашек 250 содержит скользящую манжету 258. Плашки 254 крепятся к скользящей манжете 258 так, что продольное перемещение скользящей манжеты 258 по направлению вверх или вниз по стволу скважины приводит к аналогичному перемещению плашек 258. Скользящая манжета 258 крепится, в свою очередь, к узлу тормозного блока 260. Скользящая манжета 258 может быть разъемной манжетой, как известно в данной области техники.
[44] Кроме того, узел плашек 250 может содержать предустановленный механизм 290. Предустановленный механизм 290 идентичен предустановленному механизму 190, за исключением того, что предустановленный механизм может располагаться между плашечным клином 252 и плашками 254; таким образом, стопорное кольцо может располагаться в канавке в плашечном клине 252, и наклонная передняя кромка стопорного кольца взаимодействует с угловым упорным торцом на плашках 250.
[45] Узел тормозного блока 260 может быть известного в данной области техники типа и, таким образом, может содержать втулку тормозного блока 262, имеющую тормозной блок 264, соединенный с ней, с расположенными в нем тормозными пружинами 266. Хотя узел тормозного блока 260 в большинстве аспектов идентичен узлам тормозного блока известного уровня техники, он содержит выступы 268, которые взаимодействуют с множеством байонетных пазов 280, образованных на оправке 44 (лучше всего они показаны на фиг. 6, 8 и 10). Выступы 268 находятся на внутренней поверхности 270 на нижнем конце 272 узла тормозного блока 260. Байонетный паз 280 образован на внешней поверхности 51 оправки 44 и описан ниже.
[46] Изолирующее устройство 10 проиллюстрировано на фиг. 2A-2D в исходном ходовом положении и, следовательно, находится в неустановленном положении 22. Как видно на фиг. 5 и 6, в неустановленном положении выступ 268 заблокирован в фиксаторе 282 байонетного паза 280, а плашки 254 узла однонаправленных плашек 250 находятся в неустановленном или задвинутом положении. Также, двунаправленные плашки 140 узла двунаправленных плашек 110 находятся в неустановленном или задвинутом положении.
[47] Принцип работы пакера 10 заключается в следующем. Пакер 10 может соединяться на своем верхнем конце с колонной НКТ 34 и спускаться в скважину, например в скважину 15. Если к нижнему концу 48 оправки 44 крепится оборудование, это может быть любое необходимое оборудование, известное в данной области техники. Как хорошо известно в данной области техники, пакер 10 может спускаться через обсадные колонны различных размеров, в результате чего узел тормозного блока 260 может ударяться об верхний конец различных диаметров обсадной колонны, когда он спускается в скважину. Байонетный паз 280 и выступ 268 предотвращают преждевременное перемещение оправки относительно тормозного блока и, таким образом, являются средством предотвращения преждевременного перемещения устройства 10 из его неустановленного положения 24 в его установленное положение 22. Узел тормозного блока 260 будет иметь предварительно выбранный внешний диаметр, в результате чего тормозной блок 264 будет зацепляться и сжиматься обсадной колонной, также имеющей заданный или предварительно выбранный диаметр, такой как обсадная колонна 25. Даже после того, как тормозной блок 264 входит в зацепление с обсадной колонной 25, оправка 44 не будет перемещаться вниз относительно тормозного блока 264 из-за взаимного расположения байонетного паза и выступа.
[48] Как только изолирующее устройство 10 достигнет нужного местоположения в скважине 15, изолирующее устройство 10 может быть перемещено из своего неустановленного положения 24 в установленное положение 22. Чтобы сделать это, к колонне НКТ 34 прикладывается направленная вверх тяга, которая перемещает оправку 44 вверх по стволу скважины. Из-за торможения, вызванного тормозным блоком 264, узел тормозного блока 260 не перемещается вверх по стволу скважины или перемещается вверх по стволу скважины на меньшее расстояние, чем оправка 44. Таким образом, перемещение оправки 44 вверх перемещает выступы 268 из фиксатора 282 на дно 284 байонетного паза 280, как показано на фиг. 8. Кроме того, как показано на фиг. 7, плашки 254 узла однонаправленных плашек 250 перемещаются ниже на плашечный клин 252.
[49] Затем колонна НКТ 34 и, следовательно, оправка 44, поворачиваются таким образом, что выступы 268 оказываются повернутыми и могут перемещаться вверх из байонетных пазов 280. Колонна НКТ 34 и оправка 44 затем перемещаются вниз и скользят относительно узла тормозного блока 260. Когда нагрузка, передвигающая оправку 44 вниз, превышает первое заданное значение, предустановленный механизм 290 активируются таким образом, чтобы сжать соответствующее стопорное кольцо и позволить плашкам 254 перемещаться относительно плашечного клина 252. Нагрузка будет приводить к движению плашек 254 относительно плашечного клина 252 узла однонаправленных плашек 250. Таким образом, плашечный клин 252 заставляет плашки 254 выдвигаться наружу для зацепления с обсадной колонной 25. После этого узел однонаправленных плашек 250 будет иметь конфигурацию, показанную на фиг. 9 и 10, в которой выступ 282 перемещен вверх из байонетного паза 280, и плашки 254 перемещены вверх на плашечный клин 252, чтобы находиться в установленном положении.
[50] Предустановленный механизм 190 обычно требует приложения второго заданного усилия. Второе заданное усилие больше первого заданного усилия. Соответственно, узел двунаправленных плашек 110 не устанавливается до тех пор, пока не будет установлен узел однонаправленных плашек 250. На этом этапе изолирующее устройство 10 имеет конфигурацию, проиллюстрированную на фиг. 3A-3D.
[51] После того, как плашки 254 вступили в зацепление с обсадной колонной 25, второе заданное усилие превышается путем непрерывного приложения нагрузки к оправке 44. Продолжающееся приложение нагрузки переводит изолирующее устройство 10 в его установленное положение 22, как проиллюстрировано на фиг. 4A-4D. Соответственно, предустановленный механизм 190 активируется, чтобы обеспечить перемещение нижнего плашечного клина 122 относительно оправки 44 и верхнего плашечного клина 112. Таким образом, верхний плашечный клин 112 и нижний плашечный клин 122 перемещаются ближе друг к другу и выдвигают блоки двунаправленных плашек 160 наружу. Блоки двунаправленных плашек 160 будут двигаться радиально наружу путем относительного перемещения между верхним и нижним клиновидными конусами 120, 130 по верхним и нижним плашечным клиньям 112, 122 и верхним и нижним клиновидным поверхностям 162, 163, на блоках двунаправленных плашек 160. Радиальное выдвижение приведет к тому, что захватные элементы 172 войдут в зацепление с обсадной колонной 25.
[52] Продолжающая действовать направленная вниз нагрузка также заставит верхние, средние и нижние уплотнительные элементы 80, 82, 84 сжиматься вместе между верхним и нижним толкающими башмаками 70, 88 и расширяться радиально наружу для зацепления и уплотнения с обсадной колонной 25. Когда изолирующее устройство 10 находится в своем установленном положении 22, может выполняться добыча или другие операции.
[53] Если требуется переместить изолирующее устройство 10 и переустановить его в другом месте скважины, прикладывается направленная вверх тяга. Оправка 44 будет перемещаться вверх, а пружина 182 разжиматься, чтобы переместить блок двунаправленных плашек 160 в его неустановленное положение так, чтобы отсоединить его от обсадной колонны 25. Дополнительно, верхние и нижние плашечные клинья раздвигаются в свое неустановленное положение путем относительного перемещения между верхним и нижним клиновидными конусами 120, 130 по верхним и нижним плашечным клиньям 112, 122 и верхним и нижним клиновидным поверхностям 162, 163 на блоках двунаправленных плашек 160. Продолжающееся перемещение вниз оправки 44 перемещает узел однонаправленных плашек 250 в его неустановленное положение так, чтобы отсоединить его от обсадной колонны 25. Кроме того, выступы 282 приводятся в контакт с байонетными пазами 280. Затем оправка 44 может поворачиваться для размещения выступов 282 в коротком участке байонетных пазов 280. Когда прикладывается направленная вниз тяга, выступы 282 блокируются в фиксаторе 282 байонетных пазов 280.
[54] Аналогично, уплотнительные элементы 80, 82, 84 будут задвигаться радиально внутрь, в результате чего между уплотнительными элементами 80, 82, 84 и обсадной колонной 25 возникнет зазор. Пакер 10 снова находится в неустановленном положении 24. Хотя изолирующее устройство 10 не может быть идентично расположено так, как оно находится в исходном, ходовом, неустановленном положении, можно считать, что пакер находится в неустановленном положении 24, когда узел уплотнения, а также однонаправленные и двунаправленные плашки располагаются таким образом, что пакер 10 может перемещаться в скважину 15 без повреждения пакера 10. В неустановленном положении 24 изолирующее устройство 10 может тянуться вверх или перемещаться вниз в скважине 15 и может быть переустановлено посредством небольшого перемещения вверх и поворота, в результате чего выступы 268 снова отсоединяются от байонетного паза 280. Оправка 44 может перемещаться вниз, в результате чего узел однонаправленных плашек 250, узел двунаправленных плашек 110 и каждый уплотнительный элемент 80, 82 и 84 входят в зацепление с обсадной колонной 25. Посредством таких действий изолирующее устройство 10 может переводиться в свое установленное и неустановленное положение необходимое количество раз. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает многократно устанавливаемый пакер, который может использоваться в условиях высокой температуры и высокого давления.
[55] Как можно понять из приведенного выше описания, использование узла однонаправленных плашек 250 вместе с узлом двунаправленных плашек 110 обеспечивает достаточную противодействующую силу, чтобы плотно установить узел двунаправленных плашек 110 в обсадной колонне, тем самым предотвращая нежелательное перемещение изолирующего инструмента 10 по направлению вверх или вниз по стволу скважины. Уникальная конструкция узла двунаправленных плашек 110 дополнительно обеспечивает полную установку и последующее полное отсоединение узла двунаправленных плашек 110.
[56] В соответствии с вышеприведенным описанием будут описаны различные варианты реализации изобретения. В первом варианте реализации изобретения обеспечивается скважинный инструмент, имеющий двунаправленную плашку, выполненную с возможностью зацепления с обсадной колонной в подземной скважине. Двунаправленная плашка содержит раму плашки и по меньшей мере два блока плашек. Рама плашки имеет центральное кольцо и множество планок, проходящих в продольном направлении вверх и вниз по стволу скважины от центрального кольца и расположенных на расстоянии друг от друга по радиусу вокруг центрального кольца, образовывая по меньшей мере две пары пазов. Каждая пара пазов имеет первый паз, проходящий в продольном направлении вверх по стволу скважины от центрального кольца, и второй паз, проходящий в продольном направлении вниз по стволу скважины от центрального кольца. Каждый блок плашек имеет первый захватный блок, второй захватный блок и канавку между первым захватным блоком и вторым захватным блоком. Первый захватный блок и второй захватный блок имеют внешнюю поверхность, выполненную с возможностью захватывания обсадной колонны. Каждая пара пазов сопряжена с одним из блоков плашек так, что первый захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения в первый паз, а второй захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения во второй паз. Блок плашек имеет установленное положение, в котором канавка принимает часть центрального кольца, а первый захватный блок и второй захватный блок выступают радиально наружу из рамы плашки, чтобы иметь возможность зацепления с обсадной колонной. Блок плашек имеет неустановленное положение, в котором блок плашек задвинут радиально внутрь относительно установленного положения.
[57] Двунаправленная плашка может дополнительно содержать пружину, сопряженную с каждым блоком плашек. Пружина может располагаться между центральным кольцом и соответствующим блоком плашек, в результате чего пружина смещает соответствующий блок плашек в неустановленное положение. Кроме того, внешняя поверхность каждого захватного блока может содержать захватные элементы, имеющие кромки сцепления, причем кромки сцепления совпадают с радиальной осью плашки. Захватные элементы могут представлять собой серию зубьев, где каждый зуб совпадает с радиальной осью плашки. Блоки плашек могут быть выполнены из обогащенной углеродом стали.
[58] Каждая планка рамы плашки может иметь верхний конец и нижний конец. Каждая планка может соединяться с центральным кольцом в месте между верхним концом и нижним концом. Кроме того, рама плашки может дополнительно содержать верхнее кольцо, соединенное с верхними концами планок, и нижнее кольцо, соединенное с нижними концами планок.
[59] Скважина может дополнительно содержать первый клин и второй клин. Первый клин может быть сопряжен с первым захватным блоком, а второй клин может быть сопряжен со вторым захватным блоком. Первый и второй клинья могут взаимодействовать с двунаправленной плашкой, чтобы заставлять каждый блок плашек выступать радиально наружу в ответ на первую нагрузку, приложенную к нему, в результате чего блок плашек перемещается в свое установленное положение. Кроме того, скважинный инструмент может содержать оправку с двунаправленной плашкой, первым клином и вторым клином, расположенными вокруг оправки.
[60] В некоторых вариантах реализации изобретения, скважинный инструмент может содержать предустановленный механизм, имеющий стопорное кольцо, расположенное между вторым клином и оправкой и расположенное по меньшей мере частично в канавке в оправке, причем стопорное кольцо предотвращает перемещение второго клина относительно оправки по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит заданное усилие.
[61] В некоторых вариантах реализации изобретения, скважинный инструмент может содержать однонаправленную плашку, расположенную вокруг оправки, имеющую выдвинутое положение, в котором она может входить в зацепление и захватывать обсадную колонну, и втянутое положение, в котором она не входит в зацепление и не захватывает обсадную колонну, причем в выдвинутом положении выдвигаемая плашка обеспечивает фиксацию для первой нагрузки, достаточную для перемещения двунаправленной плашки в установленное положение. Скважинный инструмент может содержать узел тормозного блока, расположенный вокруг оправки и входящий в зацепление с обсадной колонной, в результате чего тормозной блок обеспечивает достаточную фиксацию, чтобы вторая нагрузка, приложенная к оправке, перемещала однонаправленную плашку в выдвинутое положение, причем первая нагрузка больше, чем вторая нагрузка. Также, скважинный инструмент может содержать третий клин, сопряженный с однонаправленной плашкой, для принуждения однонаправленной плашки выступать наружу для зацепления с обсадной колонной.
[62] В некоторых вариантах реализации изобретения, скважинный инструмент содержит первый и второй предустановленные механизмы. Первый предустановленный механизм имеет первое стопорное кольцо, расположенное между вторым клином и оправкой и расположенное по меньшей мере частично в первой канавке в оправке. Первое стопорное кольцо предотвращает перемещение второго клина относительно оправки по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит первое заданное усилие. Второй предустановленный механизм имеет второе стопорное кольцо, расположенное между третьим клином и однонаправленной плашкой, и расположенное по меньшей мере частично во второй канавке в третьем клине, причем второе стопорное кольцо предотвращает перемещение однонаправленной плашки относительно третьего клина по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит второе заданное усилие.
[63] В других вариантах реализации изобретения обеспечивается скважинный инструмент для использования в подземной скважине, имеющей обсадную колонну. Скважинный инструмент содержит: оправку, узел однонаправленных плашек, узел двунаправленных плашек и предустановленный механизм. Узел однонаправленных плашек имеет первый клин и первый блок плашек. Первый клин располагается вокруг оправки. Первый клин имеет первый конец и второй конец. Первый блок плашек сопряжен с первым клином так, что первый клин и первый блок плашек испытывают относительное осевое перемещение, чтобы иметь неустановленное положение и установленное положение. В неустановленном положении первый блок плашек радиально задвинут внутрь и не входит в зацепление с обсадной колонной. В установленном положении первый блок плашек радиально выдвинут наружу и входит в зацепление с обсадной колонной.
[64] Узел двунаправленных плашек имеет пару клиньев и второй блок плашек. Пара клиньев содержит два разнесенных по оси клина, расположенные вокруг оправки и выполненные с возможностью скольжения относительно оправки, в результате чего пара клиньев может скользить между неустановленным положением и установленным положением. Пара клиньев имеет первый конец и второй конец. Второй конец функционально соединяется с первым концом первого клина. Второй блок плашек сопряжен с парой клиньев таким образом, что, когда первый плашечный клин находится в неустановленном положении, первый блок плашек радиально задвинут внутрь и не входит в зацепление с обсадной колонной, а когда пара клиньев находится в установленном положении, блок плашек радиально выдвинут наружу и входит в зацепление с обсадной колонной.
[65] Предустановленный механизм имеет стопорное кольцо, расположенное по меньшей мере частично в канавке, проходящей по окружности вокруг оправки, и расположенное в осевом направлении вдоль оправки между первым концом пары плашечных клиньев и вторым концом первого клина. Стопорное кольцо предотвращает перемещение клина из неустановленного положения в установленное положение до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит первое заданное усилие.
[66] В других вариантах реализации изобретения, предоставляется скважинный инструмент для использования в подземной скважине, имеющей обсадную колонну. Скважинный инструмент содержит: оправку, клин, блок плашек и предустановленный механизм. Клин располагается вокруг оправки и выполнен с возможностью скольжения относительно оправки, в результате чего клин может скользить между неустановленным положением и установленным положением. Блок плашек сопряжен с клином таким образом, что, когда плашечный клин находится в неустановленном положении, блок плашек радиально задвинут внутрь и не входит в зацепление с обсадной колонной, а когда клин находится в установленном положении, блок плашек радиально выдвинут наружу и входит в зацепление с обсадной колонной. Предустановленный механизм имеет стопорное кольцо, расположенное между клином и оправкой, и расположенное по меньшей мере частично в канавке в оправке. Стопорное кольцо предотвращает перемещение клина из неустановленного положения в установленное положение до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит первое заданное усилие.
[67] В некоторых из указанных выше вариантов реализации изобретения, стопорное кольцо имеет трубчатую форму, внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность, первый край, второй край, первый конец и второй конец. Первый конец и второй конец образуют паз, в результате чего стопорное кольцо имеет ненапряженное состояние с первым внутренним диаметром и первой шириной паза, и сжатое состояние со вторым внутренним диаметром и второй шириной паза. Первый внутренний диаметр больше, чем второй внутренний диаметр, а первая ширина паза больше, чем вторая ширина паза. Внешняя поверхность и первый край соприкасаются при угле подъема. Кроме того, оправка может иметь внешнюю стенку с канавкой, имеющей глубину отверстия. Стопорное кольцо располагается в канавке таким образом, что стопорное кольцо и оправка соосны, а внешняя поверхность выступает над внешней стенкой, когда стопорное кольцо находится в ненапряженном состоянии и глубина отверстия достаточно велика, чтобы стопорное кольцо могло переходить в сжатое состояние. Клин или пара клиньев могут быть соосны с оправкой и могут иметь внутреннюю стенку, причем внутренняя стенка имеет первый участок, имеющий первый внутренний диаметр, и второй участок, имеющий второй диаметр, который меньше, чем первый диаметр, в результате чего между первым участком и вторым участком образован угловой упорный торец. Клин (или пара клиньев) и оправка выполнены с возможностью скольжения друг относительно друга в осевом направлении, а внутренняя стенка взаимодействует с внешней стенкой оправки таким образом, что, когда стопорное кольцо находится в ненапряженном состоянии, угол подъема взаимодействует с угловым упорным торцом, чтобы предотвращать скольжение втулки относительно трубчатого компонента в осевом направлении до тех пор, пока не будет превышено заданное усилие.
[68] В некоторых вариантах реализации изобретения, когда к скважинному инструменту прикладывается нагрузка, превышающая заданное усилие, стопорное кольцо сжимается за счет взаимодействия угла подъема с кольцевым упорным торцом, а клин или пара клиньев скользит в осевом направлении относительно оправки так, чтобы расположить второй участок внутренней стенки над стопорным кольцом. Также, когда нагрузка уменьшается ниже заданного усилия, клин или пара клиньев скользит в осевом направлении относительно оправки так, чтобы расположить первый участок внутренней стенки над стопорным кольцом таким образом, чтобы стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние.
[69] В других вариантах реализации изобретения обеспечивается скважинный инструмент для использования в подземной скважине. Скважинный инструмент содержит: стопорное кольцо, трубчатый компонент и втулку. Стопорное кольцо имеет трубчатую форму, внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность, первый край, второй край, первый конец и второй конец. Первый конец и второй конец образуют паз, в результате чего стопорное кольцо имеет ненапряженное состояние с первым внутренним диаметром и первой шириной паза, и сжатое состоянием со вторым внутренним диаметром и второй шириной паза. Первый внутренний диаметр больше, чем второй внутренний диаметр, а первая ширина паза больше, чем вторая ширина паза, причем внешняя поверхность и первый край соприкасаются при угле подъема. Трубчатый компонент имеет внешнюю стенку с канавкой, имеющей глубину отверстия. Стопорное кольцо располагается в канавке таким образом, что стопорное кольцо и трубчатый компонент соосны, а внешняя поверхность выступает над внешней стенкой, когда стопорное кольцо находится в ненапряженном состоянии и глубина отверстия достаточно велика, чтобы стопорное кольцо могло переходить в сжатое состояние. Втулка соосна с трубчатым компонентом и имеет внутреннюю стенку. Внутренняя стенка имеет первый участок, имеющий первый внутренний диаметр, и второй участок, имеющий второй диаметр, который меньше, чем первый диаметр, в результате чего между первым участком и вторым участком образован угловой упорный торец. Втулка и трубчатый компонент выполнены с возможностью скольжения друг относительно друга в осевом направлении, а внутренняя стенка взаимодействует с внешней стенкой трубчатого компонента таким образом, что, когда стопорное кольцо находится в ненапряженном состоянии, угол подъема взаимодействует с угловым упорным торцом, чтобы предотвращать скольжение втулки относительно трубчатого компонента в осевом направлении до тех пор, пока к скважинному инструменту не приложится первое заданное усилие.
[70] В некоторых вариантах реализации изобретения, когда к скважинному инструменту прикладывается нагрузка, превышающая первое заданное усилие, стопорное кольцо сжимается за счет взаимодействия угла подъема с кольцевым упорным торцом, а втулка скользит в осевом направлении относительно трубчатого элемента так, чтобы расположить второй участок внутренней стенки над стопорным кольцом. Также, когда нагрузка уменьшается ниже первого заданного усилия, втулка скользит в осевом направлении относительно трубчатого элемента так, чтобы расположить первый участок внутренней стенки над стопорным кольцом таким образом, чтобы стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние.
[71] В некоторых вариантах реализации изобретения, трубчатый компонент представляет собой плашечный клин, а втулка представляет собой выдвигаемую плашку. Плашечный клин функционально совмещен с выдвигаемой плашкой так, что осевое перемещение плашечного клина относительно выдвигаемой плашки перемещает выдвигаемую плашку из неустановленного положения в установленное положение.
[72] В других вариантах реализации изобретения, трубчатый компонент представляет собой оправку, а втулка представляет собой плашечный клин, расположенный вокруг оправки. Скважинный инструмент дополнительно содержит выдвигаемую плашку, расположенную вокруг оправки, причем плашечный клин функционально совмещен с выдвигаемой плашкой так, что осевое перемещение плашечного клина относительно выдвигаемой плашки перемещает выдвигаемую плашку из неустановленного положения в установленное положение. Выдвигаемая плашка может содержать раму плашки и по меньшей мере два блока плашек. Рама плашки имеет центральное кольцо и множество планок, проходящих в продольном направлении вверх и вниз по стволу скважины от центрального кольца и расположенных на расстоянии друг от друга по радиусу вокруг центрального кольца, образовывая по меньшей мере две пары пазов. Каждая пара пазов имеет первый паз, проходящий в продольном направлении вверх по стволу скважины от центрального кольца, и второй паз, проходящий в продольном направлении вниз по стволу скважины от центрального кольца. Каждый блок плашек имеет первый захватный блок, второй захватный блок и канавку между первым захватным блоком и вторым захватным блоком. Первый захватный блок и второй захватный блок имеют внешнюю поверхность, выполненную с возможностью захватывания обсадной колонны. Первый захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения в первый паз, а второй захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения во второй паз, в результате чего блок плашек имеет установленное положение, в котором канавка принимает часть центрального кольца, а первый захватный блок и второй захватный блок выступают радиально наружу из рамы плашки, чтобы иметь возможность зацепления с обсадной колонной в скважине, и блок плашек имеет неустановленное положение, в котором блок плашек задвинут радиально внутрь относительно установленного положения.
[73] Кроме того, каждая планка может иметь верхний конец и нижний конец и соединяться с центральным кольцом в месте между верхним концом и нижним концом. Рама плашки может дополнительно содержать верхнее кольцо, соединенное с верхними концами планок, и нижнее кольцо, соединенное с нижними концами планок.
[74] Другие варианты реализации изобретения обеспечивают способ установки скважинного инструмента в обсадной колонне. Способ включает:
спуск скважинного инструмента в неустановленном положении в обсадную колонну в стволе скважины, при этом скважинный инструмент имеет первое стопорное кольцо, расположенное в первой канавке в трубчатом компоненте, и втулку, имеющую первый кольцевой упорный торец, образованный на внутренней стенке втулки на стыке первого участка внутренней стенки, имеющего первый внутренний диаметр, и второго участка внутренней стенки, имеющего второй внутренний диаметр, который меньше, чем первый внутренний диаметр;
приложение первой установочной нагрузки к скважинному инструменту, в результате чего первое заданное усилие превышается так, чтобы переместить первое стопорное кольцо из ненапряженного состояния в сжатое состояние за счет взаимодействия угла подъема на первом стопорном кольце с кольцевым упорным торцом на втулке, при этом перемещение первого стопорного кольца в сжатое состояние позволяет втулке скользить в осевом направлении относительно трубчатого компонента; и
скольжение втулки в осевом направлении относительно трубчатого компонента, чтобы расположить второй участок внутренней стенки над первым стопорным кольцом, размещая, таким образом, скважинный инструмент в первом установленном положении, при этом скважинный инструмент является многократно устанавливаемым, благодаря чему скважинный инструмент может много раз перемещаться между первым установленным положением и неустановленным положением.
[75] Способ может дополнительно включать перемещение скважинного инструмента из первого установленного положения в неустановленное положение посредством скольжения втулки в осевом направлении относительно трубчатого элемента так, чтобы расположить первый участок внутренней стенки над первым стопорным кольцом таким образом, чтобы первое стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние, а угол подъема и первый угловой упорный торец находились друг напротив друга, чтобы предотвратить перемещение инструмента в первое установленное положение, за исключением случая, когда прикладывается первая установочная нагрузка.
[76] В способе, первая канавка может иметь глубину отверстия и первое стопорное кольцо может располагаться в первой канавке таким образом, что первое стопорное кольцо и трубчатый компонент соосны, а внешняя поверхность стопорного кольца выступает над внешней стенкой трубчатого компонента, когда стопорное кольцо находится в ненапряженном состоянии. Глубина отверстия достаточно велика, чтобы стопорное кольцо могло сжиматься в отверстии в сжатое состояние.
[77] Также в способе, трубчатый компонент может быть первым плашечным клином, а втулка может быть первой выдвигаемой плашкой. Первый плашечный клин функционально совмещен с первой выдвигаемой плашкой так, что осевое перемещение первой выдвигаемой плашки относительно первого плашечного клина перемещает первую выдвигаемую плашку между первым положением, в котором первая выдвигаемая плашка не входит в зацепление с обсадной колонной, и вторым положением, в котором первая выдвигаемая плашка входит в зацепление с обсадной колонной.
[78] В некоторых вариантах реализации способа, скважинный инструмент имеет второе стопорное кольцо, расположенное во второй канавке в оправке, и второй плашечный клин, имеющий второй кольцевой упорный торец, образованный на внутренней поверхности второго плашечного клина, на стыке первого участка внутренней поверхности, имеющего первый внутренний диаметр, и второго участка внутренней поверхности, имеющего второй внутренний диаметр, который меньше, чем первый внутренний диаметр. После перемещения скважинного инструмента в первое установленное положение способ дополнительно включает:
приложение второй установочной нагрузки к скважинному инструменту, в результате чего второе заданное усилие превышается так, чтобы переместить второе стопорное кольцо из ненапряженного состояния в сжатое состояние за счет взаимодействия угла подъема на втором стопорном кольце со вторым кольцевым упорным торцом на втором плашечном клине, при этом перемещение второго стопорного кольца в сжатое состояние позволяет второму плашечному клину скользить в осевом направлении относительно оправки и относительно второй выдвигаемой плашки, причем второй плашечный клин функционально совмещен со второй выдвигаемой плашкой так, что осевое перемещение второго плашечного клина относительно второй выдвигаемой плашки перемещает вторую выдвигаемую плашку между первым положением, в котором вторая выдвигаемая плашка не входит в зацепление с обсадной колонной, и вторым положением, в котором вторая выдвигаемая плашка входит в зацепление с обсадной колонной; и
скольжение второго плашечного клина в осевом направлении относительно оправки и второй выдвигаемой плашки, чтобы расположить второй участок внутренней стенки над первым стопорным кольцом, размещая, таким образом, скважинный инструмент во втором установленном положении, при этом скважинный инструмент является многократно устанавливаемым, благодаря чему скважинный инструмент может много раз перемещаться между вторым установленным положением и неустановленным положением.
[79] Способ может дополнительно включать перемещение скважинного инструмента из второго установленного положения в неустановленное положение посредством:
скольжения второго плашечного клина в осевом направлении относительно оправки так, чтобы расположить первый участок внутренней поверхности над вторым стопорным кольцом таким образом, чтобы второе стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние, а угол подъема второго стопорного конца и второй угловой упорный торец находились друг напротив друга, чтобы предотвратить перемещение инструмента во второе установленное положение, за исключением случая, когда прикладывается вторая установочная нагрузка;
скольжения первой выдвигаемой плашки в осевом направлении относительно первого плашечного клина так, чтобы расположить первый участок внутренней стенки над первым стопорным кольцом таким образом, чтобы первое стопорное кольцо переместилось в ненапряженное состояние, а угол подъема первого стопорного конца и первый угловой упорный торец находились друг напротив друга, чтобы предотвратить перемещение инструмента в первое установленное положение, за исключением случая, когда прикладывается первая установочная нагрузка.
[80] И хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретный вариант реализации, приведенное выше описание не должно толковаться в ограничительном смысле. Благодаря вышеприведенному описанию и иллюстрациям, специалисту в данной области техники будут понятны различные модификации, а также альтернативные применения изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения будет охватывать любые такие модификации, применения или варианты реализации, как описано ниже в действительном объеме настоящего изобретения.
1. Скважинный инструмент, содержащий:
двунаправленную плашку, выполненную с возможностью зацепления с обсадной колонной в подземной скважине, причем двунаправленная плашка содержит:
раму плашки, имеющую центральное кольцо и множество планок, проходящих в продольном направлении вверх и вниз по стволу скважины от центрального кольца и расположенных на расстоянии друг от друга по радиусу вокруг центрального кольца, образовывая по меньшей мере две пары пазов, причем каждая пара пазов имеет первый паз, проходящий в продольном направлении вверх по стволу скважины от центрального кольца, и второй паз, проходящий в продольном направлении вниз по стволу скважины от центрального кольца; и
по меньшей мере два блока плашек, при этом каждый блок плашек имеет первый захватный блок, второй захватный блок и канавку между первым захватным блоком и вторым захватным блоком, причем первый захватный блок и второй захватный блок имеют внешнюю поверхность, выполненную с возможностью захватывания обсадной колонны, и при этом каждая пара пазов сопряжена с одним из блоков плашек так, что первый захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения в первый паз, а второй захватный блок выполнен с возможностью скользящего перемещения во второй паз, в результате чего блок плашек имеет установленное положение, в котором канавка принимает часть центрального кольца, а первый захватный блок и второй захватный блок выступают радиально наружу из рамы плашки, чтобы иметь возможность зацепления с обсадной колонной, и блок плашек имеет неустановленное положение, в котором блок плашек задвинут радиально внутрь относительно установленного положения,
оправку, причем двунаправленная плашка располагается вокруг оправки;
первый клин, расположенный вокруг оправки и сопряженный с первым захватным блоком; и
второй клин, расположенный вокруг оправки и сопряженный со вторым захватным блоком, причем первый и второй клинья могут входить в зацепление с двунаправленной плашкой, чтобы заставлять каждый блок плашек выступать радиально наружу в ответ на первую нагрузку, приложенную к нему, в результате чего блок плашек перемещается в свое установленное положение,
предустановленный механизм, имеющий стопорное кольцо, расположенное между вторым клином и оправкой и находящееся по меньшей мере частично в канавке в оправке, при этом стопорное кольцо предотвращает перемещение второго клина относительно оправки по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит заданное усилие.
2. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что двунаправленная плашка дополнительно содержит пружину, сопряженную с каждым блоком плашек, при этом пружина располагается между центральным кольцом и сопряженным блоком плашек так, что пружина смещает сопряженный блок плашек в неустановленное положение.
3. Скважинный инструмент по п. 1, дополнительно содержащий:
первый клин, сопряженный с первым захватным блоком, и второй клин, сопряженный со вторым захватным блоком, причем первый и второй клинья взаимодействуют с двунаправленной плашкой, чтобы заставлять каждый блок плашек выступать радиально наружу в ответ на первую нагрузку, приложенную к нему, в результате чего блок плашек перемещается в свое установленное положение.
4. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что внешняя поверхность каждого захватного блока содержит захватные элементы, каждый из которых имеет кромку сцепления, при этом кромка сцепления совпадает с радиальной осью плашки.
5. Скважинный инструмент по п. 4, отличающийся тем, что захватные элементы представляют собой серию зубьев, где каждый зуб совпадает с радиальной осью плашки.
6. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что блоки плашек выполнены из обогащенной углеродом стали.
7. Скважинный инструмент по п. 1, отличающийся тем, что каждая планка имеет верхний конец и нижний конец и соединяется с центральным кольцом в месте между верхним концом и нижним концом, и рама плашки дополнительно содержит:
верхнее кольцо, соединенное с верхними концами планок; и
нижнее кольцо, соединенное с нижними концами планок.
8. Скважинный инструмент по п. 1, дополнительно содержащий:
однонаправленную плашку, расположенную вокруг оправки, имеющую выдвинутое положение, в котором она может входить в зацепление и захватывать обсадную колонну, и втянутое положение, в котором она не входит в зацепление и не захватывает обсадную колонну, причем в выдвинутом положении однонаправленная плашка обеспечивает фиксацию для первой нагрузки, достаточную для перемещения двунаправленной плашки в установленное положение.
9. Скважинный инструмент по п. 8, дополнительно содержащий:
узел тормозного блока, расположенный вокруг оправки и входящий в зацепление с обсадной колонной, в результате чего вторая нагрузка, приложенная к оправке, перемещает однонаправленную плашку в выдвинутое положение, причем первая нагрузка больше, чем вторая нагрузка.
10. Скважинный инструмент по п. 9, отличающийся тем, что двунаправленная плашка дополнительно содержит пружину, сопряженную с каждым блоком плашек, при этом пружина располагается между центральным кольцом и сопряженным блоком плашек так, что пружина смещает сопряженный блок плашек в неустановленное положение.
11. Скважинный инструмент по п. 10, дополнительно содержащий:
третий клин, сопряженный с однонаправленной плашкой, для принуждения однонаправленной плашки выступать наружу для зацепления с обсадной колонной.
12. Скважинный инструмент по п. 11, дополнительно содержащий предустановленный механизм, имеющий стопорное кольцо, расположенное между третьим клином и однонаправленной плашкой и расположенное по меньшей мере частично в канавке в третьем клине, причем стопорное кольцо предотвращает перемещение однонаправленной плашки относительно третьего клина по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит заданное усилие.
13. Скважинный инструмент по п. 11, дополнительно содержащий:
первый предустановленный механизм, имеющий первое стопорное кольцо, расположенное между вторым клином и оправкой и находящееся по меньшей мере частично в первой канавке в оправке, причем первое стопорное кольцо предотвращает перемещение второго клина относительно оправки по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит первое заданное усилие; и
второй предустановленный механизм, имеющий второе стопорное кольцо, расположенное между третьим клином и однонаправленной плашкой и находящееся по меньшей мере частично во второй канавке в третьем клине, причем второе стопорное кольцо предотвращает перемещение однонаправленной плашки относительно третьего клина по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит второе заданное усилие.
14. Скважинный инструмент по п. 11, отличающийся тем, что внешняя захватная поверхность содержит захватные элементы, имеющие кромки сцепления, причем кромки сцепления совпадают с радиальной осью плашки.
15. Скважинный инструмент по п. 14, отличающийся тем, что захватные элементы представляют собой серию зубьев, где каждый зуб совпадает с радиальной осью плашки.
16. Скважинный инструмент по п. 15, отличающийся тем, что каждая планка имеет верхний конец и нижний конец и соединяется с центральным кольцом в месте между верхним концом и нижним концом, и рама плашки дополнительно содержит:
верхнее кольцо, соединенное с верхними концами планок; и
нижнее кольцо, соединенное с нижними концами планок.
17. Скважинный инструмент по п. 16, дополнительно содержащий первый предустановленный механизм, имеющий первое стопорное кольцо, расположенное между вторым клином и оправкой, и находящееся по меньшей мере частично в первой канавке в оправке, при этом первое стопорное кольцо предотвращает перемещение второго клина относительно оправки по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит первое заданное усилие.
18. Скважинный инструмент по п. 17, дополнительно содержащий второй предустановленный механизм, имеющий второе стопорное кольцо, расположенное между третьим клином и однонаправленной плашкой, и находящееся по меньшей мере частично во второй канавке в третьем клине, при этом второе стопорное кольцо предотвращает перемещение однонаправленной плашки относительно третьего клина по меньшей мере в одном продольном направлении до тех пор, пока нагрузка на оправку не превысит второе заданное усилие.
