Скважинный инструмент для циркуляции текучей среды в стволе скважины, система циркуляции текучей среды в стволе скважины и способ циркуляции текучей среды в стволе скважины (варианты) - RU2440482C1
Код документа: RU2440482C1
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится в основном к устройству и способу для выборочной подачи текучей среды в ствол скважины. В частности, настоящее изобретение относится к переводнику или клапану, выполненному с возможностью выборочной и непрерывной подачи и способу его применения в операциях, связанных с созданием ствола скважины, включающих бурение, расширение, операции по увеличению дебита скважины, прочистку, ловильные работы и установку пакера.
Уровень техники
При бурении нефтяной или газовой скважины сначала производят бурение предварительного отверстия, а затем над предварительным отверстием устанавливают буровую установку. Бурильная труба скрепляется с забойным узлом, который обычно включает буровое долото, воротники бура, стабилизаторы, расширители и прочие различные муфты, в результате чего формируется бурильная колонна. Бурильная колонна соединяется с ведущей бурильной трубой и с буровым ротором, и затем опускается в предварительное отверстие. Когда буровое долото достигает основания первоначального отверстия, подается питание на буровой ротор и может быть начат процесс бурения. В процессе бурения для смазывания и охлаждения бурильного долота, а также для обеспечения транспортирования и удаления продуктов бурения из ствола через буровую трубу производится циркуляция бурового или глинистого раствора. Буровой раствор также может служить источником гидравлической мощности для забойного турбинного двигателя. После выхода из бурового долота буровой раствор поднимается вверх по скважине через кольцевой зазор, образованный буровой колонной и стволом скважины, или через кольцевой зазор ствола скважины.
При операциях бурения может оказаться желательным периодически прерывать подачу бурового раствора к забойному узлу и отклонять буровой раствор от внутренней части бурильной колонны через гидравлический канал к кольцевому зазору над забойным узлом в обход забойного узла. Например, забойный турбинный двигатель или буровое долото забойного узла имеют свойство ограничивать допустимые расходы циркуляции текучей среды. Обход забойного узла обеспечивает установление в кольцевом зазоре более высоких скоростей циркуляции. Это особенно полезно в приложениях, в которых требуется получение более высоких скоростей циркуляции для обеспечения хорошей транспортировки продуктов бурения и очистки скважины перед извлечением бурильной колонны. Через некоторый промежуток времени подача бурового раствора к забойному узлу может быть возобновлена. Такое перенаправление потока бурового раствора обычно достигается за счет применения циркуляционного переводника или клапана, установленного на бурильной колонне над буровым долотом.
Типовые циркуляционные переводники могут приводиться в действие ограниченное число циклов привода за одно перемещение вниз по скважине. Например, типовой циркуляционный переводник может выборочно открываться три или четыре раза, после чего требуется его извлечение из скважины и переустановка. Подобный инструмент работает за счет использования сочетания деформируемых сбрасываемых шаров и жестких сбрасываемых шаров меньшего размера, обеспечивающих направление потока текучей среды либо от инструмента к кольцевому зазору скважины или через инструмент. После прохождения каждым шаром через инструмент он принимается устройством для приема шаров, установленное около расположенного спереди по длине скважины края инструмента. Недостатком такого циркуляционного переводника является то, что инструмент может приводиться в действие за счет сброса шара только ограниченное число раз или до момента заполнения устройства для приема шаров. При заполнении устройства для приема шаров инструмент необходимо извлечь на поверхность для разгрузки. После опустошения устройства для приема шаров инструмент может быть вновь помещен внутрь скважины для последующего использования. Таким образом, для циркуляции текучей среды в стволе скважины требуется многократное извлечение инструмента на поверхность для разгрузки и последующее помещение инструмента обратно внутрь скважины для последующего использования, что является затратным и трудоемким процессом. Кроме того, подобные циркуляционные втулки не обеспечивают адекватную работу в загрязненных текучих средах, включающих утекший циркуляционный материал, а также они не включают открытых внутренних диаметров для размещения проходных инструментов или уплотняющих элементов.
Так, существует потребность в разработке экономически эффективного устройства и способа выборочной циркуляции текучей среды внутри ствола скважины, включающего возможности непрерывного привода клапана и уменьшения хода клапана.
Раскрытие изобретения
Скважинный циркуляционный переводник или клапан включает трубчатый корпус с внешним отверстием и клапанный поршень, размещенный в корпусе с возможностью поступательного перемещения. Первичная траектория движения текучей среды проходит через внутреннее расходное отверстие в корпусе и поршне клапана. В первом положении поршень клапана перекрывает внешнее отверстие и прерывает связь текучей средой между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины. Во втором положении поршень клапана перекрывает внутреннее расходное отверстие и соединяет внешнее отверстие с внутренним расходным отверстием, обеспечивая связь текучей средой между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения циркуляционный переводник может выборочно включать в себя группу протоков, включающих первичный проток через переводник, вторичный проток в обход расположенного на седле шарика и далее через переводник, а также обводной проток, в котором текучая среда отклоняется к кольцевому зазору ствола скважины.
В некоторых вариантах осуществления изобретения между корпусом и поршнем клапана устанавливается делительный механизм для перемещения поршня клапана между первым и вторым положениями. В некоторых вариантах осуществления изобретения делительный механизм включает поворотный элемент. В некоторых вариантах осуществления изобретения поворотный элемент делительного механизма поворачивается независимо от корпуса и клапана поршня. В некоторых вариантах осуществления изобретения поворотный элемент делительного механизма может применяться для непрерывного перемещения поршня клапана между первым и вторым положениями за одно перемещение по стволу скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения поршень клапана и делительный механизм приводятся в действие за счет изменения давления текучей среды в циркуляционном переводнике.
Краткое описание чертежей
Для более подробного описания вариантов осуществления изобретения приводятся ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическое изображение сечения приводимого в качестве примера участка буровой колоны, на котором могут применяться различные варианты осуществления циркуляционного переводника согласно излагаемым здесь принципам;
Фиг.2 - увеличенный вид соединения верхнего переводника и циркуляционного переводника, показанного на Фиг.1;
Фиг.3 - увеличенный вид соединения циркуляционного переводника и нижнего переводника, показанного на Фиг.1;
Фиг.4 - увеличенный вид верхнего участка циркуляционного переводника, показанного на Фиг.1.
Фиг.5 - увеличенный вид среднего участка циркуляционного переводника, показанного на Фиг.1;
Фиг.6 - увеличенный вид нижнего участка циркуляционного переводника, показанного на Фиг.1;
Фиг.7 - циркуляционный переводник, показанный на Фиг.1, в транспортном положении;
Фиг.8 - пространственный вид делительного устройства циркуляционного переводника, показанного на Фиг.7, в транспортном положении;
Фиг.9 - циркуляционный переводник, показанный на Фиг.1, в проходном положении;
Фиг.10 - пространственный вид делительного устройства циркуляционного переводника, показанного на Фиг.9, в проходном положении;
Фиг.11 - пространственный вид делительного устройства циркуляционного переводника, показанного на Фиг.10, в положении перезагрузки;
Фиг.12 - циркуляционный переводник, показанный на Фиг.1, в обводном положении;
Фиг.13 - пространственный вид делительного устройства циркуляционного переводника, показанного на Фиг.12, в обводном положении.
Осуществление изобретения
На нижеследующих чертежах и в описании подобные детали обычно имеют одинаковые цифровые обозначения по всему тексту описания и на всех чертежах. Фигуры чертежей не всегда выполнены в масштабе. Некоторые элементы изобретения показаны в утрированном масштабе или в несколько схематизированном виде, некоторые детали стандартных элементов могут быть не показаны для упрощения и понятности. Настоящее изобретение может быть выполнено в виде вариантов осуществления различных форм. Для конкретных вариантов осуществления изобретения приведено подробное описание и они показаны на чертежах, при этом следует понимать, что настоящее описание следует рассматривать в качестве примера, демонстрирующего принципы изобретения, а не в качестве ограничивающего изобретение, проиллюстрированными и описанными вариантами. Следует понимать, что различные положения вариантов осуществления изобретения, описанные ниже, могут применяться отдельно или в любом подходящем сочетании для достижения требуемого эффекта.
В нижеследующем описании и в пунктах формулы изобретения термины "включающий" и "содержащий" используются в расширительном смысле и, таким образом, должны интерпретироваться как "включающий, но не ограничивающийся". За исключением особо оговоренных случаев любое использование любой формы терминов "соединять", "входить в контакт", "связывать", "прикреплять" или любого другого термина, описывающего взаимодействие элементов не имеет целью ограничивать взаимодействие непосредственным взаимодействием элементов и может также включать косвенное взаимодействие между описываемыми элементами. Указания на направление вверх или вниз приводятся в описании при использовании терминов "вверх", "верхний", "в направлении вверх" или "вверх по ходу" означают направление к поверхности скважины, а термины "вниз", "нижний", "в направлении вниз" или "вниз по ходу" означают направление к концу скважины, независимо от ориентации скважины. Различные характеристики, упомянутые выше, а также прочие признаки и характеристики, более подробно описанные ниже, станут понятны специалистам в данной области техники из нижеследующего подробного описания вариантов осуществления изобретения и прилагаемых чертежей.
На Фиг.1 схематически показан пример одного из многих участков бурильной колонны, на которых может применяться циркуляционный переводник или клапан и соответствующие способы, описываемые здесь. Кроме того, в настоящем описании предусматриваются прочие транспортные средства, такие как применяемые при осуществлении при операциях по увеличению дебита скважины. Бурильная колонна использована для облегчения детализации различных вариантов осуществления изобретения, излагаемых в данном документе. Бурильная колонна 100 включает циркуляционный переводник 105, верхний край 115 которого связан с верхним циркуляционным переводником 110, а нижний край 125 связан с нижним циркуляционным переводником 120. Как будет описано в данном документе, циркуляционный переводник 105 выполнен с возможностью выборочного и непрерывного привода, поэтому он может быть также назван многоцикловым циркуляционным переводником. Многоцикловой циркуляционный переводник 105 включает расходное отверстие 135. Соединение верхнего переводника 110 и нижнего переводника с многоцикловым циркуляционным переводником 105 обеспечивает первичную траекторию 130 движения текучей среды, который также связан текучей средой с траекторией движения текучей среды в бурильной колонне 100.
Как подробно описывается ниже, многоцикловой циркуляционный переводник 105 выполнен с возможностью нахождения в различных положениях, в которых обеспечивается проход текучей среды по одной из траекторий группы траекторий. В первом или "транспортном" положении текучая среда проходит по траектории 130 от верхнего переводника 110 через многоцикловой циркуляционный переводник 105 через расходное отверстие 135 к нижнему переводнику 120 и другим элементам, которые могут располагаться спереди по ходу скважины от нижнего переводника 120, таким как бурильное долото. В альтернативном варианте, когда многоцикловой циркуляционный переводник 105 находится во втором или проходном положении, текучая среда проходит по траектории 130 в верхнем переводнике 110 вокруг шарика 245 и через отверстия 260, и в конце возвращается в проходное отверстие 135 и вновь попадает на траекторию 130 к нижнему переводнику 120 и другим нижним элементам. В еще одном возможном положении, когда многоцикловой циркуляционный переводник 105 находится в третьем или "перепускном" положении, текучая среда отклоняется от траектории 130 через траекторию 132 движения в многоцикловом циркуляционном переводнике 105 к кольцевому зазору 145 ствола скважины, расположенному между участком 100 бурильной колонны и окружающей породой 147. В некоторых вариантах осуществления изобретения, отведение траектории через многоцикловой циркуляционный переводник 105 обеспечивается за счет наличия одного или большего числа отверстий 140. После попадания в кольцевой зазор 145 ствола скважины текучая среда возвращается на поверхность в обход нижнего переводника 120 и прочих элементов, которые могут располагаться спереди по ходу скважины от нижнего переводника 120. Делительный механизм 165 обеспечивает перемещение многоциклового циркуляционного переводника 105 между этими различными конфигурациями или положениями.
На Фиг.2 показан увеличенный вид соединения верхнего переводника 110 и многоциклового циркуляционного переводника 105, показанного на Фиг.1. Как показано на фигуре, верхний переводник 110 и верхний край 115 многоциклового циркуляционного переводника 105 соединяются посредством резьбового соединения 112. В альтернативных вариантах осуществления изобретения элементы 120, 105 могут соединяться другими средствами, известными в данной области техники.
Возвращаясь к Фиг.1, проведем описание деталей многоциклового циркуляционного переводника 105 с дополнительными ссылками на увеличенные виды верхнего, среднего и нижнего участков многоциклового циркуляционного переводника 105, показанные на Фиг.4, 5 и 6 соответственно. Как показано на Фиг.1, многоцикловой циркуляционный переводник 105 включает корпус клапана или корпус 150, плавающий поршень 155, сердечник 160 клапана, делительный механизм 165 и имеющий отверстие клапанный поршень 170, установленный с возможностью поступательного перемещения в корпусе 150. Корпус 150 клапана многоциклового циркуляционного переводника 105 присоединен к верхнему переводнику 110 посредством резьбового соединения 112, а к нижнему переводнику 120 посредством резьбового соединения 122, как описано выше со ссылками на Фиг.2 и 3. От расположенного вверху ствола скважины края 115 до расположенного внизу ствола скважины края 125 соосно с корпусом 150 клапана расположены имеющий отверстие клапанный поршень 170, делительное устройство 165 и плавающий поршень 155. Сердечник 160 клапана расположен соосно с клапанным поршнем 170, делительным устройством 165 и плавающим поршнем 155 между верхним переводником 110 и нижним переводником 120. В некоторых вариантах осуществления изобретения сердечник 160 клапана, клапанный поршень 170 и прочие аналогичные элементы представлены на фигурах в виде цилиндров, полых элементов или втулок.
Делительное устройство 165 включает группу взаимосвязанных элементов, сочетание которых обеспечивает выборочное перемещение многоциклового циркуляционного переводника 105 в различные положения, обеспечивающие прохождение текучей среды через многоцикловой циркуляционный переводник 105 по траектории 130 или отвод потока текучей среды от многоциклового циркуляционного переводника 105 по траектории 132. Как будет описано ниже, выборочное переключение положений и траекторий обеспечивается непрерывно в процессе перемещения вниз по стволу скважины и не ограничено заранее определенным числом переключений. Как показано на Фиг.4, 5 и 6, делительное устройство 165 включает делительное кольцо 175, делительное зубчатое кольцо 180, большую пружину 185, малую пружину 190, шлицевую втулку 195 и распорную втулку 200. Шлицевая втулка 195 скреплена с внутренней стороной корпуса 150 таким образом, что она установлена неподвижно в окружном и осевом направлениях относительно корпуса 150. Делительное кольцо 175 установлено с возможностью окружного и осевого перемещения относительно корпуса 150 и поршня 170, малая пружина 190 поджимает делительное кольцо 175 к шлицевой втулке 195. Большая пружина 185 обеспечивает направленное вверх поджимающее усилие на поршень 170. Прочие взаимосвязи и принцип работы делительного устройства 165 описаны ниже.
Способ перемещения элементов многоциклового циркуляционного переводника 105 относительно друг друга будет понятен из описания различных положений, которые может принимать многоцикловой циркуляционный переводник 105. В вариантах осуществления изобретения, показанных на Фиг.1-13, приведена группа положений, которые может принимать многоцикловой циркуляционный переводник 105 для обеспечения работы группы траекторий: транспортное положение, проходное положение и перепускное положение. Транспортное положение относится к положению многоциклового циркуляционного переводника 105, которое он принимает при спуске в ствол скважины, и в котором он обеспечивает прохождение бурового раствора по траектории 130, как показано на Фиг.7 и 8. Проходное положение многоциклового циркуляционного переводника 105 обеспечивает прохождение бурового раствора по траектории 130 с небольшим отклонением вокруг блокирующего элемента 245 и далее через отверстия 260. Эта траектория движения текучей среды показана на Фиг.9 и 10. Перепускное положение многоциклового циркуляционного переводника 105 обеспечивает отклонение бурового раствора от траектории 130 в верхнем переводнике 110 к кольцевому зазору 145 ствола скважины по траектории 132 через отверстия 140. Перепускное положение многоциклового циркуляционного переводника 105 показано на Фиг.12 и 13.
На Фиг.7 показан многоцикловой циркуляционный переводник 105 в начальном транспортном положении. В этом положении сердечник 160 клапана расположен между клапанным поршнем 170 и нижним переводником 120 с небольшим зазором 205, показанном на Фиг.1, 6 и 7, между сердечником 160 клапана и нижним переводником 120. Верхняя часть 171 клапанного поршня 170 упирается в выступ 173, а корпус клапанного поршня 170 блокирует или перекрывает внешние отверстия 140, обеспечивая, таким образом, беспрепятственное прохождение текучей среды по первичной траектории 130 сквозь инструмент. При перемещении многоциклового циркуляционного переводника 105 вниз по стволу скважины делительное устройство 165 также принимает начальное транспортное положение, как показано на Фиг.8.
Как показано на Фиг.8, делительное кольцо 175, делительное зубчатое кольцо 180 и шлицевая втулка 195 расположены соосно с клапанным поршнем 170 с зазором 215 между выступом 220 клапанного поршня 170 и делительным кольцом 175. Делительное кольцо 175 включает один или большее число коротких пазов 230, распределенных по его периметру. Делительное кольцо 175 также включает один или большее число длинных пазов 230, которые распределены по его периметру и чередуются с короткими пазами 225. Между каждым коротким пазом 225 и каждым длинным пазом 230 нижний край 240 делительного кольца 175 является угловым и образует скошенную поверхность. Делительное кольцо 175 может называться делительным пазом.
Шлицевая втулка 195 включает массив угловых выступов 235, идущих от верхнего края шлицевой втулки 195, а соответствующие шлицы 198 идут вдоль внутренней поверхности шлицевой втулки 195. Каждый выступ 235 и шлиц 198 шлицевой втулки 195 имеет размеры, обеспечивающие вхождение в каждый короткий паз 225 и каждый длинный паз 230 делительного кольца 175. Когда делительное устройство 165 принимает транспортное положение, как показано на Фиг.8, каждый выступ 235 взаимодействует с угловой поверхностью 240 между короткими пазами 225 и длинными пазами 230 и образует сопрягаемые скошенные поверхности между шлицевой втулкой 195 и делительным кольцом 175.
После установки многоциклового циркуляционного переводника 105 в стволе скважины в транспортном положении может потребоваться отклонение траектории 130 текучей среды в кольцевой зазор 145. Сначала необходимо произвести переключение многоциклового циркуляционного переводника 105. Как показано на Фиг.1, шарик 245 сбрасывается или выпускается в бурильную колонну, соединенную с верхним переводником 110 инструмента 100. Шарик 245 переносится буровым раствором вдоль бурильной колонны через верхний переводник 110 к многоцикловому циркуляционному переводнику 105, где как показано на Фиг.4, шарик 245 опускается на седло 250 шарика в верхнем конце 171 клапанного поршня 170. После размещения на седле, шарик 245 препятствует прохождению потока бурового раствора через впускное отверстие 257 клапанного поршня 170 и обеспечивает перепад давлений, переключающий многоцикловой циркуляционный переводник 105. Хотя в данном примере осуществления изобретения для переключения многоциклового циркуляционного переводника 105 применяется шарик 245, в альтернативном варианте осуществления изобретения могут применяться прочие блокирующие элементы, известные в данной области техники, например, для переключения многоциклового циркуляционного переводника 105 может применяться долотообразный элемент.
Как показано на Фиг.5, под действием силы давления потока бурового раствора, на пути которого возникло сопротивление, клапанный поршень 170 перемещается вниз, прижимая большую пружину 185 к выступу 202 распорной втулки 200. Распорная втулка 200 упирается в выступ 210 сердечника 160 клапана. Таким образом, сжимающее усилие от клапанного поршня 170 передается через большую пружину 185 и распорную втулку 200 к сердечнику 160 клапана, который на резьбе 162 установлен в корпусе клапана 150 выше зазора 205, как показано на Фиг.6. Происходит затяжка сердечника 160 клапана на резьбе 162, и при дальнейшей работе многоциклового циркуляционного переводника 105 он остается неподвижной.
Дальнейшее поступательное перемещение клапанного поршня 170 вниз под действием силы давления бурового раствора также приводит к прижатию малой пружины 190 (см. Фиг.4) к делительному кольцу 175 и перекрытию зазора 215 (см. Фиг.8) между выступом 220 клапанного поршня 170 и делительным кольцом 175. Как показано на Фиг.8, после перекрытия зазора 215 и упора выступа 220 клапанного поршня 170 в делительное кольцо 175 дальнейшее поступательное перемещение клапанного поршня 170 вниз вызывает перемещение нижних скошенных поверхностей 240 делительного кольца вдоль сопряженных с ними скошенных выступов 235 шлицевой втулки 195. По мере перемещения поверхностей 240 вдоль скошенных выступов 235 делительное кольцо 175 поворачивается вокруг клапанного поршня 170 относительно шлицевой втулки 195 до тех пор, пока все выступы 235 шлицевой втулки 195 не полностью взаимодействуют со скошенными пазами 225 делительного кольца 175. Таким образом происходит окончательное переключение многоциклового циркуляционного переводника 105, как показано на Фиг.10.
Как показано на Фиг.10, после полного взаимодействия всех выступов 235 шлицевой втулки 195 с короткими пазами 225 делительное кольцо 175 удерживается от дальнейшего вращения, и имеющий отверстие клапанный поршень 170 удерживается делительным кольцом 175 от дальнейшего поступательного перемещения вниз относительно сердечника 160 клапана. Такое положение делительного устройства 165 соответствует проходному положению многоциклового циркуляционного переводника 105, показанному на Фиг.9. Делительное кольцо 175 установлено неподвижно в окружном направлении относительно взаимодействующего выступа 235 и паза 225 и зафиксировано от осевых перемещений за счет упора выступа 220 поршня в шлицевую втулку 195 (которая установлена неподвижно на корпусе 150).
Как показано на Фиг.9, шарик 245 продолжает блокировать проход потока бурового раствора через впускное отверстие 257 клапанного поршня 170. Смещенный вниз клапанный поршень 170 также продолжает перекрывать внешние отверстия 140 и прерывает связь текучей средой между траекторией 130 движения текучей среды и кольцевым зазором 145 ствола скважины. Таким образом, буровой раствор обтекает шарик 245 и проходит через одно отверстие или большее число отверстий 260 на внутреннем диаметре (см. также Фиг.4) в клапанный поршень 170, определяя вторичный внутренний поток, показанный стрелками 136. После прохождения через отверстия 260 внутреннего диаметра буровой раствор проходит через расходное отверстие 135 многоциклового циркуляционного переводника 105 к нижнему переводнику 120 и любым элементам, которые могут располагаться в скважине ниже нижнего переводника 120. Так, при нахождении многоциклового циркуляционного переводника 105 в проходном положении, обеспечивается прохождение бурового раствора от верхнего переводника 110 через инструмент 105 к нижнему переводнику 120.
При необходимости отклонения всего или части потока бурового раствора к нижнему переводнику 120 и/или любым элементам, расположенным ниже по скважине, чем нижний переводник 120, таким как забойный турбинный двигатель или буровое долото, многоцикловой циркуляционный переводник 105 может быть при необходимости переведен из проходного положения в перепускное положение. Для такого изменения конфигурации многоциклового циркуляционного переводника 105 сначала производится уменьшение или прерывание потока к многоцикловому циркуляционному переводнику 105 для переустановки делительного устройства 165. Снижение расхода бурового раствора снимает направленное вниз силу давления на клапанный поршень 170. При отсутствии данной силы давления большая пружина 185 распрямляется, вызывая перемещение делительного кольца 175 и клапанного поршня 170 вверх (см. Фиг.4). В то же время отсутствие силы давления позволяет разжаться малой пружине 190, что вызывает перемещение клапанного поршня 170 вверх относительно делительного кольца 175 (Фиг.4). После распрямления малой пружины 190 и большой пружины 185 делительное устройство 165 переустанавливается в положение, показанное на Фиг.11. В отличие от положения, показанного на Фиг.8, делительное кольцо 175 может совершать небольшие повороты, а соответствующие скошенные поверхности конца 240 делительного кольца и выступы 235 выравниваются, обеспечивая перемещение по ним шлицевой втулки 195 в длинные пазы 230, а не в короткие пазы 225.
После переустановки делительного устройства 165 расход бурового раствора через участок 100 бурильной колонны может быть увеличен или восстановлен для перевода многоциклового циркуляционного переводника 105 и делительного устройства в перепускное положение. Как и в предыдущем случае, сила давления бурового раствора, действующая на имеющий сопротивление клапанный поршень 170 вызывает перемещение поршня 170 вниз, прижимая малую пружину 190 (см. Фиг.4) к делительному кольцу 175 и полностью перекрывая зазор 215 (Фиг.8) между выступом 220 клапанного поршня 170 и делительным кольцом 175.
После перекрытия зазора 215 и упора выступа 220 клапанного поршня 170 в делительное кольцо 175, дальнейшее поступательное перемещение клапанного поршня 170 вниз вызывает скольжение скошенных поверхностей 240 делительного кольца 175 вдоль скошенных выступов 235 шлицевой втулки 195. По мере скольжения скошенных поверхностей 240 вдоль выступов 235, делительное кольцо 175 поворачивается из положения, показанного на Фиг.11, вокруг поршня 170 относительно шлицевой втулки 195 до тех пор, пока все выступы 235 не взаимодействуют с длинными пазами 230 делительного кольца 175. Как показано на Фиг.11, выступы 235 располагаются напротив шлицев 172 клапанного поршня 170. После того как все выступы 235 шлицевой втулки 195 взаимодействуют с длинными пазами 230 делительного кольца 175, длинные пазы 230 выравниваются в осевом направлении с выступами 235 и пазами 172, и дальнейший поворот делительного кольца 175 прекращается.
Как показано на Фиг.13, нагруженный давлением клапанный поршень 170 продолжает поступательное перемещение вниз относительно неподвижной шлицевой втулки 195, поскольку выступы 235 выровнены с длинными пазами 230 и пазами 172. Длинные пазы 230 и пазы 172 перемещаются вокруг шлицев 198, пока клапанный поршень 170 не достигнет положения в шлицевой втулке 195, показанного на Фиг.13, в котором выступ 178 клапанного поршня (Фиг.4, 9 и 12) контактирует с выступом 164 сердечника клапана, обеспечивая предельный упор клапанного поршня 170 в сердечник 160. Это положение делительного устройства 165 соответствует перепускному положению многоциклового циркуляционного переводника 105, показанному на Фиг.12.
Как показано на Фиг.12, когда многоцикловой циркуляционный проводник 105 принимает перепускное положение, шарик 245 продолжает блокировать поток бурового раствора через впускное отверстие 257 клапанного поршня 170. Кроме того, отверстия 260 внутреннего диаметра клапанного поршня 170 перемещаются ниже верхнего края сердечника 160 клапана таким образом, что сердечник 160 клапана теперь блокирует отверстия 260. Одновременно с этим отверстия 140 внешнего диаметра корпуса 150 клапана открываются для потока текучей среды, проходящей вокруг шарика 245, за счет смещения вниз клапанного поршня 170. За счет блокирования впускного отверстия 257, ведущего к клапанному поршню 170, при помощи шарика 245 и блокирования отверстий 260 сердечником 160 клапана буровой раствор проходит вокруг шарика 245 и отклоняется от траектории 130 к траектории 132 через отверстия 140 в кольцевой зазор 145 ствола скважины в обход нижнего переводника 120 и любых элементов, расположенных в скважине ниже нижнего переводника 120.
Для восстановления расхода бурового потока по траектории 130 через расходное отверстие 135 многоциклового циркуляционного переводника 105 производится прерывание расхода бурового раствора для обеспечения переустановки делительного устройства 165, как описано выше, в положение, приведенное на Фиг.8. После переустановки делительного устройства 165 производится возобновление расхода бурового потока для поворота делительного устройства 165 и фиксации в проходном положении (см. Фиг.10) и перевода многоциклового циркуляционного переводника 105 в проходное положение (см. Фиг.9), что вызывает поступательное перемещение клапанного поршня 170 относительно сердечника 160 клапана таким образом, что отверстия 260 внутреннего диаметра больше не блокируются сердечником 160 клапана, а отверстия 140 больше не являются открытыми. Буровой раствор затем движется по траектории 130/136 через многоцикловой циркуляционный переводник 105 к нижнему переводнику 120.
Через некоторый интервал времени может потребоваться повторное отклонение бурового раствора от траектории 130 через многоцикловой циркуляционный переводник 105 по траектории 132 через отверстия 140 корпуса 150 клапана в кольцевой зазор 145 ствола скважины. Вновь производится прекращение расхода бурового раствора для обеспечения перевода делительного устройства 165 в положение, показанное на Фиг.11. После переустановки делительного устройства возобновляется подача бурового раствора для поворота делительного устройства 165 и фиксации его в перепускном положении (см. Фиг.13) и перевода многоциклового циркуляционного переводника 105 в перепускное положение (см. Фиг.12), что вызывает перемещение клапанного поршня 170 относительно сердечника 160 клапана таким образом, что отверстия 260 внутреннего диаметра блокируются сердечником 160 клапана, а отверстия 140 внешнего диаметра корпуса 150 клапана открываются. Затем производится отклонение бурового раствора от траектории 130 к траектории 132 через отверстия 140 внешнего диаметра в кольцевой зазор 145 ствола скважины.
При перемещениях в описанных вариантах осуществления изобретения делительное зубчатое кольцо 180 выполняет несколько функций. В положениях переустановки, таких как показанные на Фиг.8 и 11, делительное зубчатое кольцо 180 не допускает поворота клапанного поршня 170 за счет того, что шлицы 198 постоянно взаимодействуют с пазами делительного зубчатого кольца 180, а зубья делительного зубчатого кольца 180 взаимодействуют со скошенными поверхностями делительного кольца 175. Кроме того, делительное зубчатое кольцо 180 смещает делительное кольцо 175 в следующее положение при возврате делительного кольца 175 под действием усилия малой пружины 190. В некоторых вариантах осуществления изобретения делительное зубчатое кольцо 180 может удерживаться от поворота или осевого перемещения при помощи винтов с головкой. Осевое усилие, прикладываемое к делительному зубчатому кольцу 180, может восприниматься уступом делительного зубчатого кольца 180, а противоположное осевое усилие от большой пружины 185 противодействует этому усилию и перемещает делительное зубчатое кольцо 180 в сторону клапанного поршня 170, за счет чего винты с головкой подвергаются малой суммарной осевой нагрузке.
Как описано выше, многоцикловой циркуляционный переводник 105 может выборочно переводиться либо в проходное положение, либо в перепускное положение за счет прерывания и возобновления расхода бурового раствора к многоцикловому циркуляционному переводнику 105. Кроме того, многоцикловой циркуляционный переводник 105 может таким образом переводиться в разные положения неограниченное число раз без необходимости возврата инструмента на поверхность. Это позволяет существенно снизить временные и стоимостные затраты при проведении операций со стволом скважины, в которых используется многоцикловой циркуляционный переводник 105, по сравнению с затратами, возникающими при проведении операций с использованием традиционных циркуляционных переводников.
В приведенных в качестве примеров вариантах осуществления многоциклового циркуляционного переводника 105, показанных на Фиг.1-13, многоцикловой циркуляционный переводник 105 выполнен с возможностью перевода в одно из двух положений после переключения при помощи делительного устройства. Однако в других вариантах осуществления изобретения многоцикловой циркуляционный переводник 105 может принимать три или большее число положений после переключения за счет включения дополнительных пазов переменной длины по периметру делительного кольца 175 делительного устройства 165.
В вариантах осуществления многоциклового циркуляционного переводника 105, показанных на Фиг.1-13, многоцикловой циркуляционный переводник 105 может приводиться в требуемое положение за счет приложения силы давления бурового раствора. Однако в других вариантах осуществления изобретения многоцикловой циркуляционный переводник 105 может приводиться при помощи механических средств, включающих, например, трос, физически соединенный с клапанным поршнем 170, конфигурация которого обеспечивает требуемое перемещение поршня 170. В альтернативном варианте клапанный поршень может воспринимать повышенную механическую нагрузку, такую как нагрузка от сброса тяжелого стержня на верхнюю часть клапанного поршня. Прочие средства привода многоциклового циркуляционного переводника 105 и делительного устройства, описанные в данном документе, могут применяться в различных вариантах осуществления изобретения.
Варианты осуществления изобретения, описанные в данном документе, могут применяться в средах, включающих текучие среды с потерянным циркуляционным материалом. Например, расположение отверстий 260 внутреннего диаметра и отверстий 140 внешнего диаметра исключает образование участков стагнации потока из-за наличия каких-либо избыточных зазоров, в результате которого может происходить сбор частиц и засорение инструмента. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения делительное устройство 165 располагается в масляной камере. Как показано на Фиг.4, масляная камера проходит от участка между отверстиями 140 внешнего диаметра и точкой 174 вниз к плавающему поршню 155, показанному на Фиг.5, и окружает делительное устройство 165, в том числе и пружины 185, 190. Делительное устройство 165 не подвергается воздействию текучих сред скважины. В результате внутренние элементы многоциклового циркуляционного переводника 105 могут находиться в гидростатическом равновесии, а также быть в равновесии по отношению к перепаду давлений, что позволяет многоцикловому циркуляционному переводнику 105 менять положение только при достижении заданного расхода потока.
Хотя были показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалист в данной области техники может произвести их модификацию, не выходящую за пределы объема или положений данного документа. Варианты, описанные в данном документе, носят исключительно иллюстративный характер и не являются ограничивающими. Возможно выполнение различных вариантов и модификаций системы и устройства, которые находятся в пределах объема изобретения. Соответственно объем защиты не ограничивается вариантам осуществления изобретения, описанными в данном документе, а ограничивается только формулой изобретения, приведенной ниже, объем которой включает все эквиваленты предмета формулы изобретения.
Реферат
Группа изобретений относится в основном к устройству и способу для выборочной подачи текучей среды в ствол скважины. Обеспечивает выборочную циркуляцию текучей среды внутри ствола скважины, возможность непрерывного привода клапана, уменьшение хода клапана. Скважинный циркуляционный переводник или клапан включает трубчатый корпус, имеющий внешнее отверстие, и клапанный поршень, установленный с возможностью скольжения внутри корпуса. Первичная траектория движения текучей среды проходит через внутреннее расходное отверстие корпуса и клапанный поршень. В первом положении клапанный поршень перекрывает внешнее отверстие для разрыва связи текучей средой между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором ствола скважины. Во втором положении клапанный поршень перемещается для блокирования внутреннего расходного отверстия и соединения внешнего отверстия с внутренним отверстием и установления связи текучей средой между внутренним расходным отверстием и кольцевым зазором скважины. Делительный механизм закреплен между корпусом и клапанным поршнем для направления перемещений клапанного поршня между первым и вторым положениями. В вариантах осуществления делительный механизм содержит поворотный элемент. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 13 ил.
