Устройство для выполнения скважинной операции - RU2302511C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для выполнения скважинной операции в стволе скважины, образованном в пласте земли.

Скважинная операция может представлять собой любую операцию, при которой требуется выполнение определенного объема механической работы, такой как расширение скважинного трубчатого элемента или нагнетание выбранной текучей среды в ствол скважины. Были предложены различные системы для выполнения подобных операций, которые требуют управления такой приводной системой с поверхности, которое может быть усложнено из-за глубины, на которой должна быть выполнена операция.

В публикации WO-A-0146551 описано устройство для выполнения скважинной операции в стволе скважины, образованном в пласте земли, содержащее воздействующий элемент, выполненный с возможностью смещения его из первого положения во второе положение за счет действия на его наружную поверхность заданного увеличения давления текучей среды и способный временно удерживаться в первом положении, и инструмент, выполненный с возможностью смещения его посредством воздействующего элемента для выполнения скважинной операции при смещении воздействующего элемента из его первого положения в его второе положение.

Целью настоящего изобретения является создание простого в управлении устройства для выполнения скважинной операции в стволе скважины.

В соответствии с изобретением разработано устройство для выполнения скважинной операции в стволе скважины, образованном в пласте земли, содержащее воздействующий элемент, выполненный с возможностью смещения его из первого положения во второе положение за счет действия заданного увеличения давления текучей среды и способный временно удерживаться в первом положении, и инструмент, выполненный с возможностью перемещения его посредством воздействующего элемента для выполнения скважинной операции при смещении воздействующего элемента из первого положения во второе положение. Согласно изобретению воздействующий элемент включает резервуар, содержащий газ, имеющий внутренний объем при его первом положении, превышающий его внутренний объем при втором положении, и при первом положении давления газа в резервуаре меньше, чем давление текучей среды в стволе скважины на глубине, предназначенной для выполнения скважинной операции, при этом воздействующий элемент выполнен с возможностью вывода его из первого положения за счет действия на его наружную поверхность заданного увеличения давления текучей среды.

Поскольку давление текучей среды в стволе скважины увеличивается с увеличением глубины известным образом, устройство может быть точно спроектировано для выполнения операции на требуемой глубине, при этом необходимая механическая работа может быть выполнена, например, за счет перепада давлений между наружной частью и внутренней частью устройства. В этом случае давление во внутренней части устройства может быть создано на поверхности перед спуском устройства в ствол скважины.

При первом положении воздействующего элемента давление газа в резервуаре может быть, по существу, равно атмосферному давлению.

Резервуар может быть образован конструкцией, состоящей из цилиндра и поршня, при этом поршень может быть выполнен с возможностью смещения в аксиальном направлении в цилиндре, и воздействующий элемент может быть выполнен с возможностью смещения из его первого положения в его второе положение при смещении поршня в цилиндр.

Устройство может быть предназначено для расширения трубчатого элемента в стволе скважины, и инструмент может представлять собой расширитель, выполненный с возможностью смещения в аксиальном направлении через трубчатый элемент под действием воздействующего элемента при смещении воздействующего элемента из его первого положения в его второе положение.

Поршень может быть присоединен к расширителю, так что смещение поршня в цилиндр приводит к смещению расширителя в аксиальном направлении через трубчатый элемент.

Расширитель может быть выполнен с возможностью смещения в аксиальном направлении через концевую часть трубчатого элемента под действием воздействующего элемента при его смещении из первого положения в его второе положение.

Трубчатый элемент может представлять собой мостовую пробку, выполненную с возможностью закупоривания ствола скважины при смещении расширителя в аксиальном направлении через трубчатый элемент под действием воздействующего элемента.

В трубчатом элементе может быть размещено, по меньшей мере, одно кольцо расширителя, имеющее центральное отверстие, и расширитель выполнен с возможностью прохода через центральное отверстие при аксиальном смещении расширителя через трубчатый элемент, в результате чего расширитель обеспечивает расширение кольца расширителя.

Устройство может быть предназначено для нагнетания текучей смеси в ствол скважины, и инструмент может представлять собой инжектор, выполненный с возможностью выпуска текучей смеси под давлением в ствол скважины при смещении воздействующего элемента из первого положения во второе положение.

Изобретение будет описано ниже более подробно в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематично показывает продольное сечение первого варианта осуществления устройства согласно изобретению;

фиг.2 схематично показывает продольное сечение второго варианта осуществления устройства согласно изобретению;

фиг.3А схематично показывает продольное сечение третьего варианта осуществления устройства согласно изобретению, включающего мостовую пробку перед его расширением в радиальном направлении;

фиг.3В схематично показывает третий вариант осуществления с мостовой пробкой после его расширения в радиальном направлении;

фиг.4 схематично показывает продольное сечение четвертого варианта осуществления устройства согласно изобретению.

На фиг.1 показан ствол 1 скважины, образованный в пласте 2 земли и заполненный соответствующей текучей средой, предназначенной для ствола скважины (например, буровым раствором). Трубчатый элемент в виде обсадной трубы 4 проходит в ствол 1 скважины, при этом обсадная труба 4 выполнена с возможностью расширения ее в радиальном направлении. Расширитель 6, имеющий коническую часть 6а, предназначенную для расширения нижней части обсадной трубы 4, расположен ниже нижнего конца обсадной трубы 4. Расширитель 6 выполнен со сквозным отверстием 7, которое обеспечивает сообщение по текучей среде между противоположными концами расширителя 6. Воздействующий элемент 8 расположен внутри обсадной трубы 4 на небольшом расстоянии от расширителя 6 над ним и неподвижно присоединен к обсадной трубе 4 посредством отсоединяемого фиксирующего средства 10. Воздействующий элемент 8 включает конструкцию 12, состоящую из цилиндра 14 и поршня 16, при этом цилиндр 14 закрыт со стороны его верхнего конца торцевой стенкой 18. Поршень 16 выполнен с возможностью смещения в аксиальном направлении через цилиндр 14 и присоединен к расширителю 6 посредством отсоединяемой соединительной тяги 20. Временное ограничение смещения поршня 16 в аксиальном направлении в цилиндре 14 обеспечивается посредством срезных штифтов 22, которые предназначены для срезания их при заданном перепаде давлений на поршне 16. Пространство 24, ограниченное цилиндром 14, торцевой стенкой 18 и поршнем 16, заполнено газом (например, воздухом), находящимся под атмосферным давлением. Вышеуказанный перепад давлений, при котором происходит срезание срезных штифтов 22, выбран равным разнице между атмосферным давлением и давлением рабочей жидкости в стволе 1 скважины на той глубине, на которой нижняя часть обсадной трубы должна быть расширена.

Во время нормальной работы обсадную трубу 4 вместе с воздействующим элементом 8, расположенным в ней, и расширителем, подвешенным под обсадной трубой 4 с помощью соединительной тяги 20, спускают в ствол 1 скважины. По мере опускания обсадной трубы 4 перепад давлений на поршне 16 увеличивается вследствие увеличивающегося давления рабочей жидкости в стволе 1 скважины. В связи с этим следует отметить, что сквозное отверстие обеспечивает сообщение по текучей среде между текучей средой в стволе скважины и наружной поверхностью поршня 16. Когда нижней конец обсадной трубы 4 достигнет заданной глубины, перепад давлений на поршне 16 станет равным заданному перепаду давлений, так что произойдет срезание срезных штифтов 22, и вследствие этого поршень 16 будет смещаться в аксиальном направлении в цилиндр 14. За счет этого смещения поршень 16 обеспечит втягивание расширителя 6 в нижнюю концевую часть обсадной трубы 4, в результате чего произойдет расширение нижней части обсадной трубы в радиальном направлении. После этого обеспечивают расфиксацию и отсоединение фиксирующего средства 10 воздействующего элемента 8, отсоединение соединительной тяги 20 от расширителя 6 и подъем воздействующего элемента 8 и соединительной тяги 20 вверх через обсадную трубу 4. При желании обсадная труба 4 может быть после этого дополнительно расширена любым пригодным образом.

На фиг.2 показана расширяемая трубчатая пробка 30, расположенная в стволе 32 скважины, образованном в пласте 34 земли, при этом ствол 32 заполнен буровым раствором. Пробка 30 закрыта со стороны ее верхнего конца торцевой стенкой 36, а на ее нижнем конце предусмотрена с расширителем 37, имеющим коническую часть 38, предназначенную для расширения пробки при смещении расширителя 37 в аксиальном направлении внутрь в трубчатую пробку 30. Временное ограничение смещения расширителя 37 в аксиальном направлении в пробке 30 обеспечивается посредством срезных штифтов 39, которые предназначены для срезания их при заданном перепаде давлений на расширителе 37. Пространство 40 ограничено трубчатой пробкой 30, торцевой стенкой 36 и расширителем 37, при этом указанное пространство заполнено воздухом, находящимся под атмосферным давлением. Перепад давлений, при котором происходит срезание срезных штифтов 39, равен разнице между атмосферным давлением и давлением рабочей жидкости в стволе 32 скважины на той глубине, на которой пробка 30 должна быть расширена.

Во время нормальной работы трубчатую пробку 30 спускают в ствол 32 скважины вместе с расширителем 37, присоединенным к ней в показанном положении. По мере опускания пробки 30 перепад давлений на расширителе 37 увеличивается вследствие увеличивающегося давления рабочей жидкости в стволе 32 скважины. Когда трубчатая пробка 30 достигнет заданной глубины, перепад давлений на расширителе 37 станет равным заданному перепаду давлений, так что произойдет срезание срезных штифтов 39. Вследствие этого расширитель 37 будет смещаться в аксиальном направлении в трубчатую пробку 30 за счет аксиального перепада давлений на расширителе 37. В результате этого расширитель 37 обеспечит расширение пробки 30 до стенки ствола 32 скважины с тем, чтобы изолировать друг от друга участки ствола скважины, расположенные над и под расширенной пробкой 30.

На фиг.3А показана другая расширяемая трубчатая пробка 40, расположенная в стволе скважины (непоказанном), образованном в пласте земли, при этом указанный ствол скважины заполнен соответствующей текучей средой, предназначенной для ствола скважины. Пробка 40 закрыта со стороны ее переднего конца торцевой стенкой 42, и внутри пробки 40 предусмотрен расширитель 44, имеющий следующие последовательно расположенные части:

переднюю часть 46 с уменьшенным диаметром, первую коническую часть 47, первую цилиндрическую часть 48, промежуточную часть 49 с уменьшенным диаметром, вторую коническую часть 50 и вторую цилиндрическую часть 51. Первая и вторая цилиндрические части 48, 51 имеют диаметр, который немного меньше внутреннего диаметра трубчатой пробки 40, и уплотнены относительно внутренней поверхности трубчатой пробки 40 с помощью соответствующих уплотнений (непоказанных). Внутри пробки предусмотрены два расширяемых кольца 53, 55 (например, изготовленные из эластомера), неподвижно присоединенных к внутренней поверхности пробки 40, при этом кольцо 53 проходит вокруг передней части 46 расширителя 44, а кольцо 55 проходит вокруг промежуточной части 49 расширителя 44. Кольцо 53 имеет на стороне, обращенной к конической части 47, коническую поверхность 57, сопрягаемую с конической поверхностью части 47. Аналогичным образом кольцо 55 имеет на стороне, обращенной к конической части 50, коническую поверхность 59, сопрягаемую с конической поверхностью части 50. Направляющее кольцо 60, предназначенное для направления передней части 46 через него, неподвижно установлено в передней концевой части пробки 40. Пространство 62, заполненное воздухом, находящимся под атмосферным давлением, ограничено трубчатой пробкой 40, торцевой стенкой 42 и передней частью 46 расширителя. Узел, состоящий из трубчатой пробки 40, колец 53, 55 и расширителя 44, выполнен таким образом, что расширитель смещается в аксиальном направлении внутрь в трубчатую пробку 40 (и тем самым расширяет кольца 53, 55 и части пробки 40, расположенные напротив указанных колец), когда перепад давлений на расширителе 44 станет равным разнице между атмосферным давлением и давлением рабочей жидкости в стволе скважины на той глубине, на которой должна быть расширена пробка 40.

Как показано далее на фиг.3В, во время нормальной работы трубчатую пробку 40 спускают в ствол скважины вместе с расширителем 44, расположенным в ней. По мере опускания пробки 40 перепад давлений на расширителе 44 увеличивается вследствие увеличивающегося давления рабочей жидкости в стволе скважины. Когда трубчатая пробка 40 достигнет заданной глубины, перепад давлений на расширителе 44 станет равным перепаду давлений, необходимому для смещения расширителя 44 в аксиальном направлении внутрь в пробку 40. Вследствие этого расширитель 44 будет смещаться в аксиальном направлении внутрь в пробку 40 и тем самым обеспечит расширение колец 53, 55 и частей пробки 40, расположенных напротив колец, до стенки ствола скважины, так что участки ствола скважины, находящиеся над и под расширенной пробкой 40, станут изолированными друг от друга. Пробка 40 и расширитель 44 после процесса расширения показаны на фиг.3В.

На фиг.4 показан другой вариант осуществления устройства по изобретению, используемый для нагнетания химического соединения в ствол скважины (непоказанный). Устройство включает в себя узел 70, состоящий из цилиндра 72 и поршня 71, при этом поршень 71 выполнен с возможностью смещения в аксиальном направлении через цилиндр 72. Поршень 71 имеет часть 74 с большим диаметром, расположенную в соответствующей части 76 цилиндра 72, выполненной с большим внутренним диаметром, и часть 78 с малым диаметром, проходящую частично в соответствующую часть 80 цилиндра 72, выполненную с соответствующим небольшим внутренним диаметром. Части 76, 80 цилиндра, выполненные с большим и малым диаметром, имеют длину, достаточную для обеспечения возможности перемещения поршня 71 на заданное расстояние внутрь в цилиндр 72. Часть 80 цилиндра 72, выполненная с малым внутренним диаметром, имеет торцевую стенку 81, выполненную с соплом 81а. Предусмотрены соответствующие уплотнения 82, 84, предназначенные для уплотнения частей 74, 78 поршня относительно соответствующих частей 76, 80 цилиндра. Кроме того, временное ограничение смещения поршня 71 в цилиндре 72 обеспечивается посредством срезных штифтов 86, которые предназначены для срезания их при заданном перепаде давлений на поршне 71. Между частью 78 поршня 71, выполненной с малым диаметром, и внутренней поверхностью части 76 цилиндра 72, выполненной с большим диаметром, образовано кольцевое пространство 88, которое заполнено воздухом, находящимся под атмосферным давлением. Камера 90 для текучей среды, заполненная выбранным химическим соединением (например, ускорителем схватывания цементного раствора), образована в части 80 цилиндра 72, выполненной с малым внутренним диаметром, между поршнем 71 и торцевой стенкой 81. Перепад давлений на поршне 71, при котором происходит срезание срезных штифтов 86, выбран таким, чтобы срезание происходило, когда разница между давлением рабочей жидкости в стволе скважины и атмосферным давлением станет равной заданному перепаду давлений на поршне 71.

Во время нормальной работы узел 70, состоящий из поршня и цилиндра, спускают в ствол скважины. По мере опускания перепад давлений на поршне 71 увеличивается вследствие увеличивающегося давления рабочей жидкости в стволе скважины. Когда узел 70 достигнет заданной глубины, перепад давлений на поршне 71 станет равным заданному перепаду давлений, так что произойдет срезание срезных штифтов 86. Вследствие этого поршень 71 будет смещаться в аксиальном направлении в цилиндр 72. За счет этого смещения часть 78 поршня 71, выполненная с малым диаметром, обеспечит выталкивание [подачу] химического соединения, содержащегося в камере 90, через сопло 81а в ствол скважины. В альтернативной конструкции (непоказанной) поршень может быть использован для выпуска различных соединений из различных контейнеров, при этом указанные соединения вступают в реакцию друг с другом при их смешивании друг с другом.

Из представленного выше подробного описания следует, что воздействующий элемент смещается из его первого положения в его второе положение за счет того, что устройство перемещается в то место в стволе скважины, в котором давление текучей среды благодаря гидростатическому или гидродинамическому напору жидкости имеет заданную величину. В альтернативной конструкции воздействующий элемент может быть настроен для перемещения из первого во второе положение при давлении текучей среды, которое несколько выше давления текучей среды, обусловленного гидростатическим или гидродинамическим напором. После спуска устройства на заданную глубину давление текучей среды в стволе скважины может быть увеличено с тем, чтобы привести в действие воздействующий элемент путем увеличения давления в стволе скважины с помощью средств на поверхности, например, путем закрытия противовыбросового превентора и приведения в действие насосов для нагнетания текучей среды.

Вместо использования срезных штифтов, подобных описанным выше, для расфиксации воздействующего элемента может быть использовано подпружиненное устройство, например такое подпружиненное устройство, какое используется в предохранительных клапанах.

Реферат

Изобретение относится к устройству для выполнения скважинной операции в стволе скважины, образованном в пласте земли. Устройство содержит воздействующий элемент, выполненный с возможностью смещения его из первого положения во второе положение за счет действия заданного увеличения давления текучей среды и способный временно удерживаться в первом положении, и инструмент, выполненный с возможностью смещения его посредством воздействующего элемента для выполнения скважинной операции при смещении воздействующего элемента из его первого положения в его второе положение. Воздействующий элемент включает резервуар, содержащий газ, имеющий внутренний объем при его первом положении, превышающий его внутренний объем при втором положении, и при первом положении давления газа в резервуаре меньше давления текучей среды в стволе скважины на глубине, предназначенной для выполнения скважинной операции, и выполнен с возможностью вывода его из первого положения за счет действия на его наружную поверхность заданного увеличения давления текучей среды. Обеспечивает упрощение управления выполнения скважинной операции в стволе скважины. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула