СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАСШИРЕННОЙ ЧАСТИ ТРУБНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2012 года по МПК E21B43/10 B21D39/08 

Настоящее изобретение относится к расширению труб в скважине и, более конкретно, к двухэтапному расширению для формирования расширенной части, так что одна колонна может быть расширена в другой для формирования одноствольной компоновки, и, еще более конкретно, к выполнению такой операции за один проход в направлении нижней части скважины.

Одноствольное заканчивание позволяет получить постоянный диаметр скважины, используя технологию расширения труб, осуществляемую с поверхности. Обычно колонна имеет расширенную часть на ее нижнем конце, определяющую участок увеличенного диаметра колонны. Когда одна такая колонна фиксируется в нужном положении, вторая колонна опускается сквозь нее в скважину, и верхний конец второй колонны выравнивается с расширенной частью нижнего конца первой колонны. После этого применяется труборасширитель (экспандер) для получения внутреннего диаметра второй колонны, примерно равного внутреннему диаметру верхней колонны. Колонны прикрепляются друг к другу в зоне расширенной части верхней колонны. Поскольку на нижнем конце верхней колонны имеется расширенная часть, то после установки нижней колонны не происходит уменьшение внутреннего диаметра собранной компоновки колонн.

Один из вариантов создания такой компоновки включает: установку расширенной части на нижнем конце верхней колонны, расширение верхней колонны в расширенную часть, установку нижней колонны в положение рядом с расширенной частью верхней колонны и расширение нижней колонны. В другом способе расширенная часть формируется в скважине. Одна такая технология, раскрытая в статье Fischer и Snyder, опубликованной в World Oil, 2005, июль, предусматривает формирование расширенной части на нижнем конце и продолжение расширения обсадной колонны в направлении поверхности. При такой технологии расширяемая труба подвергается сжатию, в результате чего при расширении возникает опасность коробления. Требуется же то, что не обеспечивается вышеуказанной технологией, а именно: необходимо выполнение расширения сверху донизу и простая технология перехода между оправками после расширения трубы, так чтобы после этого можно было сформировать расширенную часть. Это более сложная задача, чем расширение снизу вверх, поскольку при расширении сверху вниз необходимо внутри расширенной трубы переходить к оправке большего размера для дополнительного формирования расширенной части на нижнем конце трубы. Изобретение также содержит техническое решение, обеспечивающее запирание (блокировку) оправки большего размера до того момента, когда необходимо будет формировать расширенную часть. Также обеспечивается возможность экстренного освобождения расширяющего устройства, если оно не сможет продвинуться вниз до конца и его необходимо будет поднять на поверхность. Эти и другие достоинства и преимущества настоящего изобретения будут более ясными для специалистов в данной области техники после ознакомления с описанием предпочтительного варианта осуществления изобретения и с прилагаемыми чертежами, и при этом следует иметь в виду, что полный объем изобретения определяется его формулой.

Настоящее изобретение обеспечивает способ расширения трубы сверху донизу за один проход с формированием дополнительно на ее нижнем конце расширенной части с использованием двух расширяющих оправок, имеющих разные размеры. Оправка, имеющая меньшие размеры, пропускается вниз по трубе в скважине, и при этом находящаяся сзади оправка, имеющая большие размеры, заблокирована и находится в сложенном состоянии. При достижении соответствующей глубины передняя оправка упирается в неподвижный или подвижный ограничитель. Когда кулачки-упоры зафиксированы в канавке, прилагается подъемная сила, освобождающая заднюю оправку, имеющую больший размер, и в этот момент подается давление, которое приводит в действие якорь и раздвигает оправку, имеющую больший размер, для формирования дополнительной расширенной части на нижнем конце трубы. Экстренное освобождение расширяющего устройства в том случае, когда оправка не обеспечивает выполнения задачи, происходит при вытягивании устройства.

Соответственно, в общем случае в настоящем изобретении предлагается способ формирования расширенной части на нижнем конце трубной колонны для введения в нее другой колонны, которая расширяется в этой расширенной части, при осуществлении которого:

опускают расширяющее устройство в колонну,

используют переднюю оправку для расширения колонны, по мере того как устройство продвигается в колонне,

освобождают заднюю оправку после выполнения расширения с использование передней оправки и

продолжают расширение колонны задней оправкой до большего размера, по сравнению с расширением передней оправкой, для формирования расширенной части на нижнем конце колонны.

В частных вариантах осуществления способа обеспечивают запирание задней оправки в положении, где она имеет меньший размер по сравнению с размером передней оправки, когда передняя оправка выполняет основное расширение трубной колонны. При этом осуществляют разблокировку задней оправки для изменения ее размера после выполнения основного расширения трубной колонны, для чего обеспечивают выборочное сцепление расширяющего устройства с трубной колонной для выполнения указанной разблокировки. Также осуществляют приложение силы к расширяющему устройству, когда оно сцеплено с трубной колонной, за счет чего нарушают фиксирующее соединение задней оправки с переводником. Причем освобождают фиксатор путем изменения его размера в радиальном направлении, в частности, посредством продвижения элемента с наклонной поверхностью с упором в фиксатор. В качестве указанного фиксатора может использоваться разрезное кольцо с зубцами по меньшей мере на внутренней поверхности, причем выводят эти зубцы из положения фиксации путем продвижения элемента с наклонной поверхностью внутри разрезного кольца. И осуществляют приложение силы к задней оправке после разблокировки для увеличения ее размера, так чтобы он превышал размер передней оправки.

В одном из вариантов используют подвижный ограничитель в трубной колонне для обеспечения сигнала на поверхности о том, что передняя оправка приблизилась к той части трубной колонны, в которой должно быть зафиксировано расширяющее устройство. Также обеспечивают в колонне углубление для подпружиненной муфты на расширяющем устройстве для его выборочного зацепления и обеспечивают разрушение по меньшей мере одного срезного штифта путем приложения силы к указанной муфте, когда она удерживается трубной колонной. Причем осуществляют относительное перемещение путем разрушения срезного штифта, в результате чего освобождается задняя оправка для изменения ее размера в радиальном направлении так, чтобы он превышал соответствующий размер передней оправки. А впереди передней оправки используют расширяющий элемент с постоянным диаметром.

В еще одном из вариантов снижают сопротивление расширению путем предварительного перемещения упомянутого ограничителя.

Степень увеличения внутреннего диаметра расширенной части может быть уменьшена путем предварительного перемещения упомянутого ограничителя.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид сечения, на котором показана передняя оправка в зафиксированном положении (на ограничителе);

на фиг.2 - вид, аналогичный виду на фиг.1, отличающийся тем, что кулачки-упоры упираются в выступ ограничителя;

на фиг.3 - вид, аналогичный виду на фиг.2, отличающийся тем, что срезные винты срезаны, в результате чего возможно движение оправок относительно друг друга;

на фиг.4 - вид, аналогичный виду на фиг.3, отличающийся тем, что передняя оправка опирается на ограничитель, и задняя (следующая за передней) оправка разблокируется, чтобы можно было увеличить ее размер под действием давления, поданного в колонну;

на фиг.5 - вид, аналогичный виду на фиг.4, отличающийся тем, что задняя оправка включена для формирования расширенной части;

на фиг.6 - вид, аналогичный виду на фиг.5, отличающийся тем, что расширяющее устройство находится в положении экстренного освобождения, в котором задняя оправка сложена;

на фиг.7 - вид в перспективе запорного механизма задней оправки в положении, когда расширение выполняется передней оправкой;

на фиг.8 - вид, аналогичный виду на фиг.7, отличающийся тем, что запорный механизм освобожден, так что задняя оправка может быть раскрыта до ее полного размера под действием давлением, которое продвигает ее дальше в направлении низа скважины;

на фиг.9 - вид части сечения, на котором показан зафиксированный освобождаемый ограничитель до его взаимодействия с расширяющим устройством;

на фиг.10 - вид, аналогичный виду на фиг.9, отличающийся тем, что освобождаемый ограничитель взаимодействует с расширяющим устройством;

на фиг.11 - вид, аналогичный виду фиг.10, отличающийся тем, что освобождаемый ограничитель удерживается снизу (непосредственно перед его освобождением);

на фиг.12 - вид, аналогичный виду фиг.11, отличающийся тем, что освобождаемый ограничитель полностью свободен;

на фиг.13 - вид в перспективе некоторых элементов освобождаемого ограничителя, на котором виды положения разрезных колец, когда ограничитель удерживается на месте;

на фиг.14 - вид, аналогичный виду фиг.13, отличающийся тем, что разрезные кольца сжаты для освобождения освобождаемого ограничителя.

На фиг.1 показано положение элементов для начального расширения трубы 10 сверху вниз. Труба 10 предпочтительно имеет расширенную часть 12 ниже ограничителя 14. Назначением ограничителя 14 является обеспечение заблаговременного сигнала на поверхности о том, что передняя неподвижная коническая щека 16 подходит к ограничителю 14. На фиг.1 показан переводник 18, на который опираются кулачки-упоры 20 с возможностью перемещения, преодолевая силу сжатия пружины 22. Когда кулачки-упоры 20 в процессе их движения в направлении нижней части скважины входят в зацепление с ограничителем 14, переводник 18 продолжает движение, сжимая пружину 22 и открывая канавку (углубление) 24, противолежащую кулачкам-упорам 20, так что они могут отойти внутрь в радиальном направлении и выйти из зацепления с ограничителем 14, и в этот момент пружина 22 выталкивает кулачки-упоры из канавки 24, так что они снова отходят наружу в радиальном направлении на достаточное расстояние, чтобы попасть в расширенную часть 12, как показано на фиг.2, когда устройство (узел А) снова поднимают.

Ниже описываются компоненты узла А устройства. Передняя коническая щека 16 предпочтительно неподвижна (см. фиг.2). Оправка 26 с изменяющимся диаметром содержит чередующиеся сегменты 28, из которых на сечении виден только один сегмент, поскольку все сегменты выровнены в продольном направлении. Каждый сегмент 28 имеет нижний фиксатор 30, который соединен с неподвижной конической щекой 16. Другие сегменты, которые не видны на сечении, имеют верхние фиксаторы 32, которые все вместе прижимаются внутрь кольцом 34, когда якорь и связанный с ним регулятор хода (не показаны) продвигают переводник 18 в направлении низа скважины. Это происходит при захвате якорем, в то время как давление толкает регулятор хода для продвижения блока оправки. Поскольку фиксаторы 30 и 32 сдвигаются друг к другу под действием силы, направленной к низу скважины, сегменты оправки 26 выравниваются в продольном направлении и создают непрерывную кольцевую расширяющую поверхность 36, которая осуществляет расширение трубы 10.

Выше передней оправки 26 с изменяющимся диаметром расположена оправка 38 большего размера, которая имеет конструкцию, аналогичную конструкции оправки 26, и показана в положении меньшего диаметра. В положении, показанном на фиг.2, видно, что выступающие вершины 44 и 46 чередующихся сегментов 40 и 42 сдвинуты относительно друг друга в продольном направлении. Сегменты 40 имеют фиксаторы 48, прикрепленные к кольцу 50. Сегменты 42 имеют фиксаторы 52, прикрепленные к кольцу 34. Сегменты 40 могут быть выровнены с сегментами 42, если только это перемещение не заблокировано, как это будет объяснено ниже. Для начального расширения трубы 10 неподвижная коническая щека продвигается вперед, и усилие, создаваемое регулятором хода, который опирается на якорь (оба элемента не показаны), достаточно для того, чтобы сегменты 28 передней оправки 26 и чередующиеся с ними сегменты (не показаны) выровнялись, так что максимальный размер оправки 26 определяет степень начального расширения трубы 10.

В процессе этого начального расширения трубы 10 сегменты 40 и 42 заблокированы в положении, показанном на фиг.2. Разрезное кольцо 58 является стопорным кольцом. В процессе начального расширения трубы 10 кольцо 34 удерживается на месте, поскольку стопорное кольцо 58 передает нагрузку от муфты 56 (прикреплена к кольцу 34) непосредственно на муфту 52, в обход оправки большего размера.

Муфта 56 перемещает стопорное кольцо 58, которое удерживается в растянутом состоянии, пока оно не выравнивается с канавкой 60 на переводнике 18, в результате чего относительное перемещение, приведшее к этому выравниванию, блокируется (более подробно ниже). Запорный элемент в виде запорного кольца 62, в частности разрезного кольца, в положении, показанном на фиг.2, фиксирует муфту 56 относительно муфты 52, когда оправка 26 продвигается вперед для начального расширения трубы 10. Переводник 18 имеет некоторый свободный ход (люфт), который лучше всего иллюстрируется на фиг.7 и 8. Запорное кольцо 62 вначале удерживает вместе муфты 56 и 52. Хотя фиг.7 и 8 имеют схематический характер, однако специалистам в данной области техники будет ясно, что кулачки-упоры 20, показанные на фиг.2, могут быть выполнены таким образом, чтобы они проходили сквозь окна 68 для зацепления с выступом 70, показанным на фиг.2. В результате такого зацепления элемент 66 будет удерживаться от движения вверх, в направлении поверхности, когда поднимают элемент 64. Элемент 64 так же, как и муфта 52 перемещается вместе с муфтой 56, показанной на фиг.2, в то время как элемент 66 является частью переводника 18, которая удерживается выступом 70. Элемент 64 снабжен прутьями 72, которые взаимодействуют с запорным кольцом 62 по его нижней поверхности, в результате чего в запорном кольце 62 остается сравнительно небольшой зазор 74. Прутья 72 разделены и расположены на длинных выступах 76, три из которых показаны на фиг.7. Длинные выступы 76 отходят от элемента 64 и перемещаются вместе с ним. Выступы 78 чередуются с выступами 76 и отходят от элемента 66, который остается неподвижным благодаря кулачкам-упорам 20, упирающимся в выступ 70, как показано на фиг.2. Выступы 78 имеют углубление 80, которое в начальном положении выровнено с прутьями 72. Рядом с углублением 80 расположена возвышенная часть 82, которая при относительном перемещении элементов 64 и 66 проходит под кольцом 62 и отжимает вверх прутья 72, как показано на фиг.8. В этом положении возможно изменение движения на обратное, поскольку кольцо 62 уже этому не препятствует, и в результате перемещения сегментов 40 и 42 происходит их выравнивание в продольном направлении, так что при продолжающемся расширении трубы 10 может формироваться расширенная часть 84 (см. фиг.5) в дополнение к уже выполненному расширению трубы 10.

Процесс расширения можно теперь лучше понять, последовательно просматривая фиг.1-5. Как показано на фиг.1, кулачки-упоры 20 проскочили за ограничитель 14, обеспечивая сигнал на поверхности о том, что они уже находятся в расширенной части 12, и что очень скоро неподвижная коническая щека 16 достигнет ограничителя 14. В этот момент дальнейшее расширение трубы оправкой 26 прекращается, и вся сборка вытягивается с поверхности вверх в положение, показанное на фиг.2, в котором кулачки-упоры упираются в выступ 70. При этом подъеме муфта 56 перемещается вверх относительно части переводника 18, удерживаемой кулачками-упорами 20. В результате срезной штифт 54 срезается, и стопорное кольцо 58 выравнивается с канавкой 60 и защелкивается в ней, препятствуя дальнейшему относительному движению в том или ином направлении. Это положение показано на фиг.3, на которой пружина 22 показана в растянутом состоянии. Это относительное движение, когда оно не было заблокировано стопорным кольцом 58, привело к тому, что возвышенные части 82 прошли под запорное кольцо 62, как показано на фиг.8, так что запорное кольцо 62 больше не взаимодействует с прутьями 72, находящимися под ним. Это положение показано также на фиг.3. На фиг.4 показано положение, в котором расширяющее устройство снова опускают, пока коническая щека 16 не упрется в ограничитель 14. С этого момента, когда активируются якорь и регулятор хода (оба элемента не показаны), возможно движение колец 50 и 34 относительно друг друга, так что сегменты 40 и 42 выравниваются для расширения трубы 10 до большего размера, чем это делает оправка 26, как показано на фиг.5. Поскольку возвышенные части 82 отделяют запорное кольцо 62 от прутьев 72, то теперь может быть приведена в действие оправка 38 для дальнейшего расширения трубы 10, в результате чего может быть сформирована расширенная часть 84. После достижения нижнего конца трубы 10 давление, удерживающее на месте якорь и приводящее в действие регулятор хода, стравливается, и в результате действия поднимающей силы оправки 38 и 26 удлиняются и сжимаются в радиальном направлении, так что устройство А может быть поднято на поверхность.

Если возникает необходимость в экстренном освобождении устройства (узла А), когда кулачки-упоры 20 еще находятся в расширенной части 12, то приложенная подъемная сила срезает срезное кольцо 86, в результате чего пружина 22 толкает кулачки-упоры 20 в канавку 88, и поскольку они больше не будут зацепляться за ограничитель 14, то устройство может быть поднято из скважины.

В то время как на фиг.1-8 показан неподвижный ограничитель 14, на фиг.9-14 иллюстрируется подвижная конструкция ограничителя. Ограничитель 14' имеет канавку 100, в которой сидит фиксирующее разрезное кольцо 102, имеющее два кольцевых выступа, которые могут входить под действием сил упругости кольца в соответствующие углубления 104 трубы 10'. Кольцо 102 фиксирует ограничитель 14', причем он фиксируется вместе с разрезным запорным кольцом 106 с прутьями 107, которые взаимодействуют с прутьями 108 на трубе 10', когда выступы 110 взаимодействуют с выступами 112. На фиг.9 показаны кулачки-упоры 20', приближающиеся к упорной поверхности 114. На фиг.10 показаны кулачки-упоры 20', проскочившие упорную поверхность 114, и скос 116, упирающийся в эту поверхность. Скос 116 в этом варианте находится немного впереди неподвижной конической щеки 16, показанной на фиг.1-8. На фиг.11 показана наклонная поверхность 120 кулачков-упоров 20', взаимодействующая с наклонной поверхностью 118 подвижного ограничителя 14'. Дальнейшее продвижение вверх в направлении поверхности кулачков-упоров 20' из положения, показанного на фиг.11, приводит к положению, показанному на фиг.12, где видно, что выступы 110 и 112 уже не выровнены. При этом главное, что выступ 110 попадает в канавку 122 и ограничитель 14' удерживается на выступе 120 для извлечения из трубы 10', как показано на фиг.12. На фиг.13 и 14 иллюстрируется относительное движение внутри ограничителя 14', которое запирает его в трубе 10' (фиг.13) или освобождает (фиг.14), а также предпочтительная форма разрезных колец 104 и 106.

В вышеприведенном описании рассмотрен предпочтительный вариант осуществления изобретения, и специалисты в данной области техники смогут предложить различные модификации этого варианта без выхода за пределы объема правовой охраны изобретения, который полностью определяется в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится с нефтегазовой промышленности, а именно к способам двухэтапного расширения труб в скважине. Опускают расширяющее устройство в колонну, имеющее переднюю и заднюю оправку. Используют переднюю оправку, имеющую меньший размер, для расширения колонны по мере того как устройство двигается в колонне. При достижении соответствующей глубины упирают переднюю оправку в ограничитель. При помощи кулачков-упоров, зафиксированных в канавке, прикладывая подъемную силу, разблокируют заднюю оправку, имеющую больший размер. Формируют задней оправкой дополнительную расширенную часть на нижнем конце трубы. Обеспечивает расширение трубы сверху донизу за один проход. 18 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ формирования расширенной части на нижнем конце трубной колонны для введения в нее другой колонны, которая расширяется в этой расширенной части, при осуществлении которого опускают расширяющее устройство в колонну, используют переднюю оправку для расширения колонны, по мере того как устройство продвигается в колонне, освобождают заднюю оправку после выполнения расширения с использование передней оправки и продолжают расширение колонны задней оправкой до большего размера, по сравнению с расширением передней оправкой, для формирования расширенной части на нижнем конце колонны.

2. Способ по п.1, в котором обеспечивают запирание задней оправки в положении, где она имеет меньший размер по сравнению с размером передней оправки, когда передняя оправка выполняет основное расширение трубной колонны.

3. Способ по п.2, в котором осуществляют разблокировку задней оправки для изменения ее размера после выполнения основного расширения трубной колонны.

4. Способ по п.3, в котором обеспечивают выборочное сцепление расширяющего устройства с трубной колонной для выполнения указанной разблокировки.

5. Способ по п.4, в котором осуществляют приложение силы к расширяющему устройству, когда оно сцеплено с трубной колонной.

6. Способ по п.5, в котором за счет приложения упомянутой силы нарушают фиксирующее соединение задней оправки с переводником.

7. Способ по п.6, в котором освобождают фиксатор путем изменения его размера в радиальном направлении.

8. Способ по п.7, в котором изменение размера фиксатора в радиальном направлении осуществляют посредством продвижения элемента с наклонной поверхностью с упором в фиксатор.

9. Способ по п.8, в котором в качестве указанного фиксатора используют разрезное кольцо.

10. Способ по п.9, в котором используют зубцы, по меньшей мере, на внутренней поверхности разрезного кольца, причем выводят эти зубцы из положения фиксации путем продвижения элемента с наклонной поверхностью, внутри разрезного кольца.

11. Способ по п.10, в котором осуществляют приложение силы к задней оправке после разблокировки для увеличения ее размера, так чтобы он превышал размер передней оправки.

12. Способ по п.4, в котором используют ограничитель в трубной колонне для обеспечения сигнала на поверхности о том, что передняя оправка приблизилась к той части трубной колонны, в которой должно быть зафиксировано расширяющее устройство.

13. Способ по п.12, в котором используют подвижный ограничитель.

14. Способ по п.12, в котором обеспечивают в колонне углубление для подпружиненной муфты на расширяющем устройстве для его выборочного зацепления.

15. Способ по п.14, в котором обеспечивают разрушение, по меньшей мере, одного срезного штифта путем приложения силы к указанной муфте, когда она удерживается трубной колонной.

16. Способ по п.15, в котором обеспечивают относительное перемещение путем разрушения срезного штифта, в результате чего освобождается задняя оправка для изменения ее размера в радиальном направлении так, чтобы он превышал соответствующий размер передней оправки.

17. Способ по п.16, в котором используют впереди передней оправки расширяющий элемент с постоянным диаметром.

18. Способ по п.13, в котором снижают сопротивление расширению путем предварительного перемещения упомянутого ограничителя.

19. Способ по п.13, в котором уменьшают степень увеличения внутреннего диаметра расширенной части путем предварительного перемещения упомянутого ограничителя.