СИСТЕМА ЗАЦЕПЛЕНИЯ С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК E21B23/02 

Предпосылки создания

Многие типы связанных со скважинами операций относятся к зацеплению в скважине для фиксации инструмента в требуемой позиции во время скважинных операций. Одним способом для осуществления зацепления является применение статического трения. Сопрягаемые материалы выбираются с обеспечением больших коэффициентов трения при соприкосновении друг с другом. Примером устройства, которое использует статическое трение для поддержания большой силы, является усиленный пластинами надувной пакер. Усиленный пластинами надувной пакер сконструирован из внутреннего, надувного элемента, покрытого металлическими усиливающими пластинами. Когда внутренний элемент надувается, металлические пластины давят на внутреннюю поверхность трубы, в которой размещен пакер. Трение между пластинами и трубой обеспечивает сцепление, требуемое для закрепления пакера.

В других скважинных применениях пакеры применяются при завершении скважин и включают в себя клиновые захваты, которые вдавливаются в стенку обсадной колонны клиньями. Клиновые захваты имеют острые гребни, специально предназначенные для внедрения в поверхность обсадной колонны скважины для лучшего зацепления. В других конструкциях плашки включают в себя очень твердые материалы, которые вдавливают острые элементы в стенку обсадной колонны для зацепления. Однако использование таких устройств приводит к ослаблению стенки обсадной колонны, создавая высокие концентрации напряжений, при которых стенка обсадной колонны деформируется острыми элементами плашек пакера. Острые элементы и высокие концентрации напряжений также приводят к созданию областей, которые быстро приводят к коррозии.

Сущность изобретения

В основном, настоящее изобретение обеспечивает систему и способ для обеспечения сцепления с зацепляемой поверхностью компонента скважины без создания концентраций высоких напряжений, которые ослабляют компонент скважины. Крепежное устройство содержит крепежные элементы, которые являются подвижными между втянутой конфигурацией и выдвинутой конфигурацией. Крепежные элементы имеют поверхность зацепления, способную избирательно сцепляться с гладкой поверхностью компонента скважины в любом требуемом месте вдоль всего компонента скважины. Каждая поверхность зацепления выполнена для облегчения сцепления с одновременной минимизацией концентрации напряжения.

Краткое описание чертежей

Определенные варианты осуществления изобретения будут описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые элементы, и на которых изображено следующее:

фиг. 1 является схематичным видом спереди крепежной системы, размещенной в скважине, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 является схематическим видом спереди другой крепежной системы, размещенной в скважине, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 является ортогональным видом подушки зацепления, имеющей поверхность зацепления, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 4 является ортогональным видом одного варианта крепежного инструмента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 является видом сечения одного варианта крепежного инструмента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 6 является видом сбоку подушки зацепления, которая может быть использована с крепежным инструментом, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 7 является ортогональным видом подушки зацепления, проиллюстрированной на фиг. 6, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 8 является ортогональным видом подвижного элемента, имеющего подушку зацепления, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 9 является ортогональным видом подушки зацепления, в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения; и

фиг. 10 иллюстрирует другой вариант крепежного инструмента в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание чертежей

В следующем описании приведено множество подробностей для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалистам в данной области техники следует понимать, что настоящее изобретение может быть использовано без этих подробностей, и возможно множество вариаций и модификаций описанных вариантов осуществления.

Настоящее изобретение в основном относится к системе и способу для закрепления инструмента в скважине. Система и способ используют устройство для поддержания большой силы трения на поверхности компонента, такой как внутренняя стенка скважинной трубы, с которой соприкасается устройство. Устройство способно обеспечить очень большой уровень сцепления на единицу области соприкосновения, одновременно минимизируя отрицательное влияние на прочность и коррозионную стойкость компонента, с которым оно соприкасается.

В одном варианте осуществления устройство содержит одну или несколько поверхностей зацепления, имеющих выступающие элементы зацепления, обеспечивающие давление на поверхность соприкосновения, такую как внутренняя поверхность скважинной трубы, для осуществления зацепления. Во многих приложениях компонент, на который давит поверхность зацепления, является металлическим компонентом. Поверхность зацепления спроектирована для минимизации разрушающей природы отпечатка, оставляемого крепежной поверхностью на скважинном компоненте.

Поверхности зацепления в основном спроектированы с элементами зацепления, выступающими из основной части. Элементы зацепления могут быть выполнены в форме плавных криволинейных переходов к другим уровням высоты вдоль поверхности зацепления. Например, элементы зацепления могут содержать выступы гладкими криволинейными формами, имеющими заранее определенную кривизну, выбранную для обеспечения гладких вмятин в окружающей трубе при активации крепежного устройства. Плавные или гладкие криволинейные формы/переходы могут относиться к элементам, имеющим достаточно низкую кривизну для предотвращения образования острых или угловатых элементов деформаций в прилегающей поверхности зацепления, когда элементы зацепления вдавливаются в поверхность зацепления.

В одном варианте осуществления поверхности зацепления содержат выступы, имеющие такую форму, что части выступов, которые деформируют зацепляемую поверхность, являются гладкими и в основном выпуклыми. При использовании поверхностей зацепления, таких как описанные выше, вмятины, оставляемые на зацепляемой поверхности, являются гладкими и минимизируют ухудшение прочности компонента, например, скважинной трубы, с которой сцепляется крепежное устройство. Форма вмятин минимизирует коэффициент концентрации напряжений и также создает более гладкую поверхность, которая делает зацепляемую поверхность более стойкой к возникновению коррозии.

На фиг. 1 показан один вариант осуществления скважинной системы 20, имеющей крепежную систему 22, содержащую крепежный инструмент 24. В этом варианте осуществления крепежный инструмент 24 подсоединен к скважинному инструменту 26, который может иметь различные формы в зависимости от конкретного применения скважины, в которой используются скважинный инструмент 26 и крепежный инструмент 24. Например, скважинный инструмент 26 содержит колонну инструментов для выполнения различных забойных операций. Скважинный инструмент 26 также может содержать различные отдельные компоненты, такие как завершающий инструмент, инструмент для обработки скважины, или различные другие инструменты, размещенные в забое для выполнения требуемых операций.

В проиллюстрированном варианте осуществления крепежный инструмент 24 и скважинный инструмент 26 размещены в скважине 28 внутри скважинной трубы 30, которая может содержать обсадную колонну, добывающую трубу или другую трубчатую структуру. Во многих приложениях скважинная труба формируется из стали или другого металлического материала. Транспортное средство 32, такое как насосно-компрессорная труба, добывающая труба, проводная линия, трос или другое подходящее транспортное средство, используется для размещения крепежного инструмента 24 и скважинного инструмента 26 в скважине 28 с места 34 на поверхности.

Крепежный инструмент 24 содержит структуру 36 и множество подвижных элементов 38, которые перемещаются относительно структуры 36 между радиально втянутой конфигурацией и радиально выдвинутой, крепежной конфигурацией. Каждый подвижный элемент 38 содержит область зацепления или подушку 40 зацепления, имеющую поверхность 42 зацепления, предназначенную для сцепления с гладкой зацепляемой поверхностью, такой как внутренняя поверхность скважинной трубы 30. Поверхность 42 зацепления надежно удерживает крепежный инструмент 24, когда он приводится в действие, одновременно минимизируя коэффициент концентрации напряжений, связанных с углублениями, оставляемыми на внутренней поверхности скважинной трубы 30. Поверхность 42 зацепления также создает гладкую поверхность с отпечатком, которая является более стойкой к возникновению коррозии. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, подвижные элементы 38 выполнены в виде рычагов 44, которые могут поворачиваться между радиально втянутой конфигурацией и радиально выдвинутой конфигурацией, которая сцепляет инструмент 24 с окружающей скважинной трубой 30.

Другой вариант осуществления скважинной системы 20 проиллюстрирован на фиг. 2. В этом варианте осуществления скважинная система 20 содержит крепежный инструмент 24 в виде пакера 46, который может быть установлен в любом месте вдоль скважинной трубы 30. Перемещаемые элементы 38 содержат пакерные клиновые захваты 48, которые могут приводиться в действие между радиально втянутой конфигурацией и радиально выдвинутой конфигурацией, которая сцепляет пакер 46 с окружающей скважинной трубой 30. Клиновые захваты 48 выполнены в виде или с подушками 40 зацепления, имеющими поверхности 42 зацепления, предназначенными для избирательного закрепления пакера 46 внутри трубы 30, с одновременной минимизацией коэффициента концентрации напряжений и созданием более гладкой зацепляемой поверхности, которая является более стойкой к возникновению коррозии. Как описано со ссылкой на фиг. 1 вариант осуществления, различные скважинные инструменты 26 могут быть использованы с одним или более пакерами 46.

На фиг. 3 проиллюстрирован один вариант подушки 40 зацепления, размещенной вдоль зацепляемой поверхности 50, например, скважинной трубы 30.

Подушка 40 зацепления содержит основную часть 52, на которой сформирована поверхность 42 зацепления. Поверхность 42 зацепления содержит один или несколько элементов 54 зацепления, обеспечивающие поверхность 42 зацепления перепадами высот, сформированными плавными криволинейными переходами 56. Переходы 56 облегчают зацепление с зацепляемой поверхностью 50, одновременно минимизируют концентрацию напряжений, которая иначе бы повредила бы скважинный компонент, имеющий поверхность 50.

Подушка 40 зацепления может быть использована для закрепления скважинного инструмента в фиксированном месте, например, в нефтяной скважине. Например, одна или несколько подушек 40 зацепления может быть использована для фиксирования положения скважинного инструмента 26 в добывающей насосно-компрессорной трубе, обсадной колонне скважины или других трубчатых компонентах, используемых в скважине 28. Подушка 40 зацепления давит на зацепляемую поверхность 50 с силой, достаточной для создания гладких углублений или деформаций 58, обеспечивающих значительную силу сцепления во время использования скважинного инструмента 26. Однако поверхность 42 зацепления и плавные криволинейные переходы 56 элементов 54 зацепления гарантируют, что формирование гладких деформаций 58 ограничивает концентрацию напряжений и потенциал коррозии или другие повреждения вдоль зацепляемой поверхности 50. Гладкие деформации также уменьшают вероятность повреждения таких чувствительных компонентов, как эластомерные уплотнения, во время последовательных размещений в скважинной трубе 30.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 3, элементы 54 зацепления сформированы в виде гладких неровностей, которые создают деформации 58 в форме таких же соответствующих гладких неровностей на зацепляемой поверхности 50. Однако деформации 58 могут содержат соответствующие гладкие неровности, соответствующие другим элементам 54 зацепления, и могут включать в себя, например, сферические деформации. В варианте осуществления на фиг. 3 гладкие неровности созданы серией гребней 60, сформированных вдоль поверхности 42 зацепления подушки 40 зацепления. Подушка 40 зацепления также может содержать различные установочные элементы, такие как шарнир, который позволяет осуществлять шарнирное движение подушки 40 зацепления, смонтированной на инструменте 24. В варианте осуществления, описанном ниже и проиллюстрированном на фиг. 5-9, например, установочный элемент 62 используется для подвижной установки подушки 40 зацепления. В некоторых вариантах осуществления множество подушек 40 зацепления могут быть выполнены в виде захватов 48 пакера для использования в виде части пакера 46. В других вариантах осуществления подушка 40 зацепления может быть смонтирована с помощью множества других типов подвижных элементов 38, таких как рычаги 44.

Например, один вариант осуществления крепежного инструмента 24 проиллюстрирован на фиг. 4 как использующий множество подушек 40 зацепления. В варианте осуществления на фиг. 4 подушки 40 зацепления смонтированы на подвижных элементах 38, которые выполнены в виде поворачивающихся рычагов 44. Рычаги 44 проиллюстрированы выдвинутыми, по меньшей мере, частично в радиальном направлении для сцепления с зацепляемой поверхностью 50, однако рычаги могут быть втянуты в соответствующие углубления 64 для обеспечения движения инструмента 24 вниз через трубу 30 и через потенциально ограниченные области. В проиллюстрированном варианте структура 36 содержит корпус 66, имеющий соответствующие углубления 64 с размерами, достаточными для размещения отдельных рычагов 44. Когда рычаги 44 находятся в радиально втянутой/закрытой конфигурации, они размещаются внутри углубления корпуса 66. Удержание рычагов 44 гарантирует, что они не будут препятствовать крепежному инструменту 24 проходить сужения, и также не дает рычагам вызвать застревание инструмента 24 на элементах во время его размещения или извлечения. В качестве варианта, корпус 66 может быть цилиндрическим корпусом.

При приведении в действие крепежного инструмента 24 в выдвинутую конфигурацию множество рычагов 44 перемещаются радиально относительно структуры 36/корпуса 66 до тех пор, пока поверхность 42 зацепления не вдавится в зацепляемую поверхность 50. В конкретном проиллюстрированном варианте рычаги подвижно смонтированы на шарнирном основании 68, что позволяет рычагам 40 вращаться между радиально внутренним и внешним положением.

На фиг. 5 проиллюстрирован более подробный пример одного варианта осуществления крепежного инструмента 24. В этом примере клиновидный компонент 70 смонтирован в структуре 36 и ориентирован для взаимодействия со множеством рычагов 44. Клиновидный компонент 70 содержит множество клиновидных элементов 72, предназначенных для взаимодействия с соответствующими элементами 74 каждого рычага 44. Соответствующие элементы 74 предназначены для соединения с клиновидными элементами 72 во время движения клиновидного компонента 70 относительно множества рычагов 44. Клиновидный компонент 70 и/или множество рычагов 44 могут перемещаться по оси для взаимодействия и последующего радиального перемещения рычагов 44.

В примере, проиллюстрированном на фиг. 5, множество рычагов 44 может перемещаться по оси относительно клиновидного компонента 70 посредством использования шарнирной базы 68 в виде подвижной шарнирной базы. Приведение крепежного устройства 24 в радиально выдвинутую, крепежную конфигурацию вызывается перемещением шарнирной базы 68 в осевом направлении в сторону клиновидного компонента 70. Во время осевого перемещения клиновидные элементы 72 соприкасаются с соответствующими элементами 74 и воздействуют на каждый рычаг 44, поворачивая его в радиально внешнем направлении, как показано на фиг. 5. Непрерывное движение шарнирной базы 68 и рычагов 44 в направлении клиновидного компонента 70 вызывает непрерывное радиально внешнее перемещение множества рычагов 44 до их сцепления зацепляемой поверхности 50 с крепежным инструментом 24. Относительное осевое перемещение клиновидного компонента 70 в направлении от рычагов 44 вызывает или, по меньшей мере, способствует вращению рычагов 44 радиально внутрь во втянутую конфигурацию.

Относительное осевое перемещение клиновидного компонента 70 и множества рычагов 44 может быть достигнуто с помощью различных механизмов. Один или несколько приводов могут быть присоединены к множеству рычагов 44 и/или клиновидному компоненту 70 для получения требуемого относительного осевого перемещения. Например, привод 76 может быть присоединен к шарнирной базе 68 для перемещения множества рычагов 44 относительно клиновидного компонента 70. Привод 76 может содержать гидравлический привод, электромеханический привод или другие подходящие приводы. В качестве примера, привод 76 содержит гидравлический поршень 78, подвижно закрепленный внутри камеры 80 поршня, для выбранного перемещения под действием гидравлического давления. Однако другие реализации привода 76 могут содержать различные гидравлические, механические, электрические, электромеханические и другие подходящие приводы, способные вызвать относительное осевое движение, которое переведет крепежный инструмент 24 между втянутой и выдвинутой, крепежной конфигурациями.

На фиг. 6 и 7 проиллюстрирован другой вариант осуществления подушки 40 зацепления. Этот тип подушки 40 зацепления является подходящим для гарнирного закрепления на конце каждого рычага 44. Однако подушки 40 зацепления также могут быть использованы в других различных крепежных инструментах, включая пакеры, использующие крепежные пластины. В этом примере подушка 40 зацепления формируется как шарнирная или поворотная подушка, приводимая в действие с помощью шарнирной монтажной структуры 62, сформированной в части 52 основания. Поверхность 42 зацепления показана в ориентации, перемещающей поверхность 42 зацепления в зацепление с зацепляемой поверхность 50, когда крепежный инструмент 24 приводится в радиально выдвинутую конфигурацию для зацепления скважинного инструмента 26.

В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 6 и 7, поверхность 42 зацепления содержит один или несколько элементов 54 зацепления, которые обеспечивают поверхность 42 зацепления неровностями, имеющими плавные криволинейные переходы 56. Переходы 56 облегчают сцепление с зацепляемой поверхностью 50, одновременно минимизируя концентрации напряжений, которые ведут к ослаблениям и повышенной коррозии. Гладкие неровности расположены так, чтобы создавать гребни 60, которые формируют соответствующие углубления или деформации 58, когда инструмент 24 приводится в крепежную конфигурацию.

На фиг. 8 и 9 проиллюстрирован другой вариант осуществления подушки 40 зацепления. Как хорошо показано на фиг. 8, этот вариант осуществления подушки 40 зацепления хорошо подходит для монтирования поворотной подушки в рычаге 44. Однако структура подушки 40 зацепления и ее поверхности 42 зацепления может быть скорректирована для использования с различными крепежными механизмами, включающими в себя пакер 46.

В варианте осуществления на фиг. 8 и 9 поверхность 42 зацепления еще раз сформирована плавными криволинейными переходами 56. Переходы 56 облегчают сцепление с зацепляемой поверхностью 50, одновременно минимизируя концентрации напряжений, которые приводят к ослаблениям и повышенной коррозии. Однако плавные криволинейные переходы 56 образуют другой рисунок для создания одного или несколько искривленных выступов 82. В проиллюстрированном примере поверхность 42 зацепления содержит множество искривленных выступов 82. В одном примере выступы 82 содержат части сферы для создания в основном сферических выступов, которые сцепляются с зацепляемой поверхностью 50, не создавая при этом каких-либо острых, угловатых деформаций, которые могут иначе привести к высоким концентрациям напряжений. Однако искривленные выступы могут иметь другие формы, содержащие по сути сферические формы, эллипсоидные формы или другие формы или комбинации форм, которые не создают острых, угловатых деформаций.

Подушки 40 зацепления и поверхности 42 зацепления могут быть использованы в различных крепежных инструментах 24, имеющих много типов подвижных элементов 38. В альтернативном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 10, например, подвижные элементы 38 сформированы в виде выдвижных поршней 84, которые могут быть перемещены радиально по отношению к структуре 36 между радиально втянутой конфигурацией и радиально выдвинутой, крепежной конфигурацией. Радиально перемещаемые поршни 83 могут быть перемещены гидравлическими, электрическими или другими подходящими системами.

Крепежная система 22 может быть использована в различных скважинных системах и в различных скважинных приложениях и средах. Крепежный инструмент 24 может быть сконструирован в нескольких конфигурациях для использования с подушками 40 зацепления, имеющими различные размеры, формы, крепежные структуры и всевозможные конфигурации. Дополнительно поверхность зацепления каждой подушки зацепления может быть скорректирована при условии, что поверхность зацепления способна обеспечивать значительную силу зацепления без деформации соответствующей зацепляемой поверхности способом, приводящим к высоким концентрациям напряжений, ослабляющим зацепляемый компонент, и/или увеличенной коррозии.

Соответственно, несмотря на то, что только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения были подробно описаны выше, специалисты в данной области техники легко смогут оценить, что множество модификаций являются возможными без выхода по существу за рамки изложения этого изобретения. Такие модификации должны быть включены в объем этого изобретения, как это определено в формуле изобретения.

Способ зацепления инструмента в скважине, обеспечивающий сцепление со скважинным компонентом без создания концентраций высокого напряжения, которые ослабляют скважинный компонент. Крепежное устройство содержит крепежные элементы, которые являются избирательно перемещаемыми в расширенную конфигурацию для зацепления инструмента. Крепежные элементы имеют поверхности зацепления, способные избирательно сцепляться с гладкой зацепляемой поверхностью скважинного компонента в любом желаемом месте вдоль скважинного компонента. Каждая поверхность зацепления сформирована для облегчения зацепления с одновременной минимизацией концентрации напряжения. Технический результат заключается в повышении эффективности закрепления инструмента в скважине. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система для поддержания большой силы сцепления в трубчатом элементе (30), расположенном в скважине (28), содержащая крепежное устройство (24), содержащее структуру (36), множество подвижных элементов (38), установленных с возможностью радиального перемещения относительно структуры (36), и подушки (40) зацепления, смонтированные на каждом подвижном элементе (38) и содержащие основную часть (52) и множество элементов (54) зацепления, выступающих из основной части (52), отличающаяся тем, что множество элементов (54) зацепления имеет гладкие криволинейные формы с заданной кривизной, выбранной для получения гладких вмятин в трубчатом элементе (30) при приведении в действие крепежного устройства (24), вызванных взаимодействием гладких криволинейных краев множества элементов (54) зацепления с трубчатым элементом (30), причем элементы (54) зацепления представляют собой группу гладких неровностей, выполненных с возможностью временного зацепления с трубчатым элементом (30), при этом каждая подушка (40) зацепления является поворотной подушкой зацепления.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что множество подвижных элементов (38) выбрано из группы, содержащей множество пакерных клиновых захватов (48), радиально выдвигаемых поршней (84) и множества шарнирных рычагов (44).

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что множество элементов (54) зацепления выбрано из группы, состоящей из множества плавно искривленных гребней и множества выступов, каждый из которых содержит часть сферы.

4. Способ зацепления скважинного инструмента в скважине с использованием системы для поддержания большой силы сцепления в трубчатом элементе по любому из пп.1-3, согласно которому: соединяют крепежное устройство (24) системы со скважинным инструментом (26), приводят в действие крепежное устройство (24) для перемещения подвижных элементов (38), у которых на основной части (52) поворотных подушек (40) формируют наружную поверхность с выступающими из нее элементами (54) зацепления, радиально наружу по направлению к внутренней поверхности трубчатого элемента (30), расположенного в скважине (28), для закрепления скважинного инструмента; и осуществляют, по меньшей мере, одну скважинную операцию посредством закрепленного скважинного инструмента (26).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при приведении в действие крепежного устройства в трубчатом элементе (30) перемещают множество пакерных клиновых захватов (48) или множество шарнирных рычагов (44).

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что при формировании множества углублений формируют по внутренней поверхности трубчатого элемента (30) гладкие неровности или одно или более углублений по существу сферической формы.