ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАЗВЕРТЫВАНИЕМ СКВАЖИННОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2017 года по МПК E21B21/10 E21B34/14 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к инструментам бурения для операций бурения, а также к способам работы инструментов бурения. Некоторые варианты реализации изобретения относятся, в частности, к контролю инструмента бурильной колонны под воздействием буровой жидкости и/или системам развертывания, аппаратам и механизмам, а также к способам операций контроля инструментов бурильной колонны в скважине. Изобретение также относится к управлению развертыванием расширителя ствола скважины путем контроля режима давления буровой жидкости (бурового раствора), транспортируемой по бурильной колонне.

Уровень техники

[0002] Бурение скважин выполняется в целях поисково-разведочных работ и добычи углеводородов, таких, как нефть и газ. Как правило, бурение скважины производится буровым долотом, предусмотренным на нижнем конце бурильной колонны. Бурильная колонна, как правило, содержит множество трубчатых сегментов, именуемых "бурильная труба", соединенных между собой встык. Буровое долото может содержаться в компоновке низа бурильной колонны ("КНБК"), которая оснащена другими механическими и электромеханическими инструментами для упрощения процесса бурения. Вращающееся буровое долото, преодолевая сопротивление пласта, режет или измельчает материал горной породы для бурения ствола скважины.

[0003] Часто бурильная колонна содержит инструменты или другие устройства, которые могут быть расположены в скважине во время операций бурения, например, в КНБК или в других частях вдоль бурильной колонны. В связи с этим, может возникнуть необходимость в дистанционной активации и деактивации устройств и/или инструментов бурильной колонны. К таким устройствам и инструментам относятся, например, расширители, стабилизаторы, отклоняющие инструменты для отклонения бурового долота, и устройства для испытания пласта.

[0004] Были разработаны различные способы дистанционного контроля активации скважинного инструмента путем управления уровнем давления буровой жидкости. Буровой жидкостью, как правило, является "раствор", который циркулирует вниз по внутренней части бурильной колонны и возвращается наверх по затрубному пространству. Например, для части гидроприводных устройств расширителя, используется техника падающих шаров, которая обеспечивает один цикл активации, после которого необходимо выполнить перезапуск системы управления.

Краткое описание графических материалов

[0005] В качестве примера, а не ограничения, некоторые варианты реализации проиллюстрированы на фигурах сопроводительных графических материалов.

[0006] Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид сбоку бурильной установки с комплектом бурильного инструмента, содержащего инструмент бурильной колонны и связанный с ним скважинный инструмент, с механизмом управления буровой жидкостью для деактивации гидроприводного инструмента, в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения.

[0007] Фиг. 2 иллюстрирует трехмерный вид комплекта расширителя, содержащего расширитель и контроллер, сконфигурированный для выборочного развертывания гидроприводного инструмента, в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения.

[0008] Фиг. 3А и 3В иллюстрируют схематический вид, изображающий соответствующее продольные сечения комплекта контроллера инструмента бурильной колонны, в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения, при этом, механизм развертывания, образующий часть комплекта контроллера, показан на фиг. 3А в закрытом положении, когда инструмент бурильной колонны деактивирован, а механизм контроля показан фиг. 3В в открытом положении, когда инструмент бурильной колонны развернут.

[0009] Фиг. 4А и Фиг. 4В иллюстрируют виды в осевом направлении с торца поворотного клапана для образования части комплекта контроллера так, как это проиллюстрировано на фиг. 3А и 3В, в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения, при этом, поворотный клапан показан в закрытом положении на фиг. 4А, и в открытом положении на фиг. 4В.

Подробное описание

[0010] В последующем подробном описании раскрыты примеры вариантов реализации настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные графические материалы, которые изображают различные подробности примеров, иллюстрирующих возможные варианты реализации настоящего раскрытия. Описание обращается к различным примерам новейших способов, систем и устройств со ссылкой на эти графические материалы, и описывает проиллюстрированные варианты реализации изобретения достаточно подробно для того, чтобы специалист в данной области техники мог применить на практике раскрытый предмет изобретения. Многие варианты реализации, помимо иллюстративных примеров, описанных в данном документе, также могут быть использованы для применения этих способов на практике. Без выхода за пределы объема этого изобретения может быть сделано множество структурных и операционных изменений в дополнение к альтернативам, отдельно описанным в данном документе.

[0011] В настоящем описании ссылки на "один вариант реализации изобретения" или "вариант реализации изобретения", или "один пример", или "пример" не обязательно относятся к тому же варианту реализации изобретения или примеру; однако такие варианты реализации изобретения не являются взаимоисключающими, если это не указано или не или будет прямо очевидно специалисту в данной области техники, использующему настоящее описание изобретения. Таким образом, настоящее изобретение может содержать множество комбинаций и/или интеграций вариантов реализации изобретения и примеров, описанных в данном документе, так же как и дополнительные варианты реализации изобретения и примеры, попадающие в объем полной формулы изобретения, основанной на этом описании изобретения, так же как и все законные эквиваленты такой формулы изобретения.

[0012] Один аспект изобретения описывает механизм управления инструментом бурильной колонны, сконфигурированный для активации скважинного инструмента бурильной колонны посредством гидроприводного воздействия буровой жидкостью на переключающий плунжер с переводом в активированное положение, при этом скорость перехода переключающего плунжера в активированное положение регулируется таким образом, что активация инструмента обусловливается применением буровой жидкости с превышением пороговых значений параметров в течение по меньшей мере предварительно установленной продолжительности переключения.

[0013] Механизмом управления может быть пассивная механическая система, сконфигурированная таким образом, чтобы функциональное срабатывание механизма управления в ответ на изменения разницы давлений было, в основном, исключительно механическим, содержащим, например, один или более гидроприводных механизмов, пружинных отклоняющих механизмов и кулачковых механизмов. В таком случае, по меньшей мере те части механизма управления, которые обеспечивают описанные в данном документе функции, могут работать без содействия любых, в основном, не механических компонентов (например, электрических компонентов, электромеханических компонентов или электронных компонентов).

[0014] Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид примера варианта реализации изобретения системы для контроля гидроприводной активации и гидроприводной деактивации инструмента бурильной колонны при операторском контроле параметров давления буровой жидкости (бурового раствора).

[0015] Буровая установка 100 содержит подземный ствол скважины 104, в котором расположена бурильная колонна 108. Бурильная колонна 108 может содержать соединенные секции бурильной трубы, подвешенные от буровой вышки 112 и закрепленные в устье скважины. Компоновка скважины или компоновка низа бурильной колонны ("КНБК") 151 в нижнем конце бурильной колонны 108 может содержать буровое долото 116 для измельчения геологического пласта, направляющее ствол скважины 104, и может дополнительно содержать один или более комплектов инструментов, как в пример в форме комплектов расширителей 118, по стволу скважины вверх от бурового долота 116 для расширения ствола скважины 104 при помощи выборочного применения режущих элементов. Устройство измерений и управления 120 может также содержаться в КНБК 151, содержащей измерительные инструменты для измерения параметров ствола скважины, эффективности бурения и тому подобное.

[0016] Таким образом, ствол скважины 104 выполнен в виде удлиненной полости, главным образом, цилиндрической формы, имеющей практически круглый профиль поперечного сечения, который остается практически неизменным по длине ствола скважины 104. Ствол скважины 104 может в некоторых случаях иметь прямолинейную форму, однако может часто содержать один или большее количество закруглений, изгибов, резких изгибов или углов вдоль своей длины. В контексте ствола скважины 104 и содержащихся в нем компонентов, "ось" ствола скважины 104 (и, следовательно, бурильной колонны 108 или ее части), означает продольную центральную линию цилиндрического ствола скважины 104 (соответствующую, например, продольной оси 367 на фиг. 3).

[0017] При этом понятия "осевое" и "продольное" означают направление вдоль линии, по существу, параллельной продольному направлению в соответствующей точке или участке рассматриваемого ствола скважины 104; "радиальное" означает направление, по существу, вдоль линии, пересекающей ось ствола скважины 104, и лежащей в плоскости, по существу, перпендикулярной оси ствола скважины; "тангенциальное" означает направление, по существу, вдоль линии, не пересекающей ось ствола скважины, находящейся в плоскости, перпендикулярной оси ствола скважины; а "по окружности" или "поворотное" означают, по существу, дугообразную или круговую траекторию, описываемую при вращении тангенциального вектора вокруг оси ствола скважины. "Вращение" и его производные не только должны подразумевать непрерывный или многократный поворот на 360° и более, но также включают угловое отклонение или отклонение по окружности на угол меньший 360°.

[0018] В контексте данного документа, движение или положение "вперед" или "в скважине" (и связанные понятия) подразумевают движение в осевом направлении или относительное осевое положение к буровому долоту 116, удаляясь от поверхности. И наоборот, понятия "обратно", "назад" или "вверх по стволу скважины" подразумевают движение или относительное положение вдоль оси ствола скважины 104, удаляясь от бурового долота 116 и в направлении поверхности земли. Следует также отметить, что на фиг. 2, 3 и 4 направление вниз по стволу скважины бурильной колонны 108 идет слева направо.

[0019] Буровая жидкость (например, буровой раствор или другие флюиды, которые могут находиться в скважине) циркулирует от резервуара буровой жидкости, например, от резервуара для хранения буровой жидкости на поверхности земли (соединенного с устьем скважины), посредством насосной системы 132, нагнетающей буровую жидкость вниз через внутренний канал 128, образованный полой внутренней частью бурильной колонны 108, таким образом, что буровая жидкость выходит под сравнительно высоким давлением через буровое долото 116. После выведения из бурильной колонны 108, буровая жидкость движется вверх вдоль ствола скважины 104, в затрубном пространстве 134 ствола скважины, образованном между бурильной колонной 108 и стенкой ствола скважины 104. Хотя множество других затрубных пространств может быть связано с системой, ссылки на давление в затрубном пространстве, зазор затрубного пространства и тому подобное, указывают на свойства затрубного пространства 134, если не указано иное, либо если иное не следует из контекста.

[0020] Следует обратить внимание, что буровая жидкость закачивается вдоль внутреннего диаметра (т.е. канала 128) бурильной колонны 108, с потоком флюида из канала 128, ограниченным буровым долотом 116. Далее буровая жидкость движется вверх через затрубное пространство 134, выводя вырубленную породу из низа ствола 104 скважины к устью скважины, где вырубленная порода удаляется, и буровая жидкость может быть возвращена в резервуар буровой жидкости 132. Таким образом, давление флюида в канале 128 выше давления флюида в затрубном пространстве 134. Соответственно, активация инструмента путем управления параметрами буровой жидкости, может содержать управление перепадом давления между каналом 128 и затрубным пространством 134, хотя, в других вариантах реализации изобретения, параметры буровой жидкости в скважине могут быть отнесены к значениям обособленного давления в канале 128. Если из контекста не следует иное, понятие "перепад давлений" подразумевает разницу между стандартным давлением флюида в канале 128 и давлением в затрубном пространстве 134.

[0021] В некоторых случаях вращение бурового долота 116 обеспечено посредством вращения бурильной колонны 108 на платформе 112. В данном примере варианта реализации изобретения, скважинный двигатель 136 (например, так называемый гидравлический забойный двигатель или турбомотор), установленный в бурильной колонне 108 и образующий часть КНБК 151, может вращать буровое долото 116. В некоторых вариантах реализации изобретения избирательное питание вращения бурильной колонны 108 может быть обеспечено оборудованием, установленным на поверхности, скважинным двигателем 136 или и оборудованием, установленным на поверхности, и скважинным мотором 136.

[0022] Система может содержать наземную систему управления 140, которая принимает сигналы скважинных датчиков и оборудования телеметрии, при этом датчики и оборудование телеметрии установлены в бурильной колонне 108, т.е. образуют часть компоновки измерений и управления 120. Наземная система управления 140 может отображать параметры бурения и другую информацию на экране, который может использоваться оператором для управления операциями бурения. Некоторые буровые установки могут быть частично, либо полностью автоматическими, в связи с чем операции управления бурением (например, контроль рабочих параметров мотора 136 и контроль развертывания инструмента бурильной колонны посредством контроля параметров давления буровой жидкости в скважине, как описано в данном документе) могут выполняться как вручную, так и иметь полуавтоматический или полностью автоматический контроль. Наземная система управления 140 может содержать компьютерную систему с одним или более процессорами и памятями для хранения данных. Наземная система управления 140 может выполнять обработку данных по операциям бурения, данных с датчиков и устройств на поверхности, данных, полученных из скважины, и может контролировать одну и более операций инструментов бурильной колонны и/или устройств на поверхности.

[0023] Бурильная колонна 108 может содержать один и более инструментов бурильной колонны вместо или в дополнение к комплекту расширителя 118. Инструменты бурильной колонны 108, в рамках данного примера, содержат по меньшей мере один комплект расширителя 118, установленный в КНБК 151 для увеличения диаметра ствола скважины 104 по мере проникновения КНБК 151 в пласт. В других вариантах реализации изобретения, бурильная колонна 108 может содержатель несколько комплектов расширителя 118, например, со смежной установкой на противоположенных концах КНБК 151 и соединенных с КНБК 151.

[0024] Каждый комплект расширителя 118 может содержать одну и более лопастей, расположенных по окружности, или других режущих элементов, несущих режущие структуры (см., например, дужки 251 на фиг. 2). Комплект расширителя 118 содержит инструмент бурильной колонны, например, в форме расширителя 144, содержащего, как правило, пустотелый корпус 234 расширителя, установленный на одной оси бурильной колонны 108, и несущий дужки расширителя 251. Дужки расширителя 251 раскрываются и закрываются в радиальном направлении относительно радиуса наружной поверхности корпуса 234 расширителя, для выборочного развертывания и контакта с эффективным диаметром расширителя.

[0025] Контроль раскрытия и закрытия расширителя 144 (например, для переключения расширителя 144 между развернутым состоянием, в котором дужки расширителя 251 выступают в радиальном направлении наружу и врезаются в стенку ствола скважины, и свернутым состоянием, в котором дужки расширителя 251 сложены) может обеспечиваться посредством контроля параметров давления буровой жидкости. В дополнение, развертывание дужек расширителя 251 может быть выполнено за счет гидравлического воздействия буровой жидкости.

[0026] В приведенном варианте реализации изобретения, комплект расширителя 118 содержит скважинный инструмент, соединенный с расширителем 144, и сконфигурированный для контроля работы расширителя 144. Контролирующий скважинный инструмент (который, таким образом, является функциональным блоком комплекта расширителя 118) в приведенном примере варианта реализации изобретения имеет форму контроллера 148, обеспечивающего механизмы контроля развертывания, сконфигурированные для обеспечения замедленного развертывания расширителя 144 с гидравлическим приводом в результате воздействия давлений буровой жидкости на контроллер 148, при этом, уровни давления должны превышать предварительно установленный пороговый уровень. Контроллер 148 может содержать устройство с телом бурильной трубы или кожухом 217 (см. ФИГ. 2), соединенным соосно с бурильной колонной 108. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, контроллер 148 установлен ниже в скважине относительно расширителя 144, при этом, в других вариантах реализации изобретения, позиционное размещение контроллера 148 и расширителя 144 может быть другим, а контроллер 148, например, может быть установлен относительно расширителя 144 вверх по стволу скважины.

[0027] Несмотря на то, что контроль развертывания инструментов посредством давления жидкости (примеры таких механизмов будут описаны в данном документе) обеспечивает ряд преимуществ по сравнению, например, с механизмами электромеханического развертывания, такой контроль посредством давления жидкости может представлять сложности при выполнении операций бурения. Например, редко возникает простая прямая связь между значениями давления жидкости и необходимым развертыванием расширителя. Несмотря на то, что в рамках данного примера реализации изобретения операции расширения совпадают с высоким давлением флюида в канале 128 (именуемым также, как давление в канале ствола или внутреннее давление), в редких случаях необходимо развертывание расширителя 144 при каждом возникновении высокого давления в канале, что может привести к спонтанному развертыванию расширителя. В приведенном в качестве примера контроллере 148 предусмотрен механизм автоматической задержки или блок переключателя задержки, который обеспечивает развертывание расширителя 144 только в случае, если давление буровой жидкости держится на уровне выше порогового значения в течение по меньшей мере контролируемого, в значительной степени согласованного периода переключения.

[0028] Фиг. 2 иллюстрирует пример варианта реализации изобретения комплекта расширителя 118, который может образовывать часть бурильной колонны 108, притом что расширитель 144 образует часть комплекта расширителя 118 в развернутом состоянии. В таком развернутом (или активированном) состоянии, режущие элементы расширителя, показанные на примере варианта реализации изобретения в форме дужек расширителя 251, раскрыты в радиальном направлении относительно корпуса расширителя 234, и выступают из корпуса расширителя 234 наружу для контакта со стенкой ствола скважины для расширения скважины 104 при вращении корпуса расширителя 234 месте с бурильной колонной 108. В данном примере, дужки расширителя 251 установлены на корпусе расширителя 234 с выравниванием относительно оси шарнирно соединенными парами, которые при активации во время развертывания сгибаются. И наоборот, когда расширитель 144 находится в деактивированном состоянии, дужки расширителя 251 закрываются в трубчатый корпус расширителя 234. В закрытом положении дужки расширителя 251 не выступают за пределы радиуса наружной поверхности корпуса расширителя 234, освобождая таким образом затрубное пространство 134 и обеспечивая осевое и поворотное отклонение корпуса расширителя 234 в рамках бурильной колонны 108, без контакта дужками расширителя 251 со стенками скважины. В других вариантах реализации изобретения могут быть использованы иные механизмы активации комплекта расширителя 118. Следует обратить внимание, например, что дужки расширителя 251 показаны на примере варианта реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 3, как непосредственно соединенные с контроллером 148, притом что на примере варианта реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 2, дужки расширителя 251 соединены с контроллером 148 посредством внутреннего относительно корпуса расширителя 234 механизма связи (не показан).

[0029] Фиг. 3А и 3В иллюстрируют схематический вид внутренних компонентов для примера варианта реализации изобретения контроллера 148, функционально связанного с расширителем 144 в комплекте расширителя 118. Контроллер 148 имеет, как правило, трубчатый кожух 217, который может содержать соосно соединенные секции бурильной трубы, установленные на одной оси и образующие часть трубчатого тела бурильной колонны 108. Секции бурильной трубы могут быть соединены между собой резьбовым зацеплением сопряженных соединений на смежных концах соответствующих секций бурильной трубы с образованием резьбового соединения. Таким образом, кожух 217 находится в бурильной колонне для передачи крутящего момента и вращения от одного конца кожуха 217 к другому. Внутренние компоненты контроллера 148 дополнительно сконфигурированы для образования части канала 128, для транспортировки буровой жидкости из одного конца в другой, в направлении движения текучей среды, схематически показанном стрелкой 301 на фиг. 3А и 3В.

[0030] Контроллер 148 содержит механизм гидравлического развертывания инструмента, содержащий, в данном примере, поршень расширителя 331, установленный в кожухе 217 для гидроприводного возвратно-поступательного движения в продольном направлении для развертывания и втягивания расширителя 144. Поршень расширителя 331 зафиксирован в радиальном затрубном пространстве кожуха 217 и, как правило, трубчатого направляющего аппарата клапана 310, установленного соосно в кожухе 217, подвижного в продольном направлении вдоль по затрубному пространству.

[0031] Поршень расширителя 331 изолирует и разделяет такое затрубное пространство на две гидравлические камеры с противоположенных сторон в продольном направлении. В приведенном варианте реализации изобретения, активационная полость представлена в виде камеры активации 333, предусмотренной (в данном примере) в нижней стороне относительно поршня расширителя 331. Затрубное пространство непосредственно над поршнем расширителя 331, как правило, находится под давлением затрубного пространства, а кожух 217 обеспечивает одно и более выпускное отверстие или проход (не показано) от затрубного пространства 134 к корпусу выше поршня расширителя 331. Когда давление гидравлической среды (в данном примере - буровая жидкость) в камере активации 333 повышено относительно давления в затрубном пространстве, например, находится на уровне давления в скважине, перепад давления на поршне расширителя 331 в верхнем положении, приводит к гидравлической активации поршня расширителя 331 в направлении вверх по стволу скважины. В данном примере, дужки расширителя 251 непосредственно соединены с поршнем расширителя 331, в связи с чем гидроприводное движение поршня расширителя 331 вверх по стволу скважины приводит к развертыванию дужек расширителя 251, поворачивая их относительно поршня расширителя 331, на котором установлена по меньшей мере одна из дужек расширителя 251. В других вариантах реализации изобретения, поршень расширителя 331 может быть соединен с дужками расширителя 251 посредством механической связи, гидравлического соединения и тому подобного. Механизм развертывания инструмента, обеспечиваемый контроллером 148, дополнительно содержит пружину расширителя 337, сконфигурированную для обеспечения отводящего отклонения при закрытии для поршня расширителя 331, возникающего в результате гидравлической инициации поршня расширителя 331 и, в данном примере, принуждая поршень расширителя 331 к перемещению вниз по стволу скважины в положение покоя (фиг. 3А).

[0032] Контроллер 148 дополнительно содержит клапанный механизм для избирательного контроля потока флюида между каналом 128 и камерой активации 333, позволяющий выбрать гидроприводное движение (и, при расширении - возврат с пружинным сдвигом) поршня расширителя 331. В данном варианте реализации изобретения клапанный механизм содержит поворотный клапан 304 с, как правило, трубчатым корпусом клапана, например, в форме направляющего аппарата клапана 310. Направляющий аппарат клапана 310 установлен соосно в кожухе 217, а внутренний диаметр направляющего аппарата клапана 310 определяет канал 128 на части длины контроллера 148. Направляющий аппарат клапана 310 имеет блок канала клапана, в данном примере, в форме четырех каналов клапана 313 (см. также фиг. 4), размещенных по окружности на равном расстоянии друг от друга, при этом каждый канал клапана 313 выходит через стенку направляющего аппарата клапана 310 в радиальном направлении, обеспечивая гидравлическое соединение между каналом 128 и камерой активации 333.

[0033] Поворотный клапан 304 дополнительно содержит элемент клапана с возможностью перемещения или элемент закрытия клапана, как показано в данном примере, в форме ротора клапана 307, который, как правило, имеет трубчатую форму и установлен соосно с направляющим аппаратом клапана 310, с возможностью углового отклонения (которое в данном документе описывается также, как возможность вращения) относительно направляющего аппарата клапана 310 относительно оси клапана, соосной с общей продольной осью 367 кожуха 217 и направляющего аппарата клапана 310. Ротор клапана 307 обеспечивает ряд разнесенных по окружности отверстий клапана 316 (в данном примере, четыре отверстия на одинаковом расстоянии друг от друга), проходящий в радиальном направлении через трубчатый корпус ротора клапана 307. Отверстия клапана 316 соответствуют по размеру и расположению по окружности каналам клапана 313 таким образом, что ротор клапана имеет возможность углового перемещения между открытым и закрытым положениями (фиг. 3В и фиг. 4В), в которых отверстия клапана 316 соответствуют каналам клапана 313, обеспечивая гидравлическую связь камеры активации 333 и канала 128, а в закрытом положении, когда отверстия клапана 316 не контактируют с соответствующими каналами клапана 313, закрывать каналы клапана 313 и обеспечивать изоляцию гидравлической связи канала 128.

[0034] Контроллер 148 дополнительно содержит элемент переключателя или переключатель гидравлического типа, который в примере показан в форме барабанного кулачка 319, соединенного с поворотным клапаном 304, сконфигурированный для переключения ротора клапана 307 из закрытого положения в открытое в ответ на условия давления в стволе выше порогового значения. В данном примере, барабанный кулачок 319 установлен в кожухе 217, для возвратно-поступательного продольного перемещения и возвратно-поступательного вращательного движения в течение цикла развертывания инструмента/деактивации.

[0035] Барабанный кулачок 319 содержит гидроприводной механизм для гидравлической инициации продольного перемещения барабанного кулачка 319 в кожухе 217 в результате воздействия давлений в стволе выше порогового значения. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 3, механизм гидравлического привода для переключающего плунжера, обеспеченный барабанным кулачком 319, имеет сужение в канале 128, сужение обеспечено приводным патрубком 328, установленным стационарно и соосно на барабанном кулачке 319, обеспечивающем отверстие патрубка уменьшенного диаметра в канале 128. Движение буровой жидкости под давлением вниз по стволу скважины приведет к падению давления на приводном патрубке 328, обеспечивающем гидроприводное движение патрубка 328 (а соответственно, барабанного кулачка 319) в направлении активации (в данном примере - в продольном направлении вниз, т.е. слева направо на фиг. 3А).

[0036] Контроллер 148 дополнительно содержит поворотный механизм, обеспечивающий вращение барабанного кулачка 319 относительно продольной оси 367 в результате продольного движения кулачка цилиндра 319 вдоль кожуха 217. В данном примере варианта реализации изобретения, механизм вращения содержит механизм кулачка, содержащий ось кулачка 322, установленную на кожухе 217, и в радиальном направлении выступающую внутрь него. Ось кулачка 322 принимается в соответствующий паз кулачка 325, определенный на радиальной внешней поверхности барабанного кулачка 319. Паз кулачка 325 является частично винтовым, и находится под наклоном относительно продольной оси 367. Поскольку барабанный кулачок 319 вращается внутри кожуха 217, а ось кулачка 322 заблокирована для вращений относительно корпуса, паз кулачка 325 следует оси кулачка 322 во время продольного перемещения барабанного кулачка 319, вращая барабанный кулачок 319 вокруг продольной оси 367.

[0037] Барабанный кулачок 319 соединен с ротором клапана 307 для передачи углового отклонения/вращения ротору клапана 307, т.е. для открытия или закрытия поворотного клапана 304. В данном примере варианта реализации изобретения, ротор клапана 307 в продольном направлении зафиксирован на кожухе 217, и имеет неизменное продольное положение, сохраняя поворотное соединение с барабанным кулачком 319. Передающее вращение соединение между барабанным кулачком 319 и ротором клапана 307 в данном примере содержит одно шлицевое соединение 358 со стыкующимися сопряженными продольно расположенными шлицами, установленными по радиусу на внешней поверхности ротора клапана 307 и по радиусу внутренней поверхности стыкующегося соединения барабанного кулачка 319 соответственно.

[0038] Гидроприводное движение барабанного кулачка 319 происходит в направлении активации (например, в данном примере вниз по стволу скважины), однако, ограничено или задерживается регулятором переключателя гидравлического типа, таким образом, что завершение любого отдельного случая шага активации барабанного кулачка 319 не может быть выполнено быстрее, чем это предварительно установлено, соблюдая минимальный интервал переключения, независимо от степени превышения порогового значения давления в стволе, которое может применяться и меняться между циклами, либо меняться для различных установок. В данном примере, регулятор переключения содержит полость регулятора 340, которая заполняется практически несжимаемой гидравлической средой, автоматически сконфигурированный для снижения объема (т.е. для сжатия объема) в результате продольного движения барабанного кулачка 319 в направлении активации. Выпуск гидравлической среды (например, масла) из полости регулятора 340 выполняется через гидравлическое сужение, на котором можно контролировать или регулировать скорость потока гидравлической среды из полости регулятора 340. В примере варианта реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 3А, полость регулятора 340 ограничена затрубным пространством, ограниченным по радиусу кожухом 217 и внутренней трубой 361, соосно установленной на кожухе 217. Объем выпуска в данном примере имеет форму камеры-резервуара 343, расположенной ниже полости регулятора 340, отделенной от полости регулятора 340 стенкой камеры, обеспеченной расположенным по окружности ребром затрубного пространства, выступающим в радиальном направления наружу относительно внутренней трубы 361. Пара каналов гидравлического соединения идет в продольном направлении через стенку камеры. Они сконфигурированы для обеспечения одностороннего потока в противоположенных продольных направлениях, за счет предусмотренных в них клапанов одностороннего действия (более подробное описание которых приведено ниже).

[0039] Один из каналов является выпускным каналом, обеспечивающим направление движения потока только от полости регулятора 340 к камере-резервуару 343, предупреждая движение потока в обратном направлении. Это достигается путем обеспечения в выпускном канале регулятора потока, который в данном примере представлен устройством контроля потока 370. Приведенное в примере устройство контроля потока 370 содержит невозвратный клапан, который обеспечивает поток только в направлении активации (т.е. вниз по стволу скважины, в данном примере варианта реализации изобретения), что ограничивает поток через него, определяя верхний предел для скорости потока. Таким образом, устройство контроля потока 370 обеспечивает поток масла со скоростью не более предварительно установленной скорости потока, независимо от величины превышения порогового значения перепада давления на нем. В данном примере варианта реализации изобретения, устройство контроля потока 370 содержит устройство Lee Flosert™, калиброванное для ограничения потока до 0,38 дм. куб./ мин (0,1 гал/мин). При этом следует учитывать, что калибровка устройства контроля потока 370 может быть изменена в зависимости от требований конкретного случая установки. Устройство контроля потока 370 может быть сконфигурировано для работы в качестве невозвратного клапана, т.е. для предотвращения течения через него даже в направлении активации ниже предварительно установленного давления открытия клапана (которое в значительной мере может соответствовать общему перепаду давления в затрубном пространстве ствола для контроллера 148), и для ограничения скорости потока через него в направлении активации для перепадов давления выше порогового уровня и до установленных предельных значений скорости потока, независимо от величины перепада давления.

[0040] Поскольку выпускной канал, в котором установлено устройство контроля потока 370, является общим выпускным каналом для гидравлической среды (например, масла), которой наполнена полость регулятора 340, движение барабанного кулачка 319 вниз по стволу зависит от потока масла через устройство контроля потока 370, а скорость, с которой барабанный кулачок 319 движется вниз, снижена или ограничена до предела скорости активации, соответствующей пределу скорости потока на устройстве контроля потока 370.

[0041] Контроллер 148 дополнительно содержит механизм отклонения, обеспечивающий отклонение барабанного кулачка 319 в направлении продольного положения, соответствующего закрытому состоянию ротора клапана 307 (фиг. 3А). В данном примере варианта реализации изобретения, механизм отклонения содержит пружину возврата 334, которая содержит винтовую нажимную пружину, установленную соосно во внутреннем патрубке 361 полости регулятора 340, и движется в продольном направлении между стенкой затрубного пространства полости регулятора и барабанным кулачком 319.

[0042] В дополнение к выпускному каналу, обратный канал идет через стенку камеры между полостью регулятора 340 и камерой-резервуаром 343, в обратном канале установлен возвратный клапан одностороннего действия 373, обеспечивающий поток только в обратном направлении (т.е. в данном примере варианта реализации изобретения - вверх по стволу скважины).

[0043] В приведенном примере варианта реализации изобретения в качестве гидравлической среды использовано масло для задержки или замедления движения барабанного кулачка 319 в направлении положения, в котором выполняется развертывание расширителя 144. Для отделения масла от буровой жидкости при использовании перепада давления в затрубном пространстве скважины для гидроприводного движения различных компонентов контроллера, плавающая стенка 349 определяет нижний край камеры-резервуара 343. Плавающая стенка 349 содержит элемент затрубного пространства, который герметично отделяет внутренний диаметр кожуха 217 от внешнего диаметра внутренней трубы 361, и выполняет роль компенсационной перегородки между давлением жидкости в камере-резервуаре 343 и в емкости выравнивания давления 352, расположенном непосредственно ниже плавающей стенки 349. В емкости выравнивания давления 352 находится буровая жидкость при том же давлении, что и в затрубном пространстве, которая поступает через один или более штуцер 355 в кожухе 217. При работе емкости выравнивания давления 352 и плавающей стенки 349, давление масла в камере-резервуаре 343 может поддерживаться на уровне, практически равном давлению в затрубном пространстве. Однако, давление жидкости в камере-резервуаре 343 может быть незначительно повышено за счет работы балансирующей пружины 346, оказывающей действие на плавающую стенку 349, заставляя ее двигаться вверх по стволу скважины.

[0044] Аналогично кольцо сепаратора 364 может быть предусмотрено между барабанным кулачком 319 и поршнем расширителя 331, обеспечивая уплотнение между кожухом 217 и направляющим аппаратом клапана 310 соответственно, для разделения буровой жидкости в камере активации 333 от гидравлического масла в объеме, ограниченном кольцом сепаратора 364 и барабанным кулачком 319. В некоторых вариантах реализации изобретения, кольцо сепаратора 364 может быть дополнительно зафиксировано между парой ограничителей, установленных на определенном расстоянии (например, кольцевые зажимы, установленные в дополнительных канавках по внутреннему диаметру кожуха 217). Подвижность кольца сепаратора 364 в продольном направлении дополнительно автоматически выполняет функцию компенсации изменений объема в смежном замкнутом объеме при продольном движении барабанного кулачка 319.

[0045] ФИГ. 4А и 4В иллюстрируют сечения в осевом направлении изолированного поворотного клапана 304, по линии 4-4 на фиг. 3А и 3В соответственно, и иллюстрируют выравнивание по окружности и отсутствие выравнивания отверстий клапана 316 и каналов клапана 313 при вращении ротора клапана 307 под углом, соответствующим полному ходу активации барабанного кулачка 319, при том, что в данном примере поворот или угловое отклонение совершается на 45 градусов.

[0046] Во время работы развертывание расширителя 144 выполняется от гидравлического привода или под давлением буровой жидкости, но только при условии сохранения перепада давления между скважиной и затрубным пространством на уровне более высоком, чем предварительно установленный пороговый уровень активации инструмента в течение промежутка времени, превышающего продолжительность переключения, контролируемую регулируемым потоком на устройстве контроля потока 370.

[0047] В исходном положении расширитель 144 сложен, поворотный клапан 304 находится в закрытом положении (фиг. 3А), а барабанный кулачок 319 находится в предельном верхнем положении. Когда оператору нужно развернуть расширитель 144, значения давления в скважине поднимается до величины, превышающей пороговое значение.

[0048] В ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости на контроллере 148, совершается гидравлическое воздействие на барабанный кулачок 319 в направлении активации (т.е., в данном примере, вниз по стволу скважины), посредством приводного патрубка 328 превышается пиковое усилие сдвига пружины возврата 334 в направлении, противоположенном возврату (т.е., в данном примере, вверх по стволу скважины), а барабанный кулачок 319 под гидравлическим воздействием начинает двигаться вниз.

[0049] По мере гидроприводного движения барабанного кулачка 319 вниз, он постепенно поворачивается вокруг продольной оси 367 при помощи оси кулачка 322, сопровождаемой пазом кулачка 325. Во время движения вниз по стволу скважины, барабанный кулачок 319 скользит в продольном направлении, противоположенном ротору клапана 307, передавая при этом полученное вращение на ротор клапана 307 посредством шлицевого соединения 358. Таким образом, ротор клапана 307 вращается от своего закрытого положения к открытому положению, а отверстия клапана 316 постепенно переводятся в положение выравнивания с каналами клапана 313. Барабанный кулачок 319 и ротор клапана 307 сконфигурированы таким образом, что поворотный клапан 304 открывался только после того, как барабанный кулачок 319 совершит полный ход активации, переместившись в крайнее нижнее положение (фиг. 3В).

[0050] Движение вниз по стволу скважины барабанного кулачка 319 ограничено регулируемой максимальной скоростью, посредством устройства контроля потока 370. Скольжение барабанного кулачка 319 с гидравлическим приводом, по принципу поршня, в продольном направлении, автоматически уменьшает размер полости регулятора 340, повышая давление в корпусе гидравлического масла, установленного в нем. Поскольку камера-резервуар 343 находится практически под давлением, равным давлению в затрубном пространстве (посредством работы емкости выравнивания давления 352 и плавающей стенки 349), на выпускном канале, в котором установлено устройство контроля потока 370, создается перепад давления.

[0051] Ввиду превышения предварительно установленных пороговых значений, масло движется в направлении активации через устройство контроля давления 370, при этом, скорость потока не может превышать установленный предел скорости на устройстве контроля потока 370. Устройство контроля потока 370 может быть сконфигурировано для работы между условиями ниже порогового значения, при которых поток флюида через устройство не проходит, и условиями выше порогового значения, при которых скорость потока масла через устройство регулируется до соответствующего постоянного уровня. Поскольку гидравлическое масло является несжимаемой жидкостью, барабанный кулачок 319 может двигаться вниз по стволу скважины не быстрее, чем это допускается выпуском гидравлического масла из камеры-резервуара 343. Следовательно, устройство контроля потока 370 эффективно регулирует скорость перемещения барабанного кулачка 319 в осевом направлении вдоль корпуса во время хода активации.

[0052] Для достижения развертывания расширителя 144 условия превышения порогового значения давления должны поддерживаться в течение, по меньшей мере, предварительно установленного периода переключения, обеспечивая достаточные возможности для перемещения барабанного кулачка 319 в крайнее верхнее положение, в котором ротор клапана 307 совершает достаточное вращение для перемещения каналов клапана 313 в положение выравнивания с отверстиями клапана 316, таким образом, чтобы поворотный клапан 304 находился в открытом положении (фиг. 3В). Затем буровая жидкость поступает в радиальном направлении из канала 128 через каналы клапана 313 в камеру активации 333. Разница давлений между отверстием и затрубным пространством воздействует на поршень расширителя 331, перемещая поршень расширителя 331 вверх по стволу скважины, для развертывания с учетом сдвига, обеспеченного пружиной расширителя 337.

[0053] Описанные компоненты контроллера 148 могут быть выбраны и сконфигурированы таким образом, что регулируемая продолжительность переключения составляла, например, от 3 до 10 минут. В приведенном примере варианта реализации изобретения, регулируемая продолжительность переключения составляет 5 минут, в связи с чем развертывание расширителя 144 может быть достигнуто только при поддержании давления буровой жидкости на уровне выше порогового значения в течение предварительно установленного периода переключения, равного 5 минутам или более. Частные пороговые значения могут меняться для разных вариантов реализации изобретения, либо могут меняться в пределах основной буровой установки для использования различного инструмента, или для использования различных функций одного инструмента. Ссылаясь снова к фиг. 3А), следует обратить внимание, что приводной патрубок 328 в данном примере установлен на барабанном кулачке 319 с возможностью демонтажа и замены. Это обеспечивает возможность замены приводного патрубка 328, когда он становится изношенным или ржавеет при длительной эксплуатации, а также обеспечивает возможность установки патрубков различного размера для конфигурирования контроллера 148 для активации инструмента при другой скорости потока. Изменение размера патрубка приводит к соответствующему изменению скоростей потока, при которых достигается пороговое давление. И наоборот, или в дополнение, для изменения порогового значения могут быть использованы возвратные пружины 334 различной калибровки. Однако, следует иметь ввиду, что настроенная продолжительность переключения будет оставаться практически неизменной для различных конфигураций, поскольку определяющим фактором для продолжительности переключения инструмента является не величина гидравлических приводных сил, воздействующих на барабанный кулачок 319, а скорость потока масла через устройство контроля потока 370 (которая остается неизменной для различных конфигураций).

[0054] Таким образом, пороговое значение перепада давления между отверстием и затрубным пространством может варьироваться, например, от 13,79 Бар (200 ф./дюйм в кв) до 34,48 Бар (500 ф./дюйм в кв). В описанном в настоящем документе примере варианта реализации изобретения, перепад давления может составлять около 27,58 Бар (400 ф./дюйм кв.). Самопроизвольное обеспечение превышения пороговых значений параметров (что в данном примере соответствует уровням давления, при которых выполняется расширение) в течение достаточно продолжительного промежутка времени маловероятно. Таким образом, намеренная, фиксированная задержка между применением давлений буровой жидкости с превышением порогового значения и развертыванием расширителя предназначена для ограничения риска непреднамеренного развертывания инструмента.

[0055] Если давление буровой жидкости снижается до уровня ниже порогового значения до истечения регулируемого периода переключения, либо после развертывания расширителя, дужки расширителя 251 будут сложены за счет действия пружины расширителя 337, толкающей поршень расширителя 331 вниз по стволу скважины для складывания дужек расширителя 251. Одновременно с этим, барабанный кулачок 319 направляется в обратном направлении (т.е., в данном примере - вверх по стволу) за счет действия пружины расширителя 334. Движение барабанного кулачка 319 в обратном направлении приведет к падению давления в полости регулятора 340, и отводу гидравлической жидкости из камеры резервуара 343 через обратный клапан 373. Следует обратить внимание, что в данном примере обратный клапан 373 не ограничивает скорость потока гидравлической среды через него, в связи с чем (в отличие от развертывания расширителя), складывание расширителя не задерживается и не ограничивается. Движение барабанного кулачка 319 в обратном направлении приводит к его вращению в обратном направлении ввиду работы его узла: ротор клапана 307 вращается посредством шлицевого соединения 358 обратно в закрытое положение, в котором отверстия клапана 316 выходят из положения выравнивания с каналами клапана 313 (фиг. 3А и 4А).

[0056] Дальнейшее развертывание и/или складывание расширителя 144 подразумевает повторение описанного выше цикла развертывания-складывания. Следует учитывать, что нет предела по числу циклов развертывания/складывания, которые могут быть выполнены механизмами гидравлического привода и механизмами контроля, представленными контроллером 148, поскольку конфигурация и компоновка компонентов контроллера 148 по завершению цикла развертывания-складывания идентична их конфигурации и компоновке в начале цикла.

[0057] Это является преимуществом описанного примера компоновки и способа, которые позволяют выполнять множество последовательностей активации/деактивации инструментов. Дополнительным преимуществом является то, что такое многоцикловое развертывание обеспечивается энергией и контролируется устройствами буровой жидкости, собственными для бурильной колонны 108, обеспечивая операторский контроль режима развертывания инструментов посредством контроля параметров буровой жидкости. Поскольку указанный механизм контроля, как правило, является неэлектрическим (для полной работоспособности электрические или электронные компоненты не используются), контроллер 148 может быть установлен в существующие системы без необходимости какого-либо специального оборудования контроля телеметрии.

[0058] Несмотря на работу с контролем буровой жидкости, механизм контроля контроллера 148 ограничивает риски, связанные с непреднамеренным развертыванием инструмента посредством предоставления описанной задержки активации инструмента. Тем не менее, описанные выше функциональные возможности достигаются без значительной потери эффективного диаметра скважины.

[0059] В соответствии с одним аспектом описания изобретения, приведенные выше примеры вариантов реализации изобретения описывают скважинный инструмент, содержащий корпус, сконфигурированный для установки в бурильной колонне для транспортировки буровой жидкости вдоль по внутреннему каналу, ограниченному корпусом; тело клапана внутри корпуса, при этом тело клапана определяет канал клапана в гидравлическом сообщении со внутренним каналом и с активационной полостью, сконфигурированным для взаимодействия с гидравлическим механизмом развертывания инструмента бурильной колонны; элементом закрытия клапана, сконфигурированным для переключения между открытым положением, в котором внутренний канал находится в гидравлическом сообщении с полостью активации посредством канала клапана, и закрытым положением, в котором элемент закрытия в значительной мере предотвращает поток жидкости через канал клапана; переключающий плунжер, соединенный с элементом закрытия клапана и сконфигурированный для гидроприводного движения в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости, для переключения элемента закрытия клапана из открытого положения в закрытое; и регулятор переключения, соединенный с переключающим плунжером, и сконфигурированный для регулирования переключения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, обеспечивая гидравлическое сопротивление движению переключающим плунжером в направлении активации.

[0060] Переключающий плунжер может иметь гидроприводной переключающий элемент, и может быть сконфигурирован для любого соответствующего режима движения. В одном варианте реализации изобретения, переключающий плунжер сконфигурирован для продольного перемещения, в то время как в других вариантах реализации изобретения переключающий плунжер может быть сконфигурирован для поворотного движения, например, в сращением вокруг продольной оси бурильной колонны, при том, что направлением активации является направление вращения.

[0061] Полость активации может быть представлена в виде камеры с гидравлическим приводом, образующей часть гидравлического механизма развертывания инструмента бурильной колонны. В других вариантах реализации изобретения, полость активации может являться каналом, ограниченным телом клапана или корпусом, сконфигурированным для обеспечения гидравлической связи внутреннего канала и механизма развертывания инструмента посредством канала клапана, в случае установки скважинного инструмента в бурильной колонне.

[0062] Регулятор переключения может содержать механизм отсчета времени переключения, сконфигурированный для регулирования продолжительности переключения в случае движения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое с гидравлическим приводом, в результате воздействия буровой жидкости при условии превышения порогового значения, таким образом, что продолжительность переключения практически не зависит от превышения пороговых значений предварительно установленных параметров буровой жидкости между соответствующими случаями развертывания инструмента. Регулятор переключения может содержать гидравлическое сужение, через которое протекает гидравлическая среда в результате движения переключающего плунжера в направлении активации, при том, что механизм переключения сконфигурирован таким образом, что скорость движения активации (например, скорость движения переключающего плунжера в направлении активации) ограничена скоростью потока гидравлической среды через гидравлическое отверстие. Регулятор переключения может дополнительно содержать регулятор потока (например, однонаправленный невозвратный клапан) установленный в гидравлическом сужении, и сконфигурированный для регулирования потока гидравлической среды через гидравлическое сужение.

[0063] В некоторых вариантах реализации изобретения регулятор потока может содержать устройство контроля скорости потока, сконфигурированное для ограничения скорости потока гидравлической среды через гидравлическое сужение до предварительно установленного предела скорости потока, который практически постоянен и не зависит от колебаний в перепаде давления через гидравлическое сужение в процессе превышения пороговых значений буровой жидкости.

[0064] В некоторых вариантах реализации изобретения регулятор переключения может содержать полость регулятора, заполненную гидравлической средой, сконфигурированную для автоматического нагнетания в результате движения переключающего плунжера в направлении активации, и выпускной канал, обеспечивающий гидравлическую связь между полостью регулятора и полостью аккумуляции, при том, что движение переключающего плунжера в направлении активации зависит от направления потока гидравлической среды через выпускной канал (таким образом, что выпускной канал обеспечивает гидравлическое сужение, в котором выполняется регулировка скорости потока), а регулятор потока установлен в выпускном канале.

[0065] Компоновка скважинного инструмента может содержать поворотный клапан, причем элемент закрытия клапана способен вращаться относительно кожуха вокруг оси клапана, при том, что элемент закрытия клапана сконфигурирован для переключения между открытым положением и закрытым положением путем углового отклонения элемента закрытия клапана относительно оси клапана. Элемент закрытия клапана в таких случаях, как правило, является трубчатым, и может быть расположен в кожухе соосно, при этом ось клапана совпадает с продольной осью кожуха, а элемент закрытия клапана сконфигурирован для ограничения части внутреннего канала инструмента в сборе.

[0066] В вариантах реализации изобретения, в которых элемент закрытия клапана является поворотным для обеспечения развертывания инструмента, компоновка инструментов может содержать поворотный механизм, обеспечивающий угловое отклонение переключающего плунжера относительно продольной оси в результате продольного перемещения переключающего плунжера в кожухе. Переключающий плунжер может, например, быть поворотно закреплен на элементе закрытия клапана и может быть сконфигурирован для совершения возвратно-поступательного движения в продольном направлении относительно кожуха, для поворота элемента закрытия клапана в открытое положение в ответ на гидроприводное продольное движение переключающего плунжера в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений параметров буровой жидкости, и для поворота элемента закрытия клапана в закрытое положение в результате продольного движения переключающего плунжера в обратном направлении, если превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости затем прекращается. Переключающий плунжер может совершать скользящее движение в продольном направлении относительно элемента закрытия клапана, притом что элемент закрытия клапана имеет фиксированное положение в продольном направлении относительно кожуха.

[0067] Компоновка инструмента может дополнительно содержать механизм отклонения (например, упруго-сжимаемую пружину), соединенный с переключающим плунжером, сконфигурированный для обеспечения отклонения переключающего плунжера в продольном направлении, противоположенном направлению активации, притом что механизм сдвига сконфигурирован таким образом, чтобы сдвиг соответствовал или превышал гидравлическую приводную силу, воздействующую на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости ниже порогового значения, и был меньше гидравлической приводной силы, воздействующей на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости выше порогового значения.

[0068] Некоторые другие аспекты изобретения содержат буровой инструмент, содержащий компоновку бурового инструмента, при этом бурильная колонна содержит компоновку бурового инструмента, и способ, содержащий контроль развертывания инструмента бурильной колонны в скважине посредством механизма управления.

[0069] Таким образом, один аспект изобретения содержит способ контроля инструмента бурильной колонны, установленного на бурильной колонне в скважине, при этом, бурильная колонна определяет внутренний канал для транспортировки буровой жидкости под давлением, способ, который включает установку в бурильной колонне механизма управления инструмента бурильной колонны, механизм управления, содержащий: тело клапана в корпусе, притом что тело клапана определяет канал клапана, обеспечивающий гидравлическую связь между внутренним каналом и гидравлическим механизмом развертывания инструмента бурильной колонны; элемент закрытия клапана, сконфигурированный для переключения между открытым положением, в котором внутренний канал находится в гидравлической связи с полостью активации посредством канала клапана, и закрытым положением, в котором элемент закрытия в значительной мере предотвращает поток флюида через канал клапана; переключающий плунжер, соединенный с элементом закрытия клапана и сконфигурированный для гидроприводного движения в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости, для переключения элемента закрытия клапана из открытого положения в закрытое; и регулятор переключения, соединенный с переключающим плунжером, и сконфигурированный для регулирования переключения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, обеспечивая гидравлическое сопротивление движению переключающим плунжером в направлении активации. Способ может дополнительно включать контроль параметров буровой жидкости в скважине при помощи наземной системы управления, в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости, обеспечивая переключение элемента закрытия клапана в открытое положение и обеспечивая развертывание инструмента бурильной колонны.

[0070] Способ может дополнительно включать управление продолжительностью переключения, в течение которой должны сохраняться предварительно установленные параметры буровой жидкости выше порогового значения для обеспечения гидроприводного движения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, таким образом, чтобы продолжительность переключения практически не зависела от изменения параметров превышения порогового значения буровой жидкости для соответствующих случаев развертывания инструмента.

[0071] В приведенном выше подробном описании различные характерные элементы сгруппированы вместе в одном варианте реализации с целью оптимизации раскрытия. Такой способ раскрытия не подразумевает, что указанные в формуле изобретения варианты реализации требуют большее количество характерных элементов, чем явным образом указано в каждом пункте формулы изобретения. Однако в соответствии со следующей формулой изобретения объект изобретения заключается в меньшем количестве характерных элементов, чем все характерные элементы в одном раскрытом варианте реализации. Таким образом, приведенная ниже формула изобретения должна рассматриваться вместе с подробным описанием, при том, что каждый пункт формулы изобретения следует рассматривать, как собственный и отдельный вариант реализации изобретения.

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена для гидравлического управления развертыванием скважинного инструмента. Механизм управления бурильной колонной сконфигурирован для активации инструмента бурильной колонны посредством гидроприводного движения переключающего элемента в активированное положение, при этом в качестве рабочей среды используется буровая жидкость. Перемещение переключающего элемента в активированное положение регулируется автоматически, в связи с чем активация инструмента зависит от применения превышения порогового значения параметров буровой жидкости в скважине по меньшей мере в течение предварительно установленной продолжительности переключения. Регулятор переключения, который регулирует перемещение переключающего элемента в активированное положение, может быть сконфигурирован для регулировки скорости движения переключающего элемента таким образом, чтобы поддерживалась практически постоянная продолжительность переключения независимо от колебаний величины перепада давления срабатывания при параметрах буровой жидкости в скважине выше порогового значения. Технический результат заключается в обеспечении гидравлического управления развертыванием скважинного инструмента. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Скважинный инструмент, содержащий:

кожух, сконфигурированный для установки в бурильной колонне, обеспечивающий транспортировку буровой жидкости через внутренний канал, ограниченный кожухом;

корпус клапана внутри кожуха, при этом корпус клапана, ограничивающий канал клапана в гидравлическом сообщении с внутренним каналом и с активационной полостью, сконфигурирован для взаимодействия с гидравлическим механизмом развертывания инструмента бурильной колонны;

элемент закрытия клапана, сконфигурированный для переключения между открытым положением, в котором внутренний канал находится в гидравлическом сообщении с активационной полостью через канал клапана, и закрытым положением, в котором элемент закрытия практически предотвращает поток жидкости через канал клапана;

переключающий плунжер, соединенный с элементом закрытия клапана и сконфигурированный для гидроприводного движения в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости в скважине, для переключения элемента закрытия клапана из открытого положения в закрытое; и

регулятор переключения, соединенный с переключающим плунжером и сконфигурированный для управления переключением элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое положение, обеспечивая регулируемое гидравлическое сопротивление движению переключающего плунжера в направлении активации.

2. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что регулятор переключения содержит механизм отсчета времени переключения, сконфигурированный для регулирования продолжительности переключающего гидроприводного движения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, в ответ на непрерывное воздействие превышающих пороговое значение параметров буровой жидкости, таким образом, что продолжительность переключения практически не зависит от изменений превышения порогового значения параметров буровой жидкости между соответствующими случаями развертывания инструмента.

3. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что регулятор переключения содержит гидравлическое сужение, через которое протекает гидравлическая среда в ответ на перемещения переключающего плунжера в направлении активации, при этом механизм переключения сконфигурирован таким образом, что скорость перемещения переключающего плунжера в направлении активации ограничивается скоростью потока гидравлической среды через гидравлическое сужение.

4. Скважинный инструмент по п.3, отличающийся тем, что регулятор переключения дополнительно содержит регулятор потока, установленный в гидравлическом сужении и сконфигурированный для регулирования потока гидравлической среды через гидравлическое сужение.

5. Скважинный инструмент по п.4, отличающийся тем, что регулятор потока содержит устройство контроля скорости потока, сконфигурированное для ограничения скорости потока гидравлической среды через гидравлическое сужение до предварительно установленного предела скорости потока, который практически постоянен и не зависит от колебаний в перепаде давления через гидравлическое сужение во время превышения пороговых значений параметров буровой жидкости.

6. Скважинный инструмент по п.3, отличающийся тем, что регулятор переключения содержит:

полость регулятора, заполненную гидравлической средой и сконфигурированную для автоматического повышения в ней давления в результате движения переключающего плунжера в направлении активации; и

канал вывода, обеспечивающий соединение потока жидкости между полостью регулятора и полостью аккумуляции, при том что движение переключающего плунжера в направлении активации обусловлено потоком гидравлической среды через канал вывода, таким образом, что канал вывода создает гидравлическое сужение, а регулятор потока установлен в канале вывода.

7. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что элемент закрытия клапана способен поворачиваться относительно кожуха вокруг оси клапана, при том что элемент закрытия клапана сконфигурирован для переключения между открытым положением и закрытым положением путем углового отклонения элемента закрытия клапана относительно оси клапана.

8. Скважинный инструмент по п.7, отличающийся тем, что элемент закрытия клапана, как правило, является трубчатым и расположен в кожухе соосно, при этом ось клапана совпадает с продольной осью кожуха, а элемент закрытия клапана сконфигурирован для ограничения части внутреннего канала инструмента в сборе.

9. Скважинный инструмент по п.7, дополнительно содержащий:

поворотный механизм, вызывающий угловое отклонение переключающего плунжера относительно продольной оси в ответ на продольное перемещение переключающего плунжера в кожухе,

при этом переключающий плунжер поворотно закреплен на элементе закрытия клапана и сконфигурирован для возвратно-поступательного продольного перемещения относительно кожуха,

для поворота элемента закрытия клапана в открытое положение в ответ на гидроприводное продольное движение переключающего плунжера в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений параметров буровой жидкости, и

для поворота элемента закрытия клапана в закрытое положение в ответ на продольное движение переключающего плунжера в противоположном возвратном направлении в ответ на последующее прекращение превышения пороговых значений параметров буровой жидкости.

10. Скважинный инструмент по п.9, отличающийся тем, что переключающий плунжер способен скользить в продольном направлении относительно элемента закрытия клапана, а элемент закрытия клапана имеет фиксированное положение в продольном направлении относительно кожуха.

11. Скважинный инструмент по п.1, дополнительно содержащий механизм отклонения, соединенный с переключающим плунжером и сконфигурированный для прикладывания усилия отклонения переключающего плунжера в возвратном продольном направлении, противоположном направлению активации, при этом механизм отклонения сконфигурирован таким образом, чтобы усилие отклонения соответствовало или превышало гидравлическую силу привода, воздействующую на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости ниже порогового значения, но было меньше гидравлической силы привода, воздействующей на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости выше порогового значения.

12. Буровая установка, содержащая:

удлиненную бурильную колонну, проходящую продольно вдоль ствола скважины, при том что бурильная колонна имеет кожух, ограничивающий продольно расположенный внутренний канал, приспособленный для транспортировки буровой жидкости под давлением;

инструмент бурильной колонны, образующий часть бурильной колонны и сконфигурированный для использования между активированным состоянием и деактивированным состоянием;

механизм управления, прикрепленный к инструменту бурильной колонны, сконфигурированный для обеспечения контролируемого оператором переключения инструмента бурильной колонны посредством управления режимом давления, при этом механизм управления содержит:

корпус клапана внутри кожуха, при этом корпус клапана ограничивает канал клапана в гидравлическом сообщении с внутренним каналом и с гидравлическими механизмом развертывания инструмента бурильной колонны;

элемент закрытия клапана, сконфигурированный для переключения между открытым положением, в котором внутренний канал находится в гидравлическом сообщении с активационной полостью через канал клапана, и закрытым положением, в котором элемент закрытия практически предотвращает поток жидкости через канал клапана;

переключающий плунжер, соединенный с элементом закрытия клапана и сконфигурированный для гидроприводного движения в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости в скважине, для переключения элемента закрытия клапана из открытого положения в закрытое; и

регулятор переключения, соединенный с переключающим плунжером и сконфигурированный для управления переключения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое положение, обеспечивая регулируемое гидравлическое сопротивление движению переключающего плунжера в направлении активации.

13. Буровая установка по п.12, отличающаяся тем, что регулятор переключения содержит механизм отсчета времени переключения, сконфигурированный для регулирования продолжительности переключения в случае гидроприводного движения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, в ответ на непрерывное воздействие превышения порогового значения параметров буровой жидкости, таким образом, что продолжительность переключения практически не зависит от изменений превышающих пороговые значения параметров буровой жидкости между соответствующими случаями развертывания инструмента.

14. Буровая установка по п.12, отличающаяся тем, что регулятор переключения содержит гидравлическое сужение, через которое протекает гидравлическая среда в ответ на перемещения переключающего плунжера в направлении активации, при том что механизм переключения сконфигурирован таким образом, что скорость перемещения переключающего плунжера в направлении активации ограничивается скоростью потока гидравлической среды через гидравлическое сужение.

15. Буровая установка по п.14, отличающаяся тем, что регулятор переключения дополнительно содержит регулятор потока, установленный в гидравлическом сужении и сконфигурированный для регулирования потока гидравлической среды через гидравлическое сужение.

16. Буровая установка по п.15, отличающаяся тем, что регулятор потока содержит устройство контроля скорости потока, сконфигурированное для ограничения скорости потока гидравлической среды через гидравлическое сужение до предварительно установленного предела скорости потока, который практически постоянен и не зависит от колебаний перепада давления через гидравлическое сужение при превышении пороговых параметров жидкости.

17. Буровая установка по п.14, отличающаяся тем, что регулятор переключения содержит:

полость регулятора, заполненную гидравлической средой и сконфигурированную для автоматического повышения в ней давления в результате движения регулирующего плунжера в направлении активации; и

канал вывода, обеспечивающий соединение потока жидкости между полостью регулятора и полостью аккумуляции, при том что движение переключающего плунжера в направлении активации обусловлено потоком гидравлической среды через канал вывода, таким образом, что канал вывода обеспечивает гидравлическое сужение, а регулятор потока установлен в канале вывода.

18. Буровая установка по п.12, отличающаяся тем, что элемент закрытия клапана способен поворачиваться относительно кожуха и вокруг оси клапана, при том что элемент закрытия клапана сконфигурирован для переключения между открытым положением и закрытым положением путем углового отклонения элемента закрытия клапана относительно оси клапана.

19. Буровая установка по п.18, отличающаяся тем, что элемент закрытия клапана, как правило, является трубчатым и расположен в кожухе соосно, при этом ось клапана совпадает с продольной осью кожуха, при этом элемент закрытия клапана сконфигурирован для ограничения части внутреннего канала бурильной колонны.

20. Буровая установка по п.18, дополнительно содержащая:

поворотный механизм, вызывающий угловое отклонение переключающего плунжера относительно продольной оси в ответ на продольное перемещение переключающего плунжера в кожухе,

при этом переключающий плунжер поворотно закреплен на элементе закрытия клапана и сконфигурирован

для возвратно-поступательного продольного перемещения относительно кожуха,

для поворота элемента закрытия клапана в открытое положение в ответ на гидроприводное продольное движение переключающего плунжера в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений параметров буровой жидкости, и

для поворота элемента закрытия клапана в закрытое положение в ответ на продольное движение переключающего плунжера в противоположном возвратном направлении в ответ на последующее прекращение превышения пороговых значений параметров буровой жидкости.

21. Буровая установка по п.20, отличающаяся тем, что переключающий плунжер способен скользить в продольном направлении относительно элемента закрытия клапана, при этом элемент закрытия клапана имеет фиксированное положение в продольном направлении относительно кожуха.

22. Буровая установка по п.12, дополнительно содержащая механизм отклонения, соединенный с переключающим плунжером и сконфигурированный для прикладывания усилия отклонения к переключающему плунжеру в продольном возвратном направлении, противоположном направлению активации, при том что механизм отклонения сконфигурирован таким образом, чтобы усилие отклонения соответствовало или превышало гидроприводное усилие, воздействующее на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости ниже порогового значения, и было меньше гидроприводного усилия, воздействующего на переключающий плунжер при параметрах буровой жидкости выше порогового значения.

23. Способ управления инструментом бурильной колонны, соединенным с бурильной колонной внутри скважины, при том что бурильная колонна ограничивает внутренний канал для транспортировки буровой жидкости под давлением, включающий:

установку в бурильной колонне механизма управления для инструмента бурильной колонны, при этом механизм управления содержит:

корпус клапана внутри кожуха, при этом корпус клапана ограничивает канал клапана, обеспечивающий гидравлическое сообщение между внутренним каналом и гидравлическим механизмом развертывания инструмента бурильной колонны;

элемент закрытия клапана, сконфигурированный для переключения между открытым положением, в котором внутренний канал находится в гидравлическом сообщении с активационной полостью через канал клапана, и закрытым положением, в котором элемент закрытия практически предотвращает поток жидкости через канал клапана;

переключающий плунжер, соединенный с элементом закрытия клапана и сконфигурированный для гидроприводного движения в направлении активации в ответ на превышение пороговых значений предварительно установленных параметров для буровой жидкости в скважине, для переключения элемента закрытия клапана из открытого положения в закрытое; и

регулятор переключения, соединенный с переключающим плунжером, сконфигурированный для управления переключением элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое положение, обеспечивая регулируемое гидравлическое сопротивление движению переключающего плунжера в направлении активации; и

контроль параметров буровой жидкости в скважине при помощи наземной системы управления, для обеспечения предварительно установленных параметров буровой жидкости выше порогового значения, тем самым переключая элемент закрытия клапана в открытое положение и обеспечивая развертывание инструмента бурильной колонны.

24. Способ по п.23, дополнительно включающий управление продолжительностью переключения, в течение которого должны сохраняться предварительно установленные параметры буровой жидкости выше порогового значения для обеспечения гидроприводного движения элемента закрытия клапана из закрытого положения в открытое, таким образом, чтобы продолжительность переключения практически не зависела от изменений превышения порогового значения параметров буровой жидкости между соответствующими случаями развертывания инструмента.