АКТИВИРУЕМЫЙ ПОТОКОМ КЛАПАН ВЫРАВНИВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК E21B34/10 F16K17/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Описанная в настоящей заявке сущность относится к уравнительному клапану для использования в узле скважинного инструмента, причем клапан является пригодным для уравнивания давлений текучей среды вокруг него.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] На различных этапах эксплуатации скважины может потребоваться выполнение конкретной операции, включающей в себя технологическую обработку с использованием текучих сред, такую как, например, гидроразрыв, очистка или интенсификация. При выполнении технологической обработки или операции в скважине часто желательно подать технологическую текучую среду в конкретную область скважины, но не во всю скважину. С этой целью обычно используют скважинный инструмент, оснащенный одним или более пакерами, для выборочного и изолированного взаимодействия со скважиной или обсадной колонной и изоляции области скважины, которая должна быть обработана. Скважинный инструмент спускают в скважину и извлекают из скважины в спусковой колонне, такой как гибкая НКТ (насосно-компрессорная труба).

[0003] Известны различные типы пакеров (мостовые пробки, фрикционные манжеты, гидравлические пакеры и разобщающие пакеры), которые могут быть использованы для изоляции секции скважины ниже пакера или между парой пакеров в зависимости от технологической операции, которая должна быть выполнена.

[0004] Пакеры по своей конструкции представляют собой барьер, препятствующий перемещению текучей среды, и в то же время скважинные инструменты, оснащенные пакерами, предназначены для перемещения вверх и вниз вдоль скважины во время спуска и извлечения из скважины (POOH - pulled out of hole) и поочередной установки и освобождения, которые происходят в текучей среде. Таким образом, без управления текучей средой, протекающей вокруг пакеров или через скважинный инструмент, оператор может вызвать свабирование скважины с возможным вредным воздействием на скважину или скважинный инструмент.

[0005] Скважинные инструменты, оснащенные пакерами, во время использования подвержены воздействию различных условий, к которым также относится и накопление обломков вокруг узла инструмента. Поток текучей среды во время операций или перемещения может переносить большое количество обломков, которые осаждаются поверх и вокруг уплотняющего устройства или в других частя узла инструмента. Это может привести к повреждению инструмента, или узел инструмента может заклиниться в скважине.

[0006] Кроме того, после выполнения конкретной технологической операции может быть желательным освобождение скважинного инструмента и связанных с ним пакеров и их перемещение в другое местоположение в скважине с последующими новой анкеровкой инструмента или его полным удалением из скважины. В целом, перепад давлений на элементе пакера будет существовать после выполнения операции в скважине, например, операции гидроразрыва. Если текучая среда не рассеяна или иным способом удалена из скважины, гидравлический напор выше скважинного инструмента приводит к приложению значительных гидравлических сил к инструменту и может поддерживать пакер в активированном состоянии или удерживать другие части скважинного инструмента в рабочих условиях, что может привести к повреждению инструмента, пакеров или скважины при насильственном перемещении или к созданию препятствия вообще для любого перемещения.

[0007] Для освобождения инструмента давление выше и ниже пакера должно быть уравнено. Как только давление будет уравнено, спусковой колонной можно манипулировать с целью раскрепления пакера. Соответственно, уравнивание давления через пакер после выполнения технологической операции или другой операции является желательным для предотвращения вызванного обломками отказа инструмента, застревания или обездвиживания узла инструмента, а также возможной потери скважины, если узел инструмента не может быть извлечен.

[0008] В US 2011/0198082 описан узел инструмента, содержащий многофункциональный клапан, развернутый в спусковой колонне. Прямой и обратный циркуляционные каналы к изолированному интервалу скважины обеспечивают возможность очистки от обломков из кольцевого пространства скважины, в то время как уплотняющее устройство остается установленным в стволе скважины. Затвор клапана активируется после приложения силы к спусковой колонне.

[0009] В US 2012/0055671 описан узел инструмента, развернутый в спусковой колонне. Узел инструмента содержит уравнительный клапан, который может быть открыт или закрыт для управления каналом для текучей среды, протекающей между гибкой НКТ и зоной технологической операции к нижней части скважины. Затвор клапана может быть активирован с поверхности вытягиванием или проталкиванием трубы для открытия или герметизации канала после приложения механического давления к спусковой колонне.

[0010] В US 2013/0133891 описан уравнительный клапан, имеющий затвор клапана, выполненный с возможностью перемещения из открытого положения в посаженное в седло положение. Клапан имеет канал для первичной текучей среды, а затвор клапана образует трубопровод, который обеспечивает минимальный поток текучей среды через уплотняющий элемент, когда затвор клапана находится в посаженном в седло положении. Перемещение затвора клапана между открытым положением и посаженным в седло положением активируется приложением механической силы к спусковой колонне.

[0011] В US 6,474,419 описан пакер с уравнительным клапаном для автоматического уравнивания давления выше и ниже элемента пакера. Пакер содержит уравнительный клапан, который имеет открытое положение и закрытое положение. Уравнительный клапан переходит в закрытое положение для предотвращения потока через клапан, когда элемент пакера активируется для взаимодействия со скважиной. Сообщение по текучей среде выше и ниже пакера уравнивается переходом клапана в открытое положение, после чего пакер может быть возвращен в исходное состояние и извлечен из скважины.

[0012] В СА 2,683,432 описан клапан выравнивания давления для спусковой колонны, содержащей уравнительный клапан, который закрывается, когда поток текучей среды, имеющий скорость больше, чем пороговая, активирует челнок для закрытия клапана. Расход текучей среды меньше, чем пороговое значение, поддерживает челнок, смещенный в открытое положение для открытия клапана.

[0013] В US 6,666,273 описан клапан плунжерного типа для использования в скважине. Клапан выполнен с возможностью приведения в действие дифференциальным давлением с целью выборочного обеспечения возможности протекания текучей среды в клапан и из клапана в обоих направлениях. Седло клапана смещено для обеспечения управляемого потока в одном направлении, а плунжер 704 смещен для обеспечения управляемого потока во втором направлении. Затем клапан плунжерного типа может быть деактивирован для выборочного обеспечения возможности протекания текучей среды только в одном направлении.

[0014] В US 8,141,642 описан клапанный узел, который выполнен с возможностью выборочного управления потоком текучей среды в регулятор наполнения/циркуляции и из него. Клапанный узел содержит выполненную с возможностью перемещения головку клапана и выполненное с возможностью перемещения седло клапана. Седло клапана смещается для создания управляемого потока в одном направлении, и шток или головка клапана смещается для создания управляемого потока во втором направлении.

[0015] В уровне техники имеется потребность в уравнительном клапане, который может перемещаться вверх и вниз по скважине и использоваться в изменяющихся положениях вдоль скважины без необходимости подъема клапана на поверхность для его сброса.

[0016] В отношении уравнительных клапанов, которые открываются сбрасыванием давления из клапана для уравнивания давлений выше и ниже клапана, может быть затруднительным определить с поверхности, открыт ли клапан фактически, и можно ли его перемещать без повреждения пакеров. Стравливание давления представляет собой конкретную проблему в скважинах с низким давлением. В некоторых случаях понижение давления может обеспечить возможность протекания текучей среды назад в скважину, что может привести к переносу обломков, которые повреждают пакеры при их перемещении. Таким образом, предпочтительно исключить использование стравливания давления в качестве основного средства для открывания клапана.

[0017] Иногда может возникать необходимость в обеспечении возможности протекания текучей среды через уравнительный клапан для очистки компонентов спусковой колонны, которые расположены ниже клапана. Соответственно, клапаны, активируемые потоком текучей среды, подвергаются риску преждевременной активации. Схожим образом, возбуждаемое потоком закрытие клапана также может возникнуть в результате относительного перемещения текучей среды через клапан во время перемещения инструмента вдоль заполненной текучей средой скважины, что ограничивает скорости перемещения колонны между зонами.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] В настоящей заявке описан клапан выравнивания давления, который используется для уравнивания давлений на скважинном инструменте. Клапан требует активации двумя различными механизмами и, таким образом, обеспечивает дополнительную степень управляемости, когда клапан перемещается в скважине и/или используется в технологической операции или для интенсификации скважины. Клапан имеет свойство активации потоком текучей среды, в силу которого клапан может быть переведен в разрешенное и запрещенное положения манипуляцией относительными осевыми положениями восходящей и нисходящей частей скважинного инструмента.

[0019] Согласно одному аспекту, в настоящей заявке описан клапан выравнивания давления, который содержит:

нисходящий трубчатый элемент, телескопически соединенный для осевого перемещения относительно восходящего трубчатого элемента и образующий непрерывное сквозное осевое отверстие, причем осевое перемещение нисходящего трубчатого элемента по направлению к восходящему трубчатому элементу ограничено предельным положением в восходящем направлении и по направлению от восходящего трубчатого элемента предельным положением в нисходящем направлении;

седло клапана, расположенное в осевом отверстии нисходящего трубчатого элемента, для образования восходящего отверстия клапана и нисходящего отверстия клапана, сообщающихся друг с другом по текучей среде;

челнок клапана, расположенный в отверстии восходящего трубчатого элемента и выполненный с возможностью перемещения в нем в осевом направлении, причем челнок смещен вверх в смещенное вверх по стволу скважины положение и выполнен с возможностью приведения в действие с перемещением по направлению к предельному в нисходящем направлении положению потоком текучей среды через восходящее отверстие клапана; и

при этом нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью активации для перемещения из предельного в нисходящем направлении положения в положение задействования клапана, в котором шар клапана на челноке взаимодействует с седлом клапана, когда расход текучей среды через восходящее отверстие клапана больше, чем пороговый расход; и при этом

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана,

поток текучей среды, превышающий пороговое значение расхода, преодолевает смещение для перемещения челнока из смещенного вверх по стволу скважины положения в положение увеличенного потока, в котором шар клапана взаимодействует с седлом клапана для изоляции восходящего отверстия клапана от нисходящего отверстия клапана, и

поток текучей среды ниже порогового значения расхода поддерживает челнок, смещенный в смещенном вверх по стволу скважины положении, для обеспечения постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана; а

когда нисходящий трубчатый элемент не находится в положении задействования клапана, шар клапана расположен на расстоянии от седла клапана, так что когда челнок находится в активируемом потоком положении, шар клапана остается расположенным на расстоянии от седла клапана для обеспечения постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана.

[0020] Согласно одному варианту реализации челнок клапана имеет входное отверстие для текучей среды, сообщающееся по текучей среде с восходящим отверстием клапана, и потокоотклоняющее выходное отверстие для текучей среды, сообщающееся по текучей среде с восходящим отверстием клапана,

причем поток текучей среды через входное отверстие челнока для текучей среды и выходное отверстие челнока для текучей среды принуждает челнок к перемещению в нисходящем направлении против сопротивления смещения.

[0021] Согласно одному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент дополнительно содержит средство для обездвиживания нисходящего трубчатого элемента в скважине.

[0022] Согласно одному варианту реализации седло клапана расположено в конце отверстия нисходящего трубчатого элемента.

[0023] Согласно одному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении в отверстии восходящего трубчатого элемента.

[0024] Согласно одному варианту реализации положение нисходящего трубчатого элемента для задействования клапана является предельным в восходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

[0025] Согласно одному варианту реализации восходящее смещенное положение челнока является предельным в восходящем направлении положением челнока.

[0026] Согласно еще одному описанному в настоящей заявке аспекту клапан для выравнивания давления для скважинного инструмента содержит:

восходящий трубчатый элемент и нисходящий трубчатый элемент, телескопически соединенные и образующие непрерывное осевое отверстие, проходящее через них; при этом нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью приведения в действие для осевого перемещения по направлению к восходящему трубчатому элементу в положение задействования клапана и по направлению от восходящего трубчатого элемента в положение отключения клапана;

седло клапана, расположенное в осевом отверстии нисходящего трубчатого элемента, для образования восходящего отверстия клапана и нисходящего отверстия клапана, сообщающихся по текучей среде между собой; и

челнок клапана, расположенный в отверстии восходящего трубчатого элемента и выполненный с возможностью перемещения в нем в осевом направлении, причем челнок смещен вверх по стволу скважины в смещенное вверх по стволу скважины положение и выполнен с возможностью приведения в действие с перемещением по направлению к активированному потоком положению потоком текучей среды, который превышает пороговое значение расхода; и при этом

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении отключения клапана, и челнок находится в активируемом потоком положении, клапан открыт для постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана;

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, и челнок находится в смещенном вверх по стволу скважины положении, клапан открыт для постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана; и

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, и челнок находится в активируемом потоком положении, шар клапана на челноке взаимодействует с седлом клапана, и клапан закрыт для сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана.

[0027] Согласно одному варианту реализации поток текучей среды, протекающей через восходящее отверстие клапана в нисходящее отверстие клапана, принуждает челнок перемещаться в нисходящем направлении против сопротивления смещения.

[0028] Согласно одному варианту реализации поток текучей среды через восходящее отверстие клапана содержит поток текучей среды, протекающей во входное отверстие челнока клапана для текучей среды, которое сообщается по текучей среде с восходящим отверстием клапана, и из выходного отверстия для текучей среды, которое сообщается по текучей среде с восходящим отверстием клапана.

[0029] Согласно одному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент дополнительно содержит средство для обездвиживания нисходящего трубчатого элемента в скважине.

[0030] Согласно одному варианту реализации седло клапана расположено в конце отверстия нисходящего трубчатого элемента.

[0031] Согласно одному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении в отверстии восходящего трубчатого элемента.

[0032] Согласно одному варианту реализации положение нисходящего трубчатого элемента для задействования клапана является предельным в восходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

[0033] Согласно одному варианту реализации положение нисходящего трубчатого элемента для отключения клапана является предельным в нисходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

[0034] Согласно одному варианту реализации положение нисходящего трубчатого элемента, соответствующее конфигурации отключения клапана, является предельным в нисходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0035] На ФИГ. 1А показан боковой частичный разрез спусковой колонны с уравнительным клапаном согласно одному варианту реализации.

[0036] На ФИГ. 1В показан увеличенный боковой частичный разрез уравнительного клапана, показанного на ФИГ. 1А.

[0037] На ФИГ. 2А-2С показаны увеличенные частичные разрезы, на которых сравниваются три положения компонентов уравнительного клапана, в частности:

На ФИГ. 2А показан вид с нисходящим трубчатым элементом в положении отключения клапана, и челноком клапана в смещенном вверх по стволу скважины положении, и клапан находится в открытой конфигурации;

На ФИГ. 2В показан вид с нисходящим трубчатым элементом в положении задействования клапана и челноком клапана в смещенном вверх по стволу скважины положении, и клапан находится в открытой конфигурации; и

На ФИГ. 2С показан вид с нисходящим трубчатым элементом в положении задействования клапана и челноком клапана в положении увеличенного потока, и клапан находится в закрытой конфигурации.

[0038] На ФИГ. 3A-3D показана увеличенная часть уравнительного клапана, показанного на ФИГ. 1В, показывающая подробно челнок клапана и седло клапана, причем каждая фигура демонстрирует различные относительные положения челнока клапана и седла клапана, а именно:

На ФИГ. 3А показан момент, когда клапан находится в открытой конфигурации с нисходящим трубчатым элементом в положении отключения клапана и челноком клапана в смещенном вверх по стволу скважины положении;

На ФИГ. 3В показан момент, когда клапан находится в открытой конфигурации с нисходящим трубчатым элементом в положении отключения клапана и челноком клапана в положении увеличенного потока;

На ФИГ. 3С показан момент, когда клапан находится в открытой конфигурации с нисходящим трубчатым элементом в положении задействования клапана и челноком клапана в смещенном вверх по стволу скважины положении; и

На ФИГ. 3D показан момент, когда клапан находится в закрытой конфигурации с нисходящим трубчатым элементом в положении задействования клапана и челноком клапана в положении увеличенного потока для посадки в седло и закрытия клапана.

[0039] На ФИГ. 4A-4D схематически показаны различные пределы перемещения шара клапана и седла клапана, а именно:

На ФИГ. 4А и 4В показано седло клапана, расположенное на нисходящем трубчатом элементе, находящемся в его предельном в нисходящем направлении положении, с челноком клапана в его предельном в восходящем направлении положении и предельном в нисходящем направлении положении (А и В соответственно), в обоих случаях клапан остается открытым для уравнивания; и

На ФИГ. 4С показано седло клапана, расположенное на нисходящем трубчатом элементе, находящемся в его предельном в восходящем направлении положении, с челноком клапана в его предельном в восходящем направлении положении, причем клапан остается открытым для уравнивания; и

На ФИГ. 4D показан нисходящий трубчатый элемент в положении задействования клапана с челноком клапана в положении увеличенного потока, причем клапан закрыт и обеспечивает возможность проведения технологической операции.

[0040] На ФИГ. 5A-5F показаны различные этапы работы уравнительного клапана и, в частности, процесса открывания клапана после его закрытия:

На ФИГ. 5А показан клапан в открытой конфигурации с нисходящим трубчатым элементом в положении задействования клапана;

На ФИГ. 5В показан клапан в закрытой конфигурации, поскольку челнок клапана приведен текучей средой к положению увеличенного потока, так что шар клапана взаимодействует с седлом клапана;

На ФИГ. 5С показан клапан в закрытой конфигурации с верхним трубчатым элементом, поднятым из скважины на приращение А, в то время как челнок клапана принужден текучей средой оставаться закрытым, причем челнок клапана сдвигается против смещения;

На ФИГ. 5D показан клапан в закрытой конфигурации с верхним трубчатым элементом, поднятым из скважины на дополнительное приращение В, в то время как челнок клапана принужден текучей средой оставаться закрытым, причем челнок клапана дополнительно сдвигается против смещения;

На ФИГ. 5Е показан клапан в открытой конфигурации с верхним трубчатым элементом, поднятым из скважины на дополнительное приращение С, челнок клапана достигает нижнего предела против смещения, и шар отрывается от седла клапана для открытия канала и уравнивания через клапан; и

На ФИГ. 5F показан клапан в открытой конфигурации с максимальным потоком текучей среды, нисходящим через него.

[0041] На ФИГ. 6А-6С показаны этапы работы уравнительного клапана во время спуска в скважину, технологической операции и извлечения из скважины, в частности:

На ФИГ. 6А показана карта технологического процесса, показывающая этапы работы, которые остаются возможными во время спуска в скважину, когда клапан находится в конфигурации отключения и открыт;

На ФИГ. 6В показана карта технологического процесса, показывающая этапы работы во время технологической операции с использованием текучей среды и освобождения инструмента для повторного позиционирования, причем клапан находится в конфигурации задействования и закрыт на время выполнения скважинной технологической операции, после чего переходит в конфигурацию отключения; и

На ФИГ. 6С показана карта технологического процесса, показывающая этапы работы, которые остаются возможными во время извлечения из скважины, в то время как клапан находится в конфигурации отключения и открыт.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0042] Скважинный инструмент содержит восходящую трубчатую часть, соединенную со спусковой колонной, управляемой с поверхности, и нисходящую трубчатую часть, рассоединяемым способом анкеруемую в скважине. Клапан охватывает восходящий и нисходящий трубчатые элементы, и телескопическая манипуляция между ними разрешает или запрещает работу клапана. Челнок клапана и шар расположены в восходящем трубчатом элементе, и седло клапана расположено в нисходящем трубчатом элементе. Когда клапан находится в конфигурации задействования, челнок является управляемым при пороговом расходе текучей среды против смещения для закрытия клапана. Когда клапан находится в конфигурации отключения, клапан остается открытым независимо от расхода текучей среды.

[0043] Для закрытия клапана должны произойти два различных 15 события: (а) нисходящий трубчатый элемент анкерован в скважине и задает положение седла клапана, восходящим трубчатым элементом манипулируют для размещения шара челнока клапана в пределах действующего диапазона перемещения седла клапана, клапан находится в разрешенной конфигурации; и (b) скоростью потока текучей среды 20 через клапан манипулируют для превышения пороговой скорости с целью преодоления смещения и активирования перемещения шара клапана к седлу клапана. Если нисходящий трубчатый элемент не обездвижен анкерованием в стволе скважины, клапан не может быть закрыт, даже если скорость потока текучей среды через клапан 25 превышает пороговую скорость, поскольку давление, вызванное потоком текучей среды, протекающей через клапан, будет выталкивать седло за пределы диапазона перемещения челнока клапана и шара. Таким образом, даже если скорость потока текучей среды через клапан превысит пороговую скорость, клапан не закроется. Этот сценарий в случае необходимости применяют, например, для направления текучей среды в скважину ниже клапана, например, для промывания этого участка скважины или очистки каких-либо внутренних компонентов скважинного инструмента. Кроме того, инструмент может быть извлечен из скважины с высокими скоростями перемещения, приводящими к интенсивному смещению текучей среды в нисходящем направлении через скважину, поскольку можно не беспокоиться, что скорость потока текучей среды может вызвать закрытие клапана.

[0044] После закрытия клапана и выполнения скважинной операции, такой как операция гидроразрыва, уравнительный клапан может быть открыт, например, согласно одному варианту реализации перепусканием давления из области выше клапана в область ниже клапана для снижения гидростатического давления, которое в противном случае будет удерживать клапан в закрытом положении. В качестве варианта, уравнительный клапан может быть открыт действием механической силы, т.е. подъемом из скважины спусковой колонны и восходящего трубчатого элемента для запирания клапана (как показано на ФИГ. 5). Таким образом, оператор на поверхности может быть уверен, что клапан действительно открыт. Как только давление будет уравнено, инструмент может быть перемещен, и повреждение инструмента или пакера будет минимизировано или предотвращено.

[0045] На ФИГ. 1 показан уравнительный клапан 10 давления в качестве компонента спусковой колонны 100, например, сформированной из гибкой НКТ. Спусковая колонна содержит снабженный прорезями обрабатывающий инструмент 102, отклоняющий носовой контейнер 104 для цифрового измерительного прибора, пару нижних манжет 106 (разобщающая и верхняя пара противоположных манжет не показаны), узел 108 посадочных снабженных байонетными пазами клиньев пакера и фрикционного блока, коническую насадку 110 и шлипсы 112, локатор 114 муфтовых соединений обсадных труб и контейнер 116 для цифрового измерительного прибора с полосовым магнитом.

[0046] Отверстие уравнительного клапана 10 давления сообщается по текучей среде с отверстием, проходящим сквозь спусковую колонну 100. Когда уравнительный клапан находится в "открытой конфигурации" (или конфигурации уравнивания), текучая среда может протекать через клапан, в результате чего давление выше и ниже нижних манжет 106 является одинаковым. Когда клапан находится в "закрытой конфигурации" (или конфигурации обработки), текучая среда не может проходить через клапан, и. любая закачиваемая текучая среда выходит из спусковой колонны выше уравнительного клапана, например, через порты 118 выше нижних манжет 106. Открытое положение используется, например, при спуске в скважину или подъеме из скважины, и закрытое положение используется, например, при выполнении технологической операции с использованием текучей среды, например, гидравлического разрыва пласта. В настоящей заявке технологическая операция с использованием текучей среды описана на примере гидравлического разрыва пласта, при котором текучую среду под высоким давлением выпускают через снабженный прорезями обрабатывающий инструмент 102. Другие технологические операции, как указано выше, являются одинаково применимыми.

[0047] Уравнительный клапан 10 давления показан в составе спусковой колонны 100 на ФИГ. 1А и более подробно на ФИГ. 1В. Уравнительный клапан 10 содержит восходящий трубчатый элемент 12 и нисходящий трубчатый элемент 14, которые выполнены с возможностью телескопического перемещения или перемещения в осевом направлении относительно друг друга. В этом варианте реализации часть нисходящего трубчатого элемента 14 проходит вверх в отверстие восходящего трубчатого элемента 12 и выполнена с возможностью телескопического перемещения вдоль него. Нисходящий трубчатый элемент 14 выполнен с возможностью перемещения относительно восходящего трубчатого элемента 12, и наоборот, восходящий трубчатый элемент 12 выполнен с возможностью перемещения относительно нисходящего трубчатого элемента 14. Восходящий и нисходящий трубчатые элементы 12, 14 выполнены с возможностью перемещения между двумя ограниченными конфигурациями.

[0048] Восходящий и нисходящий трубчатые элементы 12, 14 находятся в первой конфигурации, когда нисходящий трубчатый элемент и восходящий трубчатый элемент разделены максимальным расстоянием 60 между заплечиком/ограничителем 15 нисходящего трубчатого элемента и заплечиком/ограничителем 13 восходящего трубчатого элемента 12. В этой первой конфигурации нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в нисходящем направлении положении. Контакт между внутренним ограничителем 54 и заплечиком 56 между восходящим и нисходящим трубчатыми элементами соответственно (как показано на ФИГ. 3А) задает "предельное в нисходящем направлении" положение нисходящего трубчатого элемента (также показано, например, на ФИГ. 2А, 3А, 3В, 5F).

[0049] Восходящий и нисходящий трубчатые элементы 12, 14 находятся во второй конфигурации, когда нисходящий трубчатый элемент расположен на минимальном расстоянии от восходящего трубчатого элемента, так что заплечик 15 нисходящего трубчатого элемента 14 контактирует с заплечиком 13 восходящего трубчатого элемента 12. В этой второй конфигурации нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в восходящем направлении положении. Контакт заплечиков 15 и 13 задает "предельное в восходящем направлении" положение нисходящего трубчатого элемента (показано также на ФИГ. 2В, 2С, 3С, 5А, 5В). Таким образом, нисходящий трубчатый элемент может перемещаться между предельным в восходящем направлении и предельным в нисходящем направлении положениями.

[0050] Трубчатые элементы 12, 14 активируются для перемещения в осевом направлении друг к другу или друг от друга механической силой. В частности, при спуске в скважину трение и торможение, действующие на нисходящий трубчатый элемент, перемещают его в осевом направлении к восходящему трубчатому элементу в предельное в восходящем направлении положение. При подъеме из скважины трение и торможение, действующие на нисходящий трубчатый элемент, перемещают его в направлении от восходящего трубчатого элемента, увеличивая расстояние между ними до максимального расстояния 60.

[0051] Когда скважинный инструмент расположен в рабочем участке скважины, и должна быть выполнена технологическая операция с использованием текучей среды, нисходящий трубчатый элемент может быть анкерован внутри скважины с использованием узла 108 посадочных снабженных байонетными пазами клиньев пакера и фрикционного блока, который заставляет шлипсы 112 взаимодействовать с конусом 110 и, таким образом, расширяться в радиальном направлении наружу для входа в контакт с обсадной колонной. После завершения анкеровки нисходящий трубчатый элемент не перемещается в осевом направлении вдоль ствола скважины.

[0052] Клапан содержит челнок 18 клапана, оснащенный шаром 20 клапана, и седло 22 клапана. Челнок 18 клапана расположен внутри отверстия восходящего трубчатого элемента 12 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении вдоль него между двумя положениями: (а) положением, в котором челнок клапана максимально смещен вверх по стволу скважины, названным в настоящей заявке как "предельное в восходящем направлении" положение челнока (показано на ФИГ. 2А, 2В, 3А, 3С, 5А); и (b) положением, в котором челнок клапана перемещен максимально вниз по стволу скважины, названным в настоящей заявке как "предельное в нисходящем направлении" положение челнока (показано на ФИГ. 3В, 5Е). Таким образом, челнок может перемещаться внутри восходящего трубчатого элемента между предельным в восходящем направлении положением и предельным в нисходящем направлении положением. В показанных на чертежах вариантах реализации взаимодействие между корпусом челнока в восходящем трубчатом элементе 12 и челноком 18 ограничивает осевой диапазон перемещения челнока 18 клапана.

[0053] Челнок 18 клапана управляется потоком текучей среды, протекающей через него, для осевого перемещения вниз по стволу скважины. Скорость потока текучей среды через челнок определяет, находится ли челнок клапана рядом с его предельным в восходящем направлении положением (в его предельном в восходящем направлении положении) или рядом с его предельным в нисходящем направлении положением (в его предельном в нисходящем направлении положении). В частности, скорость потока текучей среды в нисходящем направлении, которая ниже порогового значения, включая отсутствие потока или поток вверх по стволу скважины, является недостаточной для преодоления смещения челнока клапана, и челнок клапана будет оставаться в его предельном в восходящем направлении положении. Скорость потока текучей среды, которая больше порогового значения, преодолевает смещение, и челнок клапана перемещается в его предельное в нисходящем направлении положение или по направлению к его предельному в нисходящем направлении положению.

[0054] В дальнем (нижнем) конце челнока 18 находится шар 20, который может с уплотнением взаимодействовать с седлом 22 клапана в ближнем (верхнем) конце трубчатого элемента 14. Когда шар 20 не находится в седле 22, непрерывное осевое отверстие образуется между восходящим и нисходящим трубчатыми элементами 12 и 14, и текучая среда может протекать между отверстием восходящего трубчатого элемента и отверстием нисходящего трубчатого элемента (что соответствует описанной выше в настоящей заявке открытой, или уравнивающей, конфигурации клапана). Когда шар 20 находится в седле 22, текучая среда не может протекать между отверстием восходящего трубчатого элемента и отверстием нисходящего трубчатого элемента (что соответствует описанной выше в настоящей заявке закрытой, или технологической, конфигурации клапана).

[0055] В описанном в настоящей заявке уравнительном клапане, когда нисходящий трубчатый элемент находится в его нисходящем ограниченном положении, уплотняющее взаимодействие между шаром 20 и седлом 22 не может быть достигнуто независимо от положения челнока клапана (который задает расположение шара клапана). Аналогично, когда челнок клапана находится в его предельном в восходящем направлении положении, уплотняющее взаимодействие между шаром 20 и седлом 22 не может быть достигнуто независимо от положения нисходящего трубчатого элемента (который задает расположение седла клапана). Таким образом, в обоих случаях обеспечена возможность протекания текучей среды между отверстием восходящего трубчатого элемента и отверстием нисходящего трубчатого элемента, т.е. клапан находится в открытом положении. Уплотняющее взаимодействие может быть достигнуто только в случае, когда нисходящий трубчатый элемент и челнок клапана перемещаются в направлении от своих соответствующих предельного в нисходящем направлении и предельного в восходящем направлении положений, как описано более подробно ниже. В случае уплотняющего взаимодействия текучая среда не в состоянии протекать из отверстия восходящего трубчатого элемента в отверстие нисходящего трубчатого элемента, т.е., клапан находится в закрытом положении.

[0056] Как описано более подробно ниже, уравнительный клапан согласно настоящему изобретению имеет:

a) независимую от расхода открытую конфигурацию или конфигурацию уравнивания: текучая среда может протекать через клапан независимо от того, является ли скорость потока текучей среды выше или ниже порогового значения;

b) зависимую от расхода открытую конфигурацию или конфигурацию уравнивания: текучая среда может протекать через клапан, если скорость потока текучей среды ниже порогового значения; и

c) зависимую от расхода закрытую конфигурацию: текучая среда не может протекать через клапан, если скорость потока текучей среды выше порогового значения.

[0057] Когда спусковую колонну извлекают из скважины, нисходящий трубчатый элемент находится рядом с его предельным в нисходящем направлении положением или в его предельном в нисходящем направлении положении. Челнок клапана находится в своем предельном в восходящем направлении положении, если скорость потока текучей среды ниже порога, или челнок клапана перемещается в свое предельное в нисходящем направлении положение или к своему предельному в нисходящем направлении положению, если скорость потока текучей среды выше порога. Но поскольку нисходящий трубчатый элемент находится рядом со своим предельным в нисходящем направлении положением или в своем предельном в нисходящем направлении положении, уравнительный клапан не может закрыться во время его подъема из скважины независимо от скорости потока текучей среды.

[0058] Во время спуска в скважину нисходящий трубчатый элемент находится рядом со своим предельным в нисходящем направлении положением или в своем предельном в восходящем направлении положении. Но поток текучей среды через клапан поддерживает челнок клапана в его предельном в восходящем направлении положении, и, таким образом, уравнительный клапан не может быть закрыт во время спуска в скважину. Если текучую среду будут закачивать во время спуска инструмента в скважину, скорость потока текучей среды, который преодолевает смещение челнока клапана, также вызовет перемещение нисходящего трубчатого элемента в направлении от восходящего трубчатого элемента, в результате чего клапан не может быть закрыт.

[0059] Следует отметить, что как только уравнительный клапан закрывается, уменьшение скорости потока текучей среды не будет приводить к перемещению шара 20 клапана в направлении от седла 22 клапана и последующему открытию уравнительного клапана. Гидравлический напор текучей среды, захваченной выше клапана, прикладывает большую закрывающую силу к шару, прижимающую шар к седлу и удерживающую шар в закрытом положении. Открывание клапана может быть достигнуто подъемом челнока клапана, который оторвет шар 20 от седла 22, или стравливанием давления выше клапана для обеспечения возможности смещения шара вверх от седла.

[0060] На ФИГ. 2А-2С показан уравнительный клапан с челноком и нисходящим трубчатым элементом в трех конфигурациях и поток текучей среды, протекающий через него. На ФИГ. 2А показан нисходящий трубчатый элемент в его предельном в нисходящем направлении положение (при подъеме из скважины), т.е. нисходящий трубчатый элемент отделен от восходящего трубчатого элемента максимальным расстоянием 60. Таким образом, челнок 18 клапана в его предельном в восходящем направлении положении, как показано на ФИГ. 2А, шар 20 и седло 22 отделены друг от друга максимальным расстоянием 24. Даже если челнок 18 будет перемещен в его предельное в нисходящем направлении положение потоком текучей среды, шар и седло все еще останутся отделенными друг от друга, несмотря на то, что это разделяющее расстояние меньше, чем максимальное расстояние 24. Таким образом, если нисходящий трубчатый элемент находится в своем предельном в нисходящем направлении положении, невозможно посадить шар 20 клапан в седло 22, независимо от того, находится ли челнок 18 в его предельном в восходящем направлении положении или предельном в нисходящем направлении положении (т.е. независимо от скорости потока текучей среды).

[0061] Таким образом, во время извлечения из скважины текучая среда (обозначенная стрелками) стекает вниз в отверстие 26 восходящего трубчатого элемента 12, затем в восходящее отверстие 27 челнока 18 клапана, через порты 28 в челноке 18 и в нисходящее отверстие 30 нисходящего трубчатого элемента 14.

[0062] На ФИГ. 2В показан нисходящий трубчатый элемент в его предельном в восходящем направлении положение (во время спуска в скважину), т.е. между концами восходящего и нисходящего трубчатых элементов нет никакого пространства. Челнок 18 клапана находится в его предельном в восходящем направлении положении (как показано на ФИГ. 2А), и, таким образом, шар 20 и седло 22 клапана остаются разделенными, т.е. они не взаимодействуют с уплотнением друг с другом. Таким образом, даже когда нисходящий трубчатый элемент 14 находится в его предельном в восходящем направлении положении, шар 20 и седло 22 клапана все еще остаются разделенными, если челнок 18 будет находиться в его предельном в восходящем направлении положении. Таким образом, в этой конфигурации шар 20 клапана не может быть посажен в седло 22 клапана.

[0063] Таким образом, во время спуска в скважину текучая среда (обозначена стрелками) протекает в отверстие 30 нисходящего трубчатого элемента 14, через порты 28 в восходящее отверстие челнока 27 и, затем, в отверстие 26 восходящего трубчатого элемента 12.

[0064] Если по некоторым причинам скорость потока текучей среды превысит порог во время спуска в скважину или прежде, чем будут установлены шлипсы 112, клапан не будет закрыт. Давление, созданное скоростью потока текучей среды, которая является достаточной для принуждения челнока клапана перемещаться в его предельное в нисходящем направлении положение или к его предельному в нисходящем направлении положению, принуждения нисходящий трубчатый элемент перемещаться в направлении от восходящего трубчатого элемента.

[0065] На ФИГ. 2С показан нисходящий трубчатый элемент в его предельном в восходящем направлении положении (с установленными шлипсами) и челнок 18 клапана, перемещенный в его предельное в нисходящем направлении положение или к его предельному в нисходящем направлении положению, поскольку скорость потока текучей среды превысила порог. В этой конфигурации между шаром 20 и седлом 22 клапана отсутствует любой промежуток, т.е. шар клапана посажен в седло клапана.

[0066] Таким образом, закачиваемая текучая среда (показана стрелками) протекает вниз в отверстие 26 восходящего трубчатого элемента, в восходящее отверстие 27 челнока и через порты 28. Однако, поток закачиваемой текучей среды в нисходящее отверстие 30 клапана предотвращен посадкой шара 20 клапана в седло 22 клапана. Поскольку поток текучей среды в нисходящее отверстие 30 клапана заблокирован, текучая среда выходит из спусковой колонны 100 выше уравнительного клапана, например, в порты 118.

[0067] На ФИГ. 3A-3D показаны детализированные сечения челнока клапана и седла клапана согласно одному варианту реализации. Показаны четыре конфигурации челнока клапана и седла:

a) нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в нисходящем направлении положении, и челнок клапана находится в его предельном в восходящем направлении положении (ФИГ. 3А);

b) нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в нисходящем направлении положении, и челнок клапана находится в его предельном в нисходящем направлении положении (ФИГ. 3В);

c) нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в восходящем направлении положении, и челнок клапана находится в его предельном в восходящем направлении положении (ФИГ. 3С); и

d) нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в восходящем направлении положении, и челнок клапана перемещен в его предельное в нисходящем направлении положение таким образом, что шар клапана взаимодействует с седлом клапана (ФИГ. 3D).

[0068] Согласно данному варианту реализации восходящий трубчатый элемент 12 содержит корпус 32 челнока, имеющий осевое отверстие внутри, в котором расположен челнок 18 клапана, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении в указанном осевом отверстии. Как показано на ФИГ. 3, осевое отверстие 34 корпуса 32 челнока является непрерывным с отверстием 26 технологической трубы. Челнок 18 имеет отверстие 27, которое содержит входное отверстие 29, сообщающееся по текучей среде с отверстием 26 технологической трубы и расположенное в его нисходящем (дальнем) конце по меньшей мере одно выходное отверстие для текучей среды или порт 28, который сообщается по текучей среде с отверстием 34 корпуса 32 челнока. Челнок 18 клапана содержит в его нисходящем (дальнем) конце шар 20 клапана, который может взаимодействовать с уплотнением с седлом 22 клапана.

[0069] Согласно данному варианту реализации корпус 32 челнока дополнительно образует нижний заплечик 36, проходящий в радиальном направлении внутрь, который задает положение останова для челнока 18, когда указанный заплечик взаимодействует с ограничителем 38, который проходит в радиальном направлении наружу из челнока клапана. В корпусе 32 дополнительно размещен переходной фитинг 40, который проходит в радиальном направлении наружу с формированием верхнего заплечика 42, который задает верхнее положение и положение останова для челнока 18, когда указанный заплечик взаимодействует с ограничителем 38 на челноке клапана. Таким образом, согласно данному варианту реализации челнок 18 клапана может перемещаться между нижней поверхностью ограничителя 38 и верхней поверхностью заплечика 36, и, таким образом, максимальное расстояние, на которое шар 20 клапана может перемещаться внутри корпуса челнока, является расстоянием 44.

[0070] Согласно данному варианту реализации челнок 18 клапана дополнительно содержит заплечик 46, который проходит в радиальном направлении наружу и который вместе с верхней поверхностью переходного фитинга 40 образует полость 48, в которой расположен смещающий элемент 50, такой как пружина. Указанная пружина может иметь любой необходимый коэффициент жесткости и может быть предварительно напряжена для обеспечения диапазона порогов, в котором челнок клапана будет перемещаться при расходе текучей среды. Смещающий элемент 50 смещает челнок 18 в восходящем направлении, пока ограничитель 38 не начнет взаимодействовать с верхним заплечиком 42 (как показано на ФИГ. 3А и 3С). Если скорость потока текучей среды в челноке 18 клапана превышает пороговую скорость, смещение преодолевается, и челнок 18 перемещается в осевом направлении вниз до тех пор, пока шар 20 не начнет взаимодействовать с седлом 22, или ограничитель 38 не начнет взаимодействовать с нижним заплечиком 36.

[0071] Согласно данному варианту реализации челнок 18 клапана дополнительно содержит форсунку 52, расположенную в его верхнем (ближнем) конце, назначение которой состоит в создании дросселирующего средства для потока. При прохождении текучей среды через форсунку 52 жидкостное трение прикладывает силу к челноку клапана. Согласно одному варианту реализации форсунка 52 выполнена из твердого (керамического) материала, устойчивого к истиранию (которое в противном случае может изменить внутренний диаметр форсунки), которая поддерживает равномерно распределенный пороговый расход.

[0072] Согласно данному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент 14 содержит седло 22 клапана, расположенное внутри осевого отверстия 30 нисходящего трубчатого элемента в ближнем (восходящем) конце отверстия. Седло клапана определяет размеры восходящего отверстия клапана, включая отверстие 34 корпуса и отверстие 27 челнока, относительно нисходящего отверстия 30 клапана. Согласно данному варианту реализации нисходящий трубчатый элемент 14 дополнительно содержит ограничитель 54, который проходит в радиальном направлении наружу и который взаимодействует с заплечиком 56, расположенным в конце переходного фитинга 58, расположенного в дальнем (нисходящем) конце верхнего трубчатого элемента 12. Взаимодействие ограничителя 54 и заплечика 56 препятствует извлечению нисходящего трубчатого элемента 14 из отверстия корпуса челнока (в предельном в нисходящем направлении положении нисходящего трубчатого элемента).

[0073] Согласно данному варианту реализации, когда ограничитель 54 и заплечик 56 взаимодействуют друг с другом, восходящий и нисходящий трубчатые элементы расположены на максимальном расстоянии друг от друга. Перемещение нисходящего трубчатого элемента 14 по направлению к восходящему трубчатому элементу 12 прекращается, когда его ближний заплечик 15 входит в контакт с дальним заплечиком 13 восходящего трубчатого элемента (в предельном в восходящем направлении положении нисходящего трубчатого элемента). Таким образом, положения заплечика 56 и заплечика 13 задают максимальное расстояние 60, на которое может переместиться седло 22 клапана.

[0074] Нисходящий трубчатый элемент дополнительно содержит средство для обездвиживания нисходящего трубчатого элемента в скважине. Согласно вариантам реализации, описанным в настоящей заявке, указанное средство для обездвиживания содержит конус 110, расположенный вокруг периферийной области нисходящего трубчатого элемента и взаимодействующий с одним или более шлипсами 112, которые в свою очередь взаимодействуют с обсадной колонной скважины и обездвиживают нисходящий трубчатый элемент. Шлипсы активируются узлом посадочных снабженных байонетными пазами клиньев пакера и фрикционного блока.

[0075] На ФИГ. 3А показан челнок 18 клапана в его предельном в восходящем направлении положении и нисходящий трубчатый элемент 14 в его предельном в нисходящем направлении положении, образующие максимальное расстояние 24 между шаром 20 и седлом 22 клапана. Если шар клапана перемещается в нижнем направлении в корпусе челнока на расстояние 44, или если седло клапана перемещается в верхнем направлении на расстояние 60, клапан не будет закрываться. Следовательно, таким образом, расстояние 24 больше, чем расстояние 44 или расстояние 60.

[0076] Это дополнительно показано на ФИГ. 3В и 3С. На ФИГ. 3В показаны нисходящий трубчатый элемент в его предельном в нисходящем направлении положении и челнок клапана в его предельном в нисходящем направлении положении. Поскольку расстояние 44 меньше, чем расстояние 24, перемещение челнока клапана к его предельному в нисходящем направлении положению является недостаточным для закрытия зазора между шаром 20 клапана и седлом 22 клапана. На ФИГ. 3С показаны нисходящий трубчатый элемент в его предельном в восходящем направлении положении и челнок клапана в его предельном в восходящем направлении положении. Поскольку расстояние 60 меньше, чем расстояние 24, перемещение нисходящего трубчатого элемента к его предельному в восходящем направлении положению является недостаточным для закрытия зазора между шаром 20 клапана и уплотнением 22 клапана.

[0077] На ФИГ. 3D показан нисходящий трубчатый элемент 14 в его предельном в восходящем направлении положении и челнок клапана, который перемещен по направлению к нисходящему трубчатому элементу 14 до взаимодействия шара 20 клапана с уплотнением седла 22 клапана. Следовательно, таким образом, для того, чтобы посадить шар клапана в седло клапана расстояние 24 должно быть меньше, чем сумма расстояния 44 и расстояния 60. Согласно одному варианту реализации расстояние 60 составляет примерно 1,5 дюйма (38,1 мм), расстояние 44 составляет больше чем примерно 025 дюйма (6,35 мм) и расстояние 24 составляет примерно 1,75 дюйма (44,45 мм).

[0078] На ФИГ. 4A-4D схематично показано, как могут быть определены максимальные расстояния 44 и 60. Согласно вариантам реализации, показанным в настоящей заявке, когда нисходящий трубчатый элемент 14 находится в его предельном в нисходящем направлении положении (как показано на ФИГ. 4А, 4В), и челноковый клапан находится в его предельном в восходящем направлении положении (как показано на ФИГ. 4А), шар 20 и седло 22 клапана разделены максимальным расстоянием 24. Для предотвращения закрытия клапана при расходе, который больше, чем пороговый расход, расстояние 44, на которое может перемещаться челнок клапана/шар клапана внутри корпуса челнока, не может быть больше, чем расстояние, которое поддерживает зазор 64, что обеспечивает возможность постоянного потока через клапан (как показано на ФИГ. 4В).

[0079] Аналогично, для предотвращения закрытия клапана, когда расход не больше, чем пороговый расход, расстояние 60, на которое может перемещаться нисходящий трубчатый элемент/седло клапана, не может быть больше, чем расстояние, которое поддерживает зазор 66, что обеспечивает возможность постоянного потока через клапан (как показано на ФИГ. 4С).

[0080] Максимальное осевое расстояние, на которое может быть перемещен шар 20 клапана, т.е. расстояние 44, таким образом, может быть определено минимальным расстоянием 64 между шаром 20 и седлом 22, что обеспечивает возможность образования проточного канала, который является достаточно большим для поддерживания необходимого потока текучей среды через уравнительный клапан, когда его извлекают из скважины. Аналогично, максимальное осевое расстояние, на которое седло клапана может быть перемещено, т.е. расстояние 60, может быть определено минимальным расстоянием 66 между шаром 20 и седлом 22, что обеспечивает возможность образования проточного канала, который является достаточно большим для поддерживания необходимого потока текучей среды через уравнительный клапан, когда его спускают в скважину. Эти расстояния не обязательно должны быть одинаковыми.

[0081] Также следует отметить, как показано на ФИГ. 4A-4D, что если седло клапана перемещено в какое-нибудь положение в пределах расстояния 64 зазора, т.е. если седло клапана перемещено в положение, которое находится за пределами расстояния 44 перемещения челнока клапана, уравнительный клапан не сможет закрыться независимо от расхода текучей среды. Таким образом, положение нисходящего трубчатого элемента, соответствующее отключению клапана, может быть определено как положение, в котором нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в нисходящем направлении положении или в любом положении, которое находится за пределами расстояния 44 перемещения челнока клапана.

[0082] Аналогично, если шар клапана будет перемещен в какое-нибудь положение в пределах расстояния 66 зазора, т.е. если шар клапана будет перемещен в положение, которое находится за пределами расстояния 60 перемещения седла клапана, уравнительный клапан не сможет закрыться. Таким образом, "смещенное вверх по стволу скважины" положение челнока клапана может быть определено как положение, в котором челнок клапана находится в его предельном в восходящем направлении положении или в любом положении, которое находится за пределами расстояния 60 перемещения нисходящего трубчатого элемента.

[0083] На ФИГ. 4A-4D (и также 5A-5F) показаны дополнительные аспекты описанного в настоящей заявке клапана. Согласно предпочтительным вариантам реализации имеется область перекрытия, обозначенная стрелкой 68, между расстоянием 44 перемещения шара клапана и расстоянием 60 перемещения седла клапана. В этой области шар клапана и седло могут взаимодействовать и закрывать уравнительный клапан. Таким образом, положение нисходящего трубчатого элемента для задействования клапана может быть определено как положение, в котором нисходящий трубчатый элемент находится в его предельном в восходящем направлении положении или в любом положении в пределах расстояния 60 перемещения нисходящего трубчатого элемента, которое перекрывается с расстоянием перемещения 44 челнока клапана. Аналогично, положение "увеличенного потока" челнока клапана может быть определено как положение, в котором челнок клапана находится в его предельном в нисходящем направлении положении или в любом положении в пределах расстояния 44 перемещения челнока, которое перекрывается с расстоянием 60 перемещения нисходящего трубчатого элемента. Как показано на ФИГ. 4D, клапан может закрываться, когда нисходящий трубчатый элемент не находится в его предельном в восходящем направлении положении, и когда челнок не находится в его предельном в нисходящем направлении положении, при условии, что седло и шар встречаются в области перекрытия 68.

[0084] Таким образом, когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, и

a) расход текучей среды меньше, чем пороговый расход, челнок 18 клапана находится в смещенном вверх по стволу скважины положении, и текучая среда может протекать между восходящим отверстием клапана и нисходящим отверстием клапана (как показано на ФИГ. 2В, 3С, 5А, 5Е, 5F), или

b) расход текучей среды больше чем пороговый расход, челнок 18 клапана активируется к переходу в положение увеличенного потока для взаимодействия с седлом 22 и закрытия клапана (как показано на ФИГ. 2С, 3D, 5B-5D), в результате чего прекращается поток текучей среды между восходящим отверстием клапана и нисходящим отверстием клапана.

[0085] Когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении отключения клапана, шар 20 клапана не может взаимодействовать с уплотнением седла 22 клапана, независимо от того, больше или меньше расход текучей среды, чем пороговый расход, и, таким образом, текучая среда может протекать между восходящим отверстием клапана и нисходящим отверстием клапана (как показано на ФИГ. 2А, 3А, 3В).

[0086] Если скорость потока текучей среды является достаточной, чтобы вызвать уплотняющее взаимодействие между шаром 20 и седлом 22 клапана, уменьшение скорости потока текучей среды не будет приводить к перемещению шара 20 по направлению от седла 22 и последующему открыванию уравнительного клапана. Таким образом, после перехода в закрытую конфигурацию клапан не возвращается в открытую конфигурацию просто потому, что расход уменьшен до величины ниже порога. Выход из закрытой конфигурации может быть достигнут любым из следующего:

(a) поднятие из скважины уравнительного клапана, что приведет к перемещению седла по направлению от шара, или

(b) прекращение подачи текучей среды в уравнительный клапан и снижение давления на поверхности путем снижения давления в гибкой НКТ или в некоторых случаях в обсадной колонне для перемещения шара от седла.

[0087] На ФИГ. 5A-5F показан процесс открывания уравнительного клапана согласно одному варианту реализации, находящегося в закрытом положении, подъемом из скважины уравнительного клапана. На ФИГ. 5А показан клапан в открытой конфигурации. Клапан находится в открытом положении благодаря тому, что нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, т.е. заплечик 13 восходящего трубчатого элемента 12 взаимодействует с заплечиком 15 нисходящего трубчатого элемента 14. Челнок 18 клапана находится в смещенном вверх по стволу скважины положении, т.е. ограничитель 38 челнока взаимодействует с заплечиком 42 корпуса. Поток текучей среды через клапан указан стрелками.

[0088] На ФИГ. 5В показан клапан в закрытой конфигурации, поскольку челнок клапана под действием созданной текучей средой силы переведен в положение увеличенного потока, в результате чего шар клапана, расположенный на челноке, взаимодействует с седлом клапана. Согласно данному варианту реализации челнок клапана не взаимодействует с заплечиком 36 корпуса 32 челнока; перемещение челнока 18 клапана к его предельному в нисходящем направлении положению остановлено взаимодействием шара 20 клапана с седлом 22 клапана.

[0089] На ФИГ. 5С-5Е показаны этапы открывания клапана после завершения технологической операции в скважине. Скорость потока текучей среды, протекающей через клапан, уменьшают до величины ниже порогового значения, однако, как указано выше, челнок клапана остается смещенным вниз. На ФИГ. 5С показано, по сравнению с ФИГ. 5В, что оператор на поверхности поднял из скважины верхний трубчатый элемент на приращение А. Шар 20 клапана сохраняет взаимодействие с уплотнением в седле 22 клапана, и корпус 32 челнока сдвигается против смещения.

[0090] На ФИГ. 5D показано, по сравнению с ФИГ. 5С, что оператор на поверхности поднял из скважины верхний трубчатый элемент дополнительно на приращение В. Опять же шар 20 клапана остается во взаимодействии с уплотнением в седле 22 клапана, и корпус 32 челнока сдвигается против смещения.

[0091] На ФИГ. 5Е показано, по сравнению с ФИГ. 5D, что оператор на поверхности поднял из скважины верхний трубчатый элемент на дополнительное приращение С. Опять же корпус 32 челнока сдвигается против смещения, но на этот раз ограничитель 38 на челноке 18 взаимодействует с заплечиком 36 корпуса челнока и вызывает подъем шара клапана от седла клапана с открыванием клапана и уравниванием давлений через клапан.

[0092] Поскольку поток текучей среды находится ниже порога, смещение возвращает челнок 18 клапана к смещенному вверх по стволу скважины положению, пока ограничитель 38 не взаимодействует с заплечиком 42. В то же время или впоследствии ограничитель 54 нисходящего трубчатого элемента взаимодействует с заплечиком 56 на восходящем трубчатом элементе и ограничивает восходящее перемещение корпуса клапана. На ФИГ. 5F показан клапан в открытой конфигурации с максимальным потоком текучей среды, протекающей через него вниз.

[0093] Согласно одному варианту реализации расход больше чем 200 л/мин является пороговым расходом, который позволяет текучей среде преодолеть смещение челнока 18 клапана. Если нисходящий трубчатый элемент также находится в своем положении задействования клапана и неподвижен в скважине (например, посредством установленных шлипсов), уравнительный клапан закроется. Снижение расхода до величины меньше чем 200 л/мин не открывает клапан.

[0094] Если нисходящий трубчатый элемент не будет обездвижен в скважине, то уравнительный клапан не сможет закрыться, даже если расход будет больше порогового расхода, который согласно одному варианту реализации составляет 200 л/мин.

[0095] Восходящий трубчатый элемент 12 может быть с уплотнением соединен с нисходящим трубчатым элементом 14. На ФИГ. 3А показаны уплотнения 62 в соответствующих желобах в дальнем конце переходного фитинга 58. Когда уравнительный клапан используется ниже (по стволу скважины) пакера или другого уплотняющего элемента, восходящий трубчатый элемент 12 и нисходящий трубчатый элемент 14 предпочтительно соединены с уплотнением. Однако когда уравнительный клапан используется выше (по стволу скважины) пакера или другого уплотняющего элемента, восходящий трубчатый элемент 12 и нисходящий трубчатый элемент 14 не могут быть соединены с уплотнением. Согласно одному варианту реализации уплотнения выполнены из эластомерного материала. Однако уплотнения могут быть выполнены из любого материала, подходящего для герметизации давления.

[0096] Ниже с дополнительными подробностями описаны спуск в скважину и удаление из скважины клапана и спусковой колонны. На ФИГ. 6А-6С показаны карты технологического процесса, иллюстрирующие этапы операции, которые остаются возможными во время спуска в скважину, извлечения из скважины и технологической операции.

[0097] Когда спусковую колонну 100 спускают в скважину (как показано на ФИГ. 6А), нисходящий трубчатый элемент имеет возможность свободного перемещения в осевом направлении в верхнем трубчатом элементе. Трение и торможение вызывают перемещение нисходящего трубчатого элемента по направлению к восходящему трубчатому элементу в его положение задействования клапана, однако поскольку нисходящий трубчатый элемент не обездвижен в скважине, клапан не может закрыться. Поскольку скважинная текучая среда протекает в верхнем направлении во время спуска клапана и спусковой колонны в скважину, челнок клапана смещается в верхнем направлении, и, таким образом, шар клапана и седло клапана не могут взаимодействовать друг с другом с уплотнением. Таким образом, во время спуска в скважину без любого добавленного нагнетаемого агента (левая ветвь карты на ФИГ. 6А), уравнительный клапан остается в открытой конфигурации, поскольку поток текучей среды смещает челнок клапана вверх по стволу скважины. Если в скважину закачивают дополнительную текучую среду со скоростью, которая недостаточна для перемещения челнока клапана в его положение увеличенного потока (средняя ветвь карты на ФИГ. 6А), уравнительный клапан остается открытым.

[0098] Если в скважину закачивают дополнительную текучую среду со скоростью, которая достаточна для перемещения челнока клапана в его положение увеличенного потока, уравнительный клапан не закроется, поскольку шлипсы 112 не полностью взаимодействуют с конусом 110 и, следовательно, с обсадной колонной скважины. Давление, созданное потоком текучей среды, необходимое для преодоления смещения челнока клапана, принуждает нисходящий трубчатый элемент перемещаться по направлению от восходящего трубчатого элемента. Таким образом, уравнительный клапан остается в открытой конфигурации, поскольку даже при том, что поток текучей среды является достаточным для перемещения челнока клапана к седлу клапана, нисходящий трубчатый элемент не остается в его положении задействования клапана.

[0099] Если необходимо технологическую операцию, которая требует, чтобы клапан находился в закрытой конфигурации (как показано на ФИГ. 6В), узел посадочных снабженных байонетными пазами клиньев пакера и фрикционного блока активируют для принуждения шлипсов взаимодействовать с конусом и обсадной колонной скважины. Нисходящий трубчатый элемент и, следовательно, седло клапана теперь обездвижены в стволе скважины. Затем, восходящий трубчатый элемент может быть сдвинут вниз для обеспечения положения, в котором пространство между трубчатыми элементами закрыто или почти закрыто (т.е. нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана). Если начать закачку текучей среды в спусковую колонну, и расход будет ниже порогового значения, челнок клапана останется смещенным вверх по стволу скважины, и уравнительный клапан останется в открытой конфигурации, которая обеспечивает возможность протекания текучей среды через клапан. Если расход текучей среды будет выше порогового значения, челнок клапана будет перемещаться к его предельному в нисходящем направлении положению, пока шар клапана не начнет взаимодействовать с седлом клапана, и в этот момент времени клапан закроется, и может быть начата технологическая операция, например, гидроразрыв. Таким образом, когда инструментальная колонна спущена в скважину, переход уравнительного клапана в закрытую конфигурацию зависит от расхода.

[00100] Перед извлечением спусковой колонны 100 из скважины предпочтительно уравнять давления выше и ниже клапана. Это может быть достигнуто одним из двух способов. Оператор может приподнять из скважины спусковую колонну, что вызовет перемещение шара клапана по направлению от седла клапана и, таким образом, открывание уравнительного клапана. Или давление выше клапана может быть стравлено, и, затем, смещение заставит челнок клапана перемещаться вверх по стволу скважины, в результате чего шар клапана освобождает седло клапана.

[00101] Когда спусковую колонну извлекаются из скважины (как показано на ФИГ. 6С), нижний трубчатый элемент снова может свободно перемещаться в осевом направлении вдоль верхнего трубчатого элемента. Трение и торможение принудят нисходящий трубчатый элемент перемещаться по направлению от восходящего трубчатого элемента, в результате чего увеличится расстояние между концами этих трубчатых элементов, и нисходящий трубчатый элемент переместится в положение отключения клапана. При извлечении спусковой колонны из скважины текучая среда протекает через клапан в нисходящем направлении. Однако независимо от того, преодолевает или не преодолевает этот поток текучей среды восходящее смещение челнока клапана, нисходящий трубчатый элемент находится в положении отключения клапана. Таким образом, во время извлечения из скважины уравнительный клапан не может быть закрыт.

[00102] Несмотря на то что уравнительный клапан описан в соединении с раскрытыми вариантами реализации и вариантами реализации, которые сформулированы подробно, следует понимать, что это сделано только с иллюстративными целями, и уравнительный клапан не должен быть ограничен этими вариантами реализации и примерами. Напротив, настоящее раскрытие предназначено для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые станут очевидными для специалистов ввиду настоящего раскрытия.

Предложен активируемый потоком клапан выравнивания давления для использования со скважинным инструментом, таким как инструмент для технологической операции для использования при интенсификации подземного пласта. Назначение уравнительного клапана состоит в обеспечении возможности уравнивания давлений обрабатывающей текучей среды выше и ниже изолирующего устройства. Как только давление выше и ниже нижнего изолирующего устройства уравнивается, инструмент для технологической операции можно перемещать. Клапан может быть закрыт, когда поток текучей среды превышает некоторый порог, и инструмент технологической операции установлен в скважине. Таким образом, во время спуска в скважину или извлечения из скважины клапан не будет закрываться независимо от скорости потока текучей среды. Клапан может быть открыт прекращением подачи текучей среды с последующим сбрасыванием давления выше изолирующего устройства или подъемом из скважины инструмента для технологической операции. Технический результат заключается в повышении эффективности клапана выравнивания давления. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Клапан выравнивания давления, содержащий:

нисходящий трубчатый элемент, телескопически соединенный для осевого перемещения относительно восходящего трубчатого элемента и образующий непрерывное сквозное осевое отверстие, причем осевое перемещение нисходящего трубчатого элемента по направлению к восходящему трубчатому элементу ограничено предельным положением в восходящем направлении и по направлению от восходящего трубчатого элемента предельным положением в нисходящем направлении;

седло клапана, расположенное в осевом отверстии нисходящего трубчатого элемента, для образования восходящего отверстия клапана и нисходящего отверстия клапана, сообщающихся друг с другом по текучей среде;

челнок клапана, расположенный в отверстии восходящего трубчатого элемента и выполненный с возможностью перемещения в нем в осевом направлении, причем челнок смещен вверх в смещенное вверх по стволу скважины положение и выполнен с возможностью приведения в действие с перемещением по направлению к предельному в нисходящем направлении положению потоком текучей среды через восходящее отверстие клапана; и

при этом нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью приведения в действие с перемещением из предельного в нисходящем направлении положения в положение задействования клапана, в котором шар клапана на челноке взаимодействует с седлом клапана, когда расход текучей среды через восходящее отверстие клапана больше, чем пороговый расход; и при этом

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана,

поток текучей среды, превышающий пороговое значение расхода, преодолевает смещение для перемещения челнока из смещенного вверх по стволу скважины положения в положение увеличенного потока, в котором шар клапана взаимодействует с седлом клапана для изоляции восходящего отверстия клапана от нисходящего отверстия клапана, и

поток текучей среды, ниже порогового расхода, поддерживает челнок, смещенный в смещенном вверх по стволу скважины положении, для обеспечения постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана; а

когда нисходящий трубчатый элемент не находится в положении задействования клапана, шар клапана расположен на расстоянии от седла клапана, так что, когда челнок находится в активируемом потоком положении, шар клапана остается расположенным на расстоянии от седла клапана для обеспечения постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана.

2. Клапан по п.1, в котором челнок клапана имеет входное отверстие для текучей среды, сообщающееся по текучей среде с восходящим отверстием клапана, и потокоотклоняющее выходное отверстие для текучей среды, сообщающееся по текучей среде с восходящим отверстием клапана,

причем поток текучей среды через входное отверстие челнока для текучей среды и выходное отверстие челнока для текучей среды принуждает челнок к перемещению в нисходящем направлении против сопротивления смещения.

3. Клапан по п.1 или 2, в котором нисходящий трубчатый элемент дополнительно содержит средство для обездвиживания нисходящего трубчатого элемента в скважине.

4. Клапан по любому из пп.1 или 2, в котором седло клапана расположено в конце отверстия нисходящего трубчатого элемента.

5. Клапан по любому из пп.1 или 2, в котором нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении в отверстии восходящего трубчатого элемента.

6. Клапан по любому из пп.1 или 2, в котором положение нисходящего трубчатого элемента для задействования клапана является предельным в восходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

7. Клапан по любому из пп.1 или 2, в котором восходящее смещенное положение челнока является предельным в восходящем направлении положением челнока.

8. Клапан выравнивания давления для скважинного инструмента, содержащий: восходящий трубчатый элемент и нисходящий трубчатый элемент, телескопически соединенные и образующие непрерывное осевое отверстие, проходящее через них; при этом нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью приведения в действие для осевого перемещения по направлению к восходящему трубчатому элементу в положение задействования клапана и по направлению от восходящего трубчатого элемента в положение отключения клапана;

седло клапана, расположенное в осевом отверстии нисходящего трубчатого элемента, для образования восходящего отверстия клапана и нисходящего отверстия клапана, сообщающихся по текучей среде между собой; и

челнок клапана, расположенный в отверстии восходящего трубчатого элемента и выполненный с возможностью перемещения в нем в осевом направлении, причем челнок смещен вверх по стволу скважины в смещенное вверх по стволу скважины положение и выполнен с возможностью приведения в действие с перемещением по направлению к активированному потоком положению потоком текучей среды, который превышает пороговое значение расхода; и при этом,

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении отключения клапана, и челнок находится в активируемом потоком положении, клапан открыт для постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана;

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, и челнок находится в смещенном вверх по стволу скважины положении, клапан открыт для постоянного сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана; и

когда нисходящий трубчатый элемент находится в положении задействования клапана, и челнок находится в активируемом потоком положении, шар клапана на челноке взаимодействует с седлом клапана, и клапан закрыт для сообщения по текучей среде восходящего отверстия клапана с нисходящим отверстием клапана.

9. Клапан по п.8, в котором поток текучей среды, протекающей через восходящее отверстие клапана в нисходящее отверстие клапана, принуждает челнок перемещаться в нисходящем направлении против сопротивления смещения.

10. Клапан по п.9, в котором поток текучей среды через восходящее отверстие клапана содержит поток текучей среды, протекающей во входное отверстие челнока клапана для текучей среды, которое сообщается по текучей среде с восходящим отверстием клапана, и из выходного отверстия для текучей среды, которое сообщается по текучей среде с восходящим отверстием клапана.

11. Клапан по любому из пп.8-10, в котором нисходящий трубчатый элемент дополнительно содержит средство для обездвиживания нисходящего трубчатого элемента в скважине.

12. Клапан по любому из пп.8-10, в котором седло клапана расположено в конце отверстия нисходящего трубчатого элемента.

13. Клапан по любому из пп.8-10, в котором нисходящий трубчатый элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении в отверстии восходящего трубчатого элемента.

14. Клапан по любому из пп.8-10, в котором положение нисходящего трубчатого элемента для задействования клапана является предельным в восходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

15. Клапан по любому из пп.8-10, в котором положение нисходящего трубчатого элемента для отключения клапана является предельным в нисходящем направлении положением нисходящего трубчатого элемента.

16. Клапан по любому из пп.8-10, в котором восходящее смещенное положение челнока является предельным в восходящем направлении положением челнока.