ТРУБЧАТЫЙ ЭЛЕМЕНТ СТВОЛА СКВАЖИНЫ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СКВАЖИННЫМ ФЛЮИДОМ Российский патент 2019 года по МПК E21B17/00 E21B34/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к конструкциям ствола скважины, и в частности, к насадкам и трубчатым элементам для управления скважинным флюидом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Насадки и трубчатые элементы ствола скважины известны и служат для различных целей. Трубчатые элементы используют как для нагнетания флюидов в ствол скважины, так и для их отвода из ствола скважины. В некоторых случаях насадки используют для управления характеристиками потока и давления флюида, текущего через ствол скважины.

Трубчатые элементы ствола скважины с насадками не подходят для применения в некоторых сложных условиях, например, для операций нагнетания пара или кислоты. Поэтому усовершенствованные трубчатые элементы с насадками представляют безусловный интерес.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним широким аспектом изобретения, предлагается трубчатый элемент ствола скважины, содержащий: основную трубу, содержащую стенку, прорезь в стенке, предоставляющую проход между внутренним диаметром основной трубы и внешней поверхностью основной трубы; насадку в прорези, содержащую устье; трубку диффузора на внешней поверхности, принимающую флюид, выходящий из устья, трубка диффузора содержит канал впуска, открывающийся во внутренний диаметр внутри стенки трубки диффузора, стенку, рассеивающую флюид на изгибе в трубке диффузора, и множество каналов выпуска из трубки диффузора.

В соответствии с другим широким аспектом изобретения, предлагается способ работы с флюидом в стволе скважины, включающий следующие этапы: нагнетание флюида через устье насадки, проходящее от внутреннего диаметра трубчатого элемента до внешней поверхности трубчатого элемента; и направление флюида, вытекающего из устья насадки, вдоль внешней поверхности в трубку диффузора, рассеивающую энергию флюида, вытекающего из устья насадки, перед выпуском флюида из трубчатого элемента.

Необходимо понимать, что другие аспекты данного изобретения станут очевидными для специалиста, подготовленного в данной области техники, из дальнейшего подробного описания, в котором различные варианты реализации данного изобретения представлены и описаны с помощью иллюстраций. Как будет понятно, данное изобретение может охватывать другие различные варианты реализации, а некоторые его детали могут быть модифицированы в различных других отношениях, причем без отхода от идеи и объема данного изобретения. Соответственно, графические материалы и подробное описание следует рассматривать как имеющие иллюстративный, а не ограничительный характер.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Графические материалы включены в данный документ с целью иллюстрации определенных аспектов данного изобретения. Такие графические материалы и их описание предназначены для облегчения понимания и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение. В данный документ включены графические материалы, на которых:

Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе трубчатого элемента ствола скважины;

Фиг. 2 представляет собой разрез вдоль линии I-I Фиг. 1;

Фиг. 3 представляет собой разрез по линии II-II Фиг. 2;

Фиг. 4 представляет собой увеличенный разрез насадки, установленной в стенке трубчатого элемента;

Фиг. 5 представляет собой покомпонентное изображение в перспективе компонентов насадки, устанавливаемой в стенке трубчатого элемента;

Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе седла насадки;

Фиг. 7 представляет собой увеличенный вид насадки в разрезе;

Фиг.8 представляет собой увеличенный разрез насадки, установленной в стенке трубчатого элемента;

Фиг. 9 представляет собой осевую проекцию разреза трубчатого элемента с диффузором в нем;

Фиг. 10 представляет собой разрез вдоль линии III-III Фиг. 9;

Фиг. 11 представляет собой разрез вдоль линии IV-IV Фиг. 10;

Фиг. 12 представляет собой вид в разрезе другого трубчатого элемента, аналогичный виду в разрезе Фиг. 10, но проходящий через насадку;

Фиг. 13 представляет собой вид в перспективе устройства диффузора и насадки по Фиг. 12 со снятым щитом; и

Фиг. 14 представляет собой разрез вдоль линии V-V Фиг. 13.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Подробное описание, представленное ниже в связи с приложенными графическими материалами, предназначено для описания различных вариантов реализации данного изобретения, а не для представления вариантов реализации изобретения, единственно предполагаемых изобретателем. Подробное описание содержит специфические детали с целью обеспечения всестороннего понимания данного изобретения. Однако, специалисту, подготовленному в данной области техники, будет очевидно, что данное изобретение может быть реализовано на практике без этих специфических деталей.

На Фигурах 1-3 показан трубчатый элемент 10 ствола скважины. Трубчатый элемент ствола скважины предназначен для подачи флюида в скважину или из нее, и для обеспечения возможности прохождения флюида между его внутренней полостью и его внешней поверхностью. Трубчатый элемент имеет прочную конструкцию и даже может приспосабливаться к существенным нагрузкам, возникающим при работе с потоками пара. Трубчатый элемент ствола скважины может быть изготовлен с использованием различных конструкций. Например, концы 10а трубчатого элемента ствола скважины могут быть выполнены с возможностью соединения с соседними трубчатыми элементами ствола скважины. Как будет понятно далее, хотя концы трубчатого элемента показаны пустыми, они могут быть выполнены различными способами для соединения с концами других трубчатых элементов с образованием колонны соединенных между собой трубчатых элементов, например, путем выполнения одного или обоих концов в виде ниппелей с резьбой, муфт с резьбой или соединительных элементов других типов.

Трубчатый элемент 10 ствола скважины содержит основную трубу 12 с одной или более прорезями 14 в стенке основной трубы. Флюиды могут проходить через прорези 14 между внутренним диаметром ID основной трубы, определенным внутренней поверхностью 12а, и ее внешней поверхностью 12b. В зависимости от режима работы, предусмотренного для трубчатого элемента ствола скважины, поток флюида может быть направлен внутрь через прорези в направлении внутреннего диаметра ID или наружу через прорези от внутреннего диаметра ID к внешней поверхности 12b.

Внутренний диаметр в целом проходит от конца до конца трубчатого элемента так, что трубчатый элемент может действовать, передавая флюиды от одного до другого своего конца, и его можно использовать для формирования длинного канала для флюидов через множество соединенных трубчатых элементов.

Трубчатый элемент может содержать щит 16, прикрепленный к основной трубе 12. Щит может быть расположен так, чтобы перекрывать прорези. Щит 16 может быть отделен от внешней поверхности 12b так, чтобы между щитом и внешней поверхностью 12b образовалось кольцевое пространство 18.

Предусмотрены отверстия от пространства 18 до внешнего пространства трубчатого элемента, действующего на внешнюю поверхность 12b за пределами щита. Например, могут быть предусмотрены отверстия 18а в щите или в торцовых кромках 16а щита 16, через которые флюид может течь в пространство 18 или из него. В изображенном варианте реализации изобретения на Фиг. 2, щит 16 отделен по меньшей мере на некоторых кромках 16а от внешней поверхности 12b так, что имеются отверстия 18а, через которые в пространство 18 может осуществляться доступ на этих кромках. В некоторых вариантах реализации изобретения, как показано, щит может быть расположен по окружности основной трубы 12 на прорезях 14, и таким образом может иметь форму муфты, как показано, с пространством 18 в форме кольца с кольцевыми отверстиями доступа 18а на обоих концах муфты.

Отверстия могут иметь другие формы в других вариантах реализации изобретения, в зависимости от формы основного трубчатого элемента или муфты, и режима работы. Например, в одном варианте реализации изобретения отверстия 118а могут быть образованы полностью или частично канавками 119 во внешней поверхности 112b основной трубы (Фигура 8).

Щит 16 может служить для множества целей, в том числе, например, для защиты прорезей от абразивного износа и отклонения потока для управления скоростью флюида. Например, щит 16 отклоняет поток между внешним пространством трубчатого элемента и прорезями 14 так, что он должен проходить вдоль внешней поверхности 12b основной трубы. Таким образом, поток не может проходить прямо по радиусу между внешним пространством трубчатого элемента и внутренним диаметром ID. В частности, поскольку щит 16 перекрывает прорези 14, открытые в пространство 18, поток между внешним пространством трубчатого элемента и внутренним диаметром изменяет направление по меньшей мере один раз на пересечении прорези 14 и пространства 18. Хотя поток через прорези 14 радиален относительно продольной оси xb трубчатого элемента, поток между прорезями и внешним пространством инструмента проходит через пространство 18, и этот поток по существу перпендикулярен относительно радиального потока через прорези 14.

В каждой прорези 14 установлен узел насадки 20. Узел насадки дает возможность управления потоком через прорезь, в которой он установлен. Согласно Фиг. 4, узел насадки 20 содержит по меньшей мере насадку 22 и может содержать установочный патрубок 24.

Насадка 22 содержит устье 26, проходящее через корпус насадки, через которое флюид проходит через насадку, и таким образом через прорезь. В частности, насадка 22 установлена в каждой прорези так, что поток через прорезь управляется формой и конфигурацией устья 26.

Насадка 22 изготовлена из материала, способного выдерживать эрозионные воздействия в скважине, например, от абразивных потоков, высокоскоростных потоков, коррозионных потоков с кислотой и/или паром, проходящих через устье 26. Насадка 22 может быть изготовлена, например, из другого материала, например, более твердого, чем материал основной трубы 12. Основная труба, например, обычно изготовлена из стали, такой как углеродистая сталь, а насадка 22 может быть изготовлена из материала, более твердого, чем углеродистая сталь основной трубы 12. В некоторых вариантах реализации изобретения, насадка 22, например, может быть изготовлена из карбида вольфрама, закаленной нержавеющей стали, армированных материалов и т.п.

Устье 26 может иметь форму, допускающую нелинейный поток через насадку 22. В частности, устье 26 определяет путь через насадку, по которому течет флюид, и путь от ее впускного конца до ее выпускного конца нелинеен, он содержит по меньшей мере один изгиб или колено, вызывающее по меньшей мере одно изменение направления потока флюида через устье. Этот изгиб может влиять на потоки флюидов многими способами, перенаправляя поток в более благоприятном направлении, вызывающем столкновение флюида с поверхностью насадки или другим потоком, что приводит к рассеиванию энергии потока и уменьшению эрозионных повреждений определенных поверхностей, а также может создавать дополнительное обратное давление, замедляя потоки или иным образом автономно управляя потоками определенных флюидов через насадку. Например, геометрия устья 26 насадки может быть выбрана так, чтобы селективно дросселировать газ, воду, пар или нефть.

Например, со ссылкой также на Фиг. 7 устье 26 может содержать изгиб в точке у, меняющий поток через насадку с первого направления на второе направление, не совпадающеес первым. Со ссылкой на направление потока через насадку, изображенное на Фиг. 7, первое направление показано стрелкой Fa, а второе направление показано стрелкой Fb. В одном варианте реализации изобретения второе направление по существу перпендикулярно первому направлению.

Насадка 22 расположена в прорези и имеет один конец, открытый во внутренний диаметр ID трубчатого элемента, и другой конец, открытый на внешней поверхности 12b. Как правило, насадка установлена так, что основной конец 22а расположен смежно с внутренней поверхностью 12а и открыт на ней, а противоположный конец 22b расположен смежно с внешней поверхностью 12b и открыт на ней. Таким образом, устье 26 может быть выполнено с возможностью отклонения прямого потока между основным концом 22а и противоположным концом 22b. Например, устье 26 может содержать часть, имеющую главный проем 26а, и часть, имеющую боковой проем 26b. Главный проем 26а проходит от отверстия 26а' на основном конце 22а насадки 22 до торцовой стенки 26а'' на противоположном конце 22b насадки. Боковой проем 26b идет от главного проема и соединяет главный проем 26а с другим отверстием 26b', смежным с противоположным концом 22b. Боковой проем 26b проходит под углом к продольной оси главного проема 26а. Угловое пересечение оси бокового проема относительно основного проема может быть по существу перпендикулярным (+/- 45°), и в одном варианте реализации изобретения, например, проемы 26а, 26b пересекаются по существу под углом 90°.

Насадка может быть по существу цилиндрической с концами 22а, 22b и по существу цилиндрическими боковыми стенками, расположенными между концами. В таком варианте реализации изобретения главный проем открыт на конце, а пара боковых проемов открыты на цилиндрических боковых стенках.

Торцовая стенка 26а'', которая может быть плоской (плоскостной) или куполообразной (вогнутой), препятствует прямому потоку через насадку и отклоняет поток от первого направления в главном проеме в боковом направлении через боковой проем 26b. Столкновение потоков флюидов со стенкой 26а'' рассеивает энергию потока и концентрирует эрозионную энергию на стенке 26а'', а не на поверхностях за пределами насадки. Устье 26 выполнено в материале насадки, и поэтому стенки 26а'' и другие стенки, образующие устье 26, выполнены из эрозионностойкого материала. Таким образом, отклоняющий изгиб, и в частности торцовая стенка 26а'', может надежно принимать проходящие через него эрозионные потоки, в том числе потоки пара. Это вышеизложенное описание сосредоточено на потоке только в одном направлении через проемы 26а, 26b, но следует понимать, что поток может идти от отверстия 26b' к отверстию 26а' (то есть, поток может двигаться в направлениях, противоположных указанным стрелками Fa и Fb), если это желательно. Смотрите, например, на Фиг. 8, на которой стрелки F потока через насадку 122 указывают в противоположном направлении от внешних частей бокового проема 126b к части главного проема 126а устья 126.

Устье 26 может быть также выполнено с возможностью управления характеристиками потока флюида, проходящего через него. В одном варианте реализации изобретения проемы 26а, 26b могут иметь размеры, ограничивающие объем флюида, способный проходить через них. Например, проемы 26b могут быть отверстиями меньшего диаметра, пропускающими меньший поток, чем проем 26а. Например, общая площадь поперечного сечения проемов 26b может быть меньше общей площади поперечного сечения проема 26а для создания обратного давления, когда поток идет в направлении стрелок Fa, Fb. В другом направлении давление падает главным образом на противоположных концах проемов 26b. Основное управление потоком через насадку происходит в боковом проеме 26b, в большей степени, чем в проеме 26а.

В альтернативном варианте или в качестве дополнения, проемы 26а, 26b могут иметь форму, придающую флюиду, проходящему через них, желательную скорость потока и/или давление. Например, боковой проем 26b, как показано, имеет внутреннюю форму, суженную в виде сопла, создающую эффект струи, как правило подразумевающий ускорение и изменение (то есть, падение) давления флюида, проходящего через него. Форма проемов 26а может изменяться в зависимости от того, должен ли поток идти по стрелкам Fb или против них, или может быть использована форма двунаправленного сопла с симметричным сужением, аналогичная песочным часам.

В дополнение или в альтернативном варианте могут присутствовать более одного главного и/или бокового проема. Например, как показано, устье 26 может иметь форму Т-образного канала по меньшей мере с двумя боковыми проемами 26b, идущими от главного проема. Однако, хотя показаны два боковых проема 26b, может быть только один или более двух таких проемов. Как правило, имеется четное число боковых проемов, расположенных парами по существу диаметрально противоположно по окружности главного проема 26а. Диаметральное расположение с одним боковым проемом 26b, открытым в главный проем 26а в положении, по существу противоположном другому боковому проему 26b (как изображено на Фиг. 7) позволяет сталкиваться потокам флюида, направленным внутрь из проемов 26b в проем 26а. Это столкновение может создавать желательное обратное давление на поток через насадку.

Насадка 22 направляет флюид между отверстиями 26а' и 26b' на противоположных концах стенки основной трубы. Одно отверстие открыто во внутренний диаметр основной трубы, а другое отверстие открыто на внешней поверхности 12b. Если использован щит 16, выходя из насадки 22, флюид попадает в кольцевое пространство 18. Положение устья 26b' бокового проема 26b вызывает некоторое движение флюида параллельно внешней поверхности 12b, а не прямо радиально из прорези 14.

Насадка 22 может быть установлена в свою прорезь 14 любым различным способом. Если это желательно, узел насадки 20 может содержать установочный патрубок 24, удерживающий насадку 22 в своей прорези 14. Например, если материал насадки 22 препятствует надежному соединению с основной трубой или она выполнена из материала, отличного от материала основной трубы, может быть использован патрубок 24, обеспечивающий хорошее крепление насадки в своей прорези и способный, например, уменьшить риск выпадения насадки 22 из прорези.

Установочный патрубок 24 может быть выполнен с возможностью крепления между насадкой и прорезью. Например, установочный патрубок может содержать часть для крепления в прорези и часть для фиксации насадки. Часть для крепления в прорези может быть разной в зависимости от формы и геометрии прорези и желательного способа установки в прорези 14. Например, в изображенном варианте реализации изобретения установочный патрубок 24 содержит резьбовую часть 28, способную крепиться в прорези. Прорезь также может содержать резьбу 30, в которую может быть ввинчен патрубок 24.

Часть для фиксации насадки также может быть разной, например, в зависимости от формы и геометрии насадки 22 и желательного способа установки насадки 22. Например, в одном варианте реализации изобретения насадка 22 может быть закреплена патрубком неподвижно, а в другом варианте реализации изобретения насадка 22 может быть установлена с возможностью некоторой степени подвижности относительно патрубка, однако, с удержанием от полного освобождения из патрубка. Таким образом, в качестве примера, патрубок 24 в проиллюстрированном примере содержит канал 32, в котором закреплена насадка 22. Канал 32 проходит полностью сквозь патрубок так, что он открыт на обоих концах патрубка, другими словами, патрубок выполнен в виде кольца. Когда насадка 22 установлена в канале 32, отверстие 26а' открыто на одном конце канала, а отверстие 26b' открыто на другом конце канала.

В этом варианте реализации изобретения насадка 22 зафиксирована неподвижно в канале 32. Например, насадка 22 может быть запрессована и возможно механически закреплена методом горячей посадки в канале 32. В одном варианте реализации изобретения патрубок 24 может быть нагрет, чтобы вызвать его тепловое расширение, увеличивающее диаметр канала 32, насадка 22 может быть вставлена в него, и патрубок 24 охлажден, чтобы он сжался вокруг насадки и таким образом надежно закрепил ее. В таком варианте реализации изобретения патрубок 24 может иметь характеристики, изменяющие окружные напряжения вокруг кольца, создавая наилучшие возможности теплового расширения для запрессовки. Например, канал 32 и насадка 22 могут иметь диаметр, сужающийся от одного конца к другому, способствующий запрессовке этих деталей. Например, насадка 22 может иметь внешний диаметр, сужающийся от одного конца к другому, а канал 32 может иметь внутренний диаметр, сужающийся от одного конца к другому. Тогда насадку 22 можно вставить в канал 32 и прижать, тогда узкий конец насадки заклиниться в узком конце канала, а конические стороны деталей будут в тесном контакте. В дополнение или в альтернативном варианте для изменения кольцевой прочности канал 32 может содержать углубления 34 с существенно кольцевой формой разреза (перпендикулярного центральной оси х канала 32).

В некоторых вариантах реализации изобретения материал насадки 22 может обладать свойствами теплового расширения, отличающиеся от материала основной трубы 12. По существу, если насадка 22 установлена непосредственно в основную трубу 12, она может иметь склонность к смещению или повреждению при использовании, например, в среде с высокой температурой (то есть, пар). В целом, материалы, наиболее благоприятные для насадки могут иметь низкий коэффициент теплового расширения, а материалы, наиболее благоприятные для основной трубы 12 могут иметь разумно высокий коэффициент теплового расширения, и чаще всего насадка, прочно установленная в прорезь при комнатной температуре, может иметь тенденцию к выпадению из основной трубы при повышенных температурах. Чтобы решить проблемы, вызываемые тепловым расширением, установочный патрубок 24 может быть выполнен из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, выбранный так, чтобы обеспечивать хорошую работу как с насадкой, так и с основной трубой. В одном варианте реализации изобретения установочный патрубок 24 выполнен из материала, имеющего коэффициент теплового расширения между значениями для материалов основной трубы и насадки. В другом варианте реализации изобретения коэффициент теплового расширения патрубка 24 больше чем у основной трубы 12. По существу, под действием тепловой нагрузки патрубок 24 будет подвергаться тепловому расширению больше основной трубы 12, и патрубок 24 останется прочно зафиксированным в прорези. В таком варианте реализации изобретения насадка 22 и патрубок 24 могут соединяться, когда патрубок подвергается тепловому расширению.

Щит 16, если он применяется, может перекрывать узел насадки, удерживая насадку 22 в прорези 14. В одном варианте реализации изобретения насадка 22 зафиксирована в прорези так, что любое движение, направленное на выпадение из прорези, будет происходить по радиусу в сторону внешней поверхности 12b. Контролируемая установка, способствующая тому, чтобы насадка 22 могла двигаться только наружу в направлении внешней поверхности, может быть выполнена, например, благодаря сужению насадки и прорези/канала, в котором она установлена, с более широкими концами, направленными радиально наружу, например, ближе к внешней поверхности основной трубы. Щит 16 содержит пробку 36 в отверстии 38, по существу выровненном в радиальном направлении с прорезью 14. Съемная пробка 36 позволяет открывать отверстие 38 и обеспечивает возможность доступа к прорези 14, и таким образом установки узла насадки 20 в прорезь 14 через отверстие 38. После установки насадки 22 пробку 36 можно снова установить в отверстие 38 сверху насадки. Пробка 36 и отверстие 38, например, могут иметь резьбу, облегчающую удаление и повторную установку пробки.

Пробка 36 может гарантировать, что насадка 22 останется на месте в прорези 14, даже если насадка 22 освободится. Например, пробка 36 может быть выполнена с возможностью проникновения в отверстие 38, достаточного, чтобы упереться в конец 22b насадки. Если имеются допуски, способные препятствовать надежному креплению пробки на конце 22b насадки, можно применить гибкий распорный элемент. Например, как показано, между пробкой 36 и насадкой 22 может быть пружина.

Узел насадки 20, в этом варианте реализации изобретения содержащий насадку 22 и патрубок 24 в прорези 14, позволяет флюиду перемещаться между внутренним диаметром ID и внешней поверхностью 12b через устье 26. Боковое устье 26b направляет потоки флюида, близкие к отверстию 26b' по существу параллельно внешней поверхности 12b через кольцевое пространство 18. Чтобы способствовать прохождению потоков через кольцевое пространство с минимальными эрозионными повреждениями щита 16, проем 26b может быть расположен так, чтобы потоки через него проходили отчасти параллельно продольной оси xb основной трубы. Например, насадка 22 может быть установлена так, чтобы ось ха проема 26b была под углом в пределах 60° и возможно в пределах 45° к продольной оси xb. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения ось ха проема 26b по существу выровнена с продольной осью xb.

Чтобы установить узел насадки в таком варианте реализации изобретения, пробку 36 можно вынуть из отверстия 38, узел насадки, содержащий по меньшей мере насадку 22, но возможно также патрубок 24, можно вставить через отверстие 38 и установить в прорезь 14 с отверстиями 26а' и 26b', открытыми во внутренний диаметр ID и в кольцевое пространство 18, соответственно, и с осью ха проема 26b, направленной в выбранном направлении, например, в сторону открытых кромок 16а щита 16. Затем пробку 36 можно установить в отверстие 38 сверху насадки 22. Если имеется распорный элемент, такой как пружина 40, он располагается между насадкой 22 и пробкой 36. В варианте реализации изобретения, в котором узел насадки содержит патрубок 24 и насадку 22, эти детали можно установить отдельно или можно соединить перед установкой.

Трубчатые элементы согласно данному изобретению также могут иметь другие формы. В одном варианте реализации изобретения, как показано на Фиг. 8, трубчатый элемент 110 содержит экранирующее устройство 150. Трубчатый элемент 110 в первую очередь полезен для работы с входящими потоками, поскольку экранирующее устройство 150 удаляет слишком крупные частицы из потоков к отверстию 118а. Канавки 119 во внешней поверхности 112b проходят под устройством 150, через отверстия 118а под кромкой щита в пространство 118 между внешней поверхностью 112b и щитом 116. Пространство 118 открыто для насадки. Следует отметить, что трубчатый элемент 110 показывает насадку 122 без дополнительного установочного патрубка, а вместо этого насадка 122 закреплена непосредственно в материале основной трубы.

Во время использования трубчатого элемента флюид может проходить через устье 26 насадки между внутренним диаметром ID и внешней поверхностью 12b. Насадка 22 отклоняет поток так, что он проходит нелинейно между внутренним диаметром ID и внешней поверхностью 12b. Устье 26 заставляет потоки флюида изменять направление, когда они проходят через насадку, в том числе: (i) по существу радиально относительно продольной оси xb основной трубы, и (ii) по существу параллельно внешней поверхности, возможно, отчасти параллельной продольной оси основной трубы. Оно может направлять потоки через пространство 18 между внешней поверхностью 12b и щитом 16, отделенным от внешней поверхности. Флюид может течь через пространство 18 вдоль внешней поверхности 12b через отверстие 18а, 118а в кольцевое пространство вокруг трубчатого элемента.

Потоки наружу не склонны вызывать повреждения, поскольку флюид, текущий через насадку, отклоняется от радиального направления наружу (через проем 26а) в боковом направлении через проем 26b и вдоль внешней поверхности основной трубы, параллельной стенке ствола скважины. По существу, сила флюида, выходящего из трубчатого элемента, рассеивается на торцовой стенке 26а'' устья, в котором путь потока отклоняется в сторону.

При использовании насадка 22 может управлять потоками флюида, предотвращая эрозию и избегая ее благодаря прорезям, и контролируя характеристики скорости и давления потока.

Например, способ приема входящего потока пара или добываемых флюидов в скважине со связанной тяжелой нефтью (например, нефтеносный песчаник) и с гравитационным режимом пласта может использовать трубчатый элемент, такой как изображен на Фигурах с 1-3 или на Фиг. 7. При разработке скважин со связанной нефтью с помощью пара желательно, чтобы вводимый пар создал паровую камеру в пласте, нагревающую тяжелую нефть и придающую ей подвижность в виде полученных флюидов. Полученные флюиды должны течь в добывающую скважину. Иногда пар может прорваться из соседней скважины и стремиться попасть в добывающую скважину. С помощью описанного трубчатого элемента может быть ограничен выход пара в трубчатый элемент благодаря форме насадки и конфигурации насадки в трубчатом элементе. В частности, ограниченный входной размер проемов в первую очередь ограничивает объем полученных флюидов, способных попасть в трубчатый элемент. Также столкновение потоков из диаметрально противоположных проемов 26b склонно вызывать сопротивление потокам через устье 26,что создает обратное давление, ограничивающее поток через насадку. Кроме того, отклонение пути потока из проема 26b в проем 26а рассеивает силу флюида так, что трубчатый элемент теряет склонность к проблемной эрозии. По существу, паровая камера может формироваться снаружи трубчатого элемента, даже если случается прорыв из паронагнетательной скважины в добывающую скважину.

Во время использования, хотя силы могут проявлять склонность к действиям, смещающим насадку со своего места, способ может включать удержание насадки на месте в противодействие силам, стремящимся переместить насадку в неактивное положение. Например, способ может включать удержание насадки в прорези, например, расположенным над ней щитом. В альтернативном варианте или дополнительно способ может включать удержание насадки от смещения за счет разницы в тепловом расширении, например, с помощью патрубка. Патрубок может действовать между насадкой и основной трубой, удерживая насадку на месте. Например, патрубок может предотвращать попадание насадки во внутренний диаметр за счет конических деталей, и насадка может иметь тепловое расширение, удерживающее насадку на месте.

Хотя описан вариант реализации изобретения, в котором насадка 22 неподвижно установлена в патрубок 24, в некоторых вариантах реализации изобретения насадка может быть закреплена в патрубке с возможностью скольжения. Например, насадка может скользить в патрубок и из него в зависимости от давления, действующего на отверстия 26а' и 26b'. По существу, насадка 22 может работать в качестве клапана.

Как описано ранее в данном документе, насадка может иметь устье такой формы, чтобы ограничивать поток в одном направлении, однако такое устье может не ограничивать поток в противоположном направлении в такой же степени. На Фиг. 9-13, насадка 222 может быть установлена в трубчатый элемент 212, предназначенный для работы с потоком полученного флюида, текущим внутрь от внешней поверхности 212b основной трубы через устье насадки. Конкретно, снова со ссылкой на Фиг. 8, поток полученного флюида, направленный внутрь, может проходить через боковой проем 126b устья, и затем в главный проем 126а устья перед тем, как войти во внутренний диаметр ID трубчатого элемента. В таком варианте реализации изобретения каждый боковой проем 126b устья имеет внутренний конец меньшего диаметра (конец, расположенный ближе к главному проему 126а), внешний конец большего диаметра (конец, расположенный ближе к пространству 118) и диаметр, расширяющийся от внутреннего конца к внешнему концу. Устье этой формы создает обратное давление на флюид, проходящий через него в направлении стрелок F.

С таким трубчатым элементом поток, идущий в противоположном направлении, наружу из внутреннего диаметра ID через насадку 122 к внешней поверхности 112b, не может быть замедлен устьем, а на самом деле может быть ускорен так, что флюид, проходящий из насадки 122 через боковой проем 126b вдоль внешней поверхности 112b может иметь высокую скорость, и таким образом может повреждать конструкции на пути флюида, в особенности, если флюид представляет собой пар или кислоту.

Например, если желательно использовать трубчатый элемент 110, предназначенный для управления потоком полученных флюидов, входящим во внутренний диаметр трубчатого элемента и для его замедления, а не для перекачивания флюидов из трубчатого элемента в пласт (в направлении, противоположном стрелкам F), флюиды, выходящие из насадки 122 могут повредить конструкции, в том числе детали трубчатого элемента, такие как: щит 116, внешнюю поверхность 112b основной трубы, экранирующие материалы 150, или пласт. Флюиды, такие как вода, газ, пар или кислота, выходящие из устья насадки 126b, могут вызывать эрозионную коррозию.

Трубчатый элемент 210, обеспечивающий как управляемый плавный входящий поток, так и управляемый плавный выходящий поток через насадку 222, может содержать диффузор 260 выходящего потока, расположенный так, чтобы принимать поток из насадки. Диффузор 260 выходящего потока принимает поток и рассеивает некоторую часть его энергии, перед тем как выпустить поток на выход из трубчатого элемента. Диффузор содержит стенку, расположенную неровно, например, по существу, перпендикулярно оси ха (см. Фиг. 7) боковых проемов 226b устья.

Диффузор может быть установлен на внешней поверхности 212b стенки трубчатого элемента так, чтобы принимать удар от потока, направленного наружу, из насадки 222, который будет проходить через боковые проемы 226b устья. Может быть предусмотрен диффузор для каждого бокового проема насадки. Диффузор расположен смежно с насадкой и, как правило, в пространстве, таком как внешняя флюидная камера 218, которая находится между щитом 216 и внешней поверхностью 212b. Внешняя флюидная камера имеет отверстие 218а в пространство за пределами оборудования, через которое флюид входит в камеру или выходит из нее. Когда флюид проходит наружу через насадку 222, он следует по пути выпуска из насадки в отверстие 218а, где флюид выходит из-под щита 216 в пространство за пределами щита. Отверстие представляет собой часть пути выпуска флюида. Отверстие 218а может открываться непосредственно в пространство за пределами оборудования. В альтернативном варианте напротив отверстия 218а может быть расположен фильтровальный материал 250, фильтрующий флюид, проходящий через отверстие 218а.

В одном варианте реализации изобретения диффузор представляет собой трубку, расположенную и выполненную с возможностью приема флюидов, выходящих из насадки через боковые проемы 226b, перенаправления и замедления флюидов перед их выпуском для продолжения пути выпуска и вытекания из трубчатого элемента. Трубка диффузора имеет трубчатую конструкцию с трубчатой стенкой, образующей ее внутренний диаметр, предоставляющий канал для флюидов, текущих между каналом 262 впуска в трубку и множеством каналов 264 выпуска из трубки. Канал впуска может иметь диаметр, больший чем диаметр каждого отдельного канала 264 выпуска. Трубка диффузора может быть выполнена с коленом 266 по длине своего канала так, чтобы поток, проходящий через него, перенаправлялся, а не проходил прямо. Колено создает стенку, расположенную неровно, например, по существу, перпендикулярно оси ха (см. Фиг. 7) бокового проема 226b устья. В одном варианте реализации изобретения трубка имеет L-или Т-образную форму с впускной частью 270, расположенной по длине трубки, имеющей канал 262 впуска на одном своем конце, колено 266 на другом конце и одну или более, например, две плечевых части 272, идущих от колена на впускной части. Каналы 264 выпуска расположены в плечевых частях 272, но отделены от колена. Каналы выпуска могут представлять собой отверстия в трубчатой стенке, образующей плечевые части и/или могут представлять собой отверстия на концах плечевых частей. Внутренний диаметр впускной части открыт в колене во внутренние диаметры плечевых частей. Таким образом, флюид, проходящий через канал трубки, входит через канал впуска и сталкивается с торцовой стенкой 266а в изгибе колена 266. Торцовая стенка 266а заставляет флюид изменить направление и течь в плечевые части 272.

В одном варианте реализации изобретения трубка диффузора имеет Т-образную форму с впускной частью 270, соединенной с двумя плечевыми частями в Т-образном колене. Трубка диффузора может быть по существу симметричной относительно впускной части.

Диффузор расположен на внешней поверхности стенки трубчатого элемента 212 смежно с устьем насадки 222 с возможностью приема флюида, выходящего из бокового проема 226b. В одном варианте реализации изобретения канал 262 впуска расположен по существу на одной линии с боковым проемом 226b. Например, канал 262 впуска может быть расположен так, чтобы его центральная точка была выровнена по оси ха бокового проема 226b насадки. Канал 262 впуска может расширяться и может сужаться вдоль своего внутреннего диаметра с углублением в канал впуска. Это расширение определяет коническую форму отверстия канала впуска диффузора и создает расширенное место входа в диффузор. Это обеспечивает попадание большей части, если не всего флюида, выходящего из бокового проема 226b, в канал 260 диффузора.

Плечевые части 272 идут от впускной части 270. Поскольку диффузор расположен на стенке трубчатого элемента 212, плечевые части 272 могут быть изогнуты, по существу повторяя кольцевой изгиб стенки трубчатого элемента. В одном варианте реализации изобретения продольная ось впускной части 270 расположена по существу вдоль продольной оси xb корпуса 212 трубчатого элемента, а плечи 272 соединены с впускной частью и изогнуты, располагаясь вокруг кольцевого изгиба перпендикулярно продольной оси xb корпуса трубчатого элемента.

Как отмечено выше, каналы 264 выпуска расположены в плечевых частях 272. Каналы 264 могут быть расположены в торцах плечевых частей 272 и/или могут быть расположены на расстоянии друг от друга вдоль каждой плечевой части. В одном варианте реализации изобретения каналы 264 расположены так, чтобы направлять флюид, проходящий через них, в определенную зону трубчатого элемента. В одном варианте реализации изобретения, например, каналы 264 расположены в плечевых частях 272 так, что флюид, выходящий из них, не может течь непосредственно вдоль прямой линии к выпускному отверстию 218а трубчатого элемента. Например, каналы 264 могут быть расположены в плечевых частях 272 так, что флюид, выходящий из каналов, должен изменить направление, чтобы достигнуть выпускного отверстия 218а. Каналы, например, могут быть ориентированы в направлении блокирующей конструкции, такой как внешняя поверхность, щит или другой диффузор. В альтернативном варианте каналы могут быть расположены так, чтобы выпускать флюид в путь встречного или поперечного потока флюидов или вдоль пути, не параллельного непосредственно пути выпуска, ведущему к выпускному отверстию 218а. Например, если в трубчатом элементе имеются две трубки диффузора, они могут быть расположены так, чтобы их каналы 264 выпуска были ориентированы навстречу друг другу. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения, например, каналы 264 расположены в плечевых частях 272 на стороне, направленной в сторону от пути выпуска флюида. Каналы открыты в направлении другого диффузора, и в частности, в направлении каналов 264 этого другого диффузора. Кроме того, по меньшей мере некоторые каналы расположены под углом вверх в направлении щита 216 и/или расположены под углом вниз в направлении поверхности 212b, представляющих собой стенки, образующие соответственно верхние и нижние границы внешней флюидной камеры 218. По существу, каналы 264 в проиллюстрированном варианте реализации изобретения расположены так, чтобы выпускать флюид в сторону от отверстия 218а в путь встречного потока флюидов, создаваемого флюидом, выпущенным из противоположного диффузора, и вверх или вниз под углом, чтобы вызвать столкновение с верхними или нижними границами камеры, в которой они установлены.

Хотя диффузор может быть установлен в трубчатом элементе, чтобы принимать направленный наружу поток из насадки 222, может быть предусмотрено перепускное отверстие, позволяющее полученному флюиду обходить диффузор и попадать в насадку, не проходя сначала через диффузор. Таким образом, флюид может попасть в насадку непосредственно, протекая во внутреннем направлении во внутренний диаметр, не проходя через диффузор. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения канал 260 диффузора отделен от насадки так, что имеется открытое пространство 280 между насадкой и впускной частью 270 диффузора. Полученный флюид может протекать через отверстие 218а в открытое пространство 280, а затем попадать в насадку непосредственно, таким образом протекая во внутреннем направлении во внутренний диаметр, минуя по меньшей мере плечевые части и колено, а возможно, и весь диффузор. Перепускное отверстие может приобретать другие формы, такие как большие отверстия во впускной части, если диффузор закреплен непосредственно смежно с насадкой.

Кроме того, если это желательно, диффузор может быть установлен в камере 218 с зазорами 282 между верхними и/или нижними поверхностями плечевых частей 272 и щитом 216 и/или поверхностью 212b так, чтобы полученный флюид мог проходить над диффузором и под ним, попадая в устье насадки мимо диффузора.

Несмотря на эти зазоры 282 и открытое пространство 280, диффузор 260 установлен с прочной фиксацией на своем месте, смежном с насадкой. В одном варианте реализации изобретения имеется крепежный блок 286 фиксирующий диффузор на месте между щитом 216 и основной трубой 212. На Фиг. 11 крепежный блок 286 состоит из нескольких слоев и закреплен между щитом и основной трубой, а в трубчатом элементе на Фиг. 12 крепежный блок 286 установлен в углублении 288 в щите. В любом случае, способ установки, например, с помощью крепежного блока 286, сохраняет зазоры 282 и промежуток в открытом пространстве 280, фиксируя диффузор против отталкивания от насадки силой потока флюида.

Диффузор 260, в особенности в зоне канала 262 впуска, каналов 264 выпуска и колена 266, должен противостоять большой эрозионной силе флюида. По существу, диффузор 260 может быть изготовлен из прочного материала, аналогичного использованному для насадки. Хотя использование такого материала может быть затратным, количество этого материала, необходимое для насадки 222 и диффузора 260, может быть небольшим по сравнению с общими потребностями в материале для трубчатого элемента. Эти детали, насадка и диффузор, могут быть установлены в трубчатый элемент, выполненный из стандартных конструкционных материалов.

Промежуток между диффузором и насадкой может определять количество флюида, проходящего через насадку, обрабатываемое в диффузоре, и силу, с которой флюид входит во впускную часть. Этот промежуток, по желанию, может быть изменен в конструкции трубчатого элемента.

Трубчатые элементы на Фиг. 10 и 13 отличаются в некоторых отношениях, в том числе формой и способом установки крепежной части 286. Эти два варианта реализации изобретения также показывают два различных способа установки насадки 222, причем Фиг. 10 показывает насадку, выполненную в виде встроенного компонента основной трубы, а Фиг. 13 показывает насадку в виде вставки, устанавливаемой через закрываемую прорезь, как изображено на Фиг. 3.

Предыдущее описание раскрытых вариантов реализации изобретения представлено, чтобы дать возможность любому лицу, подготовленному в данной области техники, воспользоваться данным изобретением. Специалисту, подготовленному в данной области техники, будут очевидны различные модификации этих вариантов реализации изобретения, а общие принципы, определенные в данном документе, могут быть применены к другим вариантам реализации изобретения без отхода от идеи и объема изобретения. Таким образом, данное изобретение не ограничивается вариантами реализации, показанными в данном документе, а должно рассматриваться в полном объеме в соответствии с формулой изобретения, причем упоминание элемента в единственном числе означает не «один и только один», а «один или более», если только специально не указано другое. Все конструктивные и функциональные эквиваленты элементов различных вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе, известные в данной области техники на данный момент или в будущем, охватываются элементами формулы изобретения. Кроме того, ничего из описанного в данном документе не должно стать всеобщим достоянием, независимо от того, изложено ли такое описание явным образом в формуле изобретения. Для права собственности на патент США отметим, что ни один из элементов формулы изобретения не должен толковаться согласно положениям 35 USC 112, шестой параграф, если только элемент явным образом не изложен с использованием фраз «средства для» или «этап для».

Группа изобретений относится к трубчатым элементам с насадкой для управления скважинным флюидом. Технический результат – усовершенствованные трубчатые элементы с насадками. Трубчатый элемент ствола скважины содержит основную трубу, содержащую стенку, прорезь в стенке, предоставляющую проход между внутренним диаметром основной трубы и внешней поверхностью основной трубы, насадку в прорези, содержащую устье, трубку диффузора на внешней поверхности, принимающую флюид, выходящий из устья. Трубка диффузора содержит канал впуска, открывающийся во внутренний диаметр, ограниченный стенкой трубки диффузора, стенку, рассеивающую флюид на изгибе в трубке диффузора, и множество каналов выпуска из трубки диффузора. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Трубчатый элемент ствола скважины, содержащий: основную трубу, содержащую стенку; прорезь в стенке, предоставляющую проход между внутренним диаметром основной трубы и внешней поверхностью основной трубы; насадку в прорези, содержащую устье; трубку диффузора на внешней поверхности, принимающую флюид, выходящий из устья; причем трубка диффузора содержит канал впуска, открывающийся во внутренний диаметр, ограниченный стенкой трубки диффузора; стенку, рассеивающую флюид на изгибе в трубке диффузора; и множество каналов выпуска из трубки диффузора.

2. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что канал впуска расположен на расстоянии от устья насадки.

3. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, дополнительно содержащий щит, присоединенный над внешней поверхностью основной трубы и образующий флюидную камеру между щитом и внешней поверхностью, причем устье открыто во флюидную камеру, и трубка диффузора расположена во флюидной камере.

4. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 3, отличающийся тем, что канал впуска и множество каналов выпуска расположены во флюидной камере.

5. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 3, отличающийся тем, что щит представляет собой кольцевую муфту, а зазор между концом кольцевой муфты и внешней поверхностью образует выпускное отверстие из флюидной камеры в пространство за пределами трубчатого элемента ствола скважины, при этом каналы выпуска расположены на стороне трубки диффузора, направленной в сторону от выпускного отверстия.

6. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что множество каналов выпуска открыты в направлении канала выпуска второго диффузора так, что множество каналов выпуска выполнены с возможностью выпуска флюида во встречный или перпендикулярный поток флюида, выходящего из второго диффузора.

7. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из множества каналов выпуска расположены под углом вверх в направлении щита.

8. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что устье содержит главный проем, расположенный радиально от внутреннего диаметра, и боковой проем, расположенный под углом к главному проему на его изгибе, изменяющий направление флюида, проходящего через устье, а продольная ось бокового проема по существу параллельна внешней поверхности, причем боковой проем имеет внутренний конец, ближний к главному проему, и внешний конец, противоположный внутреннему концу, причем диаметр внешнего конца бокового проема больше диаметра внутреннего конца.

9. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что насадка содержит второй боковой проем, а вторая трубка диффузора на внешней поверхности принимает флюид, выходящий из второго бокового проема.

10. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что канал впуска имеет диаметр, больший чем диаметр каждого отдельного канала выпуска.

11. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что трубка диффузора содержит колено между каналом впуска и множеством каналов выпуска.

12. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 11, отличающийся тем, что колено образует стенку во внутреннем диаметре, ориентированную по существу перпендикулярно относительно оси устья на выходе из насадки.

13. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 11, отличающийся тем, что трубка диффузора содержит впускную часть с каналом впуска на одном конце и коленом на другом конце, первую плечевую часть, отходящую от колена, и вторую плечевую часть, отходящую от колена, множество каналов выпуска, расположенных в первой и во второй плечевых частях, причем трубка диффузора имеет Т-образную форму в горизонтальной проекции.

14. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 13, отличающийся тем, что впускная часть по существу расположена вдоль продольной оси основной трубы, а первая и вторая плечевые части изогнуты, по существу повторяя кривизну окружности внешней поверхности основной трубы.

15. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что канал впуска содержит конический расширяющийся удлинитель.

16. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, дополнительно содержащий перепускное отверстие между насадкой и каналом впуска, выполненное с возможностью пропускания флюида в обход трубки диффузора на вход в насадку без прохода через трубку диффузора.

17. Трубчатый элемент ствола скважины по п. 1, отличающийся тем, что трубка диффузора изготовлена из материала, более устойчивого к эрозии, чем материал, из которого изготовлена основная труба.

18. Способ работы с флюидом в стволе скважины, включающий следующие этапы: нагнетают флюид через устье насадки, проходящее от внутреннего диаметра трубчатого элемента до внешней поверхности трубчатого элемента; и направляют флюид, вытекающий из устья насадки, вдоль внешней поверхности в трубку диффузора, рассеивающую энергию флюида, вытекающего из устья насадки, перед выпуском флюида из трубчатого элемента.

19. Способ по п. 18, дополнительно включающий следующие этапы: обрабатывают полученные потоки флюида, пропуская полученный флюид, текущий из пространства, смежного с внешней поверхностью, в направлении внутреннего диаметра, на вход в устье насадки, выполненное с возможностью создания обратного давления на полученные потоки флюида таким образом, что давление выше на внешней поверхности, чем во внутреннем диаметре.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что обработка полученных потоков флюида позволяет полученным потокам флюида протекать в устье насадки в обход трубки диффузора.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что протекание флюида, вытекающего из устья насадки на внешней поверхности, в трубку диффузора включает следующие этапы: вводят флюид через канал впуска во внутренний диаметр трубки диффузора, осуществляют столкновение флюида со стенкой во внутреннем диаметре, изменяющее направление потока, и вытекание из трубки диффузора через канал выпуска.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что при вытекании из трубки диффузора поток направляют в русло потока флюида, выходящего из другого диффузора.

23. Способ по п. 18, отличающийся тем, что трубчатый элемент содержит выпускное отверстие из трубчатого элемента, причем флюид выходит из трубчатого элемента через выпускное отверстие.

24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что после выпуска из трубки диффузора изменяется направление потока флюида перед тем, как флюид пройдет через выпускное отверстие.

25. Способ по п. 23, отличающийся тем, что протекание потоков флюида включает столкновение потоков флюида, выходящих из трубки диффузора, с перенаправляющей поверхностью перед тем, как они пройдут через выпускное отверстие.