ЗАТРУБНЫЙ БАРЬЕР С ЗАКРЫВАЮЩИМ МЕХАНИЗМОМ Российский патент 2019 года по МПК E21B33/127 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к скважинному затрубному барьеру, предназначенному для разжимания в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и стенкой ствола скважины или другой скважинной трубчатой конструкцией в скважине для обеспечения изоляции зоны между первой зоной, имеющей первое давление, и второй зоной, имеющей второе давление ствола скважины. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе затрубного барьера.

Уровень техники

Затрубные барьеры часто разжимают в скважине посредством текучей среды под давлением, проходящей через отверстие в трубе, вокруг которой расположен затрубный барьер, однако, операторы нефтяных скважин все чаще требуют, чтобы данное отверстие было постоянно закрыто.

Одно из решений данной проблемы заключается в установке в отверстии обратного клапана, однако, это решение показало себя как ненадежное, поскольку в шаровое седло могут попасть загрязнения, препятствующие надлежащему закрытию отверстия шаром. Дополнительно, при возрастании и снижении температуры и давления, например в процессе гидроразрыва, соответственно увеличивается и уменьшается температура и давление захваченной текучей среды в затрубном барьере. При возрастании давления затрубный барьер разжимается больше, чем предполагалось, а при снижении давления затрубный барьер соответственно сдувается. Такие движения могут со временем привести к разрыву затрубного барьера.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является полное или частичное преодоление вышеуказанных недостатков уровня техники. Более конкретно, задачей является создание улучшенного затрубного барьера с обеспечением закрывания отверстия в базовой трубе простым образом после разжимания затрубного барьера.

Указанные выше задачи, а также многочисленные другие задачи, преимущества и признаки, очевидные из нижеследующего описания, выполнены в решении согласно настоящему изобретению посредством скважинного затрубного барьера, предназначенного для разжимания в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и стенкой ствола скважины или другой скважинной трубчатой конструкцией в скважине, для обеспечения изоляции зоны между первой зоной, имеющей первое давление, и второй зоной, имеющей второе давление ствола скважины, причем затрубный барьер содержит:

- трубчатую часть, выполненную с возможностью установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции, причем трубчатая часть имеет наружную поверхность и внутреннюю часть;

- разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть и имеющую внутреннюю поверхность муфты, обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность муфты, обращенную к стенке ствола скважины, причем каждый конец разжимной металлической муфты соединен с трубчатой частью; и

- кольцевое пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью;

- первое отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью;

- второе отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством; и

- проход, имеющий протяженность прохода и содержащий первую часть прохода, имеющую первый внутренний диаметр, и вторую часть прохода, имеющую внутренний диаметр, который больше диаметра первой части прохода;

причем первое отверстие и второе отверстие расположены в первой части прохода и смещены вдоль протяженности прохода, причем затрубный барьер дополнительно содержит:

- поршень, расположенный в проходе, причем поршень содержит первую часть поршня, имеющую наружный диаметр, по существу соответствующий внутреннему диаметру первой части прохода, и вторую часть поршня, имеющую наружный диаметр, по существу соответствующий внутреннему диаметру второй части прохода; и

- разрушаемый элемент, предотвращающий перемещение поршня до достижения в проходе предварительно заданного давления.

Поршень имеет круглое поперечное сечение и расположен в круглом проходе, при этом ни поршень ни проход не является кольцевым, что улучшает их соответствие друг другу таким образом, что зазор между поршнем и проходом может быть выполнен очень маленьким, в результате чего может быть предотвращено нежелательное протекание.

Дополнительно, поршень может иметь центральную ось, расположенную в стенке трубчатой части или в стенке соединительной части, соединяющей разжимную металлическую муфту с трубчатой частью.

В варианте осуществления изобретения скважинный затрубный барьер может дополнительно содержать блокирующий элемент, выполненный с возможностью механической блокировки поршня при нахождении поршня в закрытом положении, с перекрыванием первого отверстия.

Дополнительно, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью перемещения, по меньшей мере частично, в радиальном направлении наружу или внутрь при перемещении поршня из исходного положения, для предотвращения возвращения поршня в его исходное положение.

Кроме того, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью постоянной блокировки поршня в закрытом положении.

Дополнительно, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью перемещения в радиальном направлении внутрь при перемещении поршня из его исходного положения.

Также, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью перемещения в радиальном направлении внутрь и упора во вторую поверхность поршня при перемещении поршня из исходного положения.

Кроме того, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью перемещения частично в радиальном направлении наружу при перемещении поршня из исходного положения.

Дополнительно, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью предотвращения возвращения поршня в его исходное положение.

Также, блокирующий элемент может окружать часть поршня.

Кроме того, блокирующий элемент может быть выполнен с возможностью воздействия на него пружинным элементом в направлении поршня.

В варианте осуществления изобретения затрубный барьер может содержать третье отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с затрубным пространством.

Дополнительно, поршень может иметь исходное положение, в котором первое отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды со вторым отверстием, и закрытое положение, в котором второе отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с третьим отверстием, для выравнивания давления между кольцевым пространством и затрубным пространством.

В закрытом положении, в котором второе отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с третьим отверстием, давление между кольцевым пространством и затрубным пространством может быть выровнено.

Поршень может содержать канал для текучей среды, представляющий собой сквозной проход, обеспечивающий соединение с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода.

Благодаря наличию поршня, содержащего канал для текучей среды, представляющий собой сквозной проход, обеспечивающий соединение с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода, давление текучей среды действует на вторую поверхность поршня, обращенную от первого отверстия, таким образом, предусмотрено наличие очень простой конструкции с минимальным количеством путей потока, для которых существует вероятность засорения.

Кроме того, благодаря наличию поршня с каналом для текучей среды предусмотрено наличие соединения с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода, так что обеспечена возможность перемещения поршня при разрушении разрушаемого элемента, что приводит к перекрыванию соединения с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью трубчатой части. Таким образом, предусмотрено простое решение без дополнительных каналов для текучей среды, и благодаря тому факту, что вторая часть поршня имеет наружный диаметр, который больше наружного диаметра первой части поршня, площадь поверхности, на которую воздействует давление текучей среды, больше площади поверхности первой части поршня. Таким образом, давление обеспечивает перемещение поршня, когда затрубный барьер разжат, и давление повышается для разрушения разрушаемого элемента, который обеспечивает перемещение поршня.

Кроме того, разрушаемый элемент может представлять собой срезной штифт, взаимодействующий с поршнем.

Также, разрушаемый элемент может представлять собой срезной диск, расположенный в канале для текучей среды или в первой части прохода для предотвращения протекания потока через диск.

Дополнительно, диск может быть выполнен с возможностью перекрывания канала для текучей среды или первой части прохода.

Проход может иметь второй конец прохода во второй части прохода и первый конец прохода в первой части прохода, причем диск расположен между первым отверстием и второй частью прохода.

Дополнительно, поршень может иметь первый конец поршня у первой части поршня и второй конец поршня у второй части поршня, причем первый конец поршня имеет первую поверхность поршня, а второй конец поршня имеет вторую поверхность поршня, при этом вторая поверхность поршня имеет площадь поверхности, которая больше площади первой поверхности поршня, для обеспечения перемещения поршня в направлении первого конца прохода.

Перемещение поршня может обеспечивать перекрывание сообщения с возможностью передачи текучей среды между первым отверстием и вторым отверстием.

Дополнительно, первая часть поршня может быть частично расположена во второй части прохода в исходном положении поршня и может образовывать кольцевое пространство между поршнем и внутренней стенкой ствола скважины.

Скважинный затрубный барьер согласно изобретению может дополнительно содержать третье отверстие во второй части прохода, соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством и затрубным пространством.

Кроме того, между третьим отверстием и затрубным пространством может быть расположен челночный клапан, с обеспечением тем самым соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и второй зоной затрубного пространства.

Указанный челночный клапан может в первом положении обеспечивать соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и первой зоной затрубного пространства, и может во втором положении обеспечивать соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и второй зоной затрубного пространства.

Также, первая часть поршня может содержать два кольцевых уплотнительных элемента, расположенных в кольцевой канавке в первой части поршня.

Кольцевые уплотнительные элементы могут быть расположены на определенном расстоянии друг от друга, что означает, что уплотнительные элементы расположены с противоположных сторон первого отверстия в закрытом положении поршня.

Дополнительно, вторая поверхность поршня может быть расположена на расстоянии от второго конца прохода в исходном положении.

Дополнительно, вторая часть поршня может содержать по меньшей мере один уплотнительный элемент, расположенный в кольцевой канавке.

Кроме того, скважинный затрубный барьер согласно изобретению может дополнительно содержать блокирующий элемент, выполненный с возможностью механической блокировки поршня при нахождении поршня в закрытом положении, с перекрыванием первого отверстия.

Таким образом, обеспечивается непрерывное перекрывание соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью скважинной трубчатой конструкции. В известных решениях для этих же задач используют односторонние клапаны, например шаровые клапаны, для обеспечения возможности прохождения текучей среды в пространство затрубного барьера и предотвращения ее выходу обратно. Однако при использовании таких обратных клапанов текучая среда оказывается захваченной внутри затрубного барьера, и, например, при осуществлении гидроразрыва пласта, когда обычно используют более холодную текучую среду для разрыва пласта, текучую среду пропускают в затрубный барьер при давлении, например, 300 бар, что составляет максимальное давление, при котором выполняют проверку затрубного барьера на способность выдерживать давление без разрыва разжимной металлической муфты. При выполнении разрыва с использованием холодной текучей среды с давлением 300 бар, затрубный барьер также заполняют холодной текучей средой с давлением 300 бар. Затем, после окончания разрыва, затрубный барьер нагревают, вызывая увеличение давления в затрубном барьере выше максимального давления, поскольку текучая среда, находящаяся внутри затрубного барьера, не может выйти из затрубного барьера из-за наличия обратного клапана, следовательно, существует высокая вероятность повреждения или разрушения разжимной металлической муфты. Таким образом, при каждом изменении температуры в скважине давление внутри затрубного барьера также изменяется, в результате чего муфта разжимается или сжимается, что может привести к повреждению или разрушению разжимной металлической муфты. При непрерывном перекрывании соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью скважинной трубчатой конструкции разжимная металлическая муфта не подвергается таким существенным изменениям, что значительно снижает вероятность разрушения.

Также, вторая часть поршня может содержать блокирующий элемент, расположенный во втором конце поршня, причем блокирующий элемент представляет собой пружинные элементы, выполненные с возможностью выдвижения наружу при их высвобождении в процессе перемещения поршня для перекрывания первого отверстия.

Блокирующий элемент может представлять собой зажимные втулки, выполненные во втором конце поршня.

При использовании механической блокировки, предотвращающей обратное перемещение поршня, нет необходимости в наличии обратного клапана, предотвращающего возврат поршня при повышении давления внутри затрубного барьера. Таким образом, исключена вероятность появления загрязнений, мешающих закрытию обратного клапана, а также вероятность того, что повышение давления в кольцевом пространстве барьера приведет к возврату поршня и повторному возникновению соединения с возможностью передачи текучей среды изнутри трубчатой части. В известных решениях с использованием обратных клапанов, существует вероятность повреждения или разрушения разжимной металлической муфты при осуществлении разрыва пласта посредством более холодной текучей среды, например морской воды. Благодаря непрерывному перекрыванию соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью скважинной трубчатой конструкции разжимная металлическая муфта не подвергается таким существенным изменениям температуры и давления, что значительно снижает вероятность разрушения.

Дополнительно, блокирующий элемент может быть расположен вокруг второй части поршня.

Кроме того, проход может иметь третью часть прохода, причем вторая часть прохода расположена между первой частью прохода и третьей частью прохода, при этом третья часть прохода имеет внутренний диаметр, который больше внутреннего диаметра второй части прохода, причем блокирующий элемент расположен в третьей части прохода.

Дополнительно, блокирующий элемент может представлять собой множество вставок, расположенных в третьей части прохода вокруг второго конца поршня.

Блокирующий элемент может дополнительно содержать по меньшей мере один пружинный элемент, расположенный в окружной канавке в наружной поверхности вставок, так что вставки удерживаются вместе и подвергаются воздействию направленного радиально внутрь усилия при перемещении поршня для перекрывания соединения с возможностью передачи текучей среды к внутренней части трубчатой части.

Настоящее изобретение также относится к системе скважинного затрубного барьера, содержащей скважинный затрубный барьер, описанный выше, и источник давления.

Указанный источник давления может быть расположен на поверхности или морском дне, либо у устья скважины или противовыбросового превентора.

Краткое описание чертежей

Изобретение и его многочисленные преимущества описаны ниже более подробно со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых с целью иллюстрации показаны некоторые не ограничивающие варианты осуществления изобретения, и на которых:

- на фиг. 1 показан вид в поперечном сечении затрубного барьера;

- на фиг. 2А показан вид в поперечном сечении части затрубного барьера, показанного на фиг. 1, содержащей проход с поршнем в исходном положении;

- на фиг. 2В показан поршень, показанный на фиг. 2А, в закрытом положении;

- на фиг. 3А показан еще один вариант осуществления поршня в его исходном положении;

- на фиг. 3В показан поршень, показанный на фиг. 3А, в его закрытом положении;

- на фиг. 4 показан вид в перспективе блокирующего элемента;

- на фиг. 5 показан вид в перспективе поршня, показанного на фиг. 3А;

- на фиг. 6 показан вид в поперечном сечении затрубного барьера, примыкающего ко второй скважинной трубчатой конструкции;

- на фиг. 7 показан вид в перспективе обратного клапана;

- на фиг. 8 показан еще один вариант осуществления поршня в его исходном положении;

- на фиг. 9 показан еще один вариант осуществления поршня в его исходном положении;

- на фиг. 10 показан вид в частичном поперечном сечении системы затрубного барьера;

- на фиг. 11А показан еще один вариант осуществления поршня в его исходном положении; и

- на фиг. 11В показан поршень, показанный на фиг. 11А, в его закрытом положении.

Все чертежи являются схематическими и не обязательно выполнены в масштабе, причем на них показаны только те части, которые необходимы для пояснения изобретения, при этом другие части не показаны или показаны без объяснения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан скважинный затрубный барьер 1, предназначенный для разжимания в скважине в затрубном пространстве 2 между скважинной трубчатой конструкцией 3 и стенкой 5 ствола 6 скважины для обеспечения изоляции зоны между первой зоной 101, имеющей первое давление Р₁, и второй зоной 102, имеющей второе давление Р₂ ствола скважины. Затрубный барьер содержит трубчатую часть 7, выполненную с возможностью установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции 3 и имеющую внутреннюю часть, представляющую собой внутреннюю часть скважинной трубчатой конструкции и, таким образом, соединенную с возможностью передачи текучей среды с ней. Затрубный барьер дополнительно содержит разжимную металлическую муфту 8, окружающую трубчатую часть 7 и имеющую внутреннюю поверхность 9 муфты, обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность 10 муфты, обращенную к стенке 5 ствола 6 скважины, причем наружная поверхность 10 муфты примыкает к стенке в разжатом положении, показанном на фиг. 1. Каждый конец 12 разжимной металлической муфты 8 соединен с трубчатой частью 7, образуя кольцевое пространство 15 между внутренней поверхностью 9 разжимной металлической муфты и трубчатой частью. Затрубный барьер имеет первое отверстие 16, соединенное с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью скважинной трубчатой конструкции и, таким образом, трубчатой части, и второе отверстие 17, соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством 15. При повышении давления во внутренней части трубчатой части 7 текучая среда протекает в кольцевое пространство 15, разжимая, таким образом, разжимную металлическую муфту 8 до разжатого положения, как показано на фиг. 1.

Затрубный барьер 1 дополнительно содержит проход 18, имеющий протяженность прохода и содержащий первую часть 19 прохода, имеющую первый внутренний диаметр (ID₁ на фиг. 2А), и вторую часть 20 прохода, имеющую внутренний диаметр (ID₂ на фиг. 2А), который больше диаметра первой части прохода. Первое отверстие и второе отверстие расположены в первой части 19 прохода и смещены вдоль протяженности прохода. Затрубный барьер 1 дополнительно содержит поршень 21, расположенный в проходе 18, причем поршень содержит первую часть 22 поршня, имеющую наружный диаметр (OD_P1 на фиг. 2В), по существу соответствующий внутреннему диаметру первой части 19 прохода, и содержит вторую часть 23 поршня, имеющую наружный диаметр (OD_P2 на фиг. 2В), по существу соответствующий внутреннему диаметру второй части 20 прохода. Затрубный барьер 1 дополнительно содержит разрушаемый элемент 24, предотвращающий перемещение поршня 21 до достижения в проходе 18 предварительно заданного давления. Предел прочности разрушаемого элемента устанавливают на основании предварительно заданного давления, действующего на области на концах поршня, и, таким образом, различие в наружных диаметрах приводит к перемещению поршня, когда давление превышает предварительно заданное давление. Поршень 21 содержит канал 25 для текучей среды, представляющий собой сквозной проход, обеспечивающий соединение с возможностью передачи текучей среды между первой частью 19 прохода и второй частью 20 прохода.

Благодаря наличию поршня с каналом для текучей среды, обеспечено соединение с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода, так что при разрушении разрушаемого элемента обеспечено перемещение поршня с перекрыванием тем самым соединения с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью трубчатой части. Таким образом, обеспечено простое решение без наличия дополнительных каналов для текучей среды, а благодаря тому факту, что вторая часть поршня имеет наружный диаметр, который больше наружного диаметра первой части поршня, площадь поверхности, на которую воздействует давление текучей среды, больше площади поверхности первой части поршня. Таким образом, давление обеспечивает перемещение поршня, когда затрубный барьер разжат и давление повысилось для разрушения разрушаемого элемента 24, что обеспечивает перемещение поршня. Кольцевое пространство 15 (показанное на фиг. 6) соединено с возможностью передачи текучей среды со стволом скважины посредством отверстия 61, показанного на фиг. 2А, с обеспечением, таким образом, сброса давления.

Как показано на фиг. 1, разрушаемый элемент 24 представляет собой срезной диск, при этом показанный на фиг. 2А, 2В, 11А и 11В разрушаемый элемент представляет собой срезной штифт. Как показано на фиг. 11А, срезной штифт не поврежден и проходит через поршень и вставки 43, а на фиг. 11В срезной штифт показан срезанным с обеспечением возможности перемещения поршня, при этом вставки 43 смещены в направлении центра прохода 18. В зависимости от решения по изоляции, требуемого для обеспечения изоляции в скважине, разрушаемый элемент выбирают на основании давления разжимания так, чтобы обеспечивать разрушение при давлении, которое выше давления разжимания, но ниже давления, разрушающего разжимную металлическую муфту или нарушающего функционирование других скважинных компонентов в скважине. Как показано на фиг. 1, проход 18 и поршень 21 расположены в соединительной части 26, соединяющей разжимную металлическую муфту 8 с трубчатой частью 7. Как показано на фиг. 2А и 2В, проход 18 и поршень 21 расположены в трубчатой части 7.

Как показано на фиг. 2А и 2В, поршень 21 имеет первый конец 27 поршня на первой части 22 поршня и второй конец 28 поршня на второй части 23 поршня, причем первый конец поршня имеет первую поверхность 29 поршня, а второй конец поршня имеет вторую поверхность 30 поршня. Дополнительно, вторая поверхность 30 поршня имеет площадь поверхности, которая больше площади поверхности первой поверхности 29 для обеспечения перемещения поршня 21 в направлении первой части 19 прохода. Различие в площади поверхностей создает различие в силе, действующей на поршень 21, приводя к перемещению поршня для перекрывания соединения с возможностью передачи текучей среды между первым отверстием 16 и вторым отверстием 17.

Как показано на фиг. 2А, первая часть 22 поршня расположена частично во второй части 20 прохода в исходном положении поршня 21 и образует кольцевое пространство 31 между поршнем и внутренней стенкой 32 прохода. Перемещение поршня 21 при приложении посредством текучей средой давления на вторую поверхность 30 поршня прекращается, когда вторая часть 23 поршня достигает первой части 19 прохода с обеспечением упора второй части поршня в кольцевую поверхность 33, образованную в результате разницы внутренних диаметров первой части 19 прохода и второй части 20 прохода, как показано на фиг. 2В. Кольцевое пространство 31 соединено с возможностью передачи текучей среды с затрубным пространством между скважинной трубчатой конструкцией и внутренней стенкой ствола скважины, таким образом, обеспечена возможность сброса давления через отверстие 61 с обеспечением перемещения поршня 21.

Первая часть 22 поршня содержит два кольцевых уплотнительных элемента 34, каждый из которых расположен в кольцевой канавке 35 в первой части 22 поршня. Кольцевые уплотнительные элементы 34 расположены на заданном расстоянии и, таким образом, расположены на противоположных сторонах первого отверстия 16 в закрытом положении поршня 21, как показано на фиг. 2В. Дополнительно, вторая часть 23 поршня содержит два уплотнительных элемента 34В, расположенных в кольцевой канавке 35В.

Как показано на фиг. 2А и 2В, затрубный барьер дополнительно содержит блокирующий элемент 38, выполненный с возможностью механической блокировки поршня 21, когда поршень находится в закрытом положении, перекрывая первое отверстие 16, как показано на фиг. 2В.

В известных решениях для этих же задач используют односторонние клапаны, например шаровые клапаны, для обеспечения возможности прохождения текучей среды в пространство затрубного барьера и предотвращения ее выхода обратно. При использовании таких обратных клапанов текучая среда оказывается захваченной внутри затрубного барьера, и, например, при осуществлении гидроразрыва пласта, когда обычно используют более холодную текучую среду для разрыва пласта, текучую среду пропускают в затрубный барьер при давлении, например, 300 бар, что составляет максимальное давление, при котором выполняют проверку затрубного барьера на способность выдерживать давление без разрыва разжимной металлической муфты. При выполнении разрыва с использованием холодной текучей среды с давлением 300 бар, затрубный барьер также заполняют холодной текучей средой с давлением 300 бар. Затем, после окончания разрыва, затрубный барьер нагревают, вызывая увеличение давления в затрубном барьере выше максимального давления, поскольку текучая среда, находящаяся внутри затрубного барьера, не может выйти из затрубного барьера из-за наличия обратного клапана, следовательно, существует высокая вероятность повреждения или разрушения разжимной металлической муфты. Таким образом, при каждом изменении температуры в скважине давление внутри затрубного барьера также изменяется, в результате чего муфта разжимается или сжимается, что может привести к повреждению или разрушению разжимной металлической муфты. При непрерывном перекрывании соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью скважинной трубчатой конструкции разжимная металлическая муфта не подвергается таким существенным изменениям, что значительно снижает вероятность разрушения.

Как показано на фиг. 2А, вторая часть 23 поршня содержит блокирующий элемент 38, расположенный во втором конце 28 поршня 21. Блокирующий элемент 38 может представлять собой пружинистые элементы 39, выполненные с возможностью выдвижения наружу и одновременно сжатия в третьей части 36 прохода при нахождении поршня 21 в исходном положении, причем пружинистые элементы высвобождаются в процессе перемещения поршня для перекрывания первого отверстия 16, таким образом, блокирующий элемент 38 представляет собой зажимные втулки, выполненные во втором конце 28 поршня 21. Вторая часть 20 прохода расположена между первой частью 19 прохода и третьей частью 36 прохода, причем третья часть прохода имеет внутренний диаметр, который больше внутреннего диаметра второй части прохода.

При использовании механической блокировки, предотвращающей обратное перемещение поршня, нет необходимости в наличии обратного клапана, предотвращающего возврат поршня при повышении давления внутри затрубного барьера. Таким образом, исключена вероятность появления загрязнений, мешающих закрытию обратного клапана, а также вероятность того, что повышение давления в кольцевом пространстве барьера приведет к возврату поршня и повторному возникновению соединения с возможностью передачи текучей среды изнутри трубчатой части. В известных решениях с использованием обратных клапанов, существует вероятность повреждения или разрушения разжимной металлической муфты при осуществлении разрыва пласта посредством более холодной текучей среды, например морской воды. Благодаря непрерывному перекрыванию соединения с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и внутренней частью скважинной трубчатой конструкции разжимная металлическая муфта не подвергается таким существенным изменениям температуры и давления, что значительно снижает вероятность разрушения.

Как показано на фиг. 3А, затрубный барьер 1 содержит блокирующий элемент 38, расположенный вокруг второй части 23 поршня. Проход дополнительно содержит третье отверстие 37 во второй части 20 прохода, причем третье отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством 15 и затрубным пространством 2. Третье отверстие 37 может быть выполнено в соединении с возможностью передачи текучей среды с челночным клапаном 49, как показано на фиг. 7, так, что челночный клапан расположен между третьим отверстием и затрубным пространством, обеспечивая таким образом соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и затрубным пространством. В первом положении челночный клапан 49 обеспечивает соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и первой зоной 101 затрубного пространства (как показано на фиг. 1), а во втором положении челночный клапан обеспечивает соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством и второй зоной 102 затрубного пространства (как показано на фиг. 1).

Как показано на фиг. 7, узел 51, содержащий проход с поршнем, имеет первое отверстие 16, в которое проходит текучая среда из внутренней части скважинной трубчатой конструкции 3 через фильтр 54. Первое отверстие 16 соединено с возможностью передачи текучей среды со вторым отверстием 17 в процессе разжимания, с обеспечением разжимания, посредством разжимающей текучей среды в скважинной трубчатой конструкции 3, разжимной металлической муфты 8. Когда разжимная металлическая муфта 8 разжата с примыканием к стенке ствола скважины, давление повышается, и разрушаемый элемент внутри узла срезается для перекрывания соединения с возможностью передачи текучей среды от первого отверстия 16 и открывания соединения 37а с возможностью передачи текучей среды через третье отверстие 37 к челночному клапану 49. Когда первое давление P₁ в первой зоне 101 повышается (фиг. 1), обеспечивается соединение текучей среды из первой зоны с челночным клапаном и ее прохождение в кольцевое пространство. Когда второе давление Р₂ во второй зоне 102 повышается (фиг. 1), челночный клапан смещается, и обеспечивается прохождение текучей среды из второй зоны в кольцевое пространство.

Когда поршень 21 перемещается в закрытое положение, как показано на фиг. 3В, вырез 48 во второй части 23 поршня обеспечивает соединение с возможностью передачи текучей среды между вторым отверстием и третьим отверстием, так что в закрытом положении поршня 21 обеспечивается соединение с возможностью передачи текучей среды между кольцевым пространством 15 и третьим отверстием. Вырез 48 в поршне 21 дополнительно проиллюстрирован на фиг. 5.

Как показано на фиг. 3А, разрушаемый элемент 24 представляет собой срезной диск, расположенный в канале для текучей среды, однако в другом варианте осуществления изобретения срезной диск может быть расположен в первой части 19 прохода для предотвращения потока через диск. Таким образом, диск перекрывает канал для текучей среды или первую часть 19 прохода. Как показано на фиг. 3А, проход имеет второй конец 42 прохода во второй части 20 прохода и первый конец 41 прохода в первой части 19 прохода, причем вторая поверхность 30 поршня расположена на расстоянии от второго конца 42 прохода в исходном положении. В закрытом положении, показанном на фиг. 3В, расстояние между второй поверхностью 30 поршня и вторым концом 42 прохода увеличивается.

Как показано на фиг. 3А и 3В, блокирующий элемент 38 представляет собой множество вставок 43, расположенных в третьей части прохода вокруг второго конца поршня. Вставки 43 удерживаются вместе посредством колец 45, например уплотнительных колец, пружинных колец, разрезных колец или колец для ключей. При перемещении поршня 21 из исходного положения, показанного на фиг. 3А, в закрытое положение, показанное на фиг. 3В, вставки 43 втягиваются внутрь и блокируют возврат поршня и обеспечивают непрерывное перекрывание соединения с возможностью передачи текучей среды между первым отверстием 16 и кольцевым пространством 15 затрубного барьера. Вставки 43 показаны в перспективе на фиг. 4.

Как показано на фиг. 8, блокирующий элемент 38 дополнительно содержит по меньшей мере один пружинный элемент 45, расположенный в окружной канавке 46 в наружной поверхности вставок 43, так что вставки удерживаются вместе и подвергаются воздействию направленного радиально внутрь усилия при перемещении поршня 21 для перекрывания соединения с возможностью передачи текучей среды к внутренней части трубчатой части 7.

Как показано на фиг. 9, блокирующий элемент 38 представляет собой пружинный элемент 47, например цилиндрическую винтовую пружину, кольцо для ключей или стопорные кольца, разжатый в исходном положении, причем при перемещении поршня 21 сила пружины высвобождается, так что пружинный элемент сжимается до меньшего наружного диаметра.

Как показано на фиг. 6, затрубный барьер 1 разжимают с примыканием ко второй скважинной трубчатой конструкции 3а, при этом диск 24 расположен между первым отверстием 16 и второй частью 20 прохода.

На фиг. 10 показана система 100 скважинного затрубного барьера, содержащая два скважинных затрубных барьера 1 и источник 60 давления, расположенный на поверхности или морском дне, либо у устья скважины или противовыбросового превентора.

Разжимная металлическая муфта выполнена из гибкого материала, например эластомера, резины или металла, так что муфта может быть разжата и обеспечивать изоляцию зоны. Трубчатая часть выполнена из металла.

Таким образом, затрубный барьер представляет собой металлический затрубный барьер, имеющий разжимную металлическую муфту и трубчатую часть, обе выполненные из металла. Затрубный барьер может дополнительно содержать кольцевые уплотнительные элементы, упирающиеся в разжимную металлическую муфту и окружающие ее.

Под текучей средой или скважинной текучей средой понимается любой тип текучей среды, которая может присутствовать в нефтяной или газовой скважине, например, природный газ, нефть, буровой раствор, сырая нефть, вода и так далее. Под газом понимается любой тип газовой смеси, присутствующей в скважине, законченной или не закрепленной обсадными трубами, а под нефтью понимается любой тип нефтяной смеси, например, сырая нефть, нефтесодержащая текучая среда и так далее. Таким образом, в состав газа, нефти и воды могут входить другие элементы или вещества, которые не являются газом, нефтью и/или водой, соответственно.

Под обсадной колонной понимается любой тип трубы, трубчатого элемента, трубопровода, хвостовика, колонны труб и так далее, используемых в скважине при добыче нефти или природного газа.

Хотя изобретение описано выше на примере предпочтительных вариантов его осуществления, специалисту в данной области техники очевидно, что возможны модификации данного изобретения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенные нижеследующей формулой изобретения.

Группа изобретений относится к скважинному затрубному барьеру, системе скважинного затрубного барьера. Техническим результатом является создание улучшенного затрубного барьера. Скважинный затрубный барьер предназначен для разжимания в затрубном пространстве между скважинной трубчатой конструкцией и стенкой ствола скважины или другой скважинной трубчатой конструкцией в скважине для обеспечения изоляции зоны между первой зоной, имеющей первое давление, и второй зоной, имеющей второе давление ствола скважины. Затрубный барьер содержит трубчатую часть, выполненную с возможностью установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции, разжимную металлическую муфту, окружающую трубчатую часть. Внутренняя поверхность муфты обращена к трубчатой части, наружная поверхность обращена к стенке ствола скважины. Каждый конец муфты соединен с трубчатой частью - кольцевое пространство между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью. Затрубный барьер содержит первое отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью, второе отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством, и проход, содержащий первую часть прохода и вторую часть прохода. Первое отверстие и второе отверстие расположены в первой части прохода и смещены вдоль протяженности прохода. Затрубный барьер содержит поршень, расположенный в проходе. Поршень содержит первую часть поршня, имеющую наружный диаметр, по существу соответствующий внутреннему диаметру первой части прохода, вторую часть поршня, имеющую наружный диаметр, по существу соответствующий внутреннему диаметру второй части прохода. Поршень содержит сквозной проход, обеспечивающий соединение с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода. Поршень содержит разрушаемый элемент, предотвращающий перемещение поршня до достижения в проходе предварительно заданного давления. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Скважинный затрубный барьер (1), предназначенный для разжимания в затрубном пространстве (2) между скважинной трубчатой конструкцией (3) и стенкой (5) ствола (6) скважины или другой скважинной трубчатой конструкцией (3а) в скважине, для обеспечения изоляции зоны между первой зоной (101), имеющей первое давление (Р₁), и второй зоной (102), имеющей второе давление (Р₂) ствола скважины, причем затрубный барьер содержит:

- трубчатую часть (7), выполненную с возможностью установки в качестве части скважинной трубчатой конструкции, причем трубчатая часть имеет наружную поверхность (4) и внутреннюю часть (14);

- разжимную металлическую муфту (8), окружающую трубчатую часть и имеющую внутреннюю поверхность (9) муфты, обращенную к трубчатой части, и наружную поверхность (10) муфты, обращенную к стенке ствола скважины, причем каждый конец (12) разжимной металлической муфты соединен с трубчатой частью; и

- кольцевое пространство (15) между внутренней поверхностью разжимной металлической муфты и трубчатой частью;

- первое отверстие (16), соединенное с возможностью передачи текучей среды с внутренней частью;

- второе отверстие (17), соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством; и

- проход (18), имеющий протяженность прохода и содержащий первую часть (19) прохода, имеющую первый внутренний диаметр (ID₁), и вторую часть (20) прохода, имеющую внутренний диаметр (ID₂), который больше диаметра первой части прохода;

причем первое отверстие и второе отверстие расположены в первой части прохода и смещены вдоль протяженности прохода, причем затрубный барьер дополнительно содержит:

- поршень (21), расположенный в проходе, причем поршень содержит первую часть (22) поршня, имеющую наружный диаметр (OD_P1), по существу соответствующий внутреннему диаметру первой части прохода, вторую часть (23) поршня, имеющую наружный диаметр (OD_P2), по существу соответствующий внутреннему диаметру второй части прохода; и канал (25) для текучей среды, представляющий собой сквозной проход, обеспечивающий соединение с возможностью передачи текучей среды между первой и второй частью прохода; и

- разрушаемый элемент (24), предотвращающий перемещение поршня до достижения в проходе предварительно заданного давления.

2. Скважинный затрубный барьер по п. 1, дополнительно содержащий блокирующий элемент (38), выполненный с возможностью механической блокировки поршня при нахождении поршня в закрытом положении, с перекрыванием первого отверстия.

3. Скважинный затрубный барьер по п. 2, в котором блокирующий элемент выполнен с возможностью перемещения, по меньшей мере частично, в радиальном направлении наружу или внутрь при перемещении поршня из исходного положения для предотвращения возвращения поршня в его исходное положение.

4. Скважинный затрубный барьер по п. 2 или 3, в котором блокирующий элемент выполнен с возможностью постоянной блокировки поршня в закрытом положении.

5. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-4, в котором поршень имеет центральную ось, расположенную в стенке трубчатой части или в стенке соединительной части, соединяющей разжимную металлическую муфту с трубчатой частью.

6. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-5, причем затрубный барьер содержит третье отверстие, соединенное с возможностью передачи текучей среды с затрубным пространством.

7. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-6, в котором поршень имеет исходное положение, в котором первое отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды со вторым отверстием, и закрытое положение, в котором второе отверстие соединено с возможностью передачи текучей среды с третьим отверстием для выравнивания давления между кольцевым пространством и затрубным пространством.

8. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-7, в котором разрушаемый элемент представляет собой срезной штифт, взаимодействующий с поршнем.

9. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-8, в котором разрушаемый элемент представляет собой срезной диск, расположенный в канале для текучей среды или в первой части прохода для предотвращения протекания потока через диск.

10. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-9, в котором поршень имеет первый конец (27) поршня у первой части поршня и второй конец (28) поршня у второй части поршня, причем первый конец поршня имеет первую поверхность (29) поршня, а второй конец поршня имеет вторую поверхность (30) поршня, при этом вторая поверхность поршня имеет площадь поверхности, которая больше площади первой поверхности поршня, для обеспечения перемещения поршня в направлении первого конца прохода.

11. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-10, в котором первая часть поршня частично расположена во второй части прохода в исходном положении поршня и образует кольцевое пространство (15) между поршнем и внутренней стенкой ствола скважины.

12. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-11, дополнительно содержащий третье отверстие (37) во второй части прохода, соединенное с возможностью передачи текучей среды с кольцевым пространством и затрубным пространством.

13. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-12, в котором первая часть поршня содержит два кольцевых уплотнительных элемента (34), расположенных в кольцевой канавке (35) в первой части поршня на определенном расстоянии друг от друга, так что уплотнительные элементы расположены с противоположных сторон первого отверстия в закрытом положении поршня.

14. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 2-4, в котором вторая часть поршня содержит блокирующий элемент, расположенный во втором конце поршня, причем блокирующий элемент представляет собой пружинные элементы, выполненные с возможностью выдвижения наружу при их высвобождении в процессе перемещения поршня для перекрывания первого отверстия.

15. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 2-4 или 14, в котором блокирующий элемент расположен вокруг второй части поршня.

16. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 2-15, в котором проход имеет третью часть прохода, причем вторая часть прохода расположена между первой частью прохода и третьей частью (36) прохода, при этом третья часть прохода имеет внутренний диаметр, который больше внутреннего диаметра второй части прохода, причем блокирующий элемент расположен в третьей части прохода.

17. Скважинный затрубный барьер по п. 16, в котором блокирующий элемент представляет собой множество вставок (43), расположенных в третьей части прохода вокруг второго конца поршня.

18. Скважинный затрубный барьер по любому из пп. 2-4, 11 или 12, в котором блокирующий элемент дополнительно содержит по меньшей мере один пружинный элемент (45), расположенный в окружной канавке (46) в наружной поверхности вставок, так что вставки удерживаются вместе и подвергаются воздействию направленного радиально внутрь усилия в процессе перемещения поршня для перекрывания соединения с возможностью передачи текучей среды к внутренней части трубчатой части.

19. Система (100) скважинного затрубного барьера, содержащая скважинный затрубный барьер по любому из пп. 1-18 и источник (60) давления.