СКОЛЬЗЯЩАЯ МУФТА ДЛЯ ЗАКАНЧИВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Российский патент 2025 года по МПК E21B34/06 E21B43/26 

Перекрестная ссылка на связанные заявки

В настоящей заявке заявлены приоритеты согласно китайской патентной заявки №202010534864.7, озаглавленной «Sliding sleeve device and fracturing string containing the same», поданной 12 июня 2020 г., китайской патентной заявки №202010535615.Х, озаглавленной «Fracturing sub and fracturing string containing the same», поданной 12 июня 2020 г., и китайской патентной заявки №202010534832.7, озаглавленной «Fracturing sub and fracturing string containing the same», поданной 12 июня 2020 г., полное содержание которых включено в настоящий документ посредством ссылки. Область техники

Настоящее изобретение относится к области техники для заканчивания нефтяных и газовых скважин и, в частности, к устройству скользящей муфты. Уровень техники

С непрерывным и углубляющимся развитием добычи нефти и газа скользящая муфта стала одним из ключевых инструментов для реализации сообщения с кольцевым пространством нефтяной обсадной колонны в процессе цементирования, заканчивания и гидроразрыва пласта для гидроразрыва отдельных пластов.

При газовом испытании при заканчивании нефтяных и газовых скважин доступ к кольцевому пространству между колонной труб и стволом скважины можно получить путем открытия скользящей муфты, таким образом реализуя такие операции, как циркуляция, замена флюида, гидроразрыв пласта с применением песка в качестве расклинивающего агента и т.д. Для поэтапного строительства в несколько слоев необходимо последовательно расположить несколько скользящих муфт на одной колонне труб. При строительстве скользящие муфты открываются последовательно снизу вверх, а затем соответствующие слои один за другим подвергаются гидроразрыву пласта. Таким образом, гидроразрыв пласта может быть выполнен последовательно послойно.

С развитием разведки и эксплуатации плотных газовых залежей горизонтальные участки горизонтальных скважин становятся все длиннее и длиннее, а также увеличивается количество стадий гидроразрыва пласта с применением песка в качестве расклинивающего агента. Уже реализован процесс гидроразрыва пласта с участием десятков скользящих муфт. Однако в реальном процессе добычи часто возникает проблема, заключающаяся в том, что скользящие муфты не могут открываться плавно, что влияет на ход строительства. Сущность изобретения

С целью решения некоторых или всех вышеперечисленных технических проблем, существующих в предшествующем уровне техники, настоящее изобретение предлагает устройство скользящей втулки, которое может обеспечить плавное открывание скользящей втулки для выполнения последующих связанных операций.

В соответствии с настоящим изобретением предоставлено устройство скользящей втулки, содержащее: наружный цилиндр с циркуляционным отверстием, выполненным в стенке наружного цилиндра; и внутренний цилиндр, расположенный во внутренней полости наружного цилиндра, при этом в исходном состоянии внутренний цилиндр и наружный цилиндр зафиксированы друг с другом для закрытия циркуляционного отверстия, а в первом состоянии внутренний цилиндр выполнен с возможностью перемещения по отношению к наружному цилиндру, чтобы разблокировать закрытие циркуляционного отверстия. В циркуляционном отверстии обеспечен защитный механизм, содержащий внутренний элемент, расположенный на радиально внутренней стороне, и наружный элемент, расположенный на радиально наружной стороне.

В предпочтительном варианте осуществления циркуляционное отверстие содержит две ступени, образованные на наружной стенке наружного цилиндра и противоположные друг другу по окружности, при этом наружный элемент выполнен с возможностью перекрывать указанные две ступени, блокируя циркуляционное отверстие.

В предпочтительном варианте осуществления внутренний элемент представляет собой консистентную смазку, заполненную в циркуляционном отверстии, а наружный элемент представляет собой предохранительный кожух.

В конкретном варианте осуществления на наружной стенке внутреннего цилиндра обеспечена выемка, которая по меньшей мере частично расположена в циркуляционном отверстии в исходном состоянии для обеспечения возможности поступления консистентной смазки в выемку.

В предпочтительном варианте осуществления предохранительный кожух представляет собой термоусадочный кожух или резиновый кожух.

В предпочтительном варианте осуществления наружный элемент представляет собой разрушаемый элемент, разрушаемый под давлением, а внутренний элемент представляет собой опорный элемент, поддерживающий разрушаемый элемент и отпадающий от него под давлением.

В предпочтительном варианте осуществления на наружной стенке наружного цилиндра в области между указанными двумя ступенями обеспечено по меньшей мере одно выступающее кольцо, встроенное в разрушаемый элемент.

В предпочтительном варианте осуществления разрушаемый элемент выполнен в виде цементной оболочки, образованной за счет затвердевания подаваемого цементного раствора.

В предпочтительном варианте осуществления опорный элемент выполнен в виде множества спакетированных шариков из резины или множества спакетированных шариков из металла, растворимого в рабочем флюиде.

В предпочтительном варианте осуществления опорный элемент содержит несколько слоев шариков, при этом шарики постепенно уменьшаются в слоях в направлении от радиально внутренней стороны к радиально наружной стороне.

В конкретном варианте осуществления слой консистентной смазки обеспечен как на радиально внутренней, так и на радиально наружной сторонах опорного элемента.

В предпочтительном варианте осуществления наружный элемент выполнен в виде пробки, изготовленной из растворимого материала.

В конкретном варианте выполнения на радиальной внутренней поверхности пробки обеспечено глухое отверстие.

В предпочтительном варианте осуществления пробка содержит соединительный сегмент и наклонный сегмент, расположенные последовательно в направлении от радиально наружной стороны к радиально внутренней стороне и соединенные друг с другом. Соединительный сегмент жестко зацеплен с циркуляционным отверстием, а наклонный сегмент выполнен с уменьшенным размером в направлении от радиально наружной стороны к радиально внутренней стороне.

В предпочтительном варианте осуществления наружный элемент выполнен в виде разрушаемого диска, который содержит основную корпусную часть, жестко соединенную с циркуляционным отверстием, и дисковую часть, выполненную с возможностью разрушения под давлением.

В предпочтительном варианте осуществления между наружным цилиндром и внутренним цилиндром и наружными осевыми концами циркуляционного отверстия обеспечен зазор, сообщающийся с циркуляционным отверстием.

В предпочтительном варианте осуществления зазор представляет собой увеличенное отверстие, образованное на внутренней стенке наружного цилиндра, при этом увеличенное отверстие содержит наклонную поверхность, так что зазор сужается в направлении от циркуляционного отверстия. Краткое описание графических материалов

Далее предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на сопроводительные графические материалы. На графических материалах:

фиг. 1 показывает устройство скользящей втулки согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, при этом устройство скользящей втулки находится в исходном состоянии;

фиг. 2 показывает устройство скользящей втулки, показанное на фиг.1, в первом состоянии;

фиг. 3 представляет собой увеличенный вид устройства скользящей втулки, показанной на фиг.1, показывающий область, где расположено циркуляционное отверстие;

фиг. 4 показывает устройство скользящей втулки согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, при этом устройство скользящей втулки находится в исходном состоянии;

фиг. 5 представляет собой увеличенный вид устройства скользящей втулки, показанной на фиг.4, показывающий область, где расположено циркуляционное отверстие;

фиг. 6 показывает устройство скользящей втулки согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, при этом устройство скользящей втулки находится в исходном состоянии;

фиг. 7 показывает увеличенный вид области А на фиг.6 в одном виде;

фиг.8 показывает увеличенный вид области А на фиг.6 в другом виде;

фиг.9 показывает увеличенный вид области А на фиг.6 в другом виде.

На графических материалах одни и те же ссылочные позиции используются для обозначения одних и тех же компонентов. Графические материалы выполнены не в реальном масштабе.

Подробное описание вариантов осуществления

Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы. В контексте настоящего изобретения термины направления «верхний», «вверх по течению», «вверх» и т.п.относятся к направлению к устью скважины, в то время как термины направления «нижний», «вниз по течению», «вниз» и т.п. относятся к направлению от устья скважины. Кроме того, направление по длине устройства скользящей втулки указано как «продольное направление» или «осевое направление», а направление, перпендикулярное «продольному направлению» или «осевому направлению», указано как «радиальное направление», при этом ориентация радиального направления к пласту указана как «радиально наружная», тогда как его ориентация от пласта указана как «радиально внутренняя».

На фиг.1 показано устройство скользящей втулки 100 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, устройство скользящей втулки 100 содержит наружный цилиндр 2 и внутренний цилиндр 6. Циркуляционное отверстие 21, которое может сообщать внутреннюю сторону с наружной стороной, обеспечено на стенке наружного цилиндра 2 для обеспечения канала для операции гидроразрыва пласта. Циркуляционное отверстие также может называться отверстием для гидроразрыва пласта, отверстием для направления потока и т.п. Внутренний цилиндр 6 расположен во внутренней полости наружного цилиндра 2. Например, внутренний цилиндр 6 может быть расположен на внутренней стенке наружного цилиндра 2 посредством срезного штифта 5 и, таким образом, жестко соединен с наружным цилиндром 2. В исходном состоянии устройства скользящей втулки 100, как показано на фиг. 1, внутренний цилиндр 6 закрывает циркуляционное отверстие 21. После того, как внутренний цилиндр 6 подвергается направленной вниз в осевом направлении силе, достигающей срезающего давления срезного штифта 5, срезной штифт 5 срезается, так что внутренний цилиндр 6 может двигаться вниз по отношению к наружному цилиндру 2, тем самым разблокируя закрытие циркуляционного отверстия 21 с внутренней стороны. То есть циркуляционное отверстие 21 открывается.

На фиг.2 показано первое состояние устройства скользящей втулки 100. В первом состоянии закрытие циркуляционного отверстия 21 внутренним цилиндром 6 разблокировано, то есть циркуляционное отверстие 21 открыто. После этого можно проводить операцию закачки флюида для гидроразрыв пласта. После закачки жидкости для гидроразрыва пласта устройство скользящей втулки 100 находится во втором состоянии (не показано).

Структура, операции и состояния устройства скользящей муфты, упомянутые выше, хорошо известны специалистам в данной области техники, и поэтому их подробное описание в данном случае не приводится.

Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид устройства скользящей втулки 100, показанной на фиг.1, показывая область около циркуляционного отверстия 21. Согласно настоящему изобретению циркуляционное отверстие 21 заполнено консистентной смазкой (не показано). С одной стороны, консистентная смазка занимает пространство циркуляционного отверстия 21, предотвращая или уменьшая попадание загрязнений в область между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2. С другой стороны, когда внутренний цилиндр 6 перемещается относительно наружного цилиндра 2, консистентная смазка может попадать в область между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2 для обеспечения смазки. Таким образом, внутренний цилиндр 6 может перемещаться относительно наружного цилиндра 2 более плавно, обеспечивая плавное открывание внутреннего цилиндра 6.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения на наружной стенке внутреннего цилиндра 6 обеспечена выемка 61, как показано на фиг.3. В исходном состоянии выемка 61 расположена на наружной стенке внутреннего цилиндра 6 в положении, соответствующем циркуляционному отверстию 21. Таким образом, консистентная смазка может быть заполнена не только в циркуляционном отверстии 21, но и в выемке 61. Когда внутренний цилиндр 6 перемещается вниз относительно наружного цилиндра 2, выемка 61 будет способствовать попаданию консистентной смазки в область между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2, дополнительно обеспечивая эффект смазки. Предпочтительно выемка 61 выполнена в виде ступенчатой канавки.

Как показано на фиг.3, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения зазор 8, сообщающийся с циркуляционным отверстием 21, образован между наружным цилиндром 2 и внутренним цилиндром 6, но за пределами осевых концов циркуляционного отверстия 21. Зазор 8 может быть образован только на внутренней стенке наружного цилиндра 2, или только на наружной стенке внутреннего цилиндра 6, или на обоих. В конкретном варианте осуществления увеличенное отверстие 62 может быть обеспечено на внутренней стенке наружного цилиндра 2 сразу за циркуляционным отверстием 21. Поверхность стенки увеличенного отверстия 62 предпочтительно имеет наклонную поверхность 63, так что зазор 8 сужается в обоих направлениях в осевом направлении от циркуляционного отверстия 21. С одной стороны, вышеуказанная конструкция позволяет консистентной смазке легко попадать в зазор 8, так что консистентная смазка может плавно перемещаться в область между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2 вслед за перемещением внутреннего цилиндра 6. Таким образом улучшается смазка между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2, что дополнительно обеспечивает плавное движение вниз внутреннего цилиндра 6. С другой стороны, наклонная поверхность 63 обеспечивает постепенное уменьшение размера зазора 8, что действует как барьер, предотвращающий попадание загрязнений в область между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2.

В одном варианте осуществления, как показано на фиг.3, на наружной стенке наружного цилиндра 2 обеспечен предохранительный кожух 4 для блокировки циркуляционного отверстия 21, чтобы предотвратить вытекание консистентной смазки из циркуляционного отверстия 21, а также предотвратить попадание примесей в циркуляционное отверстие 21, загрязняющих консистентную смазку. В исходном состоянии и первом состоянии устройства скользящей муфты 100 предохранительный кожух 4 перекрывает циркуляционное отверстие 21, тогда как во втором состоянии устройства скользящей муфты 100 предохранительный кожух 4 разрывается под действием жидкости для гидроразрыва пласта, так что циркуляционное отверстие 21 открывается.

В конкретном варианте осуществления предохранительный кожух 4 представляет собой термоусадочный кожух, расположенный на наружной стенке наружного цилиндра 2. Предпочтительно термоусадочный кожух имеет толщину 0,5-2 мм и два конца перекрывают наружную стенку наружного цилиндра 2 на длине не менее 5 см. Таким образом, предохранительный кожух 4 может не только защищать консистентную смазку, но и разрушаться под действием жидкости для гидроразрыва пласта, открывая циркуляционное отверстие 21. То есть для такого предохранительного кожуха 4 не требуется специального инструмента для разрушения. Пока жидкость для гидроразрыва пласта подается, предохранительный кожух 4 будет разрываться под действием давления, открывая циркуляционное отверстие 21, что значительно упрощает операции.

В альтернативном варианте предохранительный кожух 4 также может быть выполнен в виде резинового кожуха, навулканизированного на наружную стенку наружного цилиндра 2.

В конкретном варианте осуществления, как показано на фиг.1, на наружной стенке наружного цилиндра 2 обеспечены две противоположные друг другу ступенчатые поверхности 22. Две ступенчатые поверхности 22 расположены в противоположных положениях вдоль окружного направления циркуляционного отверстия 21 соответственно. Таким образом, предохранительный кожух 4 может перекрывать две ступенчатые поверхности 22. При таком расположении наружная стенка предохранительного кожуха 4 не будет выступать за наружную стенку наружного цилиндра 2, тем самым обеспечивая безопасность предохранительного кожуха 4 и избегая ситуации случайного повреждения предохранительного кожуха 4 при опускании устройства скользящей втулки 100.

Предпочтительно, чтобы термоусадочный кожух был образован композиционным формованием из сшитого облучением полиолефинового базового материала и специального термоплавкого герметизирующего клея. В процессе изготовления и монтажа термоусадочный кожух наносится на наружный цилиндр 2 методом горячего обжига. Например, перед установкой поверхность наружной стенки наружного цилиндра 2 между ступенчатыми поверхностями 22 подвергается пескоструйной очистке и обеспыливанию до уровня Sa2,5, после чего вокруг наружного цилиндра 2 накладывается термоусадочный кожух. После этого термоусадочный кожух нагревают и обжигают, чтобы он устойчиво располагался на наружном цилиндре 2. Процесс горячего обжига можно осуществлять от середины к обоим концам, а термоусадочный кожух можно прокатывать вперед-назад валиком для выпуска воздуха.

В альтернативном варианте осуществления предохранительный кожух 4 выполнен в виде резинового кожуха, установленного на циркуляционном отверстии 21. Например, резиновый кожух может иметь толщину 0,5-2 мм. Таким же образом предохранительный кожух 4 может не только выполнять функцию защиты консистентной смазки, но и разрушаться под действием жидкости для гидроразрыва пласта, открывая циркуляционное отверстие 21. То есть для такого предохранительного кожуха 4 не требуется специального инструмента для разрушения. Пока жидкость для гидроразрыва пласта подается, предохранительный кожух 4 будет разрываться под действием давления, открывая циркуляционное отверстие 21, что значительно упрощает операции.

Резиновый кожух может быть сформирован из двухкомпонентной эпоксидной смолы или порошка эпоксидной смолы, широко доступного на рынке. Например, двухкомпонентная эпоксидная смола содержит компоненты А и В, при этом компонент А содержит эпоксидную смолу, выравнивающий агент, разбавитель, пластификатор, упрочняющий агент, наполнитель и т.п., тогда как компонент В содержит отвердитель, промотор, разбавитель, наполнитель или подобное, аналогичное, похожее. При работе компонент А и компонент В сначала однородно смешиваются друг с другом в соотношении 1:1, затем заливаются в циркуляционное отверстие 21 и высушиваются естественным образом. Когда используется твердый порошок эпоксидной смолы, его можно заполнить в циркуляционном отверстии 21 с помощью системы распыления порошка, а затем подвергнуть термическому отверждению в системе сушки и отверждения.

Следует отметить, что при использовании резинового кожуха необходимо только заполнить резиновым материалом циркуляционное отверстие 21, независимо от того, является ли резиновый материал жидким или твердым. Образованный таким образом предохранительный кожух 4 не должен накладываться внахлест на наружную стенку наружного цилиндра 2, и, следовательно, в этом случае нет необходимости в ступенчатых поверхностях 22.

Кроме того, как показано на фиг.1, устройство скользящей втулки 100 дополнительно содержит верхний замок 1 и нижний замок 7. Нижняя торцевая поверхность верхнего замка 1 проходит во внутреннюю полость наружного цилиндра 2 и жестко соединена с наружным цилиндром 2. Например, на внутренней стенке верхнего торца верхнего замка 1 выполнены внутренние резьбы для соединения. Нижний замок 7 расположен на нижнем торце наружного цилиндра 2 и жестко соединен с ним. При этом верхняя торцевая поверхность нижнего замка 7 заходит во внутреннюю полость наружного цилиндра 2, образуя приемную площадку для приема внутреннего цилиндра 6 при движении внутреннего цилиндра 6 вниз. Например, на наружной стенке нижнего торца нижнего замка 7 обеспечена наружная резьба для соединения.

Кроме того, устройство скользящей втулки 100 может дополнительно содержать по меньшей мере одно уплотнительное кольцо 3. Например, между внутренним цилиндром 6 и наружным цилиндром 2 может быть расположено множество уплотнительных колец 3, которые расположены рядом с осевыми концами циркуляционного отверстия 21 и концами срезного штифта 5.

На фиг.4 показано устройство скользящей втулки 200, которое также может называться переходником для гидроразрыва пласта, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.4, устройство скользящей втулки 200 содержит наружный цилиндр 202 и внутренний цилиндр 206. Циркуляционное отверстие 221, которое может сообщать внутреннюю сторону с наружной стороной, обеспечено на стенке наружного цилиндра 202 для обеспечения канала для операции гидроразрыва пласта. Внутренний цилиндр 206 расположен во внутренней полости наружного цилиндра 202. Например, внутренний цилиндр 206 может быть расположен на внутренней стенке наружного цилиндра 202 посредством срезного штифта 205 и, таким образом, жестко соединен с наружным цилиндром 202. В исходном состоянии устройства скользящей втулки 200, как показано на фиг.4, внутренний цилиндр 206 закрывает циркуляционное отверстие 221. После того, как внутренний цилиндр 206 подвергается направленной вниз в осевом направлении силе, достигающей срезающего давления срезного штифта 205, срезной штифт 205 срезается, так что внутренний цилиндр 206 может двигаться вниз по отношению к наружному цилиндру 202, тем самым разблокируя закрытие циркуляционного отверстия 221 с внутренней стороны. То есть циркуляционное отверстие 221 открывается.

Кроме того, как показано на фиг.4, устройство скользящей втулки 200 дополнительно содержит верхний замок 201, нижний замок 207 и несколько уплотнительных колец 203, расположенных между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202. Их конструкции и положения аналогичны описанным в первом варианте осуществления настоящего изобретения, и поэтому их подробное описание в данном случае опущено.

Фиг. 5 представляет собой увеличенный вид устройства скользящей втулки 200, показанной на фиг.4, показывая область около циркуляционного отверстия 221. В соответствии с настоящим изобретением на циркуляционном отверстии 221 предусмотрен разрушаемый элемент 204, чтобы блокировать циркуляционное отверстие 221 в исходном состоянии устройства скользящей муфты 200, тем самым предотвращая попадание примесей в циркуляционное отверстие 221 перед операцией гидроразрыва пласта. После того, как внутренний цилиндр 206 перемещается вниз, разрушаемый элемент 204 может быть разрушен под действием давления в устройстве скользящей муфты 200, тем самым открывая циркуляционное отверстие 221 для операции гидроразрыва пласта.

С помощью разрушаемого элемента 204 можно эффективно предотвратить попадание загрязнений и т.п. в циркуляционное отверстие 221 и, следовательно, их попадание в область между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202, тем самым обеспечивая плавное движение вниз внутреннего цилиндра 206. В частности, когда устройство скользящей втулки 200 используется в операции цементирования скважины, объединенной с заканчиванием скважины, наличие разрушаемого элемента 204 может предотвратить накопление цементного раствора в циркуляционном отверстии 221. Соответственно, цементный раствор не может затвердеть в циркуляционном отверстии 221, чтобы заблокировать циркуляционное отверстие 221, так что риск того, что внутренний цилиндр 206 не сможет двигаться вниз, значительно снижается.

В одном конкретном варианте осуществления разрушаемый элемент 204 выполнен в виде цементной оболочки, образованной за счет отверждения нанесенного цементного раствора. Цементная оболочка может иметь толщину 2-8 мм, например 3 мм. Такого расположения легко добиться, благодаря чему разрушаемый элемент 204 имеет высокую твердость. Следовательно, во время процедуры опускания устройства скользящей втулки 200 или процедуры цементирования разрушаемый элемент 204 может удовлетворительно защитить циркуляционное отверстие 221, предотвращая попадание в него загрязнений. В то же время разрушаемый элемент 204 является относительно хрупким и легко разрушается под давлением жидкости для гидроразрыва пласта, так что это не будет влиять на нормальную операцию гидроразрыва пласта. Более того, разрушаемый элемент 204 может быть изготовлен с помощью простого процесса. Например, цементный материал может подаваться на месте, так что разрушаемый элемент 204 может быть сформирован после отверждения цемента. Следовательно, разрушаемый элемент 204 может быть предоставлен без ограничений места, и операция может выполняться в режиме реального времени с низкими затратами.

В соответствии с настоящим изобретением, как показано на фиг.5, в циркуляционном отверстии 221 на радиально внутренней стороне разрушаемого элемента 204 дополнительно обеспечен опорный элемент 209. Опорный элемент 209 используется для поддержки разрушаемого элемента 204, чтобы предотвратить преждевременное разрушение разрушаемого элемента 204, тем самым повышая безопасность. Между тем, вместо закрепления в циркуляционном отверстии 221 опорный элемент 209 выполнен с возможностью выпадения из него под давлением, чтобы не мешать операции гидроразрыва пласта.

Таким образом, с помощью опорного элемента 209 разрушаемый элемент 204 может поддерживаться с радиально внутренней стороны циркуляционного отверстия 221, чтобы избежать преждевременного разрушения разрушаемого элемента 204, тем самым повышая безопасность.

Опорный элемент 209 заполнен в циркуляционном отверстии 221, которое, с одной стороны, занимает пространство циркуляционного отверстия 221 и, таким образом, предотвращает или уменьшает попадание загрязнений в область между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202. С другой стороны, опорный элемент 209 выполняет функцию поддержки разрушаемого элемента 204, защищая, таким образом, разрушаемый элемент 204 от разрыва при сдавливании.

В предпочтительном варианте осуществления опорный элемент 209 выполнен в виде множества металлических шариков или резиновых шариков, спакетированных вместе. Например, металлические или резиновые шарики могут иметь диаметр 1-2 мм. Помимо обеспечения поддержки и занимаемого пространства, опорный элемент 209 может быть легко смыт в кольцевое пространство после разрушения разрушаемого элемента 204 во время процедуры закачки флюида для гидроразрыва пласта, тем самым полностью открывая циркуляционное отверстие 221.

Предпочтительно опорный элемент 209 изготовлен из растворимого материала, такого как растворимый магниевый сплав, растворимый алюминиевый сплав и растворимая резина. Таким образом, после промывки в кольцевом пространстве опорный элемент 209 будет реагировать со скважинным флюидом и затем растворяться. Такая компоновка позволяет эффективно избежать влияния на конструкцию опорного элемента 209, введенного в пласт, или избежать проблемы блокирования, вызванной возвратом опорного элемента 209 в устье скважины и т.п. Более предпочтительно опорный элемент 209 выполнен с отверстиями для увеличения площади контакта опорного элемента 209 со скважинным флюидом, чтобы обеспечить его равномерное, быстрое и полное растворение.

Следует отметить, что опорный элемент 209 может быть образован другими компонентами или веществами. Например, циркуляционное отверстие 221 заполнено полутвердой консистентной смазкой, которая может играть не только смазывающую, но и поддерживающую роль. Следует также отметить, что опорный элемент 209 может иметь не только сферическую форму, но и другие формы, такие как квадратная форма, конусообразная форма и т.п. Кроме того, отверстия опорного элемента 209 могут быть сквозными отверстиями или глухими отверстиями, или одним или несколькими отверстиями.

В конкретном варианте осуществления, когда опорный элемент 209 выполнен в виде множества шариков, диаметр опорного элемента 209 постепенно уменьшается в направлении от радиально внутренней стороны к радиально наружной стороне устройства скользящей втулки 200. В частности, в радиальном направлении с внутренней стороны к наружной стороне опорные элементы 209 расположены слоями, при этом опорные элементы 209 самого внутреннего слоя имеют наибольший диаметр для повышения прочности опоры, а опорные элементы самого наружного слоя имеют наименьший диаметр для уменьшения зазора между опорными элементами 209 для предотвращения чрезмерного проникновения разрушаемого элемента 204, образованного цементным раствором, в зазор между опорными элементами 209.

Предпочтительно, чтобы предотвратить попадание цементного раствора в зазор опорного элемента 209 при подаче, консистентная смазка может быть обеспечена с обеих радиальных сторон опорного элемента 209, то есть между опорным элементом 209 и разрушаемым элементом 204, и между опорным элементом 209 и внутренним цилиндром 206. Консистентная смазка, расположенная между опорным элементом 209 и разрушаемым элементом 204, может предотвратить проникновение цементного раствора в зазор опорного элемента 209, тем самым эффективно контролируя расчетную толщину цементной пробки и гарантируя, что разрушаемый элемент 204 может быть полностью разрушен. Консистентная смазка, расположенная между опорным элементом 209 и внутренним цилиндром 206, может играть роль смазки, чтобы обеспечить плавное движение вниз внутреннего цилиндра 206 относительно наружного цилиндра 202.

В конкретном варианте осуществления, как показано на фиг.4, на наружной стенке наружного цилиндра 202 обеспечены две противоположные друг другу ступенчатые поверхности 222. Две ступенчатые поверхности 222 расположены в противоположных положениях на обоих осевых концах циркуляционного отверстия 21 соответственно. Таким образом, разрушаемый элемент 204 может перекрывать две ступенчатые поверхности 222. При таком расположении наружная стенка разрушаемого элемента 204 не будет выступать за наружную стенку наружного цилиндра 202, тем самым обеспечивая безопасность предохранительного кожуха 204 и избегая ситуации случайного повреждения разрушаемого элемента 204 при опускании устройства скользящей втулки 200.

В предпочтительном варианте осуществления на наружной стенке наружного цилиндра 202 между ступенчатыми поверхностями 222 предусмотрено множество выступающих колец (не показаны). Таким образом, после затвердевания цементного раствора с образованием разрушаемого элемента 204 выступающие кольца будут встроены в разрушаемый элемент 204. Например, выступающее кольцо может быть сформировано путем обработки наружной стенки наружного цилиндра 202, или резьба может быть сформирована на наружной стенке наружного цилиндра 202 путем механической обработки, или кольцом, сформированным на наружной стенке наружного цилиндра 202 путем сварки, или резиновым кольцом или подобное, расположенным вокруг наружной стенки наружного цилиндра 202. С одной стороны, с помощью выступающих колец можно увеличить трение между цементным раствором и наружным цилиндром 202, чтобы обеспечить более прочную фиксацию разрушаемого элемента 204 на наружном цилиндре 202, тем самым обеспечивая безопасность. С другой стороны, выступающие кольца могут обеспечивать уплотняющий эффект для эффективного предотвращения попадания загрязнений в циркуляционное отверстие 221 через зазор между разрушаемым элементом 204 и наружным цилиндром 202, тем самым эффективно предотвращая попадание загрязнений в область между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202.

В качестве дополнительной конструкции, как показано на фиг.4, зазор 208, сообщающийся с циркуляционным отверстием 221, образован между наружным цилиндром 202 и внутренним цилиндром 206 и расположен снаружи двух осевых концов циркуляционного отверстия 221. В конкретном варианте осуществления увеличенное отверстие 262 может быть обеспечено на внутренней стенке наружного цилиндра 202 сразу за циркуляционным отверстием 221. Поверхность стенки увеличенного отверстия 262 предпочтительно имеет наклонную поверхность 263, так что зазор 208 сужается в обоих направлениях в осевом направлении от циркуляционного отверстия 221. С одной стороны, вышеуказанная конструкция позволяет консистентной смазке легко попадать в зазор 208, так что консистентная смазка может плавно перемещаться в область между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202 вслед за перемещением внутреннего цилиндра 206. Таким образом улучшается смазка между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202, что дополнительно обеспечивает плавное движение вниз внутреннего цилиндра 206. С другой стороны, наклонная поверхность 263 обеспечивает постепенное уменьшение размера зазора 208, что действует как барьер, предотвращающий попадание загрязнений в область между внутренним цилиндром 206 и наружным цилиндром 202.

На фиг.6 показано устройство скользящей втулки 300, которое также может называться переходником для гидроразрыва пласта, согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.6, устройство скользящей втулки 300 содержит наружный цилиндр 302 и внутренний цилиндр 306. Циркуляционное отверстие 321, которое может сообщать внутреннюю сторону с наружной стороной, обеспечено на стенке наружного цилиндра 302 для обеспечения канала для операции гидроразрыва пласта. Внутренний цилиндр 306 расположен во внутренней полости наружного цилиндра 302. Например, внутренний цилиндр 306 может быть расположен на внутренней стенке наружного цилиндра 302 посредством срезного штифта 305 и, таким образом, жестко соединен с наружным цилиндром 302. В исходном состоянии устройства скользящей втулки 300, как показано на фиг.6, внутренний цилиндр 306 закрывает циркуляционное отверстие 321. После того, как внутренний цилиндр 306 подвергается направленной вниз в осевом направлении силе, достигающей срезающего давления срезного штифта 305, срезной штифт 305 срезается, так что внутренний цилиндр 306 может двигаться вниз по отношению к наружному цилиндру 302, тем самым разблокируя закрытие циркуляционного отверстия 321 с внутренней стороны. То есть циркуляционное отверстие 321 открывается.

Кроме того, как показано на фиг.6, устройство скользящей втулки 300 дополнительно содержит верхний замок 301, нижний замок 307 и несколько уплотнительных колец 303, расположенных между внутренним цилиндром 306 и наружным цилиндром 302. Их конструкции и положения аналогичны описанным в первом варианте осуществления настоящего изобретения, и поэтому их подробное описание в данном случае опущено.

В соответствии с настоящим изобретением на циркуляционном отверстии 321 дополнительно обеспечен защитный элемент 304, как показано на фиг.6. Защитный элемент 304 используется для блокировки циркуляционного отверстия 321 в начальном состоянии устройства скользящей муфты 300, чтобы предотвратить попадание примесей в циркуляционное отверстие 321 перед операцией гидроразрыва пласта. В соответствии с настоящим изобретением защитный элемент 304 выполнен с возможностью открытия циркуляционного отверстия 221 после того, как внутренний цилиндр 306 перемещается вниз, разблокируя закрытие циркуляционного отверстия 321, чтобы можно было выполнить операцию гидроразрыва пласта.

С помощью защитного элемента 304 можно эффективно предотвратить попадание загрязнений и т.п. в циркуляционное отверстие 321 и, следовательно, их попадание в область между внутренним цилиндром 306 и наружным цилиндром 302, тем самым обеспечивая плавное движение вниз внутреннего цилиндра 306. В частности, когда устройство скользящей втулки 300 используется в операции цементирования скважины, объединенной с заканчиванием скважины, наличие защитного элемента 304 может предотвратить накопление цементного раствора в циркуляционном отверстии 321. Соответственно, цементный раствор не может затвердеть в циркуляционном отверстии 321, чтобы заблокировать циркуляционное отверстие 321, так что риск того, что внутренний цилиндр 306 не сможет двигаться вниз, значительно снижается.

Конкретная конструкция защитного элемента 304 в устройстве скользящей втулки 300 согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения будет подробно описана ниже со ссылкой на фиг.7-9.

В одном варианте осуществления защитный элемент 304 выполнен в виде пробки из растворимого материала, которая может блокировать циркуляционное отверстие 321 с наружной стороны. Пробка может частично заполнять циркуляционное отверстие 321, как показано на фиг.7, или почти полностью заполнять циркуляционное отверстие 321, как показано на фиг.8. В конкретном примере внутренний цилиндр 306 выполнен с возможностью приема шарика. В процессе работы, после того как шарик введен во внутренний цилиндр 306, создается давление, срезающее срезной штифт 305, и внутренний цилиндр 306 перемещается вниз под давлением, тем самым устраняя блокировку циркуляционного отверстия 321 внутренним цилиндром 306 с внутренней стороны. В это время растворяющая жидкость может быть закачана во внутреннюю полость устройства скользящей муфты 300, так что защитный элемент 304 в виде пробки растворится, открывая тем самым циркуляционное отверстие 321. В этом случае операция гидроразрыва пласта может быть выполнена на уровне пласта, где расположено устройство скользящей муфты 300.

Предпочтительно пробка может быть изготовлена из магниевого сплава или алюминиевого сплава, а растворяющая жидкость может представлять собой раствор кислоты или раствор, содержащий ионы хлора. Следует отметить, что продолжительность растворения пробки можно регулировать путем соответствующего выбора материала пробки, компонентов и концентрации раствора и т.п., тем самым контролируя время гидроразрыва пласта.

В одном варианте осуществления глухое отверстие (не показано), проходящее радиально наружу (т.е. в направлении стрелки В на фиг.7), выполнено на радиально внутренней поверхности пробки. Например, на радиально внутренней поверхности пробки может быть обеспечено несколько равномерно распределенных глухих отверстий. В качестве альтернативы в центре пробки может быть обеспечено только глухое отверстие. Таким образом, площадь контакта между растворяющей жидкостью и пробкой может быть увеличена, так что пробка может быть растворена равномерно, быстро и полностью, что позволяет избежать неполного растворения пробки, что может затруднить операцию гидроразрыва пласта на более поздних стадиях.

Альтернативно или дополнительно канавка 348, проходящая в радиальном направлении устройства скользящей втулки, также может быть обеспечена вдоль окружного направления пробки как таковой. Таким образом, растворяющая жидкость может, в частности, охватывать наружную стенку по меньшей мере одного конца пробки, чтобы гарантировать, что заглушка находится в контакте с растворяющей жидкостью во всех направлениях от радиально наружной стороны к радиально внутренней стороне во время процедуры растворения. Соответственно, пробка может быть растворена равномерно, быстро и полностью.

Предпочтительно пробка содержит соединительный сегмент 342 и скошенный сегмент 343, расположенные последовательно в направлении от радиально наружной стороны к радиально внутренней стороне и соединенные друг с другом, как показано на фиг.7 и 8. Соединительный сегмент 342 жестко зацеплен с циркуляционным отверстием 321, а наклонный сегмент 343 выполнен с уменьшенным размером в радиальном направлении с наружной стороны к внутренней стороне, образуя таким образом зазор между стенкой циркуляционного отверстия 321, чтобы облегчить поступление растворяющей жидкости. Например, отношение длины соединительного сегмента 342 к длине скошенного сегмента 343 составляет 0,5:1-1:1. Предпочтительно, чтобы соединение между соединительным сегментом 342 и циркуляционным отверстием 321 было выполнено в виде винтовой посадки или посадки с натягом, а наружная поверхность пробки и наружная поверхность наружного цилиндра 302 находились на одной и той же дугообразной поверхности. При такой конструкции во время процедуры опускания устройства скользящей муфты 300 пробка не будет мешать стволу скважины и в то же время может полностью блокировать циркуляционное отверстие 321 с наружной стороны, чтобы предотвратить поступление примесей, таких как цемент или подобные, в циркуляционное отверстие 321. Понятно, что наружная поверхность пробки может быть дополнительно утоплена относительно наружной поверхности наружного цилиндра 302 в радиальном направлении, что также может предотвратить попадание песка и цемента в область между внутренним цилиндром 306 и наружным цилиндром 302 через циркуляционное отверстие 321. Также легко понять, что поперечное сечение защитного элемента 304 может иметь различные конструктивные формы, например, овал, квадрат или многоугольник, в соответствии с различными формами циркуляционных отверстий 321.

В другом варианте осуществления защитный элемент 304 также может быть выполнен в виде разрушаемого диска 304А, расположенного в циркуляционном отверстии 321, как показано на фиг.9. Разрушаемый диск 304А содержит основную корпусную часть 344А, неподвижно соединенную с циркуляционным отверстием 321, и дисковую часть 345А, которую можно разорвать, так что внутренняя сторона и наружная сторона циркуляционного отверстия 321 сообщаются друг с другом. В процессе работы, после того как внутренний цилиндр 306 перемещается вниз, создается давление, вызывающее разрыв дисковой части 345А разрушаемого диска 304А, открывая, таким образом, циркуляционное отверстие 321 для последующей операции гидроразрыва пласта.

Согласно настоящему изобретению консистентная смазка может быть заполнена в циркуляционном отверстии 321 между защитным элементом 304 и внутренним цилиндром 306. Например, в конструкции, показанной на фиг.7, пространство циркуляционного отверстия 321, расположенное радиально внутрь пробки (т.е. нижняя часть циркуляционного отверстия 321 на фиг.7), может быть заполнено с помощью консистентной смазки. Консистентной смазкой может быть, например, смазочный гель.

В качестве дополнительной конструкции, согласно настоящему изобретению, зазор (не показан), сообщающийся с циркуляционным отверстием 321, может быть обеспечен между наружным цилиндром 302 и внутренним цилиндром 306 и с наружной стороны осевых концов циркуляционного отверстия 321. Указанный зазор аналогичен зазору 8, упомянутому в первом варианте осуществления настоящего изобретения, с точки зрения конструкции и функции, которые в данном случае повторяться не будут.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставлена колонна для гидроразрыва пласта (не показана), которая содержит множество устройств скользящей муфты 100 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, множество устройств скользящей муфты 200 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, или множество устройств скользящей муфты 300 согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Во время операции гидроразрыва пласта эти устройства скользящей муфты открываются поэтапно для проведения гидроразрыва пласта отдельных слоев.

Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на представленные в качестве примера варианты осуществления, могут быть сделаны различные модификации, и компоненты могут быть заменены их эквивалентами, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. В частности, пока нет конструктивного конфликта, каждый технический признак, упомянутый в каждом варианте осуществления, может комбинироваться любым образом. Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми в настоящем документе конкретными вариантами осуществления, но включает в себя все технические решения, подпадающие под объем формулы изобретения.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности. Скользящая муфта для заканчивания нефтяных и газовых скважин содержит наружный цилиндр с циркуляционным отверстием, выполненным в стенке наружного цилиндра. Внутренний цилиндр расположен во внутренней полости наружного цилиндра. В исходном состоянии внутренний цилиндр и наружный цилиндр зафиксированы друг с другом для закрытия циркуляционного отверстия. В первом состоянии внутренний цилиндр выполнен с возможностью перемещения по отношению к наружному цилиндру, чтобы разблокировать закрытие циркуляционного отверстия. В циркуляционном отверстии обеспечен защитный механизм, содержащий внутренний элемент, расположенный на радиально внутренней стороне. Наружный элемент расположен на радиально наружной стороне. Внутренний элемент представляет собой консистентную смазку, заполненную в циркуляционном отверстии. Наружный элемент представляет собой предохранительный кожух. Достигается технический результат – повышение плавности и облегчение открытия циркуляционного отверстия. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Скользящая муфта для заканчивания нефтяных и газовых скважин, содержащая:

наружный цилиндр с циркуляционным отверстием, выполненным в стенке наружного цилиндра; и

внутренний цилиндр, расположенный во внутренней полости наружного цилиндра, при этом в исходном состоянии внутренний цилиндр и наружный цилиндр зафиксированы друг с другом для закрытия циркуляционного отверстия, а в первом состоянии внутренний цилиндр выполнен с возможностью перемещения по отношению к наружному цилиндру, чтобы разблокировать закрытие циркуляционного отверстия,

при этом в циркуляционном отверстии обеспечен защитный механизм, содержащий внутренний элемент, расположенный на радиально внутренней стороне, и наружный элемент, расположенный на радиально наружной стороне,

при этом внутренний элемент представляет собой консистентную смазку, заполненную в циркуляционном отверстии, а наружный элемент представляет собой предохранительный кожух.

2. Скользящая муфта по п. 1, отличающаяся тем, что циркуляционное отверстие содержит две ступени, образованные на наружной стенке наружного цилиндра и противоположные друг другу по окружности, при этом наружный элемент выполнен с возможностью перекрывать указанные две ступени, блокируя циркуляционное отверстие.

3. Скользящая муфта по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на наружной стенке внутреннего цилиндра обеспечена выемка, которая по меньшей мере частично расположена в циркуляционном отверстии в исходном состоянии для обеспечения возможности поступления консистентной смазки в выемку.

4. Скользящая муфта по п. 3, отличающаяся тем, что предохранительный кожух представляет собой термоусадочный кожух, наложенный на стенку наружного цилиндра, или резиновую втулку, навулканизированную на стенку наружного цилиндра.

5. Скользящая муфта по п. 3, отличающаяся тем, что предохранительный кожух представляет собой резиновый кожух, размещенный в циркуляционном отверстии.

6. Скользящая муфта по п. 2, отличающаяся тем, что предохранительный кожух представляет собой разрушаемый элемент, разрушаемый под давлением.

7. Скользящая муфта по п. 6, отличающаяся тем, что разрушаемый элемент выполнен в виде разрушаемого диска, который содержит основную корпусную часть, жестко соединенную с циркуляционным отверстием, и дисковую часть, выполненную с возможностью разрушения под давлением.

8. Скользящая муфта по п. 1, отличающаяся тем, что между наружным цилиндром и внутренним цилиндром и наружными осевыми концами циркуляционного отверстия обеспечен зазор, сообщающийся с циркуляционным отверстием.

9. Скользящая муфта по п. 8, отличающаяся тем, что зазор представляет собой увеличенное отверстие, образованное на внутренней стенке наружного цилиндра, при этом увеличенное отверстие содержит наклонную поверхность, так что зазор сужается в направлении от циркуляционного отверстия.