СКОЛЬЗЯЩАЯ МУФТА С ПЕРЕПАДОМ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА С ГИДРОРАЗРЫВОМ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН С ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕМ Российский патент 2025 года по МПК E21B34/08 E21B43/26 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области заканчивания нефтяных и газовых скважин и преобразования месторождений и, в частности, к скользящей муфте с перепадом давления и способу строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с ее применением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы быстро развиваются разведка и эксплуатация нефтяных и газовых скважин. В частности, широкое внимание направлено на скважины сланцевого газа. В общем, существует два способа преобразования гидроразрывом первой секции скважины сланцевого газа, т.е. способ с использованием перфорирования гибких насосно-компрессорных труб и способ с использованием скользящей муфты с перепадом давления. Способ перфорирования гибких насосно-компрессорных труб в основном используют для вскрытия первой секции ствола скважины, что в настоящее время является относительно освоенной технологией. Однако при применении в скважинах сланцевого газа способ перфорирования гибких насосно-компрессорных труб имеет низкую эффективность строительства и высокую стоимость строительства. Кроме того, с увеличением количества пробуренных скважин сланцевого газа и масштабов гидроразрыва вскрытие первой секции способом перфорирования гибких насосно-компрессорных труб не может удовлетворить потребность в строительстве.

Известен патентный документ CN202788753U (дата публикации 13.03.2013), который раскрывает скользящую муфту с перепадом давления, включающую внешний цилиндр, имеющий направляющее поток отверстие, верхнее стыковое соединение и нижнее стыковое соединение, расположенные на обоих концах внешнего цилиндра, и внутреннюю скользящую муфту, расположенную внутри внешнего цилиндра для закрытия направляющего поток отверстия. Внутренняя скользящая муфта имеет верхнюю концевую поверхность и нижнюю концевую поверхность, причем верхняя концевая поверхность имеет площадь, большую, чем нижняя концевая поверхность. Таким образом, между двумя концевыми поверхностями внутренней скользящей муфты будет создаваться перепад давления, который может заставить внутреннюю скользящую муфту двигаться вниз, что приведет к обнажению направляющей поток канавки. Однако в такой скользящей муфте с перепадом давления внутренняя скользящая муфта будет непреднамеренно приведена в движение вниз, что приведет к преждевременному срабатыванию скользящей муфты в целом. Кроме того, направляющее поток отверстие будет легко блокироваться грязью или обломками горных пород во время работы, так что жидкость не сможет плавно течь через направляющее поток отверстие, даже когда последнее открыто.

Скользящая муфта с перепадом давления может быть вскрыта непосредственно путем повышения давления, что позволяет избежать этапа перфорирования гибких насосно-компрессорных труб и, таким образом, может повысить эффективность строительства и сэкономить средства на строительство. Однако существующая скользящая муфта с перепадом давления все еще имеет некоторые дефекты. Например, степень успешного открытия скользящей муфты с перепадом давления низка, в результате чего остается относительно небольшое рабочее окно для скользящей муфты с перепадом давления. Между тем, полное испытательное давление ствола скважины сланцевого газа обычно составляет более 90 МПа, а уровень давления устьевого оборудования составляет 105 МПа, что приводит к относительно небольшому диапазону давления для открытия скользящей муфты с перепадом давления, так что сложно открыть обычную скользящую муфту с перепадом давления, давление которой находится в указанном выше диапазоне. Кроме того, давление открытия скользящей муфты с перепадом давления должно быть выше, чем полное испытательное давление ствола скважины, что сопряжено со значительным риском. Кроме того, обычная скользящая муфта с перепадом давления с задержкой во времени имеет конструкцию с задержкой во времени с небольшим впускным отверстием для флюида, которое склонно к закупорке, и, следовательно, его сложно открыть. Скользящая муфта с перепадом давления с задержкой во времени также имеет недостаток короткой временной задержки, что делает невозможными повторные испытания под давлением, и т.д.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С целью решения вышеупомянутых технических проблем, существующих в предшествующих уровнях техники, в настоящем изобретении предложена скользящая муфта с перепадом давления, которую можно открывать при относительно небольшом давлении, которое ниже, чем полное испытательное давление в стволе скважины, что таким образом обеспечивает стабильную и надежную работу открытия и снижает сложность открытия скользящей муфты с перепадом давления, а также риск при строительстве. Благодаря простой конструкции скользящая муфта с перепадом давления проста в эксплуатации, что таким образом упрощает этапы строительства, снижает стоимость строительства и повышает эффективность строительства.

В одном аспекте настоящего изобретения предложена скользящая муфта с перепадом давления, которая содержит внешний цилиндр с направляющим поток отверстием, обеспеченным в стенке внешнего цилиндра; внутренний цилиндр, расположенный во внутренней полости внешнего цилиндра, при этом в исходном состоянии внутренний цилиндр и внешний цилиндр прикреплены друг к другу для закрытия направляющего поток отверстия; верхнее стыковое соединение, проходящее во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединенное с верхним концом внешнего цилиндра, при этом между нижней концевой поверхностью верхнего стыкового соединения и осевой верхней концевой поверхностью внутреннего цилиндра образован зазор; нижнее стыковое соединение, проходящее во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединенное с нижним концом внешнего цилиндра; и опорное кольцо, расположенное во внутренней полости внешнего цилиндра и между нижним стыковым соединением и внутренним цилиндром, причем опорное кольцо растворяется под действием рабочей жидкости. Площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра выполнена таким образом, что она больше, чем площадь его осевой нижней концевой поверхности, чтобы рабочая жидкость создавала перепад давления между осевой верхней и нижней концевыми поверхностями внутреннего цилиндра для обеспечения направленного вниз давления для внутреннего цилиндра, который перемещается вниз под давлением после растворения опорного кольца для открытия направляющего поток отверстия.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения верхняя концевая часть внутреннего цилиндра обеспечена кольцевым выступом, проходящим радиально наружу, таким образом, что площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра больше площади его осевой нижней концевой поверхности.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения внутренняя поверхность внешнего цилиндра обеспечена заплечиковой частью, проходящей радиально внутрь, при этом наружный диаметр кольцевого выступа выполнен таким же, как внутренний диаметр внешнего цилиндра, а внутренний диаметр заплечиковой части выполнен таким же, как наружный диаметр внутреннего цилиндра.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения осевая длина кольцевого выступа выполнена таким образом, что она меньше, чем осевое расстояние от осевой верхней концевой поверхности заплечиковой части до направляющего поток отверстия.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения опорное кольцо выполнено из магниево-алюминиевого сплава, политетрафторэтилена, разлагаемого пластика или разлагаемого керамического материала.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения направляющее поток отверстие заполнено наполнителем, а защитный элемент расположен радиально снаружи наполнителя, причем по меньшей мере одно направляющее отверстие расположено на защитном элементе.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения наполнитель выбран из группы, состоящей из вязкой жидкости, консистентной смазки и смолы.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения защитный элемент прикреплен к внешнему цилиндру посредством сцепления или сварки.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения размер направляющего отверстия выполнен меньшим, чем размер направляющего поток отверстия.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения предложено направляющее отверстие, соответствующее центру направляющего поток отверстия.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения направляющее отверстие выполнено в виде продолговатой прорези, причем на каждом конце прорези обеспечено круглое сквозное отверстие.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения направляющее поток отверстие содержит две ступени, образованные на внешней стенке внешнего цилиндра и противоположные друг другу в осевом направлении, причем защитный элемент расположен на обеих ступенях.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения зазор в сообщении с направляющим поток отверстием обеспечен между внешним цилиндром и внутренним цилиндром и снаружи каждого осевого конца направляющего поток отверстия.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения зазор представляет собой увеличенное отверстие, образованное на внутренней стенке внешнего цилиндра, причем увеличенное отверстие содержит наклонную поверхность, таким образом, что зазор сужается в направлении от направляющего поток отверстия.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с использованием скользящей муфты с перепадом давления, который включает: соединение скользящей муфты с перепадом давления с колонной, которую затем опускают в пласт, подлежащий гидроразрыву, в стволе скважины; нагнетание рабочей жидкости в колонну из устья скважины таким образом, что опорное кольцо растворяется под действием рабочей жидкости; повышение давления в стволе скважины таким образом, что внутренний цилиндр создает направленное вниз давление вниз под действием рабочей жидкости и перемещается вниз после того, как давление достигнет заданного значения давления, таким образом открывая направляющее поток отверстие; и сообщение колонны с пластом, подлежащим гидроразрыву, для выполнения строительства с гидроразрывом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Следующие предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые графические материалы. В графических материалах:

на Фиг. 1 схематически показана скользящая муфта с перепадом давления в закрытом состоянии в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 2 схематически показана скользящая муфта с перепадом давления в открытом состоянии в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 3 схематически показана скользящая муфта с перепадом давления в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, которая содержит защитное устройство для направляющего поток отверстия; и

на Фиг. 4 представлен частичный вид, схематически показывающий защитное устройство для направляющего поток отверстия в соответствии с настоящим изобретением.

В графических материалах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых компонентов. Графические материалы не обязательно выполнены с соблюдением фактического масштаба.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы. В контексте настоящего изобретения термины направления «верхний», «выше по потоку», «вверх» или т.п. относятся к направлению к устью скважины, тогда как термины направления «внизу», «ниже по потоку», «вниз» или т.п. относятся к направлению от устья скважины. Кроме того, направление по длине скользящей муфты с перепадом давления обозначается как «продольное направление» или «осевое направление», а направление, перпендикулярное «продольному направлению» или «осевому направлению», обозначается как «радиальное направление», при этом ориентация радиального направления к пласту обозначается как «радиально снаружи», тогда как его ориентация от пласта обозначается как «радиально внутрь».

На Фиг. 1 схематически показана скользящая муфта 100 с перепадом давления в закрытом состоянии в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на Фиг. 1, скользящая муфта 100 с перепадом давления содержит внешний цилиндр 110. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанным на Фиг. 1, каждый конец внешнего цилиндра 110 выполнен в виде ступенчатого соединителя с отрицательной резьбой. Верхнее стыковое соединение 101 и нижнее стыковое соединение 102 для соединения со скважинной колонной соединены с обоими концами внешнего цилиндра 110 соответственно. В не показанном варианте осуществления изобретения каждый конец внешнего цилиндра 110 выполнен в виде ступенчатого соединителя с положительной резьбой. Таким образом, оба конца внешнего цилиндра 110 соединены посредством ступенчатых соединителей с положительной резьбой со ступенчатыми соединителями с отрицательной резьбой верхнего стыкового соединения 101 и нижнего стыкового соединения 102 соответственно, образуя таким образом жесткое соединение. Конструкция соединения внешнего цилиндра 110 проста и удобна, что обеспечивает высокую эффективность установки, а также стабильное и надежное соединение с другими частями.

В этом варианте осуществления изобретения между соединительными поверхностями внешнего цилиндра 110 с верхним стыковым соединением 101 и нижним стыковым соединением 102 соответственно обеспечен уплотнительный элемент 103, чтобы обеспечить эффективность уплотнения соединения внешнего цилиндра 110 с верхним стыковым соединением 101 и нижним стыковым соединением 102. В одном варианте осуществления изобретения на каждом из ступенчатых соединителей с положительной резьбой верхнего стыкового соединения 101 и нижнего стыкового соединения 102 обеспечена уплотнительная выемка 104, проходящая радиально внутрь, при этом уплотнительный элемент 103 расположен в уплотнительной выемке 104. Предпочтительно уплотнительный элемент 103 представляет собой уплотнительное кольцо.

Как показано на Фиг. 1, по меньшей мере одно, а предпочтительно несколько направляющих поток отверстий 111 обеспечено на боковой стенке внешнего цилиндра 110. Направляющие поток отверстия 111 обеспечены на внешнем цилиндре 110 в одном и том же осевом положении и равномерно разнесены вдоль направления по окружности. Внутренний цилиндр 120 обеспечен внутри внешнего цилиндра 110 и расположен между верхним стыковым соединением 101 и нижним стыковым соединением 102. Внутренний цилиндр 120 выполнен с возможностью закрытия направляющих поток отверстий 111 на внешнем цилиндре 110 и перемещения внутри внешнего цилиндра 110 для открытия направляющих поток отверстий 111.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1, внутренний цилиндр 120 расположен на внутренней стенке внешнего цилиндра 110 посредством срезного штифта 140 и, таким образом, жестко соединен с внешним цилиндром 110. В этом варианте осуществления изобретения сквозное отверстие для установки срезного штифта 140 обеспечено на боковой стенке внешнего цилиндра 110, а установочная выемка, соответствующая сквозному отверстию, обеспечена на внешней поверхности внутреннего цилиндра 120. Срезной штифт 140 проходит через сквозное отверстие и установлен в установочной выемке. В исходном состоянии (т.е. закрытом состоянии) скользящей муфты 100 с перепадом давления, как показано на Фиг. 1, внутренний цилиндр 120 закрывает направляющие поток отверстия 111, и между верхней концевой поверхностью внутреннего цилиндра 120 и нижней концевой поверхностью верхнего стыкового соединения 101 образуется зазор.

После того как внутренний цилиндр 120 подвергается воздействию осевого направленного вниз усилия, достигающего давления среза срезного штифта 140, срезной штифт 140 срезается, так что внутренний цилиндр 120 может перемещаться вниз относительно внешнего цилиндра 110, таким образом высвобождая закрытие направляющих поток отверстий 111 изнутри. То есть направляющие поток отверстия 111 открываются. В этом случае скользящая муфта 100 с перепадом давления находится в открытом состоянии, как показано на Фиг. 2.

В соответствии с настоящим изобретением верхний конец внутреннего цилиндра 120 обеспечен кольцевым выступом 121, проходящим радиально наружу таким образом, что площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра 120 больше, чем площадь его осевой нижней концевой поверхности. Таким образом, под действием рабочей жидкости между двумя осевыми концами внутреннего цилиндра 120 будет образовываться перепад давления, тем самым обеспечивая направленное вниз давление на внутренний цилиндр 120. В то же время на поверхности внутренней стенки нижней концевой части внешнего цилиндра 110 обеспечена кольцевая заплечиковая часть 112, проходящая радиально внутрь. Наружный диаметр кольцевого выступа 121 выполнен таким же, как внутренний диаметр внешнего цилиндра 110, а внутренний диаметр заплечиковой части 112 выполнен таким же, как наружный диаметр внутреннего цилиндра 120, таким образом, что внутренний цилиндр 120 способен перемещаться вниз вдоль внешнего цилиндра 110. В соответствии с настоящим изобретением осевая длина кольцевого выступа 121 выполнена таким образом, что она меньше осевого расстояния от осевой верхней концевой поверхности заплечиковой части 112 до направляющих поток отверстий 111, чтобы гарантировать, что направляющие поток отверстия 111 на внешнем цилиндре 110 можно полностью открыть при перемещении внутреннего цилиндра 110 вниз.

В соответствии с настоящим изобретением скользящая муфта 100 с перепадом давления дополнительно содержит опорное кольцо 130. Как показано на Фиг. 1, опорное кольцо 130 обеспечено между внутренним цилиндром 120 и нижним стыковым соединением 102, при этом верхняя концевая поверхность опорного кольца 130 находится в контакте с нижней концевой поверхностью внутреннего цилиндра 120, а нижняя концевая поверхность опорного кольца 130 находится в контакте с верхней концевой поверхностью нижнего стыкового соединения 102. В соответствии с настоящим изобретением опорное кольцо 130 выполнено из растворимого материала, такого как магниево-алюминиевый сплав, политетрафторэтилен, разлагаемый пластик, разлагаемый керамический материал и т.п. Таким образом, опорное кольцо 130 способно растворяться естественным путем под действием рабочей жидкости и обеспечивать поддержку внутреннего цилиндра 120 до его полного растворения. В результате в скользящей муфте 100 с перепадом давления внутренний цилиндр 120 и внешний цилиндр 110 могут быть прикреплены друг к другу посредством срезного штифта с относительно небольшим давлением среза, гарантируя, что срезной штифт может быть срезан посредством относительно небольшого давления после полного растворения опорного кольца 130. В этом случае скользящая муфта 100 с перепадом давления может открываться при относительно небольшом давлении, что обеспечивает более простое открытие скользящей муфты 100 с перепадом давления.

Таким образом, скользящая муфта 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением после опускания может выдерживать давление внутреннего цилиндра через опорное кольцо 130. В этот момент срезной штифт 140 не находится под давлением, так что давление на устье скважины может быть выбрано таким образом, чтобы не превышать давление среза срезного штифта 140, без приведения к срезу срезного штифта 140. Другими словами, срезной штифт 140 может быть выбран таким образом, чтобы иметь относительно небольшое давление среза для обеспечения возможности более легкого его среза, таким образом снижая риск неоткрытия скользящей муфты 100 с перепадом давления. Кроме того, опорное кольцо 130 может занимать площадь между нижней концевой поверхностью внутреннего цилиндра 120 и верхней концевой поверхностью нижнего стыкового соединения 102 до того, как оно полностью растворится. В результате, помимо выдерживания давления внутреннего цилиндра, опорное кольцо 130 может эффективно предотвращать затвердевание бурового раствора или других твердых примесей в рабочей жидкости или их сцепление с внутренней стенкой внешнего цилиндра 110, что может блокировать направленное вниз перемещение внутреннего цилиндра 120. Следовательно, можно дополнительно снизить сложность открытия скользящей муфты 100 с перепадом давления.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения скорость растворения опорного кольца 130 можно регулировать с помощью рабочей жидкости. В частности, подходящая рабочая жидкость может быть приготовлена в соответствии с потребностями в ходе строительства, таким образом, что опорное кольцо 130 может быть полностью растворено в течение установленного периода времени.

После того как скользящую муфту 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением опускают в ствол скважины с колонной, сначала из устья скважины закачивают рабочую жидкость под высоким давлением. Таким образом, опорное кольцо 130 вступает в контакт с рабочей жидкостью и, соответственно, естественным образом растворяется под действием рабочей жидкости. В этот момент внутренний цилиндр 120 прикреплен к внешнему цилиндру 110 только под действием срезного штифта 140. Рабочая жидкость под высоким давлением создает высокое давление внутри колонны и образует перепад давления между верхней и нижней концевыми поверхностями внутреннего цилиндра 120 с разными площадями. Поскольку площадь верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра 120 больше, чем площадь его нижней концевой поверхности, и существует зазор между верхней концевой поверхностью внутреннего цилиндра 120 и нижней концевой поверхностью верхнего стыкового соединения 101, давление на верхнюю концевую поверхность внутреннего цилиндра 120 больше, чем давление на его нижнюю концевую поверхность. В результате рабочая жидкость оказывает направленное вниз давление на внутренний цилиндр 120. После того как давление на внутренний цилиндр 120 достигает заданного значения давления (т.е. давления среза срезного штифта 140), внутренний цилиндр 120 срезает срезной штифт 140 и продолжает перемещаться вниз под давлением, открывая направляющие поток отверстия 111 на внешнем цилиндре 110. Заданное значение давления может быть установлено в соответствии с фактической ситуацией, обычно в диапазоне 10-120 МПа. Внутренний цилиндр перемещается вниз до тех пор, пока нижняя концевая поверхность внутреннего цилиндра 120 не упрется в верхнюю концевую поверхность нижнего стыкового соединения 102, таким образом ограничивая внутренний цилиндр 120 в осевом направлении. Таким образом, направляющие поток отверстия 111 полностью открыты, а скользящая муфта 100 с перепадом давления находится в открытом состоянии, так что пространство внутри скважинной колонны сообщается с пространством снаружи скважинной колонны.

Чтобы обеспечить эффективность уплотнения между внутренним цилиндром 120 и внешним цилиндром 110, между контактными поверхностями между внутренним цилиндром 120 и внешним цилиндром 110 обеспечен по меньшей мере один уплотнительный элемент 123. Предпочтительно уплотнительный элемент 123 выполнен в виде уплотнительного кольца. Как показано на Фиг. 2, на внешней поверхности внутреннего цилиндра 120 обеспечено несколько уплотнительных выемок 122. Например, две уплотнительные выемки 122 обеспечены на внешней поверхности внутреннего цилиндра 120 на внешних в осевом направлении сторонах обоих концов внутреннего цилиндра 120, при этом уплотнительный элемент 123 расположен в каждой из уплотнительных выемок 122. Уплотнительный элемент 123 может эффективно обеспечивать эффективность уплотнения между внутренним цилиндром 120 и внешним цилиндром 110, таким образом улучшая рабочие характеристики скользящей муфты 100 с перепадом давления.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с использованием скользящей муфты 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением. Способ строительства включает в себя следующие этапы. Сначала скользящую муфту 100 с перепадом давления соединяют со скважинной колонной колонны инструментов для гидроразрыва, после чего скользящую муфту 100 с перепадом давления опускают вместе со скважинной колонной в пласт, подлежащий гидроразрыву, в стволе скважины. Затем рабочую жидкость нагнетают в скважинную колонну из устья скважины таким образом, что опорное кольцо 130 естественным образом растворяется под действием рабочей жидкости. После растворения опорного кольца 130 в стволе скважины повышают давление таким образом, что рабочая жидкость образует перепад давления между верхней и нижней концевыми поверхностями внутреннего цилиндра 120, таким образом оказывая направленное вниз давление на внутренний цилиндр 120. Внутренний цилиндр 120 срезает срезной штифт 140 после того, как давление достигнет заданного значения давления, и перемещается вниз вдоль внешнего цилиндра 110 до тех пор, пока верхняя концевая поверхность кольцевого выступа 121 не войдет в контакт с верхней концевой поверхностью заплечиковой части 112, таким образом полностью открывая направляющие поток отверстия 111. Затем скважинную колонну приводят в сообщение с пластом, подлежащим гидроразрыву, через направляющие поток отверстия 111, благодаря чему может быть выполнено строительство с гидроразрывом нефтяной и газовой скважины.

Способ строительства с гидроразрывом в соответствии с настоящим изобретением прост в осуществления, и, в частности, он позволяет открывать направляющие поток отверстия 111 под относительно низким давлением для осуществления сообщения с подлежащим гидроразрыву пластом. В то же время способ строительства с гидроразрывом в соответствии с настоящим изобретением сокращает рабочий цикл гидроразрыва и повышает эффект строительства с гидроразрывом.

Скользящая муфта 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением может открываться при давлении ниже, чем полное испытательное давление во стволе скважины, таким образом, что скользящая муфта 100 с перепадом давления может открываться при относительно низком давлении. Можно обеспечить стабильные и надежные характеристики открытия, что позволит упростить открытие скользящей муфты 100 с перепадом давления и снизить риск во время операции строительства. Скользящая муфта 100 с перепадом давления открывает направляющие поток отверстия путем образования перепада давления по всей конструкции внутреннего цилиндра 120, что позволяет избежать использования компонентов для повышения давления и упростить конструкцию скользящей муфты 100 с перепадом давления. Кроме того, скользящая муфта 100 с перепадом давления может эффективно обеспечивать эффективность уплотнения между внутренним цилиндром 120 и внешним цилиндром 110 таким образом, что могут быть обеспечена эффективность открытия скользящей муфты 100 с перепадом давления. Между тем, скользящая муфта 100 с перепадом давления проста и удобна в эксплуатации, что упрощает этапы строительства, снижает стоимость строительства и повышает эффективность строительства. Кроме того, способ строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с использованием скользящей муфты 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением состоит из простых этапов строительства, которые способны открывать направляющие поток отверстия 111 под относительно небольшим давлением для осуществления сообщения с подлежащим гидроразрыву пластом, что значительно повышает эффективность строительства с гидроразрывом и усиливает эффект строительства с гидроразрывом.

Как описано выше, в скользящей муфте 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением опорное кольцо 130 выполнено таким образом, что занимает область между нижней концевой поверхностью внутреннего цилиндра 120 и верхней концевой поверхностью нижнего стыкового соединения 102, таким образом эффективно предотвращая затвердевание бурового раствора или других твердых примесей в рабочей жидкости на внутренней стенке внешнего цилиндра 110 или их сцепление с ней, что может блокировать перемещение внутреннего цилиндра 120 вниз. В результате дополнительно снижается сложность открытия скользящей муфты 100 с перепадом давления. Однако во время перемещения скользящей муфты вниз буровой раствор, обломки породы и другие примеси в стволе скважины могут попадать в направляющие поток отверстия. Кроме того, во время операции цементирования скважины цементный раствор может также попадать в направляющие поток отверстия, вызывая цементирование направляющих поток отверстий. Все вышеперечисленные ситуации ведут к невозможности открытия скользящей муфты и, таким образом, влияют на строительство с гидроразрывом.

В этом отношении на основе принципа, аналогичного принципу опорного кольца 130, предложено защитное устройство для направляющего потока отверстия в соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения.

На Фиг. 3 показана скользящая муфта 200 с перепадом давления в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Для ясности на Фиг. 3 показана только часть скользящей муфты 200 с перепадом давления. Скользящая муфта 200 с перепадом давления содержит верхнее стыковое соединение 201, внешний цилиндр 210, внутренний цилиндр 220 и нижнее стыковое соединение (не показано). На внешнем цилиндре 210 обеспечено несколько направляющих поток отверстий 211, равномерно распределенных вдоль направления по окружности. Уплотнительное кольцо 205 обеспечено между верхним стыковым соединением 201 и внешним цилиндром 210 и между внешним цилиндром 210 и внутренним цилиндром 220 соответственно. Эти элементы и их функции такие же, как те, что описаны в отношении скользящей муфты 100 с перепадом давления в соответствии с настоящим изобретением, и их подробное описание в данном документе опущено.

В соответствии с настоящим изобретением защитный элемент 240 обеспечен в направляющем поток отверстии 211. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения защитный элемент 240 имеет наружный диаметр, который не превышает наружный диаметр внешнего цилиндра 210. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения направляющее поток отверстие 211 заполнено высоковязкой жидкостью, а защитный элемент 240 обеспечен радиально снаружи от высоковязкой жидкости, таким образом эффективно предотвращая вытекание высоковязкой жидкости из направляющего поток отверстия и предотвращая попадание внешнего бурового раствора или цементного раствора. В то же время защитный элемент 240 также способен предотвращать попадание внешних обломков породы и других примесей в направляющее поток отверстие 211. В одном альтернативном варианте осуществления изобретения направляющее поток отверстие 211 может быть заполнено консистентной смазкой, которая может обеспечивать смазывание для относительного движения между внутренним цилиндром и внешним цилиндром, таким образом способствуя плавному относительному движению. В другом альтернативном варианте осуществления изобретения направляющее поток отверстие 211 может быть заполнено смолой.

В одном предпочтительном варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением, как показано на Фиг. 4, направляющее отверстие 241 обеспечено на защитном элементе 240 в положении, соответствующем центру направляющего поток отверстия 211. Предпочтительно размер направляющего отверстия 241 выбран меньшим, чем размер направляющего поток отверстия 211 таким образом, что направляющее отверстие 241 полностью находится в области направляющего поток отверстия 211. Путем обеспечения направляющего отверстия на защитном элементе в положении, соответствующем центру направляющего поток отверстия, можно направлять истечение флюида, таким образом решая проблему высокого давления гидроразрыва пласта, вызванного цементированием обсадной колонны.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения, как показано на Фиг. 4, направляющее отверстие 241 выполнено в виде продолговатой прорези. Направляющее отверстие имеет простую конструкцию, которую легко обрабатывать, и позволяет более эффективно избежать высокого давления гидроразрыва пласта, вызванного цементированием обсадной колонны. Кроме того, как показано на Фиг. 4, в этом варианте осуществления изобретения на обоих концах прорези обеспечены круглые сквозные отверстия 242. Путем обеспечения круглых сквозных отверстий можно избежать проблемы концентрации напряжений на обоих концах продолговатой прорези.

В одном конкретном варианте осуществления изобретения, как показано на Фиг. 3, на внешней стенке внешнего цилиндра 210 обеспечены две ступени 222, противоположные друг другу. Две ступени 222 расположены на обоих осевых концах направляющего поток отверстия 211 соответственно. Таким образом, защитный элемент 240 может охватывать две ступени 222. Предпочтительно глубина ступени 222 превышает толщину защитного элемента 240. При вышеуказанной компоновке внешняя стенка защитного элемента 240 не будет выступать из внешней стенки внешнего цилиндра 210, таким образом обеспечивая безопасность защитного элемента 240 и позволяя избегать ситуации, когда защитный элемент 240 случайно повреждается при опускании скользящей муфты. В то же время точное расположение защитного элемента 240 может быть в значительной степени обеспечено ступенями 222, и его установка является безопасной и удобной.

В соответствии с настоящим изобретением защитный элемент 240 может быть закреплен с внешним цилиндром 210 посредством металлического адгезива, что может упростить конструкцию всего защитного устройства. Таким образом, защитное устройство с высокой конструкционной прочностью является простым и удобным в эксплуатации, что тем самым предотвращает выступание защитного элемента из внешнего цилиндра из-за крепежных элементов в других способах соединения, что может повлиять на процесс бурения или заканчивания.

В одном альтернативном варианте осуществления изобретения защитный элемент 240 также может быть прикреплен к внешнему цилиндру 210 посредством сварки.

В одном не показанном варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением зазор в сообщении с направляющим поток отверстием 211 обеспечен между внешним цилиндром 210 и внутренним цилиндром 220 в положении снаружи каждого осевого конца направляющего поток отверстия 211. Зазор может быть обеспечен только на внутренней стенке внешнего цилиндра 210, или только на внешней стенке внутреннего цилиндра 220, или на обеих. В одном конкретном варианте осуществления изобретения увеличенное отверстие может быть обеспечено на внутренней стенке внешнего цилиндра 220 непосредственно снаружи направляющего поток отверстия 211. Поверхность стенки увеличенного отверстия предпочтительно выполнено с возможностью имеет наклонную поверхность, так что зазор сужается в обоих направлениях в осевом направлении от направляющего поток отверстия 211. При вышеуказанной компоновке консистентная смазка в направляющем поток отверстии 211 может легко попасть в зазор, так что консистентная смазка может плавно поступать в область между внутренним цилиндром 220 и внешним цилиндром 210 после перемещения внутреннего цилиндра 220, что дополнительно обеспечивает плавное направленное вниз перемещение внутреннего цилиндра 220. Кроме того, наклонная поверхность обеспечивает постепенное уменьшение размера зазора, что действует как барьер, предотвращающий попадание примесей в область между внутренним цилиндром и внешним цилиндром.

Защитное устройство для направляющего поток отверстия в соответствии с настоящим изобретением может эффективно предотвращать вытекание высоковязкой жидкости из направляющего поток отверстия, таким образом, что направляющее поток отверстие может быть заполнено высоковязкой жидкостью, предотвращая попадание внешнего бурового раствора или цементного раствора и в то же время предотвращая попадание внешних примесей, таких как обломки породы, в направляющее поток отверстие.

Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления изобретения, могут быть сделаны различные модификации и компоненты могут быть заменены их эквивалентами без отступления от объема настоящего изобретения. В частности, при отсутствии конструкционного противоречия каждый технический признак, упомянутый в каждом варианте осуществления изобретения, можно комбинировать любым способом. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления изобретения, раскрытыми в данном документе, а включает в себя все технические решения, попадающие в объем формулы изобретения.

Группа изобретений относится к области заканчивания нефтяных и газовых скважин. Скользящая муфта с перепадом давления содержит внешний цилиндр с направляющим поток отверстием, обеспеченным в стенке внешнего цилиндра. Направляющее поток отверстие заполнено наполнителем, защитный элемент расположен радиально снаружи наполнителя. По меньшей мере одно направляющее отверстие расположено на защитном элементе. Размер направляющего отверстия выполнен меньшим, чем размер направляющего поток отверстия. Внутренний цилиндр расположен во внутренней полости внешнего цилиндра. В исходном состоянии внутренний цилиндр и внешний цилиндр прикреплены друг к другу для закрытия направляющего поток отверстия. Верхнее стыковое соединение проходит во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединено с верхним концом внешнего цилиндра. Между нижней концевой поверхностью верхнего стыкового соединения и осевой верхней концевой поверхностью внутреннего цилиндра образован зазор. Нижнее стыковое соединение проходит во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединено с нижним концом внешнего цилиндра. Опорное кольцо расположено во внутренней полости внешнего цилиндра и между нижним стыковым соединением и внутренним цилиндром. Опорное кольцо растворяется под действием рабочей жидкости. Площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра выполнена большей, чем площадь его осевой нижней концевой поверхности, чтобы рабочая жидкость создавала перепад давления между осевой верхней и нижней концевыми поверхностями внутреннего цилиндра для обеспечения направленного вниз давления для внутреннего цилиндра, который перемещается вниз под давлением после растворения опорного кольца для открытия направляющего поток отверстия. Заявлен способ строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с применением скользящей муфты с перепадом давления. Достигается технический результат – обеспечение стабильного и надежного открытия скользящей муфты с перепадом давления, а также снижение риска при строительстве. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Скользящая муфта с перепадом давления, содержащая:

внешний цилиндр с направляющим поток отверстием, обеспеченным в стенке внешнего цилиндра, причем направляющее поток отверстие заполнено наполнителем, а защитный элемент расположен радиально снаружи наполнителя, причем по меньшей мере одно направляющее отверстие расположено на защитном элементе, причем размер направляющего отверстия выполнен меньшим, чем размер направляющего поток отверстия;

внутренний цилиндр, расположенный во внутренней полости внешнего цилиндра, при этом в исходном состоянии внутренний цилиндр и внешний цилиндр прикреплены друг к другу для закрытия направляющего поток отверстия;

верхнее стыковое соединение, проходящее во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединенное с верхним концом внешнего цилиндра, при этом между нижней концевой поверхностью верхнего стыкового соединения и осевой верхней концевой поверхностью внутреннего цилиндра образован зазор;

нижнее стыковое соединение, проходящее во внутреннюю полость внешнего цилиндра и жестко соединенное с нижним концом внешнего цилиндра; и

опорное кольцо, расположенное во внутренней полости внешнего цилиндра и между нижним стыковым соединением и внутренним цилиндром, причем опорное кольцо растворяется под действием рабочей жидкости,

при этом площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра выполнена таким образом, что она больше, чем площадь его осевой нижней концевой поверхности, чтобы рабочая жидкость создавала перепад давления между осевой верхней и нижней концевыми поверхностями внутреннего цилиндра для обеспечения направленного вниз давления для внутреннего цилиндра, который перемещается вниз под давлением после растворения опорного кольца для открытия направляющего поток отверстия.

2. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя концевая часть внутреннего цилиндра обеспечена кольцевым выступом, проходящим радиально наружу, таким образом, что площадь осевой верхней концевой поверхности внутреннего цилиндра больше площади его осевой нижней концевой поверхности.

3. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность внешнего цилиндра обеспечена заплечиковой частью, проходящей радиально внутрь, при этом наружный диаметр кольцевого выступа выполнен таким же, как внутренний диаметр внешнего цилиндра, а внутренний диаметр заплечиковой части выполнен таким же, как наружный диаметр внутреннего цилиндра.

4. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 3, отличающаяся тем, что осевая длина кольцевого выступа выполнена таким образом, что она меньше, чем осевое расстояние от осевой верхней концевой поверхности заплечиковой части до направляющего поток отверстия.

5. Скользящая муфта с перепадом давления по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что опорное кольцо выполнено из магниево-алюминиевого сплава, политетрафторэтилена, разлагаемого пластика или разлагаемого керамического материала.

6. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 1, отличающаяся тем, что наполнитель выбран из группы, состоящей из вязкой жидкости, консистентной смазки и смолы.

7. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 1, отличающаяся тем, что защитный элемент прикреплен к внешнему цилиндру посредством сцепления или сварки.

8. Скользящая муфта с перепадом давления по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что обеспечено направляющее отверстие, соответствующее центру направляющего поток отверстия.

9. Скользящая муфта с перепадом давления по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что направляющее отверстие выполнено в виде продолговатой прорези, причем на каждом конце прорези обеспечено круглое сквозное отверстие.

10. Скользящая муфта с перепадом давления по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что направляющее поток отверстие содержит две ступени, образованные на внешней стенке внешнего цилиндра и противоположные друг другу в осевом направлении, причем защитный элемент расположен на обеих ступенях.

11. Скользящая муфта с перепадом давления по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что зазор в сообщении с направляющим поток отверстием обеспечен между внешним цилиндром и внутренним цилиндром и снаружи каждого осевого конца направляющего поток отверстия.

12. Скользящая муфта с перепадом давления по п. 11, отличающаяся тем, что зазор представляет собой увеличенное отверстие, образованное на внутренней стенке внешнего цилиндра, при этом увеличенное отверстие содержит наклонную поверхность, таким образом, что зазор сужается в направлении от направляющего поток отверстия.

13. Способ строительства с гидроразрывом нефтяных и газовых скважин с применением скользящей муфты с перепадом давления по любому из пп. 1-12, включающий:

соединение скользящей муфты с перепадом давления с колонной, которую затем опускают в пласт, подлежащий гидроразрыву, в стволе скважины;

нагнетание рабочей жидкости в колонну из устья скважины таким образом, что опорное кольцо растворяется под действием рабочей жидкости;

повышение давления в стволе скважины таким образом, что внутренний цилиндр создает направленное вниз давление под действием рабочей жидкости и перемещается вниз после того, как давление достигнет заданного значения давления, таким образом открывая направляющее поток отверстие, причем направляющее поток отверстие заполнено наполнителем, а защитный элемент расположен радиально снаружи наполнителя, причем по меньшей мере одно направляющее отверстие расположено на защитном элементе, причем размер направляющего отверстия выполнен меньшим, чем размер направляющего поток отверстия; и

сообщение колонны с пластом, подлежащим гидроразрыву, для выполнения строительства с гидроразрывом.