надувной трубчатый рукав для трубооборудования или уплотнения скважины или трубы

Формула изобретения

1. Надувной трубчатый рукав для трубооборудования или уплотнения скважины или трубы, имеющий возможность его расширения в радиальном направлении и ряд ограничительных колец, смещенных относительно друг друга в осевом направлении, отличающийся тем, что ограничительные кольца размещены на выходном конце рукава или на его входном и выходном концах и имеют возможность разрыва одно после другого в продольном направлении рукава при его раздувании внутренней текучей средой под давлением.

2. Рукав по п.1, отличающийся тем, что ограничительные кольца расположены равномерно на одинаковом расстоянии друг от друга.

3. Рукав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными ограничительными кольцами, имеющими существенно более низкий предел прочности, чем основные кольца, и размещенными на входном конце рукава.

4. Рукав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными ограничительными кольцами, имеющими существенно более низкий предел прочности, чем основные кольца, и размещенными в средней части рукава.

5. Рукав по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что основные и дополнительные ограничительные кольца имеют форму тороида.

6. Рукав по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что основные и дополнительные ограничительные кольца заключены внутри стенки рукава.

7. Рукав по любому их пп.1 - 6, отличающийся тем, что он изготовлен из синтетического материала эластомера.

8. Рукав по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что он образует инструмент для расширения гибкой и радиально деформируемой заготовки, отверждаемой на месте для формирования трубооборудования скважины или трубы.

9. Рукав по п.8, отличающийся тем, что он первоначально присоединен к заготовке и выполнен с возможностью извлечения в конце операции.

10. Рукав по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что он образует инструмент для уплотнения скважины или трубы.

11. Рукав по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что он образует гибкую и радиально деформируемую заготовку, отверждаемую на месте для формирования трубооборудования скважины или трубы.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к надувным трубчатым рукавам для трубооборудования или уплотнения скважины или трубы.

Гибкие трубчатые заготовки, которые отверждают на месте, уже были предложены для трубооборудования нефтяных буровых скважин и для подобных применений; их приспосабливают так, что устанавливают их на место в радиально сложенном или нерасширенном состоянии, в котором они имеют малый габаритный размер в радиальном направлении, и затем разворачивают и/или расширяют в радиальном направлении, для чего создают в них внутреннее давление, прежде чем отверждают их на месте, например, с помощью полимеризации.

Заготовки этого типа описаны, например, в публикациях международных заявок WO-91/18180, WO-94/21887 и WO-94/25655.

Выражение "радиально деформируемый" относится к рукавам, которые могут быть расширены в радиальном направлении путем простого развертывания как, например, в случае с заготовкой, описанной в публикации WO-91/18180, или которые могут быть просто расширены в радиальном направлении (без того, чтобы их разворачивать) путем увеличения их диаметра под действием внутреннего давления, или которые могут быть последовательно развернуты и затем расширены как, например, в случае с матрицей и заготовкой, описанными в публикации WO-94/25655.

В авторском свидетельстве СССР N 1698425, кл. E 21 B 33/14, 15.12.91 раскрыт надувной трубчатый рукав для трубооборудования или уплотнения скважины или трубы, имеющий возможность его расширения в радиальном направлении и ряд ограничительных колец, смещенных относительно друг друга в осевом направлении.

Изобретение было задумано как рукав, который используют как инструмент для расширения заготовки, причем этот инструмент относится к тому же общему типу, как и расширительный инструмент заготовки, который называют матрицей, описанный в публикации WO-94/25655, цитируемом выше; эту матрицу первоначально присоединяют к заготовке, причем устанавливают внутри последней. После того, как комбинацию матрица/заготовка надувают и отверждают заготовку, матрицу вытягивают.

Однако, изобретение в равной степени относится к рукаву, который используют как устройство для уплотнения стенки скважины, чтобы предотвращать утечки текучей среды, этот инструмент общеизвестен в технике как "упаковщик".

В одной возможной реализации трубчатый рукав, который является предметом изобретения, может также состоять непосредственно из заготовки.

Если расширением заготовки не управляют во время операции радиальной деформации (развертывания и/или расширения) рукава вышеупомянутого вида в пределах скважины или трубы, имеется риск образования карманов жидкости, которые захвачены между рукавом и стенкой скважины или трубой. В нефтяном бурении и подобных приложениях скважина или труба обычно заполнена водой, глинистым раствором или какой-либо другой жидкостью.

Это, очевидно, порождает проблему, так как рукав или заготовка, окружающие скважину или трубу, не могут быть правильно прижаты к стенке и полученная система труб поэтому не является идеально цилиндрической и твердо не закреплена.

Была сделана попытка преодолеть эту трудность в случае оборудованных надувными мембранами уплотняющих инструментов (упаковщиков), для чего изменяют состав материала мембраны или рукава (основанный на синтетическом каучуке) от одного конца к другому так, чтобы противодействие радиальному расширению изменялось прогрессивно. Соответственно, когда текучая среда под давлением подается в инструмент, мембрана расширяется прогрессивно от одного конца инструмента к другому и выдавливает равномерно жидкость, захваченную между мембраной и скважиной или трубой, по мере расширения к концу, в котором противодействие расширению является самым высоким, то есть концу, в котором расширение происходит позже всего.

Хотя в теории этот способ выглядит удовлетворительно, его трудно и дорого применять, потому что состав материала рукава не является постоянным во всем изделии, изменением в составе трудно управлять и, что наиболее важно, этот способ нельзя применять к длинным рукавам.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание надувного трубчатого рукава для трубооборудования скважины или уплотнения скважины или трубы, в частности для нефтедобывающей промышленности, имеющего конструкцию, обеспечивающую его прогрессивное расширение от одного конца к другому полностью управляемым способом и независимо от его длины.

Этот технический результат достигается тем, что в надувном трубчатом рукаве для трубооборудования или уплотнения скважины или трубы, имеющем возможность его расширения в радиальном направлении и ряд ограничительных колец, смещенных относительно друг друга в осевом направлении, согласно изобретению, ограничительные кольца размещены на входном конце рукава или на его входном и выходном концах и имеют возможность разрыва одно после другого в продольном направлении рукава при его раздувании внутренней текучей средой под давлением.

Целесообразно, чтобы ограничительные кольца были расположены равномерно на одинаковом расстоянии друг от друга.

Желательно, чтобы рукав был снабжен дополнительными ограничительными кольцами, имеющими существенно более низкий предел прочности, чем основные кольца, и размещенными на входном конце рукава или в средней части рукава.

Предпочтительно, чтобы основные и дополнительные ограничительные кольца имели форму тороида.

Целесообразно, чтобы основные и дополнительные ограничительные кольца были заключены внутри стенки рукава.

Рукав может быть изготовлен из синтетического материала эластомера.

Возможно, чтобы рукав образовывал инструмент для расширения гибкой и радиально деформируемой заготовки, отверждаемой на месте для формирования трубооборудования скважины или трубы.

При этом он первоначально может быть присоединен к заготовке и выполнен с возможностью извлечения в конце операции.

Рукав может образовать инструмент для уплотнения скважины или трубы.

Возможно, чтобы рукав образовал гибкую и радиально деформируемую заготовку, отверждаемую на месте для формирования трубооборудования скважины или трубы.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из описания и приложенных чертежей, на которых:

фиг. 1 изображает вид в продольном сечении надувного трубчатого рукава, согласно изобретению, размещенного внутри гибкой заготовки, отверждаемой на месте;

фиг. 2 и 3 изображают виды в поперечном сечении заготовки, показанной на фиг. 1, соответственно, до и после радиального расширения;

фиг. 4-8 схематически изображают различные этапы трубооборудования скважины с использованием рукава и заготовки, показанных на фиг. 1 и 2;

фиг. 9 и 10 схематически изображают варианты выполнения рукава, показанного на фиг. 1 без размещения его в заготовке.

На фиг. 1 показан инструмент для расширения гибкой заготовки, отверждаемой на месте внутри скважины или трубы путем ее полимеризации.

Этот инструмент состоит из цилиндрического трубчатого рукава 1 обычно удлиненной формы с цилиндрической стенкой 2. Рукав 1 закрыт в обоих концах поперечными стенками 3, 4, одна из которых, в данном случае стенка 3, содержит патрубок 5, проходящий сквозь нее, уплотненный с ней, и соединенный с трубой 6 для введения текучей среды под давлением, например воды, внутрь рукава, чтобы заставить его расширяться в радиальном направлении. Материал рукава представляет собой, например, синтетическую резину (эластомер), или основанный на эластомере материал. Используют одинаковый материал с одинаковыми механическими характеристиками вдоль всей длины рукава, который, следовательно, может быть изготовлен с большой длиной.

Рукав 1 вставлен в трубчатую заготовку 7, которая первоначально является гибкой, но которую можно отвердить на месте путем ее полимеризации.

Заготовка 7 имеет стенку, выполненную из смолы 8, которая первоначально является текучей (пластичной), но которую можно отвердить, для чего ее нагревают, для полимеризации. Эту смолу 8 заключают между внешней оболочкой 9 из гибкого упругого материала и стенкой 2 рукава 1, которая служит как внутренняя оболочка.

Комбинация рукава 1 и заготовка 7 имеет ось XX" и относится к известному типу, который описан в публикации WO-94/25655 (фиг.9-12).

Временные средства соединения (на чертеже не показаны) первоначально присоединяют рукав 1 к окружающей его заготовке 7. Их разрывают в конце операции (после того, как отверждают заготовку) так, чтобы можно было вытянуть внутренний рукав 1, как объяснено ниже.

Стенка рукава 1 снабжена рядом ограничительных колец, смещенных относительно друг друга в осевом направлении и имеющих возможность разрыва одно после другого в продольном направлении рукава 1 при раздувании рукава 1 внутренней текучей средой под давлением.

Все кольца 10 имеют в основном одинаковый предел прочности.

Кольца 10 располагают равномерно на одинаковом расстоянии e друг от друга.

Как видно на фиг. 1, не весь рукав 1 снабжают кольцами. Кольца могут быть размещены на входном конце рукава 1 или на его входном и выходном концах. Кольца 10 размещены только на секции 11, которая соответствует главной части рукава 1 длиной L, которая начинается у того же конца, в котором находится патрубок 5, то есть у входного конца.

Обычно "входной" конец означает конец скважины, который открыт с внешней стороны и через который из устья скважины поступает текучая среда для надувания.

Короткую секцию у противоположного (выходного) конца с длиной 1 (которая значительно меньше, чем L) не снабжают кольцами.

Кольца 10 предпочтительно имеют тороидальную форму, то есть они имеют форму колец и круглое поперечное сечение, хотя это не обязательно.

Каждое кольцо 10 может преимущественно содержать нить, например, из полимерного материала или металла, которую закручивают в несколько витков, чтобы образовать кольцо.

Кольца 10 предпочтительно покрывают веществом, которое способствует скольжению относительно материала эластомера, в который их заключают. Это вещество представляет собой, например, кремнийорганическое масло. Это уменьшает риск разрыва стенки рукава 1, когда кольца 10 разрывают, и облегчает скольжение колец 10 по стенке 2 рукава 1, которое является необходимым, когда ее расширяют.

Следующие значения размеров приведены в качестве не ограничивающего примера:

общая длина L + 1 рукава: 20 м,

длина L секции 11, которую снабжают кольцами: 18 м,

длина 1 секции 14 без колец: 2 м,

расстояние e между кольцами: 10 мм,

толщина (радиальная) стенки 2 рукава: 10 мм,

толщина (радиальная) стенки 8 заготовки 7: 10 мм,

диаметр комбинации рукав/заготовка перед надуванием (фиг. 2.); 100 мм,

диаметр этой комбинации после надувания (фиг. 3): 160 мм.

На фиг. 4 показана начальная фаза трубооборудования нефтяной буровой скважины, которая имеет приблизительно цилиндрическую стенку 12.

На схемах скважина расположена горизонтально, но она может проходить в любом направлении, в частности вертикально, причем изобретение остается применимым и в этом случае.

Диаметр комбинации заготовка и рукав выбирают так, чтобы в радиально расширенном состоянии заготовка была должным образом прижата к стенке 12, чтобы служить трубой для скважины.

Комбинацию рукав/заготовка помещают на место, для чего используют извне скважины средство, известное само по себе (слева направо, как показано на фиг. 4); на фиг. 4, комбинация рукав/заготовка находится в требуемом положении, перед областью стенки 12, которую нужно оборудовать трубой.

Комбинацию погружают в жидкость 13, такую как глинистый раствор, которая присутствует в скважине.

Жидкость, такую как вода, можно подавать под давлением внутрь рукава 1 от устья скважины через трубу 6 и патрубок 5.

Способом, который сам по себе является известным, эта жидкость под давлением расширяет рукав 1 и заготовку 7 вокруг него, и таким образом расширяют вышеуказанную комбинацию в радиальном направлении к стенке 12.

В отсутствие колец 10 это расширение происходило бы неуправляемым способом, с риском создать снаружи комбинации рукав/заготовка карманы, в которых был бы захвачен некоторый объем жидкости 13, что затрудняет операцию трубооборудования.

Когда используют устройство согласно изобретению, сначала под давлением сжатой жидкости, которую подают в рукав 1 (стрелка F на фиг. 5), расширяют выходную секцию 14, потому что она не несет ограничительных колец и, следовательно, имеет больший простор для деформации, чем секция 11 рукава 1. Это расширение сопровождается уменьшением осевого размера секции 14, которая прижимает к стенке 12 секцию заготовки 7 вокруг нее. Во время этого расширения глинистый раствор, который находился снаружи секции 14, выдавливают по направлению входящего и нисходящего потоков, как показано стрелками i на фиг. 5.

Риск формирования карманов вокруг секции 14 мал, потому что она имеет малую длину 1.

Если давление жидкости внутри рукава 1 увеличивают далее, то значение p1, которое больше чем p, кольцо 10 у выходного конца со временем разрывается. Как можно легко показать с помощью расчета, именно это кольцо 10 подвергается воздействию самой большой расширяющей силы. После того, как оно разорвалось, разрушается следующее кольцо в сторону входа.

Следовательно, все кольца 10 разрывают постепенно, одно после другого, в направлении от выхода к входу (справа налево на фиг. 5 и 6).

С помощью этого управляемого распространения фронта расширения жидкость 13 между заготовкой 7 и стенкой 12 постепенно удаляют также в направлении от выхода к входу, как показано в символической форме стрелками i. При таком вытеснении избегают формирования карманов, невыгода которых указана выше.

После того, как разрывают все кольца 10 и заготовку 7 полностью прижимают к стенке 12, ее полимеризуют путем нагревания; эту операцию производят, например, посредством подачи горячей жидкости внутрь рукава и/или эффекта Джоуля, для которого используют электрический проводник (нагревательную проволоку), который заключают в рукав 1 или в заготовку 7.

Давления надувания и имеют, например, значения соответственно порядка 500 кПа и 1500 кПа.

На фиг. 3 показана операция расширения, во время которой кольцо 10 разрывают на три фрагмента 10а, 10б, 10в. Оно могло быть разорвано в одной точке или на большее число фрагментов. Само собой разумеется, что кольца 10 также должны быть гибкими так, чтобы их кривизна могла изменяться, чтобы следовать за кривизной рукава после разрыва кольца 10. Как уже было изложено, кольца полезно обмазывать, чтобы способствовать относительному скольжению кольца или фрагментов кольца относительно материала стенки рукава после разрыва кольца.

После того, как заготовку 7 отверждают, чтобы она стала жесткой трубой 7" (фиг. 7), матрицу вытягивают, как показано символически стрелкой G на фиг. 8.

В только что описанной реализации сборку рукав/заготовка расширяют только путем радиального расширения. Само собой разумеется, что изобретение применяется в равной степени к комбинациям, первоначально сложенным продольно (в форме буквы "U" или улитки), как показано, в частности, в публикации WO-91/18180 или в WO-94/25655 (фиг. 6A и 6B).

Рукав 15 в варианте, показанном на фиг. 9, имеет основную секцию 16 длины L, которая снабжена кольцами 17, подобными кольцам 10. Эти кольца 17 имеют в основном одинаковый, сравнительно высокий предел прочности.

Секция 18 у входного конца рукава 15 также снабжена дополнительными ограничительными кольцами 19, но со значительно более низким пределом прочности, чем кольца 17. Этот предел прочности, однако, не является пренебрежимо малым.

Рукав 15 может, следовательно, содержать текучую среду при заметном давлении без деформации его в радиальном направлении.

Это позволяет сообщать рукаву некоторую жесткость путем подачи в него текучей среды под давлением без риска заставить его расшириться. Это может быть полезно для того, чтобы вводить рукава в некоторые скважины или трубы, в особенности непрямолинейные скважины или трубы, поскольку жесткость рукава помогает его направлять.

Когда рукав 15 устанавливают правильно, внутреннее давление увеличивают, чтобы заставить его расширяться в два этапа: во-первых, расширяют секцию 18 тем, что постепенно разрывают кольца 19 и затем, при более высоком давлении, постепенно расширяют секцию 16, для чего последовательно разрывают кольца 17.

Рукав 15 также связан с заготовкой подобно рукаву 1 предыдущего воплощения, но, чтобы упростить фиг.9, последняя не показана.

Аналогично, рукав 20, показанный схематично на фиг. 10, связан с заготовкой, которая не показана.

В этом варианте рукава 20 средняя секция 21, которая имеет малую длину L, не несет никаких ограничительных колец. С другой стороны, кольца 22, подобные кольцам 10, размещают на каждой из длинных концевых секций 23, 24 с длинами соответственно L₁ и L₃.

В этом варианте среднюю секцию 21 расширяют первой и прижимают к стенке скважины или трубы, и затем расширение рукава 20 распространяют последовательно от этой секции 21 к каждому концу рукава 20 и одновременно выдавливают жидкость, которая содержится в скважине или трубе, к каждому из этих концов.

Конечно, среднюю секцию 21 можно было бы также снабдить кольцами, подобными кольцам 19 с более низким пределом прочности, чем кольца 22.

Ограничительные кольца, которыми снабжают радиально деформируемый рукав согласно представленному изобретению, не обязательно заключены внутри стенок вышеназванного рукава. Они могут находиться на внешней стороне последнего.

Рукав согласно изобретению не обязательно является инструментом для расширения первоначально гибкой заготовки, которая может быть отверждена на месте.

Рукав согласно изобретению можно в равной степени использовать как инструмент уплотнения типа "упаковщика".

Рукав может непосредственно составлять заготовку, причем ограничительные кольца погружены в полимеризуемую смолу заготовки, например, между двумя упругими оболочками.