соединительный узел и способ его применения

Формула изобретения

1. Автоматический соединительный узел для взаимного соединения скважинных инструментов для образования колонны инструментов, содержащий первый переводник, имеющий инструментальный конец, выполненный с возможностью соединения с первым скважинным инструментом, и выравнивающий конец, оправку, имеющую штифтовой конец и противоположный конец, причем штифтовой конец выполнен с возможностью сопряжения с выравнивающим концом первого переводника, второй переводник, имеющий переводной конец, выполненный с возможностью соединения со вторым скважинным инструментом, и второй конец, соединенный с противоположным концом оправки, и втулку, имеющую первый открытый конец и второй открытый конец и выполненную с возможностью перемещения по оправке и в соединении с ней, а второй открытый конец выполнен с возможностью соединения с выравнивающим концом первого переводника для взаимного соединения первого переводника и второго переводника.

2. Соединительный узел по п.1, в котором первый открытый конец втулки выполнен с возможностью резьбового соединения с оправкой, а второй открытый конец выполнен с возможностью резьбового соединения с выравнивающим концом первого переводника.

3. Соединительный узел по п.1, в котором первый открытый конец втулки имеет уменьшенный диаметр по сравнению со вторым открытым концом втулки.

4. Соединительный узел по п.2, в котором оправка дополнительно включает в себя высаженную шейку, имеющую диаметр, превышающий диаметр первого отрытого конца и меньший диаметра второго открытого конца, причем первый открытый конец расположен вокруг оправки между высаженной шейкой и вторым переводником.

5. Соединительный узел по п.2, в котором первый открытый конец втулки имеет уменьшенный диаметр по сравнению со вторым открытым концом втулки.

6. Соединительный узел по п.5, в котором оправка дополнительно включает в себя высаженную шейку, имеющую диаметр, превышающий диаметр первого открытого конца и меньший диаметра второго открытого конца, причем первый открытый конец расположен вокруг оправки между высаженной шейкой и вторым переводником.

7. Соединительный узел по п.4, в котором оправка дополнительно включает в себя буртик, расположенный между высаженной шейкой и вторым переводником и имеющий внешнюю поверхность, выполненную с возможностью резьбового соединения с первым открытым концом.

8. Соединительный узел по п.6, в котором оправка дополнительно включает в себя буртик, расположенный между высаженной шейкой и вторым переводником и имеющий внешнюю поверхность, выполненную с возможностью резьбового соединения с первым открытым концом.

9. Соединительный узел по п.1, в котором первый переводник дополнительно включает в себя высаженную муфту, имеющую торец, ориентированный по направлению к выравнивающему концу и расположенный так, что когда второй открытый конец полностью соединен с выравнивающим концом первого переводника, между торцом второго открытого конца и торцом муфты образуется зазор.

10. Соединительный узел по п.3, в котором первый переводник дополнительно включает в себя высаженную муфту, имеющую торец, ориентированный по направлению к выравнивающему концу и расположенный так, что когда второй открытый конец полностью соединен с выравнивающим концом первого переводника, между торцом второго открытого конца и торцом муфты образуется зазор.

11. Соединительный узел по п.4, в котором первый переводник дополнительно включает в себя высаженную муфту, имеющую торец муфты, ориентированный по направлению к выравнивающему концу и расположенный так, что когда второй открытый конец полностью соединен с выравнивающим концом первого переводника, между торцом второго открытого конца и торцом муфты образуется зазор.

12. Соединительный узел по любому из пп.1, 3, 4, 8 и 9, дополнительно включающий в себя средства для выравнивания первого переводника и второго переводника в желательной ориентации при их взаимном соединении.

13. Автоматический соединительный узел для взаимного соединения скважинных инструментов для образования колонны инструментов, содержащий первый переводник, имеющий инструментальный конец, выполненный с возможностью соединения с первым скважинным инструментом, выравнивающий конец, имеющий внешнюю резьбу и внутреннее конусное приемное гнездо, и высаженную муфту, имеющую торец, направленный к выравнивающему концу, первые выравнивающие элементы, расположенные на наружном краю выравнивающего конца, второй переводник, имеющий переводной конец, соединяемый со вторым скважинным инструментом, оправку, имеющую противоположный конец, соединяемый со вторым переводником, конусный штифтовой конец, выполненный с возможностью сопряжения с конусным приемным гнездом, буртик, имеющий резьбовую внешнюю поверхность, и высаженную шейку, имеющую выравнивающий торец, ориентированный по направлению к штифтовому концу, вторые выравнивающие элементы, расположенные на краю выравнивающей поверхности с возможностью сопряжения с первыми выравнивающими элементами для ориентации первого и второго скважинных инструментов, и втулку, имеющую первый открытый конец, расположенный между высаженной шейкой и вторым переводником и имеющий внутреннюю резьбу, выполненную с возможностью сопряжения с резьбой на буртике, и диаметр, меньший диаметра высаженной шейки, и второй открытый конец, имеющий внутреннюю резьбу, выполненную с возможностью сопряжения с резьбой на выравнивающем конце, и имеющий диаметр, превышающий диаметр высаженной шейки, при этом, когда соединительный узел разъединен, первый открытый конец навинчен на буртик, а второй открытый конец отсоединен от выравнивающего конца, а когда соединительный узел находится во взаимно соединенном положении, а первый скважинный инструмент и второй скважинный инструмент выровнены, второй открытый конец навинчен на выравнивающий конец, а между торцом муфты и торцом второго открытого конца втулки образован определенный зазор.

14. Соединительный узел по п.13, в котором первый скважинный инструмент представляет собой стреляющий перфоратор, и второй скважинный инструмент представляет собой стреляющий перфоратор.

15. Способ взаимного соединения первого скважинного инструмента и второго скважинного инструмента для образования колонны скважинных инструментов, включающий следующие этапы: обеспечение первого переводника, имеющего инструментальный конец и выравнивающий конец, образующий приемное гнездо, соединение инструментального конца с первым скважинным инструментом, обеспечение оправки, имеющей противоположный конец, соединяемый со вторым переводником, штифтовой конец и втулку, имеющую первый открытый конец, вводимый в зацепление с оправкой, и второй открытый конец, соединяющий второй переводник со вторым скважинным инструментом, заведение штифтового конца в приемное гнездо; взаимное соединение скважинных инструментов путем поворота втулки в первом направлении для осевого перемещения втулки и навинчивания второго открытого конца втулки на выравнивающий конец первого переводника.

16. Способ по п.15, дополнительно включающий этапы обеспечения первых выравнивающих элементов на первом переводнике, обеспечения вторых выравнивающих элементов на оправке и выравнивания первого и второго скважинных инструментов друг относительно друга в желательной ориентации путем сопряжения первых выравнивающих элементов и вторых выравнивающих элементов.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится в основном к соединительным узлам и способам соединения устройств, а более конкретно к соединительным узлам и способам сочленения и расчленения колонн скважинных инструментов.

После того как скважина пробурена и в эту скважину зацементирована обсадная колонна, одну или несколько секций обсадной колонны перфорируют с помощью стреляющих перфораторов. После опускания перфорационной колонны в скважину на желательную глубину, перфораторы в этой колонне стреляют, создавая отверстия в обсадной колонне и продолжая перфорационные отверстия в окружающий пласт. После этого добываемые текучие среды, присутствующие в пласте, могут течь через перфорационные отверстия и отверстия в обсадной трубе в ствол скважины.

При развертывании перфорационной колонны в стволе скважины инструменты обычно собирают в относительно длинную и тяжелую колонну, подвешивают эту колонну над стволом скважины и спускают колонну в него. Перфорационная колонна включает в себя некоторое количество стреляющих перфораторов, соединяемых или скрепляемых друг с другом и с другими компонентами последовательно. Стреляющие перфораторы в общем случае выровнены в заранее определенной конфигурации, зависящей от желательной перфорации пласта, пронизываемого скважиной.

Существующие способы крепления в типичном случае предусматривают сборку колонны вручную на поверхности перед спуском в ствол скважины. Такие способы могут нарушаться вследствие ошибок людей, технических несовершенств и потенциальных угроз для безопасности. Поэтому существует потребность в системе последовательного сочленения скважинных инструментов друг с другом, позволяющей сформировать колонну инструментов, предусматривающей возможность автоматизации и получения более надежного соединения.

Соответственно, предложены соединительные узлы для сочленения и расчленения колонн со скважинными инструментами, предусматривающие автоматические операции.

Вариант осуществления соединительного узла для взаимного соединения скважинных инструментов для образования колонны с инструментами включает в себя первый переводник, имеющий инструментальный конец, выполненный с возможностью соединения с первым скважинным инструментом, и выравнивающий конец, оправку, имеющую штифтовой конец и противоположный конец, причем штифтовой конец выполнен с возможностью сопряжения с выравнивающим концом первого переводника, второй переводник, имеющий переводной конец, выполненный с возможностью соединения со вторым скважинным инструментом, и второй конец, соединяемый с противоположным концом оправки, и втулку, имеющую первый открытый конец и второй открытый конец и расположенную с возможностью перемещения по оправке и в соединении с ней, а второй открытый конец выполнен с возможностью соединения с выравнивающим концом первого переводника для взаимного соединения первого переводника и второго переводника.

Вариант осуществления способа взаимного соединения первого скважинного инструмента и второго скважинного инструмента для образования колонны скважинных инструментов включает в себя этапы, на которых обеспечивают первый переводник, имеющий инструментальный конец и выравнивающий конец, образующий приемное гнездо, соединяют инструментальный конец с первым скважинным инструментом, обеспечивают оправку, имеющую противоположный конец, соединяемый со вторым переводником, штифтовой конец и втулку, имеющую первый открытый конец, вводимый в зацепление с оправкой, и второй открытый конец, соединяющий второй переводник со вторым скважинным инструментом, заводят штифтовой конец в приемное гнездо и взаимно соединяют скважинные инструменты путем поворота втулки в первом направлении для осевого перемещения втулки и навинчивания второго открытого конца втулки на выравнивающий конец первого переводника.

Выше подчеркнуты признаки и технические преимущества настоящего изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания изобретения. Дополнительные признаки и преимущества изобретения, которые составляют предмет изобретения, охарактеризованный в формуле изобретения, будут описаны ниже.

Краткое описание чертежей

Лучше всего понять вышеуказанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения можно будет, обратившись к нижеследующему подробному описанию конкретного варианта осуществления изобретения и изучив его совместно с прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет перспективный вид с пространственным разделением деталей варианта осуществления соединительного узла согласно настоящему изобретению;

фиг.2 представляет под другим углом зрения изображение с пространственным разделением деталей соединительного узла согласно фиг.1;

фиг.3 представляет сечение варианта осуществления колонны скважинных инструментов согласно настоящему изобретению; и

фиг.4 представляет сечение варианта осуществления соединительного узла в конфигурации взаимного соединения.

Подробное описание

На чертежах изображенные элементы не обязательно показаны в масштабе, а одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же позициями на нескольких видах.

В том смысле, в каком они употребляются в данном описании, термины «вверх» и «вниз», «верхний(яя, ее)» и «нижний(яя, ее)» и другие сходные термины, характеризующие положения относительно некоторой заданной точки или некоторого заданного элемента, употребляются для более точного описания нескольких элементов вариантов осуществления изобретения. В общем случае, эти термины относятся к базисной точке, при этом поверхность, с которой начинаются операции бурения, характеризует верхнюю точку, а суммарная глубина скважины - самую нижнюю точку.

На фиг.1 представлено перспективное изображение с пространственным разделением деталей варианта осуществления соединительного узла 10, согласно настоящему изобретению. На фиг.2 изображение с пространственным разделением деталей соединительного узла 10 согласно фиг.1 представлено под другим углом зрения. Соединительный узел 10 выполнен с возможностью взаимного соединения скважинных инструментов, например, но не в ограничительном смысле, стреляющих перфораторов, клапанов, пакеров, фильтров песка, наращиваемых труб, отклонителей, буровых инструментов, оборудования с обратными клапанами, устройств для подвески, инструментов, спускаемых на обсадных колоннах и хвостовиках, каротажных инструментов, инструментов и оборудования для заканчивания и обслуживания скважин.

Соединительный узел 10 пригоден, в частности, для «автоматического» или «дистанционного» сочленения и расчленения скважинных колонн, при этом определения «автоматическое» и «дистанционное» относятся к системам и способам, предусматривающим применение автоматизированного оборудования для операций с трубами. Например, настоящее изобретение можно использовать для сочленения или расчленения колонны стреляющих перфораторов, которая включает в себя, по меньшей мере, два стреляющих перфоратора. Соединительный узел 10 облегчает соединение первого скважинного инструмента, удерживаемого на столе бурового ротора, со вторым стреляющим перфоратором, удерживаемым в буровой вышке, где применяется дистанционно-управляемая система для операций с трубами, или отсоединение упомянутого инструмента от этого перфоратора. Системы для операций с трубами хорошо известны в данной области техники и поэтому не проиллюстрированы в данной заявке. Соединительный узел 10 может дополнительно включать в себя выравнивающие и/или ориентирующие элементы, которые облегчают выравнивание взаимно соединенных скважинных инструментов таким образом, что эти инструменты можно ориентировать в желательном положении в стволе скважины.

Как показано на фиг.1 и 2, соединительный узел 10 включает в себя первый инструментальный переводник 12, сочленяющую оправку 14, сочленяющую втулку 16 и второй инструментальный переводник 18. Соединительный узел 10 в общем случае будет образовывать внутренний канал 24, проходящий по всей длине узла, когда тот находится в конфигурации взаимного соединения, как показано на фиг.4.

Первый инструментальный переводник 12 включает в себя инструментальный конец 20 и выравнивающий конец 22, соединенные друг с другом посредством участка 24а внутреннего канала. Инструментальный конец 20 включает в себя соединительный механизм 26а, выполненный с возможностью соединения с первым скважинным механизмом 90 (фиг.3). В иллюстрируемом варианте осуществления соединительный механизм 26 является резьбовым, однако ясно, что инструментальные переводники 12 и 18 могут быть соединены с соответствующими им скважинными инструментами различными средствами, известными в данной области техники, включая резьбы, винты и сварку.

Первый инструментальный переводник 12 включает в себя высаженную муфту 28, имеющую торец 30, ориентированный по направлению к выравнивающему концу 22. Выравнивающий конец 22 образует внутреннее сужающееся приемное гнездо 32. Выравнивающий конец 22 дополнительно включает в себя резьбу 34, выполненную вдоль его внешней поверхности между муфтой 28 и наружным краем 36. Наружный край 36 может дополнительно включать в себя выравнивающие элементы, такие как гребни 100а и впадины 102а.

Сочленяющая оправка 14 представляет собой удлиненный элемент, имеющий конусный штифтовой конец 38 и противоположный конец 40, соединенные друг с другом посредством участка 24b внутреннего канала. Конусный штифтовой конец 38 выполнен с возможностью введения в сужающееся приемное гнездо 32 первого инструментального переводника 12. Противоположный конец 40 выполнен с возможностью соединения со вторым инструментальным переводником 18.

Вдоль сочленяющей оправки 14 сформирован выступающий буртик 42, имеющий внешнюю резьбовую поверхность 44. Оправка 14 включает в себя высаженную шейку 46, отстоящую от выступающего буртика 42 в направлении конусного штифтового конца 38. Шейка 46 и буртик 42 разделены участком 48. Шейка 46 включает в себя заплечик 50, ориентированный по направлению к конусному штифтовому концу 38. Выравнивающий торец 52 включает в себя выравнивающие элементы 100b и 102b, которые выполнены с возможностью соединения с соответствующими выравнивающими элементами 100а и 102а первого инструментального переводника 12.

Второй инструментальный переводник 18 имеет переводной конец 54 и фланцевый конец 56, соединенные друг с другом посредством участка 24 с внутреннего канала. Переводной конец 54 включает в себя соединительный механизм 26b, выполненный с возможностью соединения со вторым скважинным инструментом (фиг.3). Фланцевый конец 56 выполнен с возможностью соединения с противоположным концом 40 сочленяющей оправки 14. В варианте осуществления, показанном на фиг.3 и 4, фланцевый конец 56 соединен с сочленяющей оправкой 14 посредством резьбового соединения и блокировочного механизма 58b. Как подробнее описывается ниже, блокировочный механизм 58b обеспечивает скрепление сочленяющей оправки 14 и второго инструментального переводника 18 известным способом выравнивания таким образом, чтобы первый скважинный инструмент 90 и второй скважинный инструмент 92 можно было располагать в стволе скважины (не показан) в желательной ориентации.

Следует также понять, что конец 56 назван «фланцевым концом» лишь для того, чтобы отличить его от концов других элементов, и не обязательно имеет конфигурацию фланца. Фланцевый конец 56 в иллюстрируемом варианте осуществления предусматривает конфигурацию фланца, которая ограничивает осевое перемещение сочленяющей втулки 16 в одном направлении, вместе с тем, можно использовать и другие проектные конфигурации.

Сочленяющая втулка 16 представляет собой цилиндрический элемент, который имеет конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, и конец 66, имеющий номинальный диаметр, ограничивающие внутренний канал 17. Конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, имеет внутреннюю резьбу 62, которая соответствует резьбе 44 выступающего буртика 42. Конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, включает в себя внутренний гребень 64, выполненный с возможностью контакта с заплечиком 50 сочленяющей оправки 14 и ограничения осевого перемещения втулки 16 в одном направлении.

Конец 66, имеющий номинальный диаметр, имеет внешний торец 68. По меньшей мере, на части канала 17 вблизи конца 66, имеющего номинальный диаметр, есть резьба 70. Резьба 70 совместима с резьбой 34 первого инструментального переводника 12.

Сочленяющая втулка 16 расположена поверх оправки 14, при этом конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, ориентирован по направлению к фланцевому концу 56 второго инструментального переводника 18, а торец 68 втулки ориентирован по направлению к высаженной шейке 46. Осевое перемещение сочленяющей втулки 16 ограничено промежутком между фланцевым концом 56 и заплечиком 50 высаженной шейки 46.

На фиг.3 представлено сечение колонны 72 скважинных инструментов, в которой применяется вариант осуществления соединительного узла 10, перед сочленением. В этом варианте осуществления, колонна 72 представляет собой колонну со стреляющими перфораторами, а оба - первый и второй - скважинный инструменты 90, 92 представляют собой стреляющие перфораторы. Первый стреляющий перфоратор 90 является нижним инструментом, а второй стреляющий перфоратор 92 является следующим инструментом в колонне 72, причем нижний инструмент спускают в ствол скважины первым.

Первый стреляющий перфоратор 90 соединен посредством резьбы с инструментальным концом 20 первого инструментального переводника 12. Первый инструментальный переводник 12 также может быть соединен со стреляющим перфоратором 90 в установочном положении таким образом, что ориентация перфоратора 90 относительно наружного края 36 и выравнивающих элементов 100а и 102а окажется известной, и это может быть выполнено с помощью блокировочного механизма 58а, который может представлять собой, но это не является ограничительным признаком - установочный винт.

Сочленяющая втулка 16 расположена поверх сочленяющей оправки 14, при этом конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, ориентирован по направлению к противоположному концу 40 оправки 14, а конец 66, имеющий номинальный диаметр, проходит по направлению к конусному штифтовому концу 38 оправки 14. Конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, соединен с выступающим буртиком 42, закрепляя сочленяющую втулку 16 в отсоединенном положении. Сочленяющая втулка 16 может дополнительно включать в себя отверстие 74 для выравнивания между втулкой 16 и участком 48 и внешней поверхностью втулки 16.

Противоположный конец 40 подсоединен внутри второго инструментального переводника 18, соединенного со вторым стреляющим перфоратором 92. Может оказаться желательным закрепление оправки 14, в частности, выравнивающего торца 52 и выравнивающих элементов 100b и 102b, в известной ориентации относительно стреляющего перфоратора 92. Для закрепления оправки 14 в выровненном положении можно использовать блокировочный механизм 58b между вторым инструментальным переводником 18 и оправкой 14 и/или блокировочный механизм 58 с между скважинным инструментом 92 и инструментальным переводником 18.

На фиг.4 представлено сечение соединительного узла 10 после взаимного соединения элементов.

Со ссылками на фиг.1 и 4 способ взаимного соединения скважинных инструментов 90 и 92 для формирования скважинной колонны 72 осуществляется следующим образом.

Первый скважинный инструмент 90 располагают и удерживают с помощью стола бурового ротора буровой установки, а второй скважинный инструмент 92 удерживают в буровой вышке.

Конусный штифтовой конец 38 заводят в конусное приемное гнездо 32. Сочленяющую втулку 16 поворачивают в первом направлении относительно оправки 14 с помощью приводных ключей для труб или других средств осуществления поворота. При повороте в первом направлении, втулка 16 совершает осевое перемещение вдоль оправки 14 к первому инструментальному переводнику 12, а конец 66, имеющий номинальный диаметр, соединяется посредством резьбы с первым инструментальным переводником 12. Осевое перемещение втулки 16 будет продолжаться до тех пор, пока гребень 64 не вступит в контакт с заплечиком 50 шейки. Дальнейший поворот втулки 16 в первом направлении приведет к вращательному движению оправки 14 до тех пор, пока выравнивающие элементы 100b и 102b не окажутся сопряженными с выравнивающими элементами 100а и 102а. Для обеспечения надлежащего сочленения соединительного узла 10, можно предусмотреть зазор 76 (фиг.4) выбранной величины между торцом 30 муфты первого инструментального переводника 12 и торцом 68 втулки, причем оператор, находящийся на настиле буровой установки, сможет видеть этот зазор. Например, можно предусмотреть зазор 76 величиной, приблизительно равной четверти дюйма для проведения беспрепятственной идентификации надлежащего сочленения соединительного узла 10 и выравнивания инструментов 90 и 92 в желательной ориентации. Сразу же после сочленения колонну 72 можно опускать в ствол скважины.

Соединительный узел 10 включает в себя герметизированный уплотнительный элемент 78а для баллистического переноса, расположенный на участке 24а канала первого инструментального переводника 12. На участке 24b канала сочленяющей оправки 14 расположен второй герметизированный уплотнительный элемент 78b для баллистического переноса. Применение герметизированных уплотнительных элементов 78а и 78b для баллистического переноса исключает применение уплотнительных элементов типа уплотнительных колец и, тем самым, потребность иметь на настиле буровой установки персонал для ручного контроля надлежащей установки уплотнительных колец перед соединением скважинных инструментов 90 и 92. Таким образом, герметизированные уплотнительные элементы 78а и 78b для баллистического переноса дополнительно облегчают автоматическую эксплуатацию соединительного узла 10.

Для разъединения колонны 72 скважинных инструментов эту колонну 72 вытаскивают из ствола, располагают второй скважинный инструмент 92 в буровой вышке, а первый скважинный инструмент 90 удерживают в столе бурового ротора. Втулку 16 поворачивают во втором направлении относительно оправки 14, отсоединяют конец 66, имеющий номинальный диаметр, от выравнивающего конца 22 инструментального переводника 12. Когда втулку 16 поворачивают во втором направлении, она совершает осевое перемещение по направлению ко второму инструментальному переводнику 18, а конец 60, имеющий уменьшенный диаметр, навинчивается на выступающий буртик 42, закрепляя втулку 16 в отсоединенном положении.

Из вышеизложенного подробного описания конкретных вариантов осуществления изобретения должно быть ясно, что описана новая система для взаимного соединения скважинных инструментов посредством автоматических устройств. Хотя здесь с некоторыми подробностями рассмотрены конкретные варианты осуществления изобретения, это сделано лишь в целях описания различных признаков и аспектов изобретения, а не в целях ограничения объема притязаний изобретения. Предусматривается, что в рамках существа объема притязаний изобретения, определяемого нижеследующей формулой изобретения, можно провести различные замены, изменения и/или модификации в описанных вариантах осуществления, включая, но не в ограничительном смысле, разновидности воплощений, предложенных выше.