способ однорейсового спуска, цементирования и установки хвостовика посредством расширения

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к способам установки хвостовика в нужном положении и его цементирования. Внутри хвостовика выдвигают клинья для сцепления с его внутренней поверхностью, когда освобождается оправка для перемещения, с целью удерживания хвостовика в окружающей его трубчатой части. В этом положении, когда хвостовик удерживают в скважине, спускной инструмент может быть приподнят для проверки механизма разъединения и затем посажен снова для выполнения цементирования. Затем инструмент приподнимают для освобождения клапана-заслонки и повторно повышают давление для установки уплотнения возле опоры, ранее обеспеченной в результате действия оправки. Разрывной диск клапана-заслонки разрывается и инструмент извлекают. Также обеспечивается устройство аварийного разъединения. Обеспечивается крепление хвостовика в скважине за один рейс. 19 з.п. ф-лы, 106 ил.

Формула изобретения

1. Способ однорейсового цементирования и крепления первого трубчатого элемента в скважине к существующему трубчатому элементу, при осуществлении которого:

выборочно удерживают на спускном инструменте первый трубчатый элемент в нужном месте смежно с существующим трубчатым элементом;

расширяют первый трубчатый элемент с обеспечением его опоры на существующем трубчатом элементе;

обеспечивают поршневой узел, на котором давления первоначально уравновешены с помощью разнесенных проходов, открывающихся в канал, проходящий в спускном инструменте, для приведения в действие клина, обеспечивающего выборочное сцепление спускного инструмента с первым трубчатым элементом в процессе расширения;

прекращают выборочное удерживание первого трубчатого элемента на спускном инструменте после выполнения расширения;

цементируют первый трубчатый элемент только после указанного прекращения удерживания;

обеспечивают уплотнение между первым трубчатым элементом и существующим трубчатым элементом после цементирования;

извлекают спускной инструмент.

2. Способ по п.1, в котором:

при расширении выполняют первоначальное расширение для обеспечения опоры первого трубчатого элемента без уплотнения между ним и существующим трубчатым элементом;

выполняют последующее расширение после цементирования для обеспечения уплотнения между первым трубчатым элементом и существующим трубчатым элементом.

3. Способ по п.2, в котором:

захватывают изнутри первый трубчатый элемент с использованием клина, приводимого в действие спускным инструментом;

перемещают оправку для выполнения первоначального расширения;

обеспечивают указанное прекращение удерживания путем перемещения оправки.

4. Способ по п.3, в котором:

сначала перекрывают канал между указанными разнесенными проходами для нарушения равновесия давлений на поршневом узле, когда в перекрытый канал подают давление;

перемещают поршневой узел для установки клина в положение захвата.

5. Способ по п.4, в котором:

обеспечивают упомянутые проходы из канала к противолежащим сторонам поршневого узла;

перекрывают один из проходов элементом, садящимся на седло в канале;

обеспечивают повышение давления в другом проходе для привода в действие поршневого узла.

6. Способ по п.5, в котором освобождают оправку для ее перемещения после перемещения поршневого узла для установки клина в рабочее положение.

7. Способ по п.6, в котором используют перемещение оправки для отсоединения спускного инструмента от первого трубчатого элемента.

8. Способ по п.7, в котором:

используют поршни, увеличивающие силу, для привода оправки, когда канал первоначально перекрыт;

открывают канал после выполнения первоначального расширения.

9. Способ по п.7, в котором:

приподнимают спускной инструмент на первую высоту после выполнения первоначального расширения для подтверждения отсоединения от первого трубчатого элемента;

осаживают спускной инструмент после приподнимания для цементирования.

10. Способ по п.9, в котором:

приподнимают спускной инструмент на вторую высоту после цементирования;

обеспечивают опору в результате приподнимания на вторую высоту устройства освобождения преграды на конической поверхности в первом трубчатом элементе, сформированной в результате первоначального расширения;

освобождают устройство освобождения преграды для перекрытия канала во второй раз.

11. Способ по п.10, в котором:

перекрывают один из упомянутых проходов из канала в поршневой узел в результате перекрытия канала второй раз;

приводят в действие поршневой узел для выполнения последующего расширения, которое обеспечивает уплотнение между первым трубчатым элементом и существующим трубчатым элементом;

открывают канал второй раз перед извлечением спускного инструмента.

12. Способ по п.11, в котором извлекают вместе со спускным инструментом кольцевую преграду между спускным инструментом и первым трубчатым элементом с опоры на первом трубчатом элементе.

13. Способ по п.2, в котором:

приподнимают спускной инструмент на первую высоту после выполнения первоначального расширения для подтверждения отсоединения от первого трубчатого элемента;

осаживают спускной инструмент после приподнимания для выполнения цементирования.

14. Способ по п.2, в котором:

выборочно перекрывают канал в спускном инструменте каждый раз для выполнения первоначального и последующего расширений;

обеспечивают перемещение поршневого узла давлением в канале, когда его выборочно перекрывают; и

последовательно выполняют, по меньшей мере, первые две операции захвата первого трубчатого элемента клином, выдвинутым перемещением поршневого узла, в результате чего освобождается оправка для ее перемещения и отсоединяется спускной инструмент от первого трубчатого элемента.

15. Способ по п.14, в котором:

последовательно выполняют все три операции в первый раз, когда канал перекрывается перед цементированием; и

последовательно выполняют первые две операции во второй раз, когда канал перекрывается после цементирования.

16. Способ по п.14, в котором:

перекрывают канал в первый раз элементом, который садится на седло, охватывающее канал между упомянутыми проходами, и затем продавливается через седло;

перекрывают канал во второй раз путем освобождения клапана для перекрытия канала за счет перемещения спускного инструмента после цементирования.

17. Способ по п.2, в котором:

выборочно перекрывают канал в первый раз между упомянутыми проходами для действия неуравновешенного давления в канале на поршень для перемещения клина;

выборочно перекрывают канал во второй раз в другом месте и обеспечивают нарушение равновесия поршня путем перекрытия одного из проходов.

18. Способ по п.17, в котором выполняют перекрытие одного из проходов путем выборочного перекрытия канала во второй раз.

19. Способ по п.1, в котором:

обеспечивают изнутри первого трубчатого элемента опору кольцевой преграды, установленной для выборочного перекрытия кольцевого пространства между спускным инструментом и первым трубчатым элементом;

ограничивают площадь поршня, определяющую выталкивающую силу, на спускном инструменте внешним размером спускного инструмента на кольцевой преграде.

20. Способ по п.19, в котором:

устанавливают кольцевую преграду ниже поршневого узла;

обеспечивают соединение противолежащих сторон поршня с каналом внутри спускного инструмента для уравновешивания давлений на поршне и предотвращения нарушения равновесия между давлениями в канале внутри спускного инструмента и в окружающем его кольцевом пространстве.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к однорейсовым системам и инструментам, которые обеспечивают спуск хвостовика при проведении буровых работ и его опору путем расширения для прижатия к окружающей трубчатой части, так что цементирование может осуществляться после получения надежной информации о том, что возможно отсоединение от переводника для обеспечения уплотнения путем последующего расширения.

Уровень техники

Хвостовики опускают по мере того как глубину скважины увеличивают ниже существующей обсадной колонны. Буровое долото крепится к нижнему концу хвостовика, и он вращается вместе с колонной бурильных труб, которая содержит вращающийся инструмент, удерживающий хвостовик для обеспечения его вращения для углубления скважины. После надлежащего позиционирования хвостовика он может быть зацементирован через долото, которое после этого высверливается для дальнейшего углубления скважины. Конструктивной особенностью спускного инструмента, поддерживающего хвостовик, являлось то, что инструмент может быть отсоединен от хвостовика после того как вес хвостовика передается на окружающую обсадную колонну. Достоинством такой конструкции является то, что перед закачиванием цемента оператору на поверхности обеспечивается индикация о том, что спускной инструмент может быть отсоединен от хвостовика перед его цементированием. После такой индикации выполняется цементирование и создается давление на продавливаемой цементировочной пробке, которая сбрасывается после закачивания цемента для установки уплотнения. В то время как вся эта работа выполняется за один рейс она не предусматривает расширения хвостовика.

После появления расширяемых хвостовиков были разработаны технологии спуска хвостовика в процессе бурения. Когда хвостовик необходимо удерживать, чтобы его можно было зацементировать, в имевшихся спускных инструментах не была предусмотрена возможность их отсоединения от хвостовика после его расширения в положение удерживания на окружающей трубчатой части. По существу задача удерживания и уплотнения хвостовика относительно окружающей трубчатой части выполнялась без получения информации о возможности отсоединения спускного инструмента. Цементирование могло начинаться, когда существовала возможность подачи цемента в зону разъединяющего механизма спускного инструмента, и таким образом предотвращалась возможность отсоединения спускного механизма от зацементированного хвостовика. Если после этого нельзя было отсоединить спускной инструмент, можно было вообще потерять скважину, или по меньшей мере необходимо было потратить время и проводить дорогостоящую операцию по спасению скважины, чтобы ее можно было полностью закончить и ввести в эксплуатацию.

В настоящем изобретении предлагается однорейсовая система для спуска хвостовика при выполнении бурения, причем хвостовик может удерживаться после его расширения, и затем выполняется проверка возможности отсоединения спускного инструмента от уже удерживаемого хвостовика. Если спускной инструмент отсоединяется, его осаживают, и хвостовик цементируют. После выполнения цементирования спускной инструмент снова поднимают, чтобы переводник снова можно было закрыть, так что после следующей подачи давления снова обеспечивается продвижение поршнем или несколькими следующими друг за другом поршнями узла оправки для расширения уплотнения с целью обеспечения его контакта с окружающей трубчатой частью. После этого инструмент может быть извлечен из полностью удерживаемого и уплотненного хвостовика, который уже зацементирован. Аварийное разъединение может выполняться путем вращением направо для освобождения клиньев, которые удерживают инструмент внутри хвостовика. Инструмент устроен таким образом, что поршень привода узла оправки находится в равновесии до посадки шара, независимо от того, находится ли уплотнение затрубного пространства между переводником инструмента и хвостовиком ниже узла оправки, как в случае увеличенных размеров или выше него в случае уменьшенных размеров. Обеспечиваются механизмы для скважин увеличенных размеров для перекрытия прохода выравнивания давления, когда необходим второй ход поршня привода клиньев, удерживающих инструмент в хвостовике, для задействования уплотнения после цементирования. Предусматривается открытие канала переводника после установки уплотнения расширением, так что колонна труб, заполненная буровым раствором, не вытягивается. Эти и другие особенности настоящего изобретения будут более понятны после рассмотрения различных вариантов его осуществления, описанных ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, причем следует иметь в виду, что полный объем изобретения определяется его формулой, прилагаемой к описанию.

Раскрытие изобретения

В изобретении предлагается инструмент, обеспечивающий за один рейс продвижение хвостовика при увеличении скважины до его установки в нужном положении. Внутри хвостовика выдвигаются клинья для сцепления с его внутренней поверхностью, когда оправка освобождается для перемещения, с целью удерживания хвостовика в окружающей его трубчатой части. В этой ситуации, когда хвостовик удерживается в скважине, спускной инструмент может быть приподнят для проверки механизма разъединения и затем посажен снова для выполнения цементирования. Затем инструмент приподнимают выше по сравнению с первым разом для освобождения клапана-заслонки и для повторного повышения давления с целью установки уплотнения возле опоры, ранее обеспеченной действием оправки.

Разрывной диск клапана-заслонки разрывается и инструмент извлекают. Обеспечивается устройство аварийного разъединения.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1а-1и - виды сечения инструмента вместе с соответствующим хвостовиком в положении спуска;

на фиг.2а-2и - виды того же инструмента в положении, когда клинья захватили внутреннюю поверхность хвостовика, и оправка выдвинута для обеспечения подвески хвостовика;

на фиг.3а-3и - виды того же инструмента с шаром, прошедшим через седло;

на фиг.4а-4и - виды того же инструмента, приподнятого для подтверждения возможности отсоединения спускного инструмента;

на фиг.5а-5и - виды того же инструмента, осаженного в положение цементирования;

на фиг.6а-6л - виды того же инструмента, приподнятого снова для введения в действие узла клапана-заслонки в расширенной части хвостовика;

на фиг.7а-7к - виды того же инструмента, осаженного для освобождения клапана-заслонки;

на фиг.8а-8к - виды того же инструмента с последующим расширением для уплотнения хвостовика;

на фиг.9а-9к - виды того же инструмента, осаженного для отведения клиньев от хвостовика и повторного запирания поршней привода оправок;

на фиг.10а-10б - виды частей того же инструмента, извлеченного из хвостовика;

на фиг.11a-11б - виды части того же инструмента в положении, когда приводят в действие механизм аварийного разъединения;

на фиг.12а-12р - вид другого варианта конструкции инструмента в положении спуска.

Осуществление изобретения

Хвостовик 10 проходит от нижнего конца, показанного на фиг.1и, до резьбы 12, показанной на фиг.1е, и отсюда верхний удлинитель 14 проходит до опорного кольца 16, показанного на фиг.1б. Узел 18 переводника проходит от верхней части, как показано на фиг.1а, за пределы нижнего конца, показанного на фиг.1и. Компоненты, находящиеся ниже части, показанной на фиг.1и, являются хорошо известными компонентами, используемыми при бурении, такими как буровое долото, и при цементировании, такими как устройство для сбрасывания цементировочных пробок и муфта с седлом для подвешивания пробок, запускаемых до закачивания цемента и после этой операции. Это и другое оборудование, несущественное для четкого понимания изобретения, было исключено из фигур для концентрации внимания на особенностях изобретения, принимая во внимание хорошее знание специалистами в данной области бурового и цементировочного оборудования, расположенного на узле 18 переводника ниже части, показанной на фиг.1и.

Далее будет описана первоначальная опора верхнего удлинителя 14 на узле 18 переводника. К поверхности 24 узла 18 переводника с помощью срезного штифта 22 прикреплена муфта 20 (см. фиг.1б). На некотором расстоянии от узла 18 переводника расположена внешняя муфта 26, имеющая окно 28, в которое входит один или несколько кулачков-упоров 30 с внешним профилем 32, соответствующим профилю 34 в верхней части удлинителя 14 хвостовика. От муфты 26 в каждый кулачок-упор 30 отходит пластинчатая пружина 36, удерживающая его в окне 28 после отвода его опоры, когда, как показано на фиг.26, муфта 20 захватывается выступом 40, ударяющим в выступ 42 на муфте 20, в результате чего срезается срезной штифт 22, и поверхность 38 отводится из-под упоров 30.

Далее будут рассмотрены увеличивающие силу поршни и оправка. Выступ 40 является частью муфты 44. Как показано, муфта 44 прикреплена к трем поршням, удерживаемым один за другим для совместного перемещения, хотя может использоваться большее или меньшее количество поршней. Эти поршни, обозначенные ссылочными номерами 46, 48 и 50, разделены друг от друга муфтами 52, 54 и 56. Камеры 58, 60 и 62 давления сообщаются через проходы 64, 66 и 68 с каналом 70 переводника. Ограничительный упор 72, показанный на фиг.1г, определяет конец хода поршней 46, 48 и 50, когда поршень 50 ударяется в упор 72, как показано на фиг.2г. Продвигаясь вниз от муфты 56, показанной на фиг.1г, можно видеть, что запорная муфта 74 имеет канавку 76, в которой удерживается зажимная втулка 78, когда она опирается на муфту 80. Зажимная втулка 78 является частью узла 18 переводника и прикреплена к нему возле ограничительного упора 72. Запорная муфта 74 соединена с узлом 82 муфты, ниже которого установлена оправка 84 с изменяемым диаметром, например, такая, как описана в патентах US 7128146 и US 7114559, и ниже находится оправка 86 постоянного диаметра, которая прижимается к конической поверхности 88 хвостовика 10, как показано на фиг.1е. Здесь необходимо отметить, что пока узел, приподнятый муфтой 80, перемещается из положения фиг.1д в положение фиг.2д, поршни 46, 48 и 50 не могут перемещаться. В узле, приподнятом муфтой 80, давление выравнено с давлением в канале 70, в отсутствие шара, перекрывающего седло 90, как это будет описано ниже.

Теперь будет рассмотрен узел приводных поршней, приподнятый муфтой 80 и отходящий вниз к клиньям 92 на фиг.1е, 1ж. Муфта 80 соединена с муфтой 94 с помощью резьбы 96. Муфта 94 соединена с поршнем 98 с помощью бобышки 100. Муфта 94 присоединена к скользящему кольцу 102, которое при перемещении заставляет клинья 92 выдвигаться радиально наружу по конусу 104. Конус 104 прикреплен к муфте 110, которая является частью узла 18 переводника, с использованием левой резьбы 106 и срезного штифта 108. Левая резьба 106 является частью механизма аварийного разъединения, который срабатывает, когда узел переводника вращают вправо для отведения конуса 104 от клиньев 92, когда они прижаты к внутренней поверхности хвостовика 10, как это будет описано ниже. Камера 112 сообщается с каналом 70 через проход или проходы 114. Давление на нижней поверхности 116 поршня 98 выравнивается с давлением в канале 70 через проходы 114 и проход 118. Поршень 98 имеет верхнюю поверхность 120, на которую через проход 122 действует давление в канале 70 и которая имеет такие же размеры, как и нижняя поверхность 116, в результате чего поршень 98 находится в равновесии, когда в седле 90 нет шара. Проходы 114 могут быть закрыты для создания разности давлений на сторонах поршня 98, так что давление, действующее в канале 70, будет перемещать клинья 92 по конусу 104 для их сцепления с внутренней поверхностью хвостовика 10, как это будет описано ниже. Как можно понять, на поршень 98 будет также действовать разность давлений с каналом 70 для начального захвата клиньями 92 внутренней поверхности хвостовика 10, так что оправки 86 и 84 могут выдвигаться при перемещении поршней 46, 48 и 50, поскольку узел 18 переводника будет жестко соединен с внутренней поверхностью хвостовика 10, когда сброшенный шар 12 садится на седло 90, как показано на фиг.2е. Движение поршня 98 вниз происходит вместе с муфтой 80, и при этом пружина 126 сжимается в положение, показанное на фиг.2д, как это будет описано ниже.

На внешней поверхности хвостовика 10 возле узла 130 уплотнения расположено захватывающее якорное кольцо 128. Сравнивая фиг.1е и 2е, можно видеть, что якорное кольцо расширяется вначале и прижимается к окружающей трубчатой части (не показана) для обеспечения удерживания на ней хвостовика 10.

Оправки 86 и 86 снова перемещаются после нескольких других перемещений для последующего расширения узла 130 уплотнения, который прижимается к окружающей трубчатой части (не показана), как это будет описано ниже.

Далее будет описано первоначальное расширение хвостовика 10 в окружающей трубчатой части для сцепления с ней якорного кольца 128. Как показано на фиг.2е, седло 90 является частью муфты 132, которая прикреплена к узлу 18 переводника срезными штифтами 134. Седло 90 имеет вспомогательные сегменты 136, также опирающиеся на узел 18 переводника через муфту 132. В конце концов, когда шар 124 садится на седло 90, и давление выше него в канале 70 начинает расширять хвостовик 10, также несколько повышенный уровень давления, возникающий когда поршни 46, 48 и 50 упрутся в ограничитель 72, срежет срезные штифты 134 и будет толкать муфту 132, которая будет скользить, пока сегменты 136 не поравняются с выемкой 138 в узле 18 переводника, после чего седло 90 не будет иметь опоры, и шар 124 может быть продавлен через седло 90, как это показано на фиг.3ж.

Сразу же после посадки шара 124 на седло 90 давление в канале 70 выше шара 124 растет, и равновесие поршня 98 нарушается. Приложенное давление перемещает вниз все элементы от клиньев 92 на нижнем конце до муфты 80 на верхнем конце. Клинья 92 перемещаются по конусу 104, пока они не прижмутся плотно к внутренней поверхности хвостовика 10 для обеспечения надежного удержания. Это же перемещение выводит муфту 80 из-под зажимных втулок 78. После того как зажимные втулки 78 больше не заперты в канавке 76, давление в канале 70 может теперь перемещать поршни 46, 48 и 50, продвигающие оправки 86 и 84 для сцепления якорного кольца 128, которое расположено на внешней поверхности хвостовика 10, с окружающей трубчатой частью (не показана). Теперь хвостовик 10 удерживается на окружающей трубчатой части, и поскольку при движении поршней 46, 48 и 50 вместе с ними перемещается муфта 44, то выступ 40 зацепляется за выступ 42 на муфте 38, опоры кулачков-упоров 30 отходят, и срезные штифты 22 срезаются. Пружины 36 удерживают кулачки-упоры 30, как показано на фиг.26, однако при этом профили 32 и 34 выходят из зацепления друг с другом. Узел 18 переводника теперь отсоединен от независимо удерживаемого хвостовика 10.

Дальнейшее увеличение давления при невозможности дальнейшего перемещения поршней 46, 48 и 50 приводит к тому, что шар 124 сдвигает муфту 132, в результате чего убирается опора седла 90, как это уже указывалось, так что шар 124 продавливается через седло, как показано на фиг.3е. Затем узел 18 переводника осаживают, причем оправка 86 постоянного диаметра садится на коническую поверхность 140, сформированную при перемещении поршней 46, 48 и 50, в результате чего поршни возвращаются в прежнее положение относительно упора 72 (из положения, показанного на фиг.2г, обратно в относительное положение, показанное на фиг.3г, в котором поршни находились перед перемещением (фиг.1г)). Таким образом, поршни 46, 48 и 50 снова установлены в положение готовности для следующего рабочего хода.

В процессе указанного осаживания происходят и другие события. Одно из них заключается в том, что поршни снова запираются. Когда узел 18 переводника осаживают (см. фиг.3), зажимные втулки 78, как показано на фиг, 2г, начинают свое перемещение, поскольку они захвачены над муфтой 80. Зажимные втулки 78 перемещают муфту 80, преодолевая смещающую силу пружины 127, пока головки 142 зажимных втулок не поравняются с канавкой 76, после чего они отгибаются радиально наружу, в результате чего муфта 80 под действием смещающей силы пружины 126 отходит назад, подпирая головки 142 и запирая их в канавке 76, как показано на фиг.3д.

Далее, как показано на фиг.3ж, при осаживании узла 18 переводника происходит перемещение вниз муфты 110, в результате чего конус 104 выводится из-под клиньев 92, так что их сцепление с внутренней поверхностью хвостовика 10 прекращается с одновременным перемещением вверх с помощью пружины 126, упирающейся в поверхность 144 узла 18 переводника и толкающей поверхность 146 этого узла, которая отходит вниз от муфты 80 в направлении клиньев 92, и включая поршень 98.

В этот момент прикладывается приподнимающая сила для проверки того, что кулачки-упоры 30 разъединили профили 32 и 34, как показано на фиг.4а-4в. Если приподнимание встречает малое сопротивление, это является указанием такого разъединения. Необходимо иметь в виду, что оправки 86 и 84 отошли вверх от конической поверхности 140 хвостовика 10, поскольку предыдущее осаживание узла 18 переводника привело к прекращению сцепления клиньев 92 с внутренней поверхностью теперь удерживаемого хвостовика 10 путем проталкивания конуса 104 вниз, в сторону от клиньев 92. Приподнимания на пять футов достаточно для получения на поверхности сигнала о том, что узел 18 переводника отсоединился от хвостовика 10 в зоне профиля хвостовика. Кроме того, как можно видеть на фиг.3б, при последующем приподнимании инструмента выступ 148 будет прижат к выступу 150 опорного кольца 16, в результате чего оно отделяется от удлинителя 14 хвостовика и фиксируется на узле 18 переводника, как показано на фиг.4а-4в.

В этот момент может выполняться цементирование после повторного осаживания узла 18 переводника, пока оправка 86 снова не сядет на коническую поверхность 140, как показано на фиг.5а-5е. Следует иметь в виду, что при осаживании опорное кольцо 16 снова садится на верхнюю часть удлинителя 14 хвостовика, как показано на фиг.5б.

Следующим шагом будет другое приподнимание инструмента на высоту, превышающую высоту подъема, иллюстрируемую на фиг.4. В этом случае высота подъема составит примерно пятнадцать футов или величину, достаточную для подъема узла 152 клапана-заслонки из его положения, показанного на фиг.5з, 5и, в положение, в котором он будет выше конической поверхности 140, как показано на фиг.6з. Ниже будет рассмотрено устройство узла 152 клапана-заслонки со ссылками на фиг.1з, на которой он показан в положении опускания, и на фиг.6з, на которой он заперт выше конической поверхности 140. Как показано на фиг.1з, муфта 154 имеет отверстия 156 для кулачков-упоров 158, которые смещены радиально внутрь одним или несколькими пружинными кольцами 160. Угловой профиль 162 позволяет пружине 164 толкать кулачки-упоры 158 радиально наружу по поверхности 166, когда узел 152 клапана-заслонки поднимается выше конической поверхности 140 в хвостовике 10, как показано на фиг.6з. Пружина 164 толкает кулачки-упоры 158 по угловому профилю 162, пока они не окажутся на поверхности 166, так что когда инструмент осаживают, кулачки-упоры остаются неподвижными на конической поверхности 140 внутри хвостовика 10 при опускании узла 18 переводника. Муфта 168, которая является частью узла 18 переводника, перемещается вместе с клапаном-заслонкой 176, поскольку вырез 170 с кулачком-упором 172 в нем позволяет относительное перемещение неподвижных кулачков-упоров 158, запертых в выдвинутом положении на поверхности 166, кроме того неподвижна также муфта 174, поддерживаемая кулачками-упорами 172, которые, в свою очередь, поддерживаются кулачаками-упорами 158, упирающимися в коническую поверхность 140 внутри хвостовика 10. Однако после заданного относительного перемещения клапан-заслонка 176 опускается за нижний конец 180 муфты 174, и торсионная пружина защелкивает клапан 176 в гнездо, так что канал 70 перекрывается клапаном 176. В этот момент, после защелкивания клапана 176 в канале кулачки-упоры 158 сдвигаются с поверхности 166 и перескакивают на заглубленную поверхность 178, в результате чего они проваливаются внутрь под действием пружинных колец 160 обратно по угловому профилю 162. В результате кулачки-упоры 158 пройдут коническую поверхность 140 внутри хвостовика 10, так что узел 18 переводника может продолжать продвижение вниз, как показано на фиг.7, пока оправка 86 не сядет снова на коническую поверхность 140. В этот момент дальнейшее перемещение поршней 46, 48 и 50 расширит уплотнение 130 до упора в окружающую трубчатую часть (не показана), как это будет описано ниже.

Как можно видеть на фиг.7и, кулачки-упоры 158 опираются теперь на поверхность 184 муфты 168. Как уже указывалось, положение кулачков-упоров 172 относительно кулачков-упоров 158 фиксировано, и муфта 174 перемещается вместе с кулачками-упорами 158, и поэтому можно видеть, что нижний конец 180 муфты 174 поднялся относительно узла 18 переводника и, в частности, относительно муфты 168. Это относительное перемещение также приводит к тому, что проходы 114, показанные открытыми на фиг.1е, теперь закрываются, как это показано на фиг.7ж. Теперь муфта 174 закрывает уплотнение 186, перекрывая сообщение канала 70 с нижней частью поршня 98 на его нижней поверхности 116. В положении, когда посаженный в гнездо клапан 176 перекрывает канал 70 и на ней растет давление, последовательность событий, описанная выше со ссылками на фиг.2, повторяется, поскольку давление на поршне 98 не будет уравновешено. На фиг.8е, 8ж можно видеть, что коническая поверхность 140 исчезает, заменяясь конической поверхностью 188, расположенной ниже вдоль хвостовика 10, и что узел 130 уплотнения теперь надежно прижат к окружающей трубчатой части (не показана), в результате чего устанавливается состояние, в котором хвостовик 10 отсоединен от узла 18 переводника, полностью зацементирован, поддерживается механически якорным кольцом 128 и уплотнен с помощью уплотнения 130 относительно окружающей трубчатой части (не показана). В положении, когда клинья 92 сцеплены с внутренней поверхностью хвостовика, как показано на фиг.8ж, и поршень 50 прижат к ограничительному упору 72, любое дальнейшее повышение давления на закрытом клапане-заслонке 176 приведет к разрыву разрывной мембраны на заслонке, как показано на фиг.8и.

Когда разрывной диск 190 разрушен, инструмент осаживают для освобождения клиньев 92 аналогично тому, как они были отведены ранее (см. фиг.3), и компоновка инструмента возвращается в положение спуска, показанное на фиг.1, с той разницей, что передняя оправка 86 расширила хвостовик 10 до конической поверхности 188, которая теперь поддерживает узел 18 переводника. Таким образом, узел переводника готов к вытягиванию. На фиг.10а показана передняя оправка 86, поднявшаяся выше верхней части удлинителя 14 хвостовика, и при этом остальная вышеописанная часть инструмента находится еще выше.

На фиг.10б показана расположенная ниже горловина 192 на узле 18 переводника, соединяющаяся с кольцевым уплотнением 194, так что оно может быть извлечено вместе с узлом 18 переводника. Сравнивая фиг.9к с фиг.10б, можно видеть, что в процессе всех перемещений, описанных до настоящего момента, уплотнение 194 могло двигаться между узлом 18 переводника и хвостовиком 10, обеспечивая уплотнение кольцевого пространства 196 с помощью уплотнительных элементов 198 и 200. Это большое уплотнение предназначено для того, чтобы предотвращать поступление цемента, который выходит из узла 18 переводника в хвостовик 10 выше долота (не показано), дальше в кольцевое пространство между узлом 18 переводника и хвостовиком 10.

Также на фиг.9к можно отметить, что уплотнение 194 удерживается кулачком-упором 204, который входит в канавку 202 на внутренней поверхности хвостовика 10 и опирается на узел 18 переводника. Такая конфигурация запирания в хвостовике 10, опирающемся на окружающую трубчатую часть (не показана), противостоит выталкивающим силам, создаваемым потоком, проходящим через конец узла переводника и во внутреннюю часть хвостовика 10 по направлению вниз к цементировочному башмаку и долоту (не показаны). Затем остающаяся часть выталкивающей силы потока флюида, проходящего через узел 18 переводника, определяется лишь его диаметром внутри уплотнительного элемента 200, поскольку узел 18 переводника сохраняет подвижность относительно уплотнения 194. В случае скважин, имеющих увеличенные размеры, уплотнение 194 располагается ниже оправок 86 и 84 и удерживающих клиньев 92, в отличие от рассмотренного выше варианта (будет показано ниже в альтернативном варианте). Расположение уплотнения, такого как уплотнение 194, определяется площадью поршня для выталкивающей силы, которая будет действовать на наземное оборудование. Вес колонны труб и нагрузка на колонну с поверхности должны превышать выталкивающую силу, которая, в свою очередь, зависит от площади поршня такого уплотнения. В случае скважин меньших размеров, например если диаметр меньше 8 дюймов, то площадью поршня можно управлять для предотвращения возникновения кольцевой преграды между переводником и окружающим его хвостовиком выше оправки и узла удерживающих клиньев, чтобы обеспечить возможность работы оправки. Для бóльших размеров было найдено, что более низкое расположение уплотнения 194 является предпочтительным вместе с прикреплением его к хвостовику 10 для снижения эффективной площади поршня для выталкивающей силы.

Обратившись снова к фиг.10б, можно видеть, что когда узел 18 переводника вытягивают из хвостовика 10, канавка 206 выравнивается с кулачками-упорами 204, в результате чего они могут выйти из канавки 202, так что уплотнение 194 может выйти из узла 18 переводника.

На фиг. 11а, 11б иллюстрируется использование вышеупомянутого устройства аварийного разъединения. Если после завершения расширения до конической поверхности 188 и после осаживания инструмента клинья 92 не отходят для разъединения инструмента и хвостовика, как это было описано со ссылками на фиг.9, то узел переводника вращают вправо, и срезной штифт 208 срезается, поскольку конус выталкивается вниз из-под клиньев 92. Теперь узел 18 переводника может быть извлечен.

Перед завершением рассмотрения вышеприведенного предпочтительного варианта осуществления изобретения будет кратко описан альтернативный вариант (см. фиг.12), который во многом похож на описанный вариант и имеет лишь небольшие отличия от него. Компоновка, иллюстрируемая на фиг.12, предназначена для небольших диаметров скважин, в которых выталкивающая сила, действующая на узел 300 переводника, при его отсоединении от хвостовика 306, когда из-под кулачков-опор 302 выводится опора, определяется фактически общей величиной внутреннего диаметра хвостовика 306 на уплотнении 304, как показано на фиг.12в. Необходимо также отметить, что узел 308 поршней, показанный на фиг.12и-12л, с одной стороны обращен к проходу 310, а с другой стороны 312 обращен к кольцевому пространству 314 между узлом 300 переводника и хвостбвиком 306, Как можно видеть на фиг.12о-12р, в данном варианте отсутствует уплотнение, поддерживаемое хвостовиком, и продавливаемая цементировочная пробка 316 не предотвращает выравнивание давлений в канале 318 и в кольцевом пространстве 314.

В процессе работы шар (не показан) садится на седло 320, показанное на фиг.12к. Давление в проходе 310 перемещает узел 308 поршней и выталкивает наружу клинья 322 для захвата ими внутренней поверхности хвостовика 306, в результате чего он жестко соединяется с узлом 300 переводника. Запирающий узел 324, показанный на фиг.12е, отпирается, так что один или несколько поршней 326, из которых показан только один, могут после этого продвигать узел 328 оправки (см. фиг.12д и 12з). Расширение, формируемое узлом 328 оправки, устанавливает якорь 330, показанный на фиг.12з, для удерживания хвостовика 306 на окружающей трубчатой части (не показана). Перемещение поршня или поршней 326 также выводит опору из-под кулачков-упоров 302, показанных на фиг.12в, так что узел 300 переводника отсоединяется от хвостовика 306. Затем выполняют осаживание инструмента для освобождения клиньев 322 и перемещения поршня или поршней 326 в исходное положение готовности. Узел переводника поднимают для подтверждения выхода кулачков-упоров 302 из зацепления с хвостовиком 306. После осаживания инструмента осуществляют цементирование с использованием известного способа, включая запуск продавливаемой цементировочной пробки 316.

Затем узел переводника снова приподнимают, однако на этот раз выше по сравнению с предыдущим разом, чтобы обеспечить узлу 332 клапана-заслонки, показанному на фиг.12н, временную опору в расширенной части хвостовика 306, так что при осаживании инструмента заслонка 325 будет освобождена, как это было описано при рассмотрении предыдущего варианта, и канал 318 будет снова перекрыт.Давление в канале 318 поднимается, в результате чего снова срабатывают клинья 322, и поршень или поршни 326 перемещают узел 328 оправки, как это уже описывалось выше. Следует отметить, что только один проход 310 используется для создания давления на узле 308 поршней, поскольку он обращен в сторону кольцевого пространства 314. Другая конструкция была обращена в сторону канала в узле переводника в двух местах, охватывающих седло шара. В той конструкции при освобождении заслонки необходимо было закрыть один из проходов для создания разности давлений на поршне. В рассматриваемой конструкции в положении, когда заслонка 325 закрывает канал 318 ниже прохода 310, для перемещения узла поршней необходимо только давление в проходе 310. Необходимо также отметить, что в данном случае отсутствует какая-либо другая кольцевая преграда, кроме уплотнения 304, которое находится выше узла 308 поршней. Таким образом, в этом случае внешний диаметр узла 300 переводника будет определять площадь поршня для выталкивающей силы, создаваемой флюидом, прокачиваемым через узел переводника. Однако поскольку диаметр инструмента не превышает 8 дюймов, то вес колонны труб и нагрузка, прикладываемая буровой установкой, может компенсировать эту выталкивающую силу.

В любом случае повторное повышение давления в канале 318 теперь установит уплотнение 334, показанное на фиг.12и. После этого инструмент осаживают для освобождения клиньев 322 и затем вытягивают.

Специалистам в данной области техники будет ясно, что обеспечивается возможность в одном рейсе подвесить хвостовик, установить и зацементировать его, включая разъединение после первоначального расширения, обеспечивающего удерживание хвостовика, и перед выполнением цементирования. Инструмент может быть поднят, чтобы удостовериться в освобождении хвостовика перед цементированием. Расширение может быть продолжено с перекрытием канала в спускном инструменте, которое совпадает с закрытием прохода уравновешивания давления, находящегося ниже седла шара, так что узел поршней становится неуравновешенным в конструкции с кольцевым уплотнением внизу, которое снижает выталкивающую силу, поскольку оно находится в контакте с хвостовиком с возможностью освобождения, обеспечивая уплотнение с узлом переводника спускного инструмента. В конструкциях меньшего диаметра с уплотнением 304, расположенным возле верхней части спускного инструмента, внешний диаметр спускного инструмента определяет площадь поршня для выталкивающей силы, и внизу отсутствует какое-либо кольцевое уплотнение. В обоих вариантах расширение выполняют в два этапа, и после первого расширения выполняют разъединение со спускным инструментом. При этом обеспечивается возможность подтверждения разъединения перед цементированием, после чего выполняют второе расширение для уплотнения уже удерживаемого хвостовика.

В вышеприведенном описании рассмотрен предпочтительный вариант осуществления изобретения, и специалист в данной области техники может предложить различные модификации этого варианта без выхода за пределы объема охраны изобретения, который полностью определяется в прилагаемой формуле изобретения.