Система регулирования давления для присоединяемого/отсоединяемого соединителя гидравлической линии управления, работающего в мокрой среде

Изобретение относится к соединителям гидравлической линии управления, работающим в мокрой среде, и может быть использовано для управления инструментами в скважине и/или для передачи информации. Система содержит резервуар с рабочей жидкостью, один конец которого открыт для воздействия внешнего давления и другой конец которого соединен с каналом, заканчивающимся в соединителе, и поршень, расположенный в резервуаре между концом, открытым для воздействия внешнего давления, и концом, соединенным с каналом. Дополнительно в системе может быть образована камера с выбранным давлением, которым может быть атмосферное давление. Камера с выбранным давлением может обеспечивать смещение поршня в направлении конца, соединенного с каналом, или в направлении конца, открытого для воздействия внешнего давления, при воздействии на систему внешнего давления, превышающего выбранное давление. Также система может дополнительно иметь компенсационный поршень, способный смещаться за счет камеры с выбранным давлением, для увеличения или уменьшения давления в резервуаре. При этом камера с выбранным давлением может быть расположена как внутри резервуара, так и вне резервуара. Система может дополнительно содержать предохранительный клапан, который может быть выполнен с возможностью сброса давления в зону вне системы. Изобретение позволяет повысить надежность соединителя и качество управления. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Управление инструментами в скважинной окружающей среде и передача информации между различными ее точками в течение многих лет были как большим достижением, так и проблемой. Способы управления инструментами и передачи информации продолжают совершенствоваться, и в процессе их совершенствования возникают новые проблемы и задачи, связанные с таким управлением и передачей. Способы и устройства, способные обеспечить повышение качества таких связей, исторически предусматривали использование гидравлической линии. В более недавнем прошлом были использованы электрические провода, и в самое последнее время в данной отрасли были выполнены разработки для создания оптоволоконных устройств, способных выдерживать тяжелые условия скважинной окружающей среды, чтобы воспользоваться преимуществами, обеспечиваемыми за счет скорости и точности передачи сообщений посредством оптических волокон, а также за счет возможности использования волокна в качестве сенсорного устройства. В данной области были достигнуты значительные успехи. Кроме того, все больше инструментов и датчиков используются в скважинных зонах. Они требуют управления и связи и использования всех гидравлических линий управления, проводников первого рода и оптических волокон.

По мере все большего распространения технологии способность изготовления и монтажа подобных коммуникационных магистралей приобретает все более важное значение с точки зрения обеспечения конкурентных преимуществ.

Несмотря на то, что было показано, что указанные коммуникационные магистрали (трубопроводы) могут быть успешно смонтированы в стволе скважины в процессе ее заканчивания, мало что было сделано в отношении соединений участков этих магистралей, работающих в мокрой среде.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система регулирования давления для присоединяемого/отсоединяемого соединителя гидравлической линии управления, работающего в мокрой среде, содержит резервуар и поршень, расположенный в этом резервуаре. Резервуар содержит рабочую жидкость или эквивалентную среду, и поршень смещается за счет гидростатического давления или за счет камеры с атмосферным давлением (или камеры с выбранным (заданным) давлением) и гидростатического давления. Возможность регулирования давления в гидравлической линии, управление которой осуществляется с помощью указанной системы, обеспечивается на основе наличия или отсутствия камеры с атмосферным давлением и ее местоположения. Способ регулирования давления в работающем в мокрой среде соединителе гидравлической линии управления включает в себя приведение в действие системы регулирования и смещение поршня для регулирования давления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее описаны чертежи, на которых аналогичные элементы пронумерованы аналогичным образом на следующих фигурах:

фиг.1 представляет сечение первого варианта осуществления системы регулирования давления;

фиг.2 представляет сечение второго варианта осуществления системы регулирования давления;

фиг.3 представляет сечение третьего варианта осуществления системы регулирования давления;

фиг.4 представляет сечение четвертого варианта осуществления системы регулирования давления;

фиг.5 представляет сечение пятого варианта осуществления системы регулирования давления; и

фиг.6 и 7 иллюстрируют вариант осуществления системы с предохранительным клапаном.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.1 проиллюстрирован вариант осуществления системы со сбалансированным поршнем. Система 10 содержит охватывающий соединитель, названный здесь сопрягаемым профилем 12 (поставляемый на рынок в качестве "соединителя с защитной втулкой" компанией Baker Oil Tools, Хьюстон, Техас) и сообщающийся по текучей среде с высверленным каналом 14 (приемлемым является любой тип канала при условии, что он способен обеспечить перемещение жидкости и передачу давления, как описано здесь), который сообщается по текучей среде с одним концом 16 резервуара 18 с рабочей жидкостью. Поршень 20 расположен внутри резервуара 18 и отделяет рабочую жидкость 22 в резервуаре 18 от текучей среды 24 из ствола скважины, которая может поступать в резервуар 18 и выходить из резервуара 18 через отверстие 26 в зависимости от перепада давления между рабочей жидкостью и текучей средой из ствола скважины. Когда давление текучей среды из ствола скважины увеличивается, например, вследствие увеличения глубины, на которой расположен инструмент, зона 28 резервуара 18 расширяется, а зона 30 резервуара 18 становится меньше за счет смещения поршня 20. Обеспечивается вытеснение жидкости 22, находящейся в зоне 30, в канал 14 с увеличением давления в нем до гидростатического давления. Выполняя систему с такой конфигурацией, можно обеспечить поддержание давления в канале 14 (и в любом канале, сообщающемся с ним по текучей среде, например в канале 33), включая все его соединения, на уровне давления, по существу равного внешнему гидростатическому давлению в стволе скважины на любой заданной глубине, что позволяет фактически уменьшить напряжения в таких компонентах и увеличить ожидаемые сроки службы этих компонентов. Поршень 20 предотвращает поступление текучих сред из ствола скважины в зону 30 резервуара 18, тем самым предотвращая просачивание текучих сред из ствола скважины в гидравлические каналы 14, 33, что в противном случае оказало бы отрицательное воздействие на них.

Кроме того, рабочая жидкость 22, которая, само собой разумеется, представляет собой одну и ту же жидкость, проходящую через канал 14, соединитель 32 и канал 33, который проходит в зону забоя скважины, находится под давлением, равным внешнему давлению в стволе скважины. Таким образом, отсутствует вероятность того, что текучая среда из ствола скважины будет поступать в канал 33 через соединитель 32, когда систему 10 удаляют.

Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.2, резервуар 18, поршень 20 и отверстие 26 идентичны описанному выше варианту осуществления. Тем не менее, отличие состоит в том, что предусмотрен усиливающий поршень 34, который образует камеру 36 с атмосферным давлением. Следует отметить, что несмотря на то, что в нескольких вариантах осуществления, рассмотренных здесь, предусмотрена камера, описываемая как камера с "атмосферным" давлением, она может быть заменена на камеру с выбранным давлением, имеющую любое определенное давление, с соответствующими изменениями совокупного эффекта системы. Несмотря на то, что текучая среда 24 из ствола скважины действует на поршень 34 аналогично тому, как она действует на поршень 20 в рассмотренном выше варианте осуществления, в данном варианте осуществления воздействие на поршень 20 обеспечивается как за счет текучей среды 24 из ствола скважины, так и за счет поршня 34. На поршень 34 воздействует увеличенная сила, создающая тенденцию смещения поршня 34 от камеры 36 с атмосферным давлением, которая, находясь в среде, имеющей давление, превышающее атмосферное, функционирует подобно зоне вакуума и обеспечивает притягивание уплотнительного фланца 38 поршня в направлении уплотнительного фланца 40 сердечника. Поскольку обе силы действуют одновременно, давление, создаваемое в резервуаре 18, будет превышать внешнее (гидростатическое) давление в стволе скважины. Это желательно в некоторых случаях применения, поскольку при отсоединении системы 10 от соединителя 32 избыточное давление в гидравлической магистрали вызовет выдавливание жидкости из соединителя 32. Жидкость стремится очистить конец соединителя 32 от любых обломков и мусора и, кроме того, создает "пузырь" чистой рабочей жидкости вокруг него, что способствует сохранению соединителя 32 свободным от мусора (обломков).

На фиг.3 проиллюстрирован еще один вариант осуществления системы. Данный вариант осуществления предназначен для ограничения величины, до которой давление внутри резервуара 18 и в гидравлических каналах 14, 33 может быть повышено за счет внешнего давления в стволе скважины. Как видно, данная фигура идентична фиг.1, за исключением того, что добавлено стопорное кольцо 42, размещенное внутри резервуара 18. Следует понимать, что когда стопорное кольцо 42 находится на месте, поршень 20 может быть смещен только до него вправо (на фигуре) под действием внешнего давления в стволе скважины, которое подается в зону 28 резервуара 18 посредством отверстия 26. В данном варианте осуществления давление в резервуаре 18 и в канале 14 (и, следовательно, в линии 33) будет поддерживаться на уровне внешнего давления в стволе скважины до тех пор, пока давление в стволе скважины (обычно вследствие глубины) не возрастет до такой величины, превышающей давление в резервуаре, которая вызывает смещение поршня 20 с вводом его в контакт со стопорным кольцом 42. При увеличении давления до значений, превышающих давление, при котором поршень 20 упрется в стопорное кольцо 42, давление в зоне 30 резервуара 18 и в канале 14 будет принимать значения, которые меньше значения внешнего давления в стволе скважины. Это целесообразно, если в конкретном случае применения желательно иметь уменьшенное давление в гидравлических каналах 14, 33 по сравнению с внешним давлением. Одним таким случаем применения, в котором рассмотренный результат будет полезным, является случай, когда текучая среда из ствола скважины должна быть заменена на более легкую текучую среду перед снятием крышки (защитной втулки, поставляемой на рынок компанией Baker Oil Tools, Хьюстон, Техас) с соединителя 32.

В еще одном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4, используется активный подход для поддержания давления в резервуаре 18 и в канале 14 на уровне выбранной величины ниже величины внешнего давления. В данном варианте осуществления используется компенсационный поршень 50, имеющий уплотнительный фланец 52 поршня, расположенный ближе к каналу 14, чем уплотнительный фланец 54 сердечника. Между фланцами 52 и 54 образована камера 56 с атмосферным давлением. При поступлении текучей среды 24 из ствола скважины через отверстие 26 поршень 20 принудительно смещается в направлении канала 14, что обязательно приводит к увеличению объема 56 камеры с атмосферным давлением без соответствующего увеличения давления. Следует отметить, что в таких случаях давление в камере 56 с атмосферным давлением будет уменьшаться до значений ниже атмосферного давления в соответствии с увеличением объема камеры. Следовательно, чем в большей степени сила, обусловленная гидростатическим давлением, вызывает увеличение объема камеры, тем в большей степени будет соответственно снижаться давление в камере. Другими словами, чем большая сила, обусловленная давлением текучей среды 24 в стволе скважины, будет действовать на поршень 20, тем большая противодействующая сила будет действовать со стороны компенсационного поршня 50 вследствие увеличивающегося объема (и, следовательно, уменьшающегося давления) в камере 56 с "атмосферным" давлением. Камера 56 с атмосферным давлением "приводится в действие" за счет давления в резервуаре. Вследствие того, что камера 56 с атмосферным давлением противодействует воздействию давления в стволе скважины, давление в резервуаре 18 и в гидравлических каналах 14, 33 будет оставаться меньше гидростатического (внешнего) давления в стволе скважины на величину, которую можно определить в соответствии с глубиной, на которой находится система.

Последний вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг.5, модернизирован относительно варианта осуществления по фиг.4 для получения более явно выраженного перепада давлений между давлением в стволе скважины и давлением в резервуаре. Отличие достигается путем смещения камеры 60 с атмосферным давлением в зону 28 или в ту зону резервуара, которая сообщается со стволом скважины. В данном варианте осуществления поршень 20 из предшествующих вариантов осуществления исключен, и компенсационный поршень 62 включает в себя уплотнительный поршень 64 на конце, контактирующем с резервуаром. Камера 60 с атмосферным давлением образована между поршнем 60 и уплотнительным фланцем 68 сердечника. Компенсационный поршень 62 открыт со стороны его другого конца 66 для воздействия текучей среды 24 из ствола скважины и его давления, действующего через отверстие 26. Как подразумевается, эта конструкция приводит к тому, что давление в резервуаре 18 и в гидравлических магистралях 14, 33 будет ниже, чем гидростатическое (внешнее) давление.

Как видно на фиг.6 и 7, в конструкцию включен редукционный предохранительный клапан 70. Предохранительный клапан при желании может быть включен в каждый из рассмотренных выше вариантов осуществления для приспосабливания к расширению рабочей жидкости вследствие повышенных температур в скважине. Клапан 70 представляет собой клапан автоматического сброса давления, которому придана такая конфигурация, которая обеспечивает возможность сброса давления (при выбранном давлении). Такие клапаны поставляются на рынок фирмой Lee Company, хорошо известным поставщиком.

Предохранительный клапан 70 проходит от выемки 72 на наружной периферии инструмента до канала 14 в корпусе инструмента. Это позволяет создать канал для прохода текучей среды, предназначенный для выпуска рабочей жидкости, находящейся под слишком большим давлением в канале 14, с тем, чтобы не вызвать обусловленных избыточным давлением повреждений других элементов системы, таких как уплотнения.

Несмотря на то, что были показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления, могут быть выполнены их модификации и замены в них, не отходя от существа и объема изобретения. Соответственно, следует понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в качестве иллюстраций, а не ограничения.

1. Система регулирования давления для соединяемого соединителя гидравлической линии управления, работающего в мокрой среде, содержащая резервуар с рабочей жидкостью, один конец которого открыт для воздействия внешнего давления и другой конец которого соединен с каналом, заканчивающимся в соединителе, и поршень, расположенный в резервуаре между концом, открытым для воздействия внешнего давления, и концом, соединенным с каналом.

2. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.1, в которой дополнительно образована камера с выбранным давлением.

3. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.2, в которой камера с выбранным давлением обеспечивает смещение поршня в направлении конца, соединенного с каналом при воздействии на систему внешнего давления, превышающего выбранное давление.

4. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.2, в которой камера с выбранным давлением обеспечивает смещение поршня в направлении конца, открытого для воздействия внешнего давления при воздействии на систему внешнего давления, превышающего выбранное давление.

5. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.2, дополнительно имеющая компенсационный поршень, способный смещаться за счет камеры с выбранным давлением.

6. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.5, в которой смещение компенсационного поршня предназначено для увеличения давления в резервуаре.

7. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.5, в которой смещение компенсационного поршня предназначено для уменьшения давления в резервуаре.

8. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.5, в которой камера с выбранным давлением расположена внутри резервуара.

9. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.5, в которой камера с выбранным давлением расположена вне резервуара.

10. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.2, в которой камера с выбранным давлением представляет собой камеру с атмосферным давлением.

11. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.1, дополнительно содержащая предохранительный клапан.

12. Система регулирования давления для гидравлической линии управления по п.11, в которой предохранительный клапан выполнен с возможностью сброса давления в зону вне системы.