Устройство для приведения в действие скважинного инструмента (варианты) и скважинная система с данным устройством
Изобретение относится к нефтяной и горной промышленности и предназначено для приведения в действие скважинных инструментов. Техническим результатом изобретения является повышение точности управления приводом скважинных инструментов за счет уменьшения затрат энергии на эксплуатацию приводного инструмента и создания дифференциального давления низким давлением в атмосферной камере и высоким давлением скважинного флюида. Для этого устройство может содержать датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления и модуль электронных приборов, поддерживающий связь с датчиком давления. Модуль электронных приборов может быть выполнен с возможностью определения, содержат ли импульсы давления команду на приведение в действие скважинного инструмента. С модулем электронных приборов соединен двигатель, с которым соединен соединяющий механизм, выполненный с возможностью преобразования вращательного движения двигателя в линейное движение. Дополнительно устройство снабжено клапанной системой, соединенной с соединяющим механизмом. Клапанная система может быть выполнена с возможностью приведения в действие скважинного инструмента, когда клапанная система находится в открытой фазе. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к устройствам для приведения в действие скважинных инструментов.
Предшествующий уровень техники
Механические разрывные диафрагмы и срезаемые штифты широко использовались для управления приведением в действие скважинных инструментов, таких как пакеры, задвижки и т.п. Однако в некоторых случаях, когда максимальное давление может быть ограничено, скважинные узлы могут быть сложными и многочисленными инструментами приходится управлять последовательно, разрывные диафрагмы и срезаемые штифты не обеспечивают достаточной управляемости.
Таким образом, существует потребность в создании усовершенствованных способов и устройств для приведения в действие скважинных инструментов.
Краткое описание изобретения
Согласно изобретению создана скважинная система, содержащая скважинный инструмент, приводимый в действие приложенным к нему давлением, и устройство для приведения в действие скважинного инструмента, содержащее датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединенный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью совершать вращательное движение, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, содержащую впускное отверстие, сообщенное со скважинной текучей средой и управляющую линию, способствующую сообщению между впускным отверстием и скважинным инструментом при приведении в действие двигателя, при этом клапанная система соединена с соединяющим механизмом и выполнена с возможностью перехода в открытую фазу для приложения давления к скважинному инструменту для приведения его в действие.
Команда на приведение в действие скважинного инструмента может содержать команду на приведение в действие двигателя.
Клапанная система может содержать ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом.
Соединяющий механизм может быть выполнен с возможностью линейного перемещения ходового винта при приеме вращательного движения от двигателя.
Клапанная система может содержать уплотнительную заглушку, расположенную в отверстии под заглушку, штифт, соединенный с ходовым винтом и выполненный с возможностью удержания уплотнительной заглушки в отверстии.
Уплотнительная заглушка и штифт могут быть выполнены с возможностью образования уплотнения с отверстием под заглушку.
Ходовой винт может быть выполнен с возможностью отведения штифта от отверстия под заглушку, позволяя гидравлическому давлению выталкивать уплотнительную заглушку из отверстия при сообщении ходовому винту линейного движения.
Клапанная система может дополнительно содержать клапанный канал, сообщенный с отверстием под заглушку, и клапанную камеру, сообщенную с клапанным каналом.
Клапанная система дополнительно содержит управляющий поршень, размещенный внутри клапанной камеры и выполненный с возможностью линейного перемещения в клапанной камере.
Система может дополнительно содержать смазочное масло, помещенное между уплотнительной заглушкой и управляющим поршнем. Смазочное масло может предотвращать перемещение управляющего поршня при приложении к нему внешнего давления скважинной текучей среды.
Смазочное масло может вытекать из отверстия под заглушку при выталкивании уплотнительной заглушки из отверстия.
Управляющий поршень может быть выполнен с возможностью перемещения к уплотняющей заглушке для открытия сообщения между впускным отверстием и управляющей линией, когда клапанная система находится в открытой фазе.
Согласно изобретению создано устройство для приведения в действие скважинного инструмента, содержащее датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединенный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью вращательного движения, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, выполненную с возможностью приведения в действие скважинного инструмента при ее нахождении в открытой фазе и содержащую ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом, уплотнительную заглушку, расположенную в отверстии под заглушку, штифт, соединенный с ходовым винтом и выполненный с возможностью удерживания уплотнительной заглушки в отверстии при нахождении клапанной системы в закрытой фазе, клапанный канал, сообщенный с отверстием под заглушку, пружину сжатия, расположенную внутри клапанного канала.
Клапанная система может дополнительно содержать плавающий штифт, расположенный между уплотнительной заглушкой и пружиной сжатия.
Пружина сжатия может быть выполнена с возможностью прижимать плавающий штифт к уплотнительной заглушке.
Ходовой винт может быть выполнен с возможностью отведения штифта от отверстия под заглушку, позволяя гидравлическому давлению и пружине сжатия, прижимающей плавающий штифт к уплотнительной заглушке, вытолкнуть уплотнительную заглушку из отверстия под заглушку при сообщении линейного движения ходовому винту.
Согласно другому варианту устройство для приведения в действие скважинного инструмента содержит датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединенный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью вращательного движения, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, выполненную с возможностью приведения в действие скважинного инструмента, когда клапанная система находится в открытой фазе, и содержащую атмосферную камеру, выпускное отверстие, сообщенное с атмосферной камерой, ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом, уплотнительное кольцо, расположенное внутри атмосферной камеры, и уплотнительный штифт, расположенный между ходовым винтом и выпускным отверстием, проходящий сквозь уплотнительное кольцо так, что уплотнительный штифт и уплотнительное кольцо образуют уплотнение с выпускным отверстием, когда клапанная система находится в закрытой фазе.
Уплотнительный штифт может проходить сквозь уплотнительное кольцо для образования уплотнения.
Ходовой винт может быть соединен с гайкой и выполнен с возможностью вращения внутри гайки.
Соединяющий механизм может быть выполнен с возможностью отведения ходового винта от гайки при приеме вращательного движения от двигателя.
Уплотнительный штифт может быть выполнен с возможностью отходить от уплотнительного кольца, когда ходовой винт отведен от гайки.
Клапанная система может дополнительно содержать клапанную камеру, сообщенную с выпускным отверстием, управляющий поршень, расположенный внутри клапанной камеры, смазочное масло, помещенное между уплотнительным кольцом и управляющим поршнем, впускное отверстие, сообщенное со скважинной текучей средой, управляющую линию, способствующую сообщению между впускным отверстием и скважинным инструментом, когда двигатель приведен в действие командой на приведение в действие скважинного инструмента.
Смазочное масло может вытекать из выпускного отверстия, когда уплотнительный штифт отведен от уплотнительного кольца.
Управляющий поршень может быть выполнен с возможностью перемещения в направлении уплотнительного кольца при вытекании смазочного масла из выпускного отверстия для облегчения сообщения между впускным отверстием и управляющей линией.
Заявленный объект не ограничивается вариантами, которые устраняют любой недостаток или все недостатки. В данном разделе краткого описания приведено упрощенное описание изобретения, которое более подробно описано ниже, в разделе подробного описания. Раздел краткого описания не предназначен для идентификации основных признаков или существенных признаков заявленного объекта и не предназначен для ограничения объема заявленного предмета.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание вариантов реализации изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует понимать, однако, что прилагаемые чертежи иллюстрируют лишь разные варианты, описанные здесь, и не предназначены для ограничения объема заявленного изобретения.
Фиг.1 изображает схему насосно-компрессорной колонны, которая может содержать устройство для приведения в действие скважинного инструмента согласно различным вариантам выполнения.
Фиг.2 изображает блок-схему устройства для приведения в действие скважинного инструмента согласно вариантам настоящего изобретения.
Фиг.3 изображает последовательность импульсов давления, которая может использоваться для включения устройства согласно различным вариантам настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает схему модуля электронных приборов, который может использоваться для интерпретации импульсов давления согласно различным вариантам настоящего изобретения.
Фиг.5А изображает схему клапанной системы в закрытой фазе по одному варианту изобретения.
Фиг.5В изображает схему клапанной системы в открытой фазе по одному варианту настоящего изобретения.
Фиг.6А изображает схему клапанной системы в закрытой фазе по другому варианту настоящего изобретения.
Фиг.6В изображает схему клапанной системы в открытой фазе по другому варианту настоящего изобретения.
Фиг.7А изображает схему клапанной системы в закрытой фазе по еще одному варианту настоящего изобретения.
Фиг.7В изображает схему клапанной системы в открытой фазе по еще одному варианту настоящего изобретения.
Подробное описание
В связи с некоторыми вариантами настоящего изобретения, описанными здесь, могут применяться такие термины, как «верх» и «низ», «верхний» и «нижний», «вверх» и «вниз», «выше» и «ниже» и другие подобные термины, указывающие на относительное положение выше или ниже данной точки или элемента. Однако в применении к оборудованию и способам, применяемым в наклонных или горизонтальных скважинах, или в применении к оборудованию и способам, которые при помещении в скважину находятся в наклонной или горизонтальной ориентации, такие термины могут обозначать слева направо, справа налево, или другие соответствующие пространственные отношения.
На фиг.1 показана схема насосно-компрессорной колонны 100, которая может содержать приводное устройство 10 по различным вариантам, описанным в настоящем описании. Насосно-компрессорная колонна 100 может быть расположена внутри ствола 110 скважины, обсаженной трубами 120. В одном варианте приводное устройство 10 может располагаться на внешней поверхности насосно-компрессорной колонны 100. Следует понимать, однако, что в некоторых вариантах приводное устройство 10 может располагаться в любом месте на насосно-компрессорной колонне 100 и внутри колонны 100. Приводное устройство 10 может приводить в действие скважинный инструмент 20, например шаровой клапан, скользящую муфту, пакер, режущий инструмент или другой скважинный инструмент, известный специалистам. Приводное устройство может размещаться над скважинным инструментом 20. Следует понимать, что в некоторых вариантах приводное устройство 10 может размещаться под скважинным инструментом 20 или по существу на том же уровне, что и скважинный инструмент 20.
На фиг.2 показана блок-схема приводного устройства 200. В одном варианте приводное устройство 200 может содержать датчик 210 давления, аккумулятор 220, модуль 230 электронных приборов, двигатель 240, соединяющий механизм 250 и клапанную систему 260.
Датчик 210 давления может быть выполнен с возможностью принимать импульсы давления. На фиг.3 показана последовательность импульсов давления, которые могут использоваться в соответствии с различными вариантами, описанными в настоящем описании. Вертикальная ось на фиг.3 представляет давление в килофунтах на кв.дюйм, а горизонтальная ось представляет время в минутах. В одном варианте датчик 210 давления может быть преобразователем давления. Хотя в описанных здесь вариантах приведены ссылки на датчик давления, следует понимать, что в других вариантах могут использоваться другие типы датчиков, например светоприемники, акустические преобразователи, преобразователи электромагнитных волн и пр.
Аккумулятор 220 может быть выполнен с возможностью подавать электрическую энергию на модуль 320 электронных приборов и двигатель 240. Хотя в вариантах, описанных здесь, в качестве источника упоминается аккумулятор, следует понимать, что в некоторых вариантах могут использоваться другие типы источников энергии, такие как топливный элемент, турбинный генератор и т.п., которые подают энергию на модуль 230 электронных приборов и двигатель 240.
На фиг.4 показан модуль 400 электронных приборов, который может использоваться в различных описанных здесь вариантах. В одном варианте модуль 400 электронных приборов может включать микропроцессор 410, соединенный по шине 408 с энергонезависимым запоминающим устройством 402 (например, постоянным запоминающим устройством (ПЗУ)) и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 430. С шиной 408 также могут быть соединены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 422 и интерфейс 424 двигателя. Энергонезависимое запоминающее устройство 402 может быть выполнено с возможностью хранения команд, которые образуют компьютерную программу 404, которая при выполнении микропроцессором 410 заставляет микропроцессор 410 обнаруживать импульсы давления и распознавать последовательности импульсов давления, как команды на приведение в действие двигателя 240. Энергонезависимое запоминающее устройство 402 также может быть выполнено с возможностью хранения сигнатур 406, которые соответствуют различным последовательностям импульсов давления. Такие сигнатуры могут использоваться микропроцессором 410 для толкования последовательностей импульсов давления. АЦП 422 может быть соединен с цепью 420 выборки и хранения (ЦВХ), которая может быть выполнена с возможностью принимать аналоговый сигнал от датчика 210 давления, указывающий на обнаруженный импульс давления. ЦВХ 420 может быть выполнена с возможностью производить выборку аналогового сигнала и передавать дискретизированный сигнал на АЦП 422, который, в свою очередь, может преобразовывать дискретизированный сигнал в дискретные цифровые данные 412, которые хранятся в ОЗУ 430. Модуль 400 электронных приборов вместе с датчиком 210 давления и аккумулятором 220 могут быть описаны более подробно в совместно переуступленных патентах США №6182764, 6550538, 6536529, которые включены в настоящее описание путем ссылки. Хотя различные варианты здесь описаны со ссылками на двигатель 240, следует понимать, что в некоторых вариантах может использоваться микроконтроллер, имеющий всю функциональность двигателя 240. Кроме того, в некоторых вариантах ЦВХ 420 может быть факультативным компонентом двигателя 240.
Двигатель 240 может быть выполнен с возможностью прилагать крутящий момент или вращающую силу к соединяющему механизму 250. Двигатель 240 может быть соединен с соединяющим механизмом 250 через выходной вал (не показан). В одном варианте двигатель 240 может содержать трансмиссию, например планетарную передачу, работающую, например, с передаточным отношением 600:1. В другом варианте двигатель 240 может быть шаговым двигателем.
Соединяющий механизм 250 может быть выполнен с возможностью принимать крутящий момент от двигателя 240 и использовать этот крутящий момент для поворота ходового винта 255, соединенного с ним, как показано на фиг.5А. Таким образом, соединяющий механизм 250 может быть выполнен с возможностью преобразования вращательного движения, например крутящего момента, принятого от двигателя 240, в линейное движение, например линейное перемещение ходового винта 255 в ответ на крутящий момент. В одном варианте соединяющий механизм 250 может быть соединен выходным валом двигателя 240 с установочным винтом (не показан) для облегчения снятия клапанной системы 260 с двигателя 240. Следует понимать, однако, что в некоторых вариантах соединяющий механизм 250 может быть соединен с выходным валом двигателя 240 другими средствами, например запрессованным штифтом. В других вариантах соединяющий механизм 250 может быть соединен с ходовым винтом 255 запрессованным штифтом 258. Хотя ходовой винт 255 вставлен в соединяющий механизм 250, штифт 258 может быть запрессован в просверленное поперечно отверстие в ходовом винте 255. Запрессованный штифт 258 удерживается в отверстии, но имеет возможность скользить в прорезанном поперечном пазу в соединяющем механизме 250, который позволяет осуществлять и вращательное, и линейное перемещение ходового винта 255, когда соединяющий механизм 250 вращается двигателем 240.
В одном варианте ходовой винт 255 может быть винтом, выполненным по стандарту ACME. Однако следует понимать, что в других вариантах можно использовать и другие типы ходовых винтов. Ходовой винт 255 может быть выполнен с возможностью линейного перемещения в гайке 265. То есть ходовой винт 255 может выдвигаться из гайки 265 и задвигаться в нее, в зависимости от направления крутящего момента. Соответственно гайка 265 может быть гайкой, выполненной по стандарту Ассоциации инженеров-консультантов по организации производства, и, следовательно, ходовой винт 255 и гайка 265 образуют согласованную пару. В одном варианте ходовой винт 255 и гайка 265 могут быть винтом и гайкой 1/4-20 по стандарту ACME. Шаг и заход резьбы ходового винта 255 могут быть выполнены такими, чтобы определять крутящий момент, требуемый для отвода ходового винта для открывания клапанной системы 260. Например, однозаходный ходовой винт может иметь отрицательную эффективность при приводе назад и, как таковой двигатель 240 может создавать крутящий момент для отвода ходового винта. С другой стороны более эффективные ходовой винт и гайка с многозаходной резьбой и увеличенными углами подъема резьбы могут иметь положительную эффективность для отвода и поэтому двигатель 240 может создавать тормозящий крутящий момент для предотвращения отвода ходового винта 255 при подаче давления на клапанную систему 260. Таким образом, характеристики отвода винта и гайки с многозаходной резьбой можно выгодно использовать для создания клапанной системы высокого давления с по существу нулевым потреблением электроэнергии. В одном варианте на одном конце ходового винта 255 резьба может отсутствовать, и поперек направляющих может быть просверлено отверстие малого диаметра для приема запрессованного штифта 258, используемого для соединения с соединяющим механизмом 250.
В другом варианте другой конец ходового винта 255 может содержать штифт 510 малого диаметра, выполненный для удержания на месте уплотняющей заглушки 501. В одном варианте штифт 510 может быть плавающим, то есть не соединенным с ходовым винтом 255. Уплотняющая заглушка 501 может использоваться для образования выдерживающего высокое давление уплотнения в отверстии 520 под заглушку. Эластомерная функция уплотняющей заглушки 501 подобна функции уплотнительного кольца. Уплотняющая заглушка 501 может быть выполнена с возможностью заполнять пустоту между штифтом 510 и цилиндрической стенкой отверстия 520 при подаче энергии путем либо сжатия штифта 510 и/или под воздействием гидравлического давления, как более подробно будет описано ниже. Таким образом, уплотняющая заглушка 501 при помещении внутрь отверстия 520 и удерживаемая на месте штифтом 510 может формировать с отверстием 520 уплотнение, выдерживающее высокое давление. Диаметр штифта 510, диаметр отверстия 520 и размеры уплотняющей заглушки 501 могут подбираться для дополнения друг друга для создания эффективного уплотнения. В одном варианте диаметр отверстия 520 и диаметр уплотняющей заглушки 501 могут выбираться так, чтобы минимизировать количество энергии, прилагаемой двигателем 240 для открывания клапанной системы 260.
Клапанная система 260 может дополнительно содержать впускное отверстие 540 и управляющую линию 550. В открытой фазе скважинная текучая среда извне приводного скважинного инструмента 200 может течь от впускного отверстия 540 через управляющую линию 550 на скважинный инструмент 20, как более подробно будет описано ниже. Клапанная система 260 может далее содержать управляющий (или плавающий) поршень 530 для реализации открытой и закрытой фаз клапанной системы 260. Управляющий поршень 530 может содержать большой участок 531, расположенный внутри клапанной камеры 560, и малый участок 532, расположенный внутри управляющей линии 550. Этот управляющий поршень 530 может быть уплотнен относительно камеры 560 уплотнительными кольцами 535.
Клапанная система может дополнительно содержать клапанный канал 570, соединенный с клапанной камерой 560. Клапанный канал 570 может быть выполнен так, чтобы его проходное сечение было существенно меньше проходного сечения клапанной камеры 560. В одном варианте проходное сечение клапанной камеры 560 составляет приблизительно 0,071 куб. дюймов, тогда как проходное сечение клапанного канала 570 составляет 0,001 куб. дюйм. Таким образом, проходное сечение клапанной камеры 560 приблизительно в 74 раза больше, чем проходное сечение клапанного канала 570. Клапанная система 260 может дополнительно содержать ограничительный канал 580, соединяющий отверстие 520 с клапанным каналом 570. В одном варианте диаметр ограничительного канала 580 меньше, чем диаметр отверстия 520.
В одном варианте расстояние между уплотнительной заглушкой 501 и управляющим поршнем 530 может быть заполнено смазочным маслом. Это пространство может быть определено частью отверстия 520, ограничительным каналом 580, клапанным каналом 570 и частью клапанной камеры 560. Хотя клапанная система 260 может быть описана здесь со ссылками на смазочное масло, следует понимать, что в некоторых вариантах в клапанной системе 260 можно использовать любую несжимаемую текучую среду, которая может применяться в скважине, например силиконовое масло DC200-1000CS, выпускаемое компанией Dow Corning из Мидленда, штат Мичиган.
На фиг.5А схематически показана клапанная система 500 в закрытой фазе. В закрытой фазе на двигатель 240 не подается никаких электрических сигналов или питания. Двигатель 240 работает как тормоз, предотвращающий отвод. Соединяющий механизм 250 передает тормозящее действие от двигателя 240 на ходовой винт 255. Штифт 510 запирает уплотняющую заглушку 501 внутри отверстия 520 для герметизации клапанной камеры 560. Смазочное масло блокирует перемещение управляющего поршня 530, когда на него воздействует внешнее давление скважинной текучей среды.
Поскольку смазочное масло при расширении нагревается, управляющий поршень 530 может располагаться в клапанной камере 560 так, чтобы иметь возможность перемещения в ответ на изменение температуры.
На фиг.5В показана клапанная система 500 в открытой фазе. Во время открытой фазы электрический сигнал или питание могут подаваться на двигатель 240 для его вращения. В одном варианте на двигатель 240 подается мощность менее одного ватта для открытия клапанной системы 500. В ответ соединяющий механизм 250 может заставить ходовой винт 255 отойти от гайки 265, то есть сместиться к двигателю 240. Когда ходовой винт 255 вращается, штифт 510 отводится из отверстия 520, позволяя давлению смазочного масла вытолкнуть уплотнительную заглушку 501. Когда уплотнительная заглушка 501 извлечена из отверстия 520, смазочное масло начинает вытекать из отверстия 520. Когда смазочное масло вытекает из отверстия 520 в атмосферную камеру 590, управляющий поршень 530 смещается в направлении уплотнительной заглушки 501, пока не достигнет упорного участка 575 клапанной камеры 560. Упорный участок 575 может иметь различную форму, включая конус, плоскую поверхность, радиус и пр. Когда управляющий поршень 530 движется в направлении уплотнительной заглушки 501, сообщение между впускным отверстием 540 и управляющей линией 550 открывается, позволяя скважинной текучей среде протекать от впускного отверстия 540 по управляющей линии 550 к скважинному инструменту 20. В одном варианте объем атмосферной камеры 590 больше, чем объем клапанной камеры 560. В другом варианте, когда скважинное приводное устройство 200 открыто, его нельзя закрыть без переоснащения.
На фиг.6А схематически показана клапанная система 600 в закрытой фазе. В одном варианте клапанная система 600 содержит те же компоненты, что и клапанная система 500, описанная выше, с несколькими исключениями. Например, клапанная система 600 может содержать пружину 610 сжатия, расположенную внутри клапанного канала 670. В одном варианте пружина 610 сжатия может удерживаться внутри клапанного канала 670 пустотелым фиксирующим винтом 620.
Клапанная система 600 может дополнительно содержать плавающий штифт 630, расположенный между пружиной 610 сжатия и уплотнительной заглушкой 640. Плавающий штифт 630 может иметь поршневой участок 632, выполненный с возможностью прижиматься к уплотнительной заглушке 640, и цилиндрический участок 635, выполненный с возможностью создавать упор для пружины 610 сжатия. Пружина 610 сжатия может быть выполнена с возможностью выталкивать плавающий штифт 630 к уплотнительной заглушке 640, тем самым зажимая уплотнительную заглушку 640 между плавающим штифтом 630 и ходовым винтом 655. При сжатии уплотнительная заглушка 640 может сократиться в осевом направлении и увеличиться в радиальном направлении, тем самым плотно садясь в отверстие 650 и создавая уплотнение, выдерживающее высокое давление. В одном варианте диаметр поршневого участка 635 по существу равен диаметру пружины 610 сжатия. Таким образом, пружина 610 сжатия, прижимаясь к уплотнительной заглушке 640, позволяет уплотнительной заглушке 640 создавать хорошее уплотнение и при низком, и при высоком давлении.
В закрытой фазе на двигатель 240 не подается никаких электрических сигналов или питания. Как и в системе 500, двигатель 240 работает как тормоз, препятствуя отводу. Соединяющий механизм 250 передает тормозящее действие от двигателя 240 на ходовой винт 655, который удерживает уплотнительную заглушку 640 внутри отверстия 650 под заглушку. Смазочное масло между уплотнительной заглушкой 640 и управляющим поршнем 660 предотвращает перемещение управляющего поршня 660 под воздействием на него внешнего давления скважинной текучей среды.
На фиг.6В схематически показана клапанная система 600 в открытой фазе. Во время открытой фазы электрический сигнал или питание могут подаваться на двигатель 240, приводя его во вращение. В ответ соединяющий механизм 250 может отвести ходовой винт 655 от гайки 665, то есть сместить его в направлении двигателя 240. Когда ходовой винт 655 отводится от отверстия 650, уплотнительная заглушка 640 освобождается и может быть вытолкнута под воздействием давления гидравлического масла и пружины 610 сжатия, толкающей плавающий штифт 630. Когда смазочное масло сливается из отверстия 650 в атмосферную камеру 690, управляющий поршень 660 смещается в направлении уплотнительной заглушки 640, пока не достигнет упорного участка 675 клапанной камеры 680. В одном варианте объем атмосферной камеры 690 больше, чем объем клапанной камеры 680. Когда управляющий поршень 660 движется к уплотнительной заглушке 640, открывается сообщение между входным отверстием 654 и управляющей линией 655, позволяя скважинной текучей среде течь от впускного отверстия 654 по управляющей линии 655 на скважинный инструмент 20.
На фиг.7А схематически показана клапанная система 700 в закрытой фазе. В одном варианте клапанная система содержит те же компоненты, что и клапанная система 500, описанная выше, с некоторыми исключениями. Например, вместо уплотнительной заглушки 501 клапанная система 700 может содержать уплотнительное кольцо 710, расположенное в атмосферной камере 790. Клапанная система может далее содержать уплотнительный штифт 720, размещенный между ходовым винтом 755 и выпускным отверстием 725 и проходящий сквозь уплотнительное кольцо710. Часть уплотнительного штифта 720 может располагаться внутри уплотнительного кольца 710 для образования с этим кольцом 710 уплотнения. Рядом с уплотнительным кольцом 710 может размещаться поддерживающий диск 730, повышающий надежность уплотнительного кольца 710. В одном варианте уплотнительный штифт 720 может удерживаться в углублении 760 в ходовом винте 755. В закрытой фазе уплотнительный штифт 720 и уплотнительное кольцо 710 как таковые могут быть выполнены с возможностью уплотнения выпускного отверстия 725. В другом варианте, в отличие от свободно плавающего, уплотнительный штифт 720 может быть соединен с ходовым винтом 755. Диаметр уплотнительного штифта 720, диаметр выпускного отверстия 725 и размеры уплотнительного кольца 710 можно подбирать так, чтобы они дополняли друг друга, образуя эффективное уплотнение. В одном варианте можно использовать уплотнительный штифт диаметром 0,062 дюйма для формирования уплотнения с уплотнительным кольцом 710.
В закрытой фазе уплотнительное кольцо 710 заполняет пустоту между уплотнительным штифтом 720 и центральным отверстием поддерживающего диска 730 и пустоту между стенкой атмосферной камеры 790 и поддерживающим диском 730 при сжатии уплотнительным штифтом 720, и/или гидравлическим давлением. В одном варианте уплотнительное кольцо 710 может быть выполнено из фтороуглеродного эластомера Viton® с показателем жесткости 95, который выпускается компанией DuPont Dow Elastomers из Вилмингтона, штат Делавэр. Однако следует понимать, что в некоторых вариантах уплотнительное кольцо 710 может быть выполнено из любого эластомерного материала, подходящего для работы в среде скважины.
В закрытой фазе на двигатель 240 ни сигналы, ни питание не подаются. Двигатель 240 работает как тормоз для предотвращения отхода. Соединяющий механизм 250 передает тормозящее действие от двигателя 240 на ходовой винт 755. Гидравлическое масло препятствует перемещению управляющего поршня 770, когда на него действует внешнее давление скважинного флюида.
На фиг.7В схематически показана клапанная система 700 в открытой фазе. Во время открытой фазы электрический сигнал или питание могут подаваться на двигатель 240, приводя его во вращение. В ответ соединяющий механизм 250 может отвести ходовой винт 755 от гайки 765, то есть сместить его в направлении двигателя 240. Когда ходовой винт 755 вращается, уплотнительный штифт 720 выводится из уплотнительного кольца 710. Если уплотнительный штифт 720 соединен с ходовым винтом 755, ходовой винт 755 вытянет уплотнительный штифт 720 из уплотнительного кольца 710 за счет более высокого трения уплотнительного кольца и более высоких требований к крутящему моменту от двигателя 240. С другой стороны, если уплотнительный штифт свободен или может поворачиваться относительно ходового винта 755, трение от уплотнительного кольца не передается на ходовой винт 755, и требования к крутящему моменту двигателя уменьшаются. Однако может потребоваться гидравлическое давление для вывода уплотнительного штифта 720 из уплотнительного кольца 710. По мере того, как гидравлическое масло, которое было захвачено между уплотнительным штифтом 720 и управляющим поршнем 770, сливается из выпускного отверстия 725 в атмосферную камеру 790, управляющий поршень 770 движется в направлении уплотнительного кольца 710 до упора в участок 775 клапанной камеры 780. Когда управляющий поршень 770 движется в направлении уплотнительного кольца 710, открывается сообщение между впускным отверстием 754 и управляющей линией 755, позволяя скважинному флюиду протекать от впускного отверстия 754 через управляющую линию 755 к скважинному инструменту 20. В одном варианте объем атмосферной камеры 790 превышает объем клапанной камеры 780. Хотя варианты различных технологий описывают поток скважинного флюида от впускного отверстия на управляющую линию, следует понимать, что в других вариантах скважинная текучая среда может течь от управляющей линии к впускному отверстию.
Таким образом, различные варианты скважинного приводного инструмента могут использоваться как предохранительная заглушка с разрывной мембраной. Одно из преимуществ, которым обладают различные варианты скважинного приводного инструмента по сравнению с обычными предохранительными заглушками с разрывной мембраной, является то, что их применение не ограничивается глубинами или давлением, поскольку они могут приводиться в действие последовательностью импульсов давления. Более того, различные варианты скважинного приводного инструмента могут обеспечить большую точность в управлении приводом скважинных инструментов. Различные варианты скважинного приводного инструмента можно эксплуатировать с затратами энергии менее 1 Ватта, подаваемой на двигатель 240, и при дифференциальном давлении от менее 1 килофунта на кв. дюйм до более 20 килофунтов на кв. дюйм. Такое дифференциальное давление может создаваться низким давлением в атмосферной камере и высоким давлением скважинного флюида.
Хотя предмет настоящего изобретения был описан языком, специфичным для конструктивных признаков и/или методологических действий, следует понимать, что предмет, определенный в прилагаемой формуле, не обязательно ограничен конкретными признаками или действиями, описанными выше. Такие конкретные признаки и действия, описанные выше, приведены как примеры реализации формулы изобретения.
1. Скважинная система, содержащая скважинный инструмент, приводимый в действие приложенным к нему давлением, и устройство для приведения в действие скважинного инструмента, содержащее датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединенный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью совершать вращательное движение, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, содержащую впускное отверстие, сообщенное со скважинной текучей средой, и управляющую линию, способствующую сообщению между впускным отверстием и скважинным инструментом при приведении в действие двигателя, при этом клапанная система соединена с соединяющим механизмом и выполнена с возможностью перехода в открытую фазу для приложения давления к скважинному инструменту при приведении его в действие.
2. Устройство по п.1, в котором команда на приведение в действие скважинного инструмента содержит команду на приведение в действие двигателя.
3. Устройство по п.1, в котором клапанная система содержит ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом.
4. Устройство по п.3, в котором соединяющий механизм выполнен с возможностью линейного перемещения ходового винта при приеме вращательного движения от двигателя.
5. Устройство по п.3, в котором клапанная система содержит уплотнительную заглушку, расположенную в отверстии под заглушку, штифт, соединенный с ходовым винтом и выполненный с возможностью удержания уплотнительной заглушки в отверстии.
6. Устройство по п.5, в котором уплотнительная заглушка и штифт выполнены с возможностью образования уплотнения с отверстием под заглушку.
7. Устройство по п.5, в котором ходовой винт выполнен с возможностью отведения штифта от отверстия под заглушку, позволяя гидравлическому давлению выталкивать уплотнительную заглушку из отверстия при сообщении ходовому винту линейного движения.
8. Устройство по п.5, в котором клапанная система дополнительно содержит клапанный канал, сообщенный с отверстием под заглушку, и клапанную камеру, сообщенную с клапанным каналом.
9. Устройство по п.8, в котором клапанная система дополнительно содержит управляющий поршень, размещенный внутри клапанной камеры и выполненный с возможностью линейного перемещения в клапанной камере.
10. Устройство по п.9, в котором клапанная система дополнительно содержит смазочное масло, помещенное между уплотнительной заглушкой и управляющим поршнем.
11. Устройство по п.10, в котором смазочное масло предотвращает перемещение управляющего поршня при приложении к нему внешнего давления скважинной текучей среды.
12. Устройство по п.10, в котором смазочное масло вытекает из отверстия под заглушку при выталкивании уплотнительной заглушки из отверстия.
13. Устройство по п.9, в котором управляющий поршень выполнен с возможностью перемещения к уплотняющей заглушке для открытия сообщения между впускным отверстием и управляющей линией, когда клапанная система находится в открытой фазе.
14. Устройство для приведения в действие скважинного инструмента, содержащее датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединеный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью вращательного движения, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, выполненную с возможностью приведения в действие скважинного инструмента при ее нахождении в открытой фазе и содержащую ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом, уплотнительную заглушку, расположенную в отверстии под заглушку, штифт, соединенный с ходовым винтом и выполненный с возможностью удерживания уплотнительной заглушки в отверстии при нахождении клапанной системы в закрытой фазе, клапанный канал, сообщенный с отверстием под заглушку, пружину сжатия, расположенную внутри клапанного канала.
15. Устройство по п.14, в котором клапанная система дополнительно содержит плавающий штифт, расположенный между уплотнительной заглушкой и пружиной сжатия.
16. Устройство по п.15, в которой пружина сжатия выполнена с возможностью прижимать плавающий штифт к уплотнительной заглушке.
17. Устройство по п.15, в котором ходовой винт выполнен с возможностью отведения штифта от отверстия под заглушку, позволяя гидравлическому давлению и пружине сжатия, прижимающей плавающий штифт к уплотнительной заглушке, вытолкнуть уплотнительную заглушку из отверстия под заглушку при сообщении линейного движения ходовому винту.
18. Устройство для приведения в действие скважинного инструмента, содержащее датчик давления для приема одного или нескольких импульсов давления, модуль электронных приборов, соединенный с датчиком давления и выполненный с возможностью определения, указывают ли импульсы давления на команду на приведение в действие скважинного инструмента, двигатель, соединенный с модулем электронных приборов и выполненный с возможностью вращательного движения, соединяющий механизм, соединенный с двигателем и выполненный с возможностью преобразования вращательного движения в линейное движение, и клапанную систему, выполненную с возможностью приведения в действие скважинного инструмента при ее нахождении в открытой фазе и содержащую атмосферную камеру, выпускное отверстие, сообщенное с атмосферной камерой, ходовой винт, соединенный с соединяющим механизмом, уплотнительное кольцо, расположенное внутри атмосферной камеры, и уплотнительный штифт, расположенный между ходовым винтом и выпускным отверстием и проходящий сквозь уплотнительное кольцо так, что уплотнительный штифт и уплотнительное кольцо образуют уплотнение с выпускным отверстием при нахождении клапанной системы в закрытой фазе.
19. Устройство по п.18, в котором уплотнительный штифт проходит сквозь уплотнительное кольцо для образования уплотнения.
20. Устройство по п.18, в котором ходовой винт соединен с гайкой и выполнен с возможностью вращения внутри гайки.
21. Устройство по п.20, в котором соединяющий механизм выполнен с возможностью отведения ходового винта от гайки при приеме вращательного движения от двигателя.
22. Устройство по п.21, в котором уплотнительный штифт выполнен с возможностью отходить от уплотнительного кольца при отведении ходового винта от гайки.
23. Устройство по п.21, в котором клапанная система дополнительно содержит клапанную камеру, сообщенную с выпускным отверстием, управляющий поршень, расположенный внутри клапанной камеры, смазочное масло, помещенное между уплотнительным кольцом и управляющим поршнем, впускное отверстие, сообщенное со скважинной текучей средой, управляющую линию, способствующую сообщению между впускным отверстием и скважинным инструментом, когда двигатель приведен в действие командой на приведение в действие скважинного инструмента.
24. Устройство по п.23, в котором смазочное масло вытекает из выпускного отверстия при отведении уплотнительного штифта от уплотнительного кольца.
25. Устройство по п.24, в котором управляющий поршень выполнен с возможностью перемещения в направлении уплотнительного кольца при вытекании смазочного масла из выпускного отверстия для облегчения сообщения между впускным отверстием и управляющей линией.
