Керамическая разрывная куполообразная мембрана для управления давлением

Предложен трубопроводный затвор однократного применения, срабатывающий под действием давления, избирательно выдерживающий давление текучей среды с одной стороны устройства до дистанционного удаления затвора, причем устройство является ломкой куполообразной мембраной, выполненной с возможностью выдерживания давления текучих сред с одной стороны, но разрыва после приложения более высокого давления на своей другой стороне, которая обеспечивает механизм для изоляции скважинной текучей среды под высоким давлением в части скважины во время проведения работ на период времени, выбранный оператором, и затем удаляет изоляцию посредством дистанционного разрушения разрывной куполообразной мембраны с помощью приложения дополнительного давления текучей среды или других сил с поверхности. Ломкая куполообразная мембрана имеет элементы по меньшей мере в одной поверхности для направления и контроля своего разрушения для обеспечения осколков регулируемых размеров и форм и прогнозируемого проема для создания трубы с минимальными препятствиями после разрушения. Технический результат заключается в повышении эффективности устройства. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение, в общем, относится к срабатывающему под действием давления клапану или затвору однократного применения, избирательно выдерживающему давление текучей среды с одной стороны устройства, до дистанционного удаления затвора. Указанное получают, выполняя устройство в виде ломкой куполообразной мембраны, которая может выдерживать высокое давление с одной стороны, но должна разрываться под действием высокого давления с другой своей стороны. Разрывная куполообразная мембрана обеспечивает механизм для изоляции скважинной текучей среды под высоким давлением на начальном этапе работ в бурильной колонне в скважине на период времени, который может выбрать бурильщик или оператор, и для удаления затем изоляции при разрушении разрывной куполообразной мембраны дистанционно, с помощью приложения дополнительного давления текучей среды или других сил с поверхности.

Данные операции являются полезными в направленных, горизонтальных или наклонно-направленных скважинах во время спускоподъемных операций под давлением, извлечения мостовых пробок или операции разобщения зон в комбинации с пакерами и/или колоннами заканчивания. Куполообразная мембрана данного устройства обеспечивает изоляцию давления для операций, проводимых по вертикали и не по вертикали, при этом открытие можно проводить без тросовой линии, и может применяться в соединении с другим оборудованием, таким как узлы компоновки, которые включают в себя посадку элементов для извлечения или других функций.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В операциях ремонта, заканчивания или техобслуживания в наклонно-направленной скважине в некоторых случаях важно иметь возможность уплотнения колонны насосно-компрессорных труб для изоляции эксплуатационной или другой работающей под избыточным давлением зоны ствола скважины.

В прошлом применяли концевые пробки для насосно-компрессорной трубы во время спуска под давлением насосно-компрессорной трубы в такую скважину, пробки обычно представляли собой металлический или алюминиевый диск, прикрепляемый к низу колонны насосно-компрессорных труб для спуска под давлением, и затем выполняли удаление металлического диска из колонны насосно-компрессорных труб на забое или вблизи дна забоя скважины. Пример можно найти в патенте US 244,042, Farrar (1881). Здесь имеется нежелательный эффект оставления металла на дне забоя ствола скважины, который трудно или дорого удалять и который может мешать дальнейшему бурению или другим работам. Данные устройства только спускали в скважину снизу колонны насосно-компрессорных труб.

Другим механизмом, который можно видеть в некоторых случаях, является применение ниппеля Otis®, состоящего из многочисленных профилей для приема различных закупоривающих устройств, подаваемых в скважину на вспомогательном канате. Данные механизмы обеспечивают одну пробку, и хотя дают возможность откупоривания и повторного закупоривания, ограничены возможностями механизм подачи пробки, то есть, возможны трудности при извлечении канатных пробок из стволов глубоких наклонно-направленных или горизонтальных скважин, и может отсутствовать возможность их спуска под давлением и перестановки при не вертикальной ориентации. Дополнительно, если установка такой пробки не удается во время проведения работ, канатная пробка может становиться разрушительным снарядом, и две канатные пробки не могут быть установлены или могут быть установлены с трудом в процессе или для проведения работ. Аналогично, многопрофильные посадочные ниппели для приема различных пробок производятся под торговой Baker®.

Разрывные куполообразной мембраны применяют в сходных ситуациях в скважине. Например, система, обеспечивающая ʺЛомкое уплотнение, работающее под давлениемʺ раскрыта в канадской патентной заявке 2,228,728, Frazier (CAʹ728). В этом случае керамические оболочки с кольцевой посадочной поверхностью и радиальной кривизной предложены, как ломающиеся уплотнения, для включения в состав узла забойной компоновки. В CAʹ728, керамический диск выполнен правильной дугообразной формы (в сечении) для создания максимального сопротивления давлению. CAʹ728 выполнен с возможностью обеспечения прочного барьера давлению текучей среды, но с функциональной возможностью пробивания при оснащении ломающим средством, реализуемым в скважине (таким, как сбрасываемый по насосно-компрессорной трубе стержень). Данное конструктивное решение является неприемлемым, например, в наклонно-направленной или не вертикальной насосно-компрессорной трубе в стволе скважины, поскольку стержень или ломающее средство может терять способность перемещаться под действием только силы тяжести, если не вертикальный участок ствола скважины имеет большую протяженность, или если кривизна наклонно-направленного канала снижает скорость перемещения ломающего инструмента (или ударную силу). Дополнительно, в случае разрыва куполообразных мембран по ʹ728, полученный проход может иметь неправильную форму и дросселировать поток текучей среды в канале насосно-компрессорной трубы, проходящий через остатки куполообразной мембраны. Также, полученные фрагменты могут иметь неправильную форму или быть настолько крупными, что могут создавать помехи работе соединений, бурению или отрицательно влиять на другие скважинные характеристики или операции.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для минимизации некоторых проблем уровня техники разрывную куполообразную мембрану данного изобретения изготавливают из ломкого материала со специфической формой купола с умеренным изгибом и с включением элементов по меньшей мере в одной поверхности формы купола, которые направляют и регулируют фрагментацию куполообразной мембраны, когда он разрушается, так, что обломки разрывающейся куполообразной мембраны имеют контролируемый размер и форму, выполненные с возможностью предотвращения закупоривания или застревания в стволе скважины или любом связанным оборудовании. Ломкая куполообразная мембрана может быть выполнена из материала, такого как любая керамика, стекло, литой металл, растворимые вещества или любой подходящий материал, если они не дают реакции с отрицательными последствиями или не взаимодействуют, обуславливая повреждения скважины или связанного оборудования.

В варианте осуществления предложена разрывная куполообразная мембрана для использования в качестве разрушаемого уплотнения для трубопровода, образованного насосно-компрессорной трубой, выполненная из разрушаемого материала, которая включает в себя:

а. тело круглой формы с сечением куполообразной формы с

1. выпуклой стороной

2. вогнутой стороной

3. прикрепленным периферийным опорным кольцом для установке на уплотнении на внутренней стороне насосно-компрессорной трубы или фитинге на насосно-компрессорной трубе;

b. одну сторону, имеющую совокупность элементов, выполненных в ее поверхности для направления разрушения разрывной куполообразной мембраны;

с. участок тела, образованный между выпуклой стороной и вогнутой стороной, образующий разрушаемую часть, являющийся ломким, выполненный с возможностью выдерживания высокого давления текучей среды, приложенное к выпуклой стороне, и разрушения, когда давление текучей среды, приложенное к вогнутой стороне, превышает некоторое пороговое значение;

d. при этом разрушаемая часть при разрушении в результате приложения давления к вогнутой стороне, превышающего пороговое значение, выполнена с возможностью разрушения на заданные фрагменты, образованные по меньшей мере, частично элементами, включенными в ее поверхность;

е. куполообразная мембрана может также разрушаться с применением механических или других сил.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показан общий вид сверху и сбоку разрывной куполообразной мембраны.

На фиг. 2 на виде сбоку разрывной куполообразной мембраны показан вариант осуществления конструкций канавки и упорного выступа.

На фиг. 3 и 3a показано сечение разрывной куполообразной мембраны фиг. 2 по линии A-A, на фиг. 3a представлена расширенная детальная иллюстрация варианта осуществления конструкций фрезерованной канавки, выполненной концевой сферической фрезой на верхней поверхности разрывной куполообразной мембраны.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает разрывную куполообразную мембрану 100 для использования в качестве разрушаемого уплотнения в узле компоновки (не показано). Разрывная куполообразная мембрана 100 выполнена с наружной периферией, кромка 10 которой вставляется с прилеганием в узел компоновки (не показано) и уплотняется к узлу компоновки, в результате герметизируется внутренний канал трубы текучей среды (не показано), такой как колонна насосно-компрессорных труб для использования в скважине. В общем, данное изобретение предназначено для нефтяной и газовой отрасли, а, более конкретно, для управления давлением при работах, связанных с нефтяными или газовыми скважинами, и, еще конкретнее, наклонно-направленными или не вертикальными скважинами.

Разрывная куполообразная мембрана 100 выполнена из ломкого материала, такого как керамика. Она имеет куполообразную форму, с углубленной или вогнутой стороной 20 и выпуклой стороной 30. Изгиб вогнутой стороны 20 и выпуклой стороны 30 в варианте осуществления является одинаковым или эквивалентным, что делает толщину криволинейного тела 40 куполообразной мембраны относительно постоянной.

В зависимости от диаметра разрывной куполообразной мембраны 100 толщина и кривизна тела 40 куполообразной мембраны должна отличаться, вследствие выполнения с возможностью выдерживания давление текучей среды заданного диапазона с одной стороны (приложенного к выпуклой стороне 30) и разрушаться или разрываться при отличающемся, но заданном пороговом значении давления с другой стороны (приложенного к вогнутой стороне 20). Таким образом, может поддерживаться уплотнение, обеспеченное разрывной куполообразной мембраной 100 в узле компоновки, уплотненном к насосно-компрессорной трубе, изолирующее участок насосно-компрессорной трубы от остальной скважины, до приложения к вогнутой стороне 20 разрывной куполообразной мембраны 100 давления, которое выше проектного разрывного давления.

В предпочтительном варианте осуществления разрывная куполообразная мембрана выполнена с возможностью выдерживания 10000 фунт/кв.дюйм (69 МПа) с выпуклой стороны 30, несущей высокое давление без разрушения, но разрушения или разрыва когда давление на другой (вогнутой) стороне 20 превышает давление на другой (выпуклой) стороне 30 на 10-15% максимального давления, которое выпуклая сторона куполообразной мембраны может выдерживать. В одном варианте осуществления работающая под давлением куполообразная мембрана может выдерживать перепад давления где давление на выпуклый сторон является одинаковым с или на величину до 10000 фунт/кв.дюйм (69 МПа) больше давления на вогнутой стороне перед разрывом, но работающая под давлением куполообразная мембрана разработана такой, что может выдерживать перепад давления в случае, если давление на вогнутой стороне на 1500 фунт/кв.дюйм (10 МПа) больше давления на выпуклой стороне, но должна разрываться если указанный перепад давления превышает 1500 фунт/кв.дюйм (10 МПа) (данные цифры приведены, как пример, и являются аппроксимацией предпочтительного варианта осуществления). Это означает, что если работающая под давлением куполообразная мембрана находится в окружающей среде, герметизируя ствол скважины от пластового давления, составляющего 9000 фунт/кв.дюйм (62 МПа), куполообразная мембрана может быть разорвана при приложении давления текучей среды с оборудования на поверхности, составляющего 10501 фунт/кв.дюйм (70 МПа) или больше (перепад давления больше 1500 фунт/кв.дюйм (10 МПа) под управлением оператора. Аналогично, при опрессовке давлением на выпуклой стороне, составляющим 1000 фунт/кв.дюйм (7 МПа), куполообразная мембрана может быть разорвана при приложении 2501 фунт/кв.дюйм (17 МПа) или больше на вогнутую сторону (перепад больше 1500 фунт/кв.дюйм (10 МПа). Данные примеры показывают, как следует проектировать разрывной перепад давления таким, что имеется небольшой (приблизительно 10-25% от максимального давления, которое выпуклая сторона должна выдерживать) но значимый (такой что уменьшается вероятность случайного разрыва) перепад давления, которое может быть приложено на вогнутую сторону куполообразной мембраны для обеспечения ее разрыва в контролируемом режиме (с помощью регулирования давления текучей среды, приложенного на вогнутую сторону). Таким образом, разрывная куполообразная мембрана может быть преднамеренно разорвана при избирательном приложении давления с поверхности на вогнутую сторону 20 для обеспечения разрушения куполообразной мембраны, разрыва и разрушения ранее образованного уплотнения. Для обеспечения данной характеристической группы показателей работы керамическая разрывная куполообразная мембрана 100 с наружным диаметром 2 3/8ʺ (60 мм) должна иметь толщину стенки 40 куполообразной мембраны приблизительно 0,2575ʺ (7 мм), в которую канавки проходят на 0,075ʺ (2 мм), и линии 70, 90 элемента отформованы или прорезаны в стенке 40 куполообразной мембраны, если фрезеруются, например, то концевой сферической фрезой на 0,030ʺ (1 мм) до глубины около 0,075ʺ (2 мм).

Для исключения при разрушении разрывной куполообразной мембраны образования опасных крупных нерегулярных фрагментов материала куполообразной мембраны, которые могут задерживаться в скважинном оборудовании или насосно-компрессорной трубе, закупоривать или повреждать их, особый профиль может быть выполнен на поверхности разрывной куполообразной мембраны 100 в предпочтительном варианте осуществления, профиль может быть выполнен в наружной поверхности выпуклой стороны 30. Профиль 50 может представлять собой симметричную решетку из элементов 60 в наружной поверхности выпуклой стороны 30, или может представлять собой любой подходящий профиль, и может быть выполнен на стадии литья или формования при изготовлении или станочной обработкой или прорезан или выполнен иначе. В варианте осуществления, элементы можно фрезеровать, применяя концевую сферическую фрезу на 0,030ʺ (0,8 мм) с радиусом 0,015ʺ (0,4 мм), или концевую сферическую фрезу на 0,020ʺ (0,5 мм) с радиусом 0,010ʺ (0,3 мм) в профиле решетки из квадратиков с линиями 70 элементов, отнесенными друг от друга приблизительно на 3/16 дюйма (5 мм).

Линии 70 элементов профиля а 50 в поверхности выпуклой стороны 30 разрывной куполообразной мембраны 100 имеют в предпочтительном варианте осуществления радиус 80 который, также является линией 90 элементов в той-же поверхности 30, причем радиус 80 приблизительно равен или немного меньше внутреннего диаметра узла компоновки (не показано). В предпочтительном варианте осуществления, для использования в колонне насосно-компрессорных труб с наружным диаметром 2 3/8ʺ (60 мм) с уплотнением с внутренним диаметром 2ʺ (51 мм), данный радиус 80 должен быть приблизительно равен 2ʺ (51 мм). Указанное обеспечивает при разрушении разрывной куполообразной мембраны сохранение чистого канала, образованного радиусом 80 линии 90 элемента, когда разрушенные части разрывной куполообразной мембраны разрушены и удалены от уплотнения, оставляя, по существу, проход без препятствий.

Разрывная куполообразная мембрана 100 может иметь проходящую по наружной периферии стенку 95 для прикрепления к узлу компоновки (не показано).

Вышеописанные варианты осуществления изобретения служат только примерами. Изменения, модификации и вариации специалисты в данной области техники могут реализовать для частных вариантов осуществления, не выходя за рамки объема изобретения, который определен только прилагаемой формулой изобретения.

1. Разрывная куполообразная мембрана, выполненная с возможностью прикрепления к работающему трубопроводу, образованному колонной насосно-компрессорной трубы в скважине, причем разрывная куполообразная мембрана предназначена для использования в качестве разрушаемого уплотнения, выполненная из разрушаемого материала, содержащая:

i) монолитное тело круглой формы с сечением куполообразной формы с

а) выпуклой стороной;

b) вогнутой стороной;

c) прикрепленным периферийным опорным кольцом для установки на уплотнении на внутренней стороне колонны насосно-компрессорной трубы или фитинге на насосно-компрессорной трубе;

ii) одну сторону куполообразной поверхности тела, имеющую совокупность элементов, выполненных в куполообразной поверхности для направления разрушения разрывной куполообразной мембраны;

iii) участок тела, образованный между выпуклой стороной и вогнутой стороной, образующий разрушаемую часть, являющуюся ломкой, выполненный с возможностью выдерживания высокого давления текучей среды, приложенного к выпуклой стороне, и разрушения, когда давление текучей среды, приложенное от оборудования вблизи устья скважины на поверхности к вогнутой стороне, превышает пороговое значение;

iv) разрушаемую часть, выполненную с возможностью разрушения в результате непосредственного приложения давления непосредственно к вогнутой стороне, которое превышает пороговое значение, и выполненную с возможностью разрушения на заданные фрагменты, образованные по меньшей мере частично элементами, включенными в поверхность куполообразной мембраны.

2. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, которая выполнена из керамики.

3. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, в которой совокупность элементов включает в себя по меньшей мере одно из:

i) элемента с кольцевым профилем, с диаметром по существу одинаковым с внутренним диаметром насосно-компрессорной трубы;

ii) ряда симметричных канавок в профиле, образующих размер фрагментов, на которые разрывная куполообразная мембрана должна разрушаться при разрыве;

iii) профиля из канавок, или включений, или гребней в поверхности куполообразной мембраны, содействующего разрыву куполообразной мембраны в определенных местах для образования заданных фрагментов обломков.

4. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1 с опорным кольцом, выполненным для сопряжения с фиксатором в колонне насосно-компрессорных труб так, что куполообразная мембрана может быть вставлена и уплотнена, разорвана, затем удалена и заменена, так что разрушаемое уплотнение, обеспечиваемое разрывной куполообразной мембраной, может быть легко повторено.

5. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, которая выполнена с возможностью выдерживания высокого давления текучей среды, приложенного к выпуклой стороне.

6. Разрывная куполообразная мембрана по п. 5, которая выдерживает высокое давление текучей среды, составляющее приблизительно 10000 фунт/кв.дюйм.

7. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, выполненная с возможностью разрыва, когда давление текучей среды, приложенное к вогнутой стороне, превышает давление текучей среды на выпуклой стороне на перепад давления.

8. Разрывная куполообразная мембрана по п. 7, для которой перепад давления составляет 10-25% максимального давления, выдерживаемого выпуклой стороной.

9. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, имеющая диаметр, пригодный для использования в насосно-компрессорной трубе с внутренним диаметром 2 3/8 дюйма.

10. Разрывная куполообразная мембрана по п. 1, имеющая диаметр, пригодный для использования в насосно-компрессорной трубе с внутренним диаметром 2 7/8 дюйма.

11. Разрывная куполообразная мембрана по п. 3, в которой симметричные канавки выполнены в виде сетчатого профиля.