Шаровое седло для высокого давления и высокой температуры

Шаровое седло для высокого давления и высокой температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники

[0002] Варианты изобретения, раскрытые в настоящем документе, относятся главным образом к способам и устройствам для бурения и заканчивания скважин. Конкретнее, варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к устройству для пробки разрыва и способам изоляции зон, используя пробку разрыва. Точнее говоря, варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробок разрыва.

Уровень техники

[0003] При бурении, окончании или доработке скважин часто возникает необходимость изолировать отдельные зоны в скважине. В некоторых вариантах для изоляции зон в скважину вводят скважинные инструменты, известные как временные или постоянные пробки-мосты. Назначением пробок-мостов является изоляция части скважины от другой части скважины. В некоторых вариантах пробка разрыва или пробка гидроразрыва используется для изоляции перфорационного канала в скважине в одном участке от перфорационного канала в другом участке скважины. В других ситуациях может возникнуть необходимость использовать пробку-мост для изоляции забоя скважины от устья скважины. Эти пробки можно удалить с помощью бурения через пробку.

[0004] Разбуриваемые пробки, как правило, включают в себя оправку, элемент уплотнения, расположенный вокруг оправки, ряд опорных колец, расположенных вокруг оправки и примыкающих к элементу уплотнения, верхний узел с клиньями и нижний узел с клиньями, расположенные вокруг оправки, и верхнюю коническую насадку и нижнюю коническую насадку, расположенные вокруг оправки, примыкая к верхнему и нижнему узлам с клиньями, соответственно. На фиг. 1 показан местный разрез скважины 10 со стволом 12 скважины, снабженным пробкой 15, расположенной в обсадной трубе 20 ствола скважины. Пробка 15, как правило, крепится к посадочному инструменту и вводится в отверстие на проволочном канате или обсадной трубе (не показано), а затем приводится в действие, например, с помощью гидравлической системы. Как показано на фиг. 1, ствол скважины герметизирован выше и ниже пробки, так что нефть, поступающая в ствол скважины через перфорационные каналы 23, будет направляться к поверхности скважины.

[0005] Разбуриваемая пробка может устанавливаться с помощью проволочного каната, колонны гибких труб или обычной бурильной колонны. Пробка может располагаться в сцеплении с нижним концом посадочного инструмента, который включает в себя нижний стопорный механизм и плунжер. Затем пробка опускается через обсадную трубу на желаемую глубину и ориентируется до нужной ориентации. После установки пробки посадочный инструмент вытягивается вверх на оправке, таким образом проталкивая верхнюю и нижнюю конические насадки вдоль оправки. Это принуждает верхний и нижний узлы с клиньями, опорные кольца и элемент уплотнения перемещаться радиально наружу, таким образом вводя в зацепление сегментированные узлы с клиньями с внутренней стенкой обсадной трубы.

[0006] Как показано на фиг. 1B и 1С, пробка 30 разрыва включает в себя оправку 32, снабженную осевым каналом 34 в ней, и седло 36, расположенное в канале 34. Седло 36 сформировано так, чтобы принимать шар 38 для изоляции зон ствола скважины и обеспечивать добычу текучих сред из зон, находящихся ниже пробки 30 разрыва. Когда сверху прилагается перепад давлений к седлу 36, шар 38 прилегает к седлу 36. Например, когда текучая среда нагнетается с поверхности по скважине для образования разрыва пласта, таким образом обеспечивая увеличенный поток текучих сред пласта в ствол скважины, шар 38 прилегает к седлу 36 для поддержания текучей среды и, следовательно, разрывая пласт в зоне выше пробки 30. Иначе говоря, прилегающий шар 38 может предотвратить проникновение текучей среды в изолированную зону, находящуюся ниже пробки 30 разрыва. Шар 38 может опускаться с поверхности или может быть расположен внутри оправки 32 и спускаться по скважине в пробку 30 разрыва.

[0007] При высоких температурах и давлениях, т.е. выше примерно 300°F и выше 10000 фунт/кв. дюйм, обычно применяемые материалы для шаров скважин не надежны. Кроме того, обычное шаровое седло 36 включает в себя суживающуюся или коническую посадочную поверхность 40. Шар 38 контактирует с посадочной поверхностью 40 и образует начальное уплотнение. Исходя из геометрии посадочной поверхности 40 и шара 38 существует большое радиальное расстояние между внутренним диаметром посадочной поверхности 40 и наружным диаметром шара. Таким образом, опорная поверхность между посадочной поверхностью 40 и шаром 38 является малой. Когда шар 38 нагружают до последовательно увеличивающихся нагрузок, шар 38 может подвергаться высоким сжимающим нагрузкам, которые превышают предельные характеристики материала, таким образом приводя к разрушению шара 38. Даже если шар 38 деформируется, он не может деформироваться до степени, достаточной для контакта с конической посадочной поверхностью 40, и поэтому опорная поверхность 40 шарового седла 36 для шара 38 остается малой. Увеличение температуры окружающей среды также может увеличить вероятность выдавливания шара 38 через седло вследствие ухудшения свойств материала. Механические свойства материала шара 38 могут ухудшаться, например, пределы сжимающего напряжения и упругость, что может вести к увеличению вероятности растрескивания шара или выдавливания через шаровое седло 36. Таким образом, при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды обычные изолирующие устройства для пробок 30 разрыва, т.е. шары 38 и шаровые седла 36 в оправке, могут давать утечку или выходить из строя.

[0008] Если желательно удалить одну или несколько из этих пробок из ствола скважины, часто проще и дешевле расфрезеровать или выбурить ее, чем выполнять сложную операцию по извлечению. При фрезеровании, для расфрезеровывания приспособления или, по меньшей мере, его наружных компонентов из ствола скважины используется фреза. При выбуривании для вырезания и выбуривания компонентов пробки, чтобы удалить их из ствола скважины, используется буровое долото или фреза.

[0009] Соответственно, существует необходимость в изолирующем устройстве для пробки разрыва, эффективно герметизирующем или изолирующем зоны выше и ниже пробки при высокой температуре и высоком давлении окружающей среды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] В одном аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробки разрыва, включающему в себя шаровое седло, снабженное посадочной поверхностью, и шар, приспособленный контактировать с посадочной поверхностью, причем профиль посадочной поверхности соответствует профилю шара.

[0011] В другом аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к пробке разрыва, включающей в себя оправку, имеющую верхний конец и нижний конец, элемент уплотнения, расположенный вокруг оправки, и шаровое седло, расположенное в центральном канале оправки, причем шаровое седло включает в себя посадочную поверхность, имеющую нелинейный профиль.

[0012] В следующем аспекте варианты, раскрытые в настоящем документе, относятся к способу изоляции зон продуктивного пласта, включающему в себя спуск в скважину пробки разрыва до определенного положения между первой зоной и второй зоной, установку пробки разрыва между первой зоной и второй зоной, размещение шара в пробке разрыва и посадку шара в шаровое седло пробки разрыва, причем шаровое седло включает в себя посадочную поверхность, имеющую профиль, по существу совпадающий с профилем шара.

[0013] Другие аспекты и преимущества изобретения будут понятны из следующего описания и прилагаемой формулы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] На фиг. 1A представлен местный разрез узла пробки существующего уровня техники в том виде, как она установлена в стволе скважины.

[0015] На фиг. 1B представлен вид поперечного сечения обычного шарового седла и шара, расположенного в оправке пробки разрыва.

[0016] На фиг. 1С представлен увеличенный вид обычного шарового седла и шара по фиг. 1B.

[0017] На фиг. 2A представлен вид в перспективе пробки разрыва в соответствии с вариантами изобретения.

[0018] На фиг. 2B представлено поперечное сечение пробки-моста разрыва в соответствии с вариантами изобретения.

[0019] На фиг. 3А и 3B представлен элемент уплотнения в соответствии с вариантами изобретения.

[0020] На фиг. 4 представлен вид в перспективе поддерживающего кольца в соответствии вариантами изобретения.

[0021] На фиг. 5A и 5B представлены виды в перспективе верхней конической насадки и нижней конической насадки, соответственно, в соответствии с вариантами изобретения.

[0022] На фиг. 6 представлен частичный разрез пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.

[0023] На фиг. 7 представлен вид в перспективе оправки пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.

[0024] На фиг. 8 представлен вид в перспективе узла с клиньями в соответствии с вариантами изобретения.

[0025] На фиг. 9 представлен вид в перспективе верхнего калибрующего кольца в соответствии с вариантами изобретения.

[0026] На фиг. 10 представлен вид в перспективе нижнего калибрующего кольца в соответствии с вариантами изобретения.

[0027] На фиг. 11 представлен частичный разрез узла с клиньями в сборе, верхней конической насадкой и узлом поддержки элемента в соответствии с вариантами изобретения.

[0028] На фиг. 12 представлено поперечное сечение пробки-моста в нерасширенном состоянии в соответствии с вариантами изобретения.

[0029] На фиг. 13 представлено поперечное сечение пробки-моста по фиг. 12 в расширенном состоянии в соответствии с вариантами изобретения.

[0030] На фиг. 14 представлен частичный разрез пробки-моста в соответствии с вариантами изобретения.

[0031] На фиг. 15 представлен вид в нескольких проекциях элемента уплотнения в соответствии с вариантами изобретения.

[0032] На фиг. 16 представлен вид в нескольких проекциях элемента хрупкого опорного кольца в соответствии с вариантами изобретения.

[0033] На фиг. 17 представлен вид в нескольких проекциях поддерживающего кольца в соответствии с вариантами изобретения.

[0034] На фиг. 18A и 18B представлен частичный разрез не вставленного скважинного инструмента и поперечное сечение вставленного скважинного инструмента, соответственно, в соответствии с вариантами изобретения.

[0035] На фиг. 19A и 19B представлено поперечное сечение компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0036] На фиг. 20A и 20B представлено поперечное сечение и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0037] На фиг. 21A и 21B представлен вид сбоку и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0038] На фиг. 22A и 22B представлено поперечное сечение и вид сверху, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0039] На фиг. 23A, 23B и 23C представлен вид сверху, боковое поперечное сечение и вид снизу, соответственно, компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0040] На фиг. 24A и 24B представлено поперечное сечение не вставленной и вставленной детали, соответственно, скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0041] На фиг. 25A,25B представлен вид сверху и поперечное сечение, соответственно, верхнего компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0042] На фиг. 25C и 25D представлено поперечное сечение и вид снизу, соответственно, нижнего компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0043] На фиг. 26A и 26B представлен частичный разрез компонента скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0044] На фиг. 27 представлен частичный разрез скважинного инструмента в соответствии с вариантами изобретения.

[0045] На фиг. 28 представлен частичный разрез скважинных инструментов в соответствии с вариантами изобретения.

[0046] На фиг. 29 представлен частичный разрез изолирующего устройства в соответствии с вариантами изобретения.

[0047] На фиг. 29A представлен увеличенный вид по фиг. 29.

[0048] На фиг. 30 представлен частичный разрез изолирующего устройства в соответствии с вариантами изобретения.

[0049] На фиг. 30A представлен укрупненный вид по фиг. 30.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0050] В одном аспекте, раскрываемые здесь варианты воплощения относятся, главным образом, к скважинному инструменту для изолирующих зон в скважине. В определенных аспектах раскрываемые здесь варианты воплощения относятся к скважинному инструменту для изолирующих зон в скважине, который обеспечивает эффективную герметизацию скважины. Конкретнее, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к устройству для пробки разрыва и способам изоляции зон, используя пробку разрыва. Точнее говоря, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к изолирующему устройству для пробок разрыва. В других аспектах, варианты воплощения, раскрытые в настоящем документе, относятся к системе разрыва не обсаженного ствола скважины, где ряд профилей седла расположен внутри инструмента и шары опускаются с поверхности и сажаются на седла.

[0051] На фиг. 2A и 2B показана пробка 100 в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения в нерасширенном состоянии или после прохода по скважине, но перед установкой в стволе скважины. Нерасширенное состояние определяется как состояние, в котором пробка 100 опускается по скважине, но перед приложением усилия для аксиального перемещения компонентов пробки 100 разрыва и радиального расширения определенных компонентов пробки 100 разрыва для сцепления со стенкой обсадной трубы. Пробка 100 разрыва включает в себя оправку 101, имеющую центральную ось 122, вокруг которой монтируются другие детали пробки 100 разрыва. Оправка 101 включает в себя верхний конец A и нижний конец B, причем верхний конец A и нижний конец B оправки 101 включают в себя резьбовое соединение (не показано), например коническую резьбу. Нижний конец В оправки 101 дополнительно включает в себя ряд шипов 120, расположенных вокруг нижней окружности оправки 101.

[0052] В одном варианте воплощения, оправка 101 включает в себя шаровое седло 103, сформированное заодно с оправкой 101. Как показано на фиг. 2B, шаровое седло 103 образовано между двумя частями 105, 107 различного диаметра внутреннего канала 134, сформированного в оправке 101. Специалисту понятно, что положение шарового седла 103 вдоль длины по оси оправки 101 может изменяться. Например, для определенных видов применения шаровое седло 103 может быть расположено между концом A и осевым положением элемента 114 уплотнения. В других вариантах воплощения шаровое седло 103 может быть расположено между концом В и осевым положением элемента уплотнения. В других вариантах воплощения шаровое седло 103 может располагаться по центру вдоль длины по оси оправки 101. Как показано, часть 105 первого диаметра имеет диаметр больший, чем часть 107 второго диаметра. В альтернативном варианте воплощения шаровое седло может быть сформировано как отдельная деталь, расположенная в канале 134 оправки 101. Отдельное шаровое седло (не показано) может быть прикреплено к оправке 101 любым известным способом, например, сваркой или механическими креплениями, например болтовым, винтовым, резьбовым соединением.

[0053] Элемент 114 уплотнения расположен вокруг оправки 101. Элемент 114 уплотнения герметизирует кольцевой зазор между пробкой 100 разрыва и стенкой обсадной трубы (не показано). Элемент 114 уплотнения может быть сформирован из любого известного на современном уровне материала, например эластомера или резины. Два замыкающих кольца 124, 126 элемента расположены вокруг оправки 101, вблизи любого конца элемента 114 уплотнения, радиально внутри элемента 114 уплотнения, как показано в увеличенном виде на фиг. 3А и 3B. В одном варианте воплощения элемент 114 уплотнения связан с наружным периферическим участком замыкающих колец 124, 126 элемента любым известным способом. Как вариант, элемент 114 уплотнения запрессован с замыкающими кольцами 124, 126 элемента. Замыкающие кольца 124, 126 элемента могут представлять собой сплошные кольца или небольшие трубчатые детали, сформированные из любого известного материала, например, пластмассы или композитного материала. Замыкающие кольца 124, 126 элемента имеют, по меньшей мере, одну канавку или отверстие 128, сформированное на торцевой поверхности, сформированное так, чтобы принимать выступ (не показан), сформированный на конце верхней конической насадки 110 и нижней конической насадки 112, соответственно, как подробнее описано далее. Специалисту будет понятно, что количество и расположение канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента, соответствует количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 110, 112.

[0054] Пробка 100 разрыва может также включать в себя два узла 116 поддержки элемента, каждый из которых расположен по соседству с концом элемента 114 уплотнения и сформирован так, чтобы предотвращать или уменьшать выдавливание элемента 114 уплотнения при установленной пробке 100. Каждый узел 116 поддержки элемента включает в себя два поддерживающих кольца. Как показано на фиг. 4, поддерживающее кольцо 318 в соответствии с вариантами изобретения является пробкообразной деталью, которая имеет цилиндрический корпус 330 с первой торцевой поверхностью 332. Первая торцевая поверхность 332 имеет круглое отверстие, так что поддерживающее кольцо 318 сформировано так, чтобы скользить по оправке 101 в положение, смежное с элементом 114 уплотнения и замыкающим кольцом 124, 126 элемента. По меньшей мере один паз 334 сформирован в первой торцевой поверхности 332 и сформирован так, чтобы совмещаться с канавками 128, сформированными в замыкающих кольцах 124, 126 элемента и принимать выступы, сформированные на верхней и нижней конических насадках 110, 112. Специалисту понятно, что количество и расположение пазов 334, сформированных в первой торцевой поверхности 332 поддерживающего кольца 318, соответствует количеству и положению канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента, и количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 110, 112.

[0055] Поддерживающие кольца 318 могут быть сформированы из любого известного материала. В одном варианте поддерживающие кольца 318 могут быть выполнены из материала сплава, например алюминиевого сплава. Ряд шлицев 336 расположен на цилиндрическом корпусе 330 поддерживающего кольца 318, каждый шлиц 336, проходящий от второго конца 338 поддерживающего кольца 318 до положения за передней торцевой поверхностью 332, таким образом, образуя ряд фланцев 340. В собранном виде два поддерживающих кольца 318 опорного узла 116 (фиг. 2B) выравниваются так, что шлицы 336 первого поддерживающего кольца смещены с поворотом относительно шлицев 336 второго поддерживающего кольца. Таким образом, когда пробка 100 (фиг. 2B) разрыва установлена и компоненты пробки разрыва сжаты, фланцы 340 первого и второго поддерживающих колец радиально расширяются по внутренней стенке обсадной трубы и создают периферический барьер, который предотвращает выдавливание элемента 114 (фиг. 2B) уплотнения.

[0056] Как показано на фиг. 2A и 2B, пробка 100 разрыва включает в себя верхнюю и нижнюю конические насадки 110, 112, расположенные вокруг оправки 101 и примыкающие к узлам 116 поддержки элемента. Верхняя коническая насадка 110 может удерживаться на месте на оправке 101 посредством одного или нескольких срезных винтов (не показано). В некоторых вариантах осевое запорное устройство (не показано), например стопорные кольца, расположено между оправкой 101 и верхней конической насадкой 110, и между оправкой 101 и нижней конической насадкой 112. Кроме того, по меньшей мере одно поворотное запорное устройство (не показано), например шпонки, может быть расположено между оправкой 101 и каждой из конических насадок: верхней 110 и нижней 112, таким образом закрепляя оправку 101 на месте в пробке 100 разрыва в процессе операции бурения или фрезерования, используемой для удаления пробки разрыва. Верхний узел 106 с клиньями и нижний узел 108 с клиньями расположены вокруг оправки 101 и примыкают к верхней и нижней коническим насадкам 110, 112 соответственно. Пробка 100 разрыва, кроме того, включает в себя верхнее калибрующее кольцо 102, расположенное вокруг оправки 101 и примыкающее к верхнему узлу 106 с клиньями, и нижнее калибрующее кольцо 104, расположенное вокруг оправки 101 и примыкающее к нижнему узлу 108 с клиньями.

[0057] Как показано на фиг. 5A и 5B, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 имеют наклонную наружную поверхность 442, так что в собранном виде на оправке наружный диаметр конической насадки 110, 112 увеличивается в осевом направлении к элементу 114 (фиг. 2B) уплотнения. Верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 включают в себя, по меньшей мере, один выступ 444, сформированный на первой торцевой поверхности 446. По меньшей мере, один выступ 444 сформирован так, чтобы совпадать с пазом 334 (фиг. 4), сформированным в первой торцевой поверхности 332 поддерживающих колец 318 узла 116 (фиг. 2B) поддержки элемента, и чтобы сцепляться с канавками 128 (фиг. 3B) в замыкающих кольцах 124, 126 элемента. Специалисту понятно, что количество и положение выступов 444 соответствует количеству и положению пазов 334, сформированных в первой поверхности 332 поддерживающего кольца 318 и количеству и положению канавок 128, сформированных в замыкающих кольцах 124, 126 элемента.

[0058] Как показано на фиг. 2B, контактные выступы 444 (фиг. 6) верхней и нижней конических насадок 110, 112 блокируют с поворотом верхнюю и нижнюю конические насадки 110, 112 с верхним и нижним узлами 116 поддержки элемента и замыкающими кольцами 124, 126 элемента. Таким образом, в процессе бурения/фрезерования, т.е. выбуривания/выфрезеровывания пробки разрыва из обсадной трубы конические насадки 110, 112, узлы 116 поддержки элемента и элемент 114 уплотнения выбуриваются легче и быстрее, поскольку компоненты не вращаются друг относительно друга.

[0059] Как показано на фиг. 5A и 5B, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 сформированы из металлического сплава, например алюминиевого сплава. В некоторых вариантах, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 могут быть сформированы из металлического сплава и покрыты другим материалом. Например, в одном варианте верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 могут быть покрыты медью. Авторы изобретения предпочтительно обнаружили, что конические насадки 110, 112, покрытые медью, уменьшают трение между компонентами, перемещающимися вдоль наклонной поверхности 442 конических насадок 110, 112, например узлы 106, 108 (фиг. 2B) с клиньями, таким образом обеспечивая более эффективную и более герметичную пробку (100) разрыва.

[0060] Как показано на фиг. 6, нижняя коническая насадка 112 имеет первый внутренний диаметр D1 и второй внутренний диаметр D2, так что несущий бурт 448 сформирован между первым внутренним диаметром D1 и вторым внутренним диаметром D2. Несущий бурт 448 соответствует согласованному изменению в наружном диаметре оправки 101, так что в процессе бурения или фрезерования оправка 101 остается на месте в пробке 100 разрыва. Иначе говоря, несущий бурт 448 препятствует выпадению оправки из пробки 100 разрыва в процессе бурения или фрезерования.

[0061] Вкратце, снова ссылаясь на фиг. 5B, нижняя коническая насадка 112 включает в себя, по меньшей мере, один аксиальный паз 450, расположенный на внутренней поверхности. По меньшей мере, один шпоночный паз 154 (фиг. 7) также сформирован на наружном диаметре оправки 101. Если нижняя коническая насадка 112 расположена вокруг оправки 101, аксиальный паз 450 и шпоночный паз 154 выровнены и поворотная запорная шпонка (не показана) вставлена в совпадающие пазы нижней конической насадки 112 и оправки 101. Итак, будучи вставленной, поворотная запорная шпонка блокирует с поворотом нижнюю коническую насадку 112 и оправку 101 в процессе бурения/фрезерования, таким образом препятствуя их взаимному относительному перемещению. Специалисту будет понятно, что шпонка и шпоночный паз могут быть любой известной формы, например шпонка и соответствующий шпоночный паз могут иметь квадратное поперечное сечение или поперечное сечение другой формы. Кроме того, специалисту будет понятно, что поворотная запорная шпонка может быть сформирована из любого известного материала, например металлического сплава.

[0062] Как показано на фиг. 2A и 2B, верхний и нижний узлы 106, 108 с клиньями расположены, примыкая к верхней и нижней коническим насадкам 110 и 112. Верхнее и нижнее калибрующие кольца 102 и 104 расположены, примыкая к верхнему и нижнему узлам 106, 108 с клиньями и контактируя с ними. Как показано на фиг. 8, в одном варианте воплощения, верхний и нижний узлы с клиньями включают в себя хрупкое стопорное устройство 555. Хрупкое стопорное устройство 555 представляет собой цилиндрическую деталь, имеющую первый конец 559 и второй конец 561. Ряд зубцов 557 сформирован на первом конце 559. Ряд зубцов 557 сформирован так, чтобы контактировать с соответствующим рядом зубцов 662, 664 на верхнем и нижнем калибрующих кольцах 102, 104 соответственно (фиг. 9 и 10).

[0063] Второй конец 561 хрупкого стопорного устройства 555 имеет коническую внутреннюю поверхность 565, сформированную так, чтобы контактировать с наклонными наружными поверхностями 442 верхней и нижней конических насадок 110, 112 (фиг. 5A и 5B). Кроме того, во втором конце 561, который проходит от второго конца 561 к положению, приближенному к зубцам 557 первого конца 559, сформированы, по меньшей мере, два аксиальных паза 563. Аксиальные пазы 563 расположены на расстоянии по окружности вокруг хрупкого стопорного устройства 555 так, чтобы контролировать необходимое разрушающее усилие хрупкого стопорного устройства 555. Ряд зубцов 571, резьба конического профиля или другие формы известного в технике вида сформированы на наружной поверхности хрупкого стопорного устройства 555 и приспособлены для схватывания или врезания в стенку обсадной трубы. В одном варианте хрупкое стопорное устройство 555, включающее зубья, сформировано из однокомпонентного материала, например чугуна.

[0064] В альтернативных вариантах, как показано на фиг. 11, узлы с клиньями 106, 108 включают в себя клинья 567, расположенные на наружной стороне основания 569 клиньев. Клинья 567 могут быть сформированы в виде зубьев, резьбы конического профиля или любого другого известного устройства для схватывания или врезания в стенку обсадной трубы. В некоторых вариантах, основание 569 клиньев может быть сформировано из быстро разбуриваемого материала, тогда как клинья 567 сформированы из более твердого материала. Например, в одном варианте, основание 569 клиньев сформировано из литого алюминия с низким пределом текучести, а клинья 567 сформированы из чугуна. Специалисту будет понятно, что могут использоваться другие материалы и что в некоторых вариантах основание 569 клиньев и клинья 567 могут быть сформированы из одинакового материала в пределах объема раскрываемых вариантов.

[0065] На фиг. 11 показан частичный вид в перспективе узла, состоящего из верхнего узла 106 клиньев, верхней конусной насадки 110 и узла 116 поддержки элемента. Как показано, коническая внутренняя поверхность 565 основания 569 клиньев расположена, примыкая к наклонной поверхности 442 верхней конической насадки 110. Клинья 567 расположены на наружной поверхности основания 569 клиньев. Выступы 444, сформированные на нижнем конце верхней конической насадки 110, вставлены через пазы 334 в каждое из двух поддерживающих колец 318, которые образуют узел 116 поддержки элемента. Как показано, узел 106 с клиньями может обеспечить дополнительную поддержку элемента 114 (фиг. 2) уплотнения, таким образом ограничивая выдавливание элемента уплотнения.

[0066] Со ссылкой на фиг. 9, верхнее калибрующее кольцо 102 включает в себя ряд зубцов 662 на нижнем конце. Как описано ранее, ряд зубцов 662 сформирован так, чтобы сцепляться с рядом зубцов 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 клиньев, например, хрупкого стопорного устройства 555 (фиг. 8). Верхнее калибрующее кольцо 102, кроме того, включает в себя внутреннюю резьбу (не показано), сформированную для резьбового соединения с наружной резьбой аксиального стопорного кольца 125 (фиг. 2B), расположенного вокруг оправки 101 (фиг. 2).

[0067] Как показано на фиг. 2B, аксиальное стопорное кольцо 125 является цилиндрической деталью, которая снабжена аксиальным вырезом или шлицем вдоль ее длины, наружной резьбой и внутренней резьбой. Как указано ранее, наружная резьба контактирует с внутренней резьбой (не показано) верхнего калибрующего кольца 102. Внутренняя резьба аксиального стопорного кольца 125 контактирует с наружной резьбой оправки 101. В собранном виде в верхнем калибрующем кольце 102 размещается аксиальное стопорное кольцо.

[0068] Как показано на фиг. 10, нижнее калибрующее кольцо 104 включает в себя ряд зубцов 664 на верхнем конце 668. Как описано ранее, ряд зубцов 664 сформирован так, чтобы сцепляться с рядом зубцов 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 с клиньями, например, хрупкого стопорного устройства 555 (фиг. 8). Внутренняя резьба (не показана) сформирована в нижнем конце 670 нижнего калибрующего кольца 104 и выполнена так, чтобы контактировать с ниппельной резьбой на верхнем конце второй оправки, если используется ряд пробок. В одном варианте воплощения внутренняя резьба может быть конической резьбой. Внутренняя резьба (не показана) также сформирована на верхнем конце 668 нижнего калибрующего кольца 104 и выполнена так, чтобы контактировать с ниппельной резьбой на нижнем конце В оправки 101 (фиг. 2B). В процессе выбуривания/фрезерования нижнее калибрующее кольцо 104 будет высвобождаться и падать в скважину, оказываясь на верху нижней пробки. Вследствие вращения долота, нижнее калибрующее кольцо 104 будет вращаться при падении и вставляться или соединяться по резьбе с оправкой нижней пробки.

[0069] Как показано на фиг. 2-11, после того как пробка 100 разрыва расположена в скважине в желаемом положении она активируется или устанавливается, используя набор переходников. Пробка 100 может устанавливаться с помощью каната, колонны гибких труб или обычной бурильной колонны. Набор переходников механически натягивается на оправку 101, одновременно толкая верхнее калибрующее кольцо 102 и таким образом перемещая верхнее калибрующее кольцо 102 и оправку 101 в противоположных направлениях. Верхнее калибровочное кольцо 102 толкает аксиальное стопорное кольцо, верхний узел 106 с клиньями, верхнюю коническую насадку 110 и узел 116 поддержки элемента в направлении верхнего конца элемента 114 уплотнения, а оправка тянет нижнее калибрующее кольцо 104, нижний узел 108 с клиньями, нижнюю коническую насадку 112, поворотную запорную шпонку и нижний узел 116 поддержки элемента в направлении нижнего конца элемента 114 уплотнения. В результате, толкание и вытягивание действуют на верхнее калибрующее кольцо 102 и оправка 101 сжимает элемент 114 уплотнения.

[0070] Сжатие элемента 114 уплотнения расширяет элемент уплотнения до контакта с внутренней стенкой обсадной трубы, таким образом сокращая общую длину элемента 114 уплотнения. Поскольку компоненты пробки разрыва сжаты, и элемент 114 уплотнения расширяется, примыкающие узлы 116 поддержки элемента расширяются до сцепления со стенкой обсадной трубы. Если силы толкания и вытягивания увеличиваются, степень деформации элемента 114 уплотнения и узлов 116 поддержки элемента уменьшается. Если степень деформации элемента уплотнения пренебрежимо мала, верхняя и нижняя конические насадки 110, 112 прекращают перемещение в направлении элемента 114 уплотнения. Когда силы активации достигают заданного значения, зубцы 662, 664 верхней и нижней конических насадок 110, 112, сцепляющиеся с зубцами 557 верхнего и нижнего узлов 106, 108 с клиньями, разрушают узлы 106, 108 с клиньям на желательные сегменты, и одновременно направляют сегменты радиально наружу до тех пор, пока клинья 557 сцепляются со стенкой обсадной трубы. После того как силы активации достигают заданного значения, набор переходников высвобождается из пробки 100 разрыва и пробка устанавливается.

[0071] Как показано на фиг. 12, пробка 1100 разрыва в нерасширенном состоянии показана в соответствии с вариантом настоящего изобретения. На фиг. 13 показана пробка 1100 разрыва в нерасширенном состоянии. Пробка 1100 разрыва включает в себя оправку 1101, элемент 1114 уплотнения, узел 1116 поддержки элемента, расположенный по соседству с элементом 1114 уплотнения, верхний и нижний узел 1106, 1108 с клиньями, верхнюю и нижнюю конические насадки 1110, 1112, стопорное устройство 1172 и нижнюю втулку 1174.

[0072] Оправка 1101 может быть сформирована так, как указано ранее со ссылками на фиг. 2. Например, оправка 1101 может включать в себя цельное шаровое седло, как показано на фиг. 2B, или съемное или раздельное шаровое седло, соединенное с оправкой. Резьба 1176 трещотки расположена на наружной поверхности верхнего конца A оправки 1101 и сформирована так, чтобы контактировать со стопорным устройством 1172. Верхний конец A оправки 1101 включает в себя резьбовое соединение 1178, сформированное так, чтобы контактировать с резьбовым соединением в нижнем конце оправки, когда используется ряд пробок. Как указано ранее, оправка 1101 может быть сформирована из любого известного материала, например алюминиевого сплава.

[0073] Как показано подробнее на фиг. 14, стопорное устройство 1172 включает в себя верхнее калибрующее кольцо или корпус 1102 стопорного кольца и аксиальное стопорное кольцо 1125. Если установочная нагрузка или усилие приложена к пробке 1100 разрыва, аксиальное стопорное кольцо 1125 может перемещаться или двигаться в одну сторону по резьбе 1176 трещотки, расположенной на наружной поверхности верхнего конца A оправки 1101. Благодаря конструкции сочлененной резьбы аксиального стопорного кольца 1125 и резьбы 1176 трещотки, после снятия нагрузки аксиальное стопорное кольцо 1125 не перемещается или не возвращается вверх. Таким образом, стопорное устройство 1172 улавливает энергию, запасенную в элементе 1114 уплотнения от нагрузки при установке.

[0074] Кроме того, когда давление прилагается со стороны ниже пробки 1100 разрыва, оправка 1101 может перемещаться немного вверх, таким образом приводя к перемещению резьбы 1176 трещотки в одну сторону по резьбе через аксиальное стопорное кольцо 1125, таким образом дополнительно оказывая давление на элемент 1114 уплотнения. Перемещение оправки 1101 не отделяет стопорное устройство 1172 от верхнего узла 1106 с клиньями, вследствие увязанного профиля между стопорным устройством 1172 и основанием 1569 клиньев (или хрупким стопорным устройством, не иллюстрированным независимо) верхнего узла 1106 с клиньями, описанного подробно ранее.

[0075] Как показано на фиг. 12 и 15, элемент 1114 уплотнения расположен вокруг оправки 1101. Два замыкающих кольца 1124, 1126 элемента расположены вокруг оправки 1101 и примыкают к любому концу элемента 1114 уплотнения, по меньшей мере, с частью каждого замыкающего кольца 1124, 1126 элемента, расположенной радиально внутри элемента 114 уплотнения. В одном варианте, элемент 1114 уплотнения связан с наружным периферическим участком замыкающих колец 1124, 1126 элемента любым известным способом. Как вариант, элемент 1114 уплотнения запрессован с замыкающими кольцами 1124, 1126 элемента. Замыкающие кольца 1124, 1126 элемента сформированы из любого известного материала, например пластмассы, фенолоальдегидного полимера или композитного материала.

[0076] Замыкающие кольца 1124, 1126 элемента имеют, по меньшей мере, одну канавку или отверстие 1128, сформированное на торцевой поверхности и сформированное так, чтобы принимать выступ (не показан), сформированный на конце верхней конической насадки 1110 и нижней конической насадки 1112, соответственно, как описано ранее со ссылками на фиг. 2-11. Специалисту будет понятно, что количество и расположение канавок 1128, сформированных в замыкающих кольцах 1124, 1126 элемента, соответствует количеству и положению выступов (не показаны), сформированных на верхней и нижней конических насадках 1110, 1112.

[0077] Как показано на фиг. 15, замыкающие кольца 1124, 1126 элемента, кроме того, включают в себя, по меньшей мере, один выступ 1180, расположенный на угловой поверхности 1182 вблизи наружной периферийной кромки замыкающих колец 1124, 1126 элемента. Выступы 1180 сформированы так, чтобы вставляться в соответствующие отверстия 1184 (фиг. 17) в поддерживающем кольце 1318 (фиг. 17), как подробнее описано далее. В