Узел муфты гидроразрыва, устройство на его основе и способ его использования

Узел муфты гидроразрыва, устройство на его основе и способ его использования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к узлу муфты гидроразыва, в частности, к узлу муфты гидроразрыва, который может избирательно устанавливаться в открытое или закрытое состояние. Настоящее изобретение относится также к устройству, содержащему этот узел, а также к способу использования этого устройства.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пескоструйная муфта гидравлического разрыва является ключевым инструментом для поэтапного гидроразрыва вертикальных скважин и горизонтальных скважин на нефтяных и газовых месторождениях. Пескоструйная муфта такого вида содержит наружную трубу и центральнуют трубу, расположенную в наружной трубе, где наружная труба и центральная труба образуют свободноскользящее соединение. Стенка наружной трубы муфты снабжена пескоструйным отверстием, вход ее на верхнем конце имеет перекрываемую пригоночную поверхность для приема запускающего шарика, который запускает скольжение наружной трубы и внутренней трубы муфты. Размер запускающего шарика и размер перекрываемой пригоночной поверхности увеличиваются в определенной последовательности. Каждый запускающий шарик имеет диаметр больший, чем внутренний диаметр пригоночной поверхности, занимаемой упомянутым запускающим шариком, так что каждый запускающий шарик будет просто захватываться соответствующей уникальной по размеру перекрываемой пригоночной поверхностью. В течение операции последовательно сбрасывают соответствующие запускающие шарики, и соответствующий срезаемый штифт срезается под действием давления, создаваемого в стволе скважины, так что эта муфта открывается.

В настоящее время имеется два способа управления гидроразрывом для горизонтальных и вертикальных нефтяных и газовых скважин, т.е гидроразрыв ограниченного проникнования и поэтапный гидроразрыв. Поэтапный гидроразрыв является преобладающим способом, включающим химический поэтапный гидроразрыв, пакерный поэтапный гидроразрыв, гидравлический поэтапный гидроразрыв, колтюбинговый поэтапный гидроразрыв и комбинированное вскрытие пласта, среди которых наиболее широко используемым является пакерный поэтапный гидроразрыв, включающий поэтапный гидроразрыв с использованием надувной мостовой пробки, поэтапный гидроразрыв с использованием пакерного сегмента с муфтой и шариком, кольцевого пакера, а также поэтапный гидроразрыв с двойной герметизацией и однократным приложением давления и т.д.

Среди указанных выше способов способы гидроразрыва с использованием кольцевого пакера и способ с использованием надувной мостовой пробки не имеют ограничений по количеству этапов. Однако в них операции гидроразрыва не могут выполняться непрерывно. После завершения каждого этапа вновь требуется проведение операции перфорации. После завершения этих операций необходимо выполнить отключение колонны и сверление заглушки, что ведет к увеличению продолжительности этапов и высокой стоимости. Способ гидроразрыва с двойной герметизацией и однократным приложением давления требует перемещения колонны обсадных труб, а пакер требует многократной герметизации, в результате чего период проведения работ удлиняется. Поэтапный гидроразрыв с использованием пакера на основе шарика и муфты использует комбинацию шариков и седел шариков различного размера, так что многоэтапный гидроразрыв может выполняться без обслуживания обсадной колонны. Однако из-за того, что различные шарики сконструированы в соответствии с определенным диапазоном размеров, число пакерных ступеней ограничено размерами обсадной колонны, и поэтапный гидроразрыв и количество последовательностей подачи кислоты также будут ограничены.

В последнее время были разработаны различные пескоструйные муфты для разных характеристик продуктивного пласта. Например, патент CN 210048U "Pressure guide sandblasting sleeve for fracturing" ("Пескоструйная муфта для гидроразрыва, управляемая давлением"), опубликованный 1 апреля 1992 г, раскрывает устройство, широко используемое для гидроразрыва на нефтяных скважинах. А устройство, используемое в основном на газовых скважинах, раскрыто в патенте CN 200820061922 "Sandblaster of fracturing sleeve" ("Пескоструйный аппарат муфты для гидроразрыва") от 5 ноября 2008 г. Обе раскрытые выше муфты основаны на принципе открывания муфты с помощью запускающих шариков, размер которых последовательно растет, из-за чего число поэтапных гидроразрывов все же остается ограниченным.

Кроме того, чтобы преодолеть эти недостатки устройств для гидроразрыва, было также разработано множество конструкций муфтовых устройств для гидроразрыва. Например, в патенте CN201396131 "Horizontal well mechanical staged fracturing blocking-proof process pipe column" ("Колонна труб для механического процесса поэтапного гидроразрыва горизонтальной скважины с защитой от заклинивания"), опубликованном 3 февраля 2010 г., раскрывается устройство, содержащее колонну насосно-компрессорных труб, пакер перепада давления, предохранительный коннектор и пакер скользящей муфты. Пакер перепада давления и пакер скользящей муфты смонтированы на колонне труб с расположенным между ними предохранительным коннектором. Это устройство может применяться только на нефтяных месторождениях, а его пакеры могут быть легко повреждены при эксплуатации, приводя к потере герметичности и к не отвечающему должным требованиям гидроразрыву. Кроме того, это устройство сложно и трудозатратно при эксплуатации, а также недостаточно надежно.

В патенте CN 101338663 "Staged fracturing horizontal wells mechanical anti-card technology column" ("Технологическая колонна для механического поэтапного гидроразрыва горизонтальных скважин с защитой от образования песчаной корки"), опубликованном 7 января 2009 г., в котором раскрыто устройство, содержащее маслопровод, разъединительный переходник, центратор, гидравлический якорь, пакер, управляемый давлением пескоструйный аппарат и направляющую заглушку, где нижний конец маслопровода последовательно соединен с разъединительным переходником, центратором, гидравлическим якорем, пакером, центратором, управляемым давлением пескоструйным аппаратом, пакером и направляющей заглушкой. Это устройство может быть использовано только для гидроразрыва на горизонтальной скважине, но не позволяет выполнять многослойный гидроразрыв и проведение работ без обслуживания колонны, а также не может выполнять поэтапный гидроразрыв без обслуживания колонны или при ограничении числа этапов.

В патенте CN 101560877 "Horizontal well packer staged fracturing technology tube pillar" ("Технологическая колонна труб для поэтапного гидроразрыва для горизонтальной скважины с использованием пакера"), опубликованном 21 октября 2009 г., раскрыто устройство, содержащее эксплуатационную колонну труб, гидравлический якорь, устройство управления заглушкой места гидроразрыва, сдвоенный пакер А, сдвоенный пакер В, сдвоенный пакер С, муфтовый пескоструйный аппарат, пескоструйный аппарат, направляющее устройство и капиллярная трубка. Эксплуатационная колонна последовательно снабжена гидравлическим якорем, устройством управления заглушкой места гидроразрыва, сдвоенным пакером А, муфтовым пескоструйным аппаратом, сдвоенным пакером В, пескоструйным аппаратом, сдвоенным пакером С и направляющим устройством. Капиллярная трубка подсоединена к устройству управления заглушкой места гидроразрыва, сдвоенному пакеру А, сдвоенному пакеру В и сдвоенному пакеру С на одной стороне эксплуатационной колонны. Однако это устройство не может выполнять неограниченное число поэтапных гидроразрывов.

Кроме того, известны патенты CN 101418681 "Once tubular column process for combination oil production by multiple fracturing for oil and gas wells" ("Однотрубоколонный процесс нефтедобычи при множественном гидроразрыве для нефтяных и газовых скважин") и CN 201144682 "Multiple fracturing pipe column for petroleum and gas wells" ("Колонна труб для многократного гидроразрыва для нефтяных и газовых скважин"), в которых используется способ открытия муфт путем вбрасывания шариков и в которых невозможно выполнение неограниченного числа поэтапных гидроразрывов без выполнения операций с колонной труб, а также невозможно перевести муфту в закрытое состояние.

Таким образом, для обеспечения выполнения поэтапного гидроразрыва с неограниченным количеством этапов для горизонтальных, вертикальных и наклонно направленных скважин актуальной является потребность в устройстве для гидроразрыва, которое могло бы открывать или закрывать любую муфту без необходимости выполнять операции с колонной труб.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы разрешить вышеуказанные проблемы, в настоящем изобретении раскрывается узел муфты гидроразрыва, который может открывать или закрывать муфту в любом требуемом фиксированном положении. Настоящее изобретение раскрывает также устройство, содержащее этот узел, и способ использования этого устройства.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, оно раскрывает узел муфты гидроразрыва, содержащий

композитную муфту, имеющую неподвижную наружную трубу и внутреннюю трубу, соединенную с внутренней стенкой наружной трубы через срезаемый штифт, где наружная труба снабжена пескоструйным отверстием, а внутренняя стенка внутренней трубы снабжена первым зубообразным элементом; и

открывающий инструмент, имеющий основной корпус и второй зубообразный элемент, присоединенный к основному корпусу, где открывающий инструмент может вставляться во внутреннюю трубу с тем, чтобы герметически закрыть ствол скважины, и второй зубообразный элемент может входить в зацепление с первым зубообразным элементом,

где в исходном состоянии узла муфты гидроразрыва пескоструйное отверстие закрывается внутренней трубой; как только в нее опускают открывающий инструмент, внутренняя труба сцепляется с открывающим инструментом с помощью первого и второго зубообразных элементов; и, когда давление внутри обсадной колонны достигает устанавливаемой заранее величины, срезаемый штифт срезается и открывающий инструмент заставляет внутреннюю трубу двигаться вниз с тем, чтобы открыть пескоструйное отверстие, вследствие чего устанавливается канал для гидроразрыва.

В этом контексте под термином "исходное состояние" понимается состояние перед тем, как узел муфты для гидроразрыва будет открыт.

В одном воплощении для закрывания композитной муфты имеется первый закрывающий инструмент, содержащий центральную тягу, и пятый зубообразный элемет, присоединенный к центральной тяге, где первый закрывающий инструмент может быть вставлен во внутреннюю трубу так, что пятый зубообразный элемент может прийти в состояние сцепления с первым зубообразным элементом, в результате чего внутренняя труба может быть сдвинута вверх путем подъема первого закрывающего инструмента, возвращая тем самым пескоструйное отверстие в заблокированное состояние, чтобы закрыть канал для гидроразрыва.

В одном воплощении соответствующие соприкасающиеся поверхности внутренней трубы и наружной трубы композитной муфты снабжены канавкой для выбора положения и элементом выбора положения, и их перемещают в разные положения, когда узел муфты гидроразрыва находится в открытом состоянии и когда канал гидроразрыва закрыт. То, что канавка выбора положения и элемент выбора положения устанавливают в разные положения в разных состояниях узла для гидроразрыва, дает возможность избежать действия текучей среды и предотвратить несанкционированный перевод композитной муфты в закрытое состояние после того как извлекается закрывающий инструмент.

В одном воплощении соприкасающиеся поверхности наружной трубы и внутренней трубы композитной муфты снабжены соответствующими устройствами позиционирования, которые могут приходить в зацепление одно с другим так, чтобы обеспечить сцепление внутренней трубы с наружной трубой, чтобы заблокировать пескоструйное отверстие и, следовательно, закрыть канал для гидроразрыва. Эти устройства позиционирования могут обеспечить отделение с их помощью наружной трубы композитной муфты от внутренней трубы только тогда, когда вброшен открывающий инструмент и приложено давление, и для закрытия канала для гидроразрыва эта наружная труба композитной муфты может вновь войти в сцепление с ее внутренней трубой, когда внутренняя труба поднимается первым закрывающим инструментом.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, оно также дает устройство на основе муфты гидроразрыва, содержащее множество узлов муфт гидроразрыва по первому аспекту настоящего изобретения. Второй зубообразный элемент каждого открывающего элемента выполнен таким образом, что он отличается от второго зубообразного элемента любого другого открывающего инструмента, вследствие чего каждый открывающий инструмент может приходить в сцепление только с внутренней трубой в узле гидроразрыва, относящемся к указанному открывающему инструменту. Пятый зубообразный элемент каждого первого закрывающего инструмента сконфигурирован так, чтобы отличаться от пятого зубообразного элемента любого другого первого закрывающего инструмента, вследствие чего каждый первый закрывающий элемент может прийти в сцепление только с первым зубообразным элементом во внутренней трубе узла гидроразрыва, относящегося к указанному первому закрывающему инструменту.

Эта конфигурация позволяет второму зубообразному элементу открывающего инструмента, относящегося к конкретному узлу гидроразрыва, прийти в зацепление только с первым зубообразным элементом композитной муфты в указанном узле гидроразрыва. Даже в том случае, когда открывающий инструмент опускается, проходя через другие узлы гидроразрыва, второй зубообразный элемент открывающего инструмента не может выдвинуться в наружную сторону в радиальном направлении, чтобы прийти в зацепление с первым зубообразным элементом композитной муфты, из-за различий зубообразньгх элементов. Аналогично, первый зубообразный элемент первого закрывающего инструмента также может прийти в сцепление только с первым зубообразным элементом композитной муфты, относящейся к указанному первому открывающему элементу. Поэтому в устройстве по первому аспекту настоящего изобретения в случае, когда опускают определенный открывающий инструмент, может открыться только соответствующая композитная муфта, и когда опускают определенный первый закрывающий инструмент, может быть закрыта только соответствующая композитная муфта. То есть, устройство на основе муфты гидроразрыва по настоящему изобретению может избирательно открывать и/или закрывать по требованию определенную композитную муфту.

В одном воплощении все композитные муфты имеют один и тот же внутренний диаметр, который позволяет работать с неограниченным количеством композитных муфт для неограниченного числа поэтапных гидроразрывов.

В одном воплощении каждый из зубообразньгх элементов может приходить в сцепление с соответствующим единственным, однозначно определенным зубообразным элементом с помощью задания уникальных параметров их контура и/или находящейся на них направляющей структуры. В предпочтительном воплощении параметры контура являются одним или более из параметров, выбранных из группы, состоящей из числа зубьев, профиля зуба и промежутка между зубьями.

В одном воплощении второй зубообразный элемент открывающего инструмента выполнен на наружной стенке основного корпуса с третьим пружинным механизмом, размещенным между основным корпусом и вторым зубообразным элементом, где второй зубообразный элемент может перемещаться в радиальном направлении наружу под действием третьего пружинного механизма так, чтобы приходить в сцепление с первым зубообразным элементом. В другом воплощении второй зубообразный элемент открывающего инструмента размещен над основным корпусом при помощи упругого элемента, один конец упругого элемента, соединенный с основным корпусом, имеет меньший диаметр, чем другой конец упругого элемента, соединенный со вторым зубообразным элементом.

В одном воплощении пятый зубообразный элемент первого закрывающего инструмента выполнен на наружной стенке соответствующей центральной тяги с четвертым пружинным механизмом, расположенным между центральной тягой первого закрывающего инструмента и пятым зубообразным элементом, где пятый зубообразный элемент может двигаться в радиальном направлении наружу под действием четвертого пружинного механизма так, чтобы войти в сцепление с соответствующим зубообразным элементом. В другом воплощении пятый зубообразный элемент первого закрывающего инструмента представляет собой пластинчато-пружинный элемент, нижний по течению конец которого соединен с центральной тягой, а верхний по течению конец которого отделен от центральной тяги.

В одном воплощении каждый из пружинных механизмов согласно первому аспекту настоящего изобретения включает упругий элемент, который может развивать силу, действующую в радиальном направлении наружу, и упор для ограничения хода соответствующих зубообразных элементов, которые могут двигаться в радиальном направлении наружу.

Зубообразный элемент, обладающий упругостью, и упругий элемент с пружинным механизмом дают возможность упомянутому зубообразному элементу автоматически выдвигаться наружу при ударе об обладающий возможностью входить в зацепление зубообразный элемент и входить в сцепление с таким же элементом, из-за чего в скважине может быть достигнуто автоматическое сцепление между внутренней трубой композитной муфты и открывающим инструментом, а также сцепление между внутренней трубой и первым закрывающим инструментом, значительно улучшая таким образом удобство при эксплуатации композитной муфты. Упор для ограничения хода движения зубообразного элемента в наружном направлении может не только гарантировать сцепление между соответствующими зубообразными элементами, но также предотвращает зубообразный элемент от расцепления с элементом, к которому он был подсоединен, например, с основным корпусом открывающего инструмента и центральной тягой первого закрывающего инструмента.

В контексте настоящего описания под термином "под" и "над" или им подобным подразумевается расположение вблизи или вдали от устья скважины, а термины "вниз по течению" и "вверх по течению" используются по отношению к направлению потока гидроразрывной жидкости, введенной со стороны устья скважины.

В одном воплощении каждый из зубообразных элементов снабжен наклонным направляющим структурным элементом на его верхнем конце и на нижнем конце для направляемого зацепления или расцепления соответствующих зубообразных элементов. Этот наклонный направляющий элемент позволяет соответствующему зубообразному элементу прийти в состояние зацепления или расцепления, чтобы войти в "зажатое" или "разжатое" состояние, облегчая операцию открытия или закрытия композитной муфты.

В одном воплощении основной корпус открывающего инструмента содержит сквозную полую структуру с различными размерами поперечных сечений, где нижняя часть сквозной полой структуры, имеющая большее поперечное сечение, выполнена с механизмом, работающим на давлении, направленном наружу, который не может высвободиться из нижней части сквозной полой структуры, в частности, не может выйти в верхнюю часть сквозной полой структуры, имеющую меньшее поперечное сечение.

В предпочтительном воплощении механизм, работающий на давлении, направленном наружу, содержит обойму и сферическое тело, расположенное внутри обоймы, где обойма содержит открытый нижний конец, закрытый верхний конец с улавливающей рукоятью на наружной ее стороне и канал для жидкости на окружности стенки обоймы, сферическое тело должно иметь возможность двигаться внутри обоймы без блокирования канала для жидкости на окружности стенки обоймы, когда оно находится у верхнего или нижнего ее конца.

Блокирующая функция шарика по отношению к сквозной полой структуре дает возможность открывающему инструменту сквозной полой структуры создавать давление в стволе скважины. Так как обойма может просто двигаться в нижней части сквозной полой структуры с большим поперечным сечением, открывающий инструмент может быть выловлен из композитной муфты с помощью улавливающей рукояти, расположенной с наружной стороны закрытого верхнего конца обоймы.

В предпочтительном воплощении канал для жидкости на окружности стенки обоймы имеет суммарную площадь не меньше, чем площадь отверстия на нижнем конце обоймы, которая облегчает движение потока жидкости.

В одном воплощении узел муфты гидроразрыва содержит также цилиндрический улавливающий инструмент, который может быть вставлен в открывающий инструмент и проходить через полую структуру. Один конец цилиндрического улавливающего инструмента снабжен ловильной головкой с тем, чтобы соединяться с улавливающей рукоятью, расположенной на обойме, так что открывающий инструмент может быть выловлен путем поднятия обоймы, что облегчает работу по вылавливанию.

В одном воплощении нижняя часть основного корпуса открывающего инструмента снабжена также направляющим механизмом, который расширяется книзу, где направляющий механизм содержит полую структуру, сообщающуюся с основным корпусом. После того как открывающий инструмент сцепится с внутренней трубой композитной муфты, направляющий механизм дает возможность открывающему инструменту и внутренней трубе композитной муфты перемещаться под действием давления более стабильно.

Первый аспект настоящего изобретения относится также к способу использования устройства на основе муфты гидроразрыва согласно первому аспекту настоящего изобретения, способ включает:

Шаг I: установка открывающего механизма, работающего на перепаде давления, на самый нижний конец обсадной трубы или колонны труб и затем последовательное монтирование композитных муфт в каждом из узлов для гидроразрыва;

Шаг II: подача давления в ствол скважины для открывания открывающего механизма, работающего на перепаде давления, находящегося на самом нижнем конце, и установка сообщающего канала между обсадной трубой или колонной труб и разрываемым слоем; и

Шаг III: последовательное опускание открывающих инструментов для открытия композитных муфт снизу доверху для проведения поэтапного гидроразрыва.

В одном воплощении добавлен еще один шаг - Шаг IV: извлечение открывающего инструмента через улавливающую структуру на открывающем инструменте для восстановления канала в обсадной трубе или колонне труб. В другом воплощении, когда необходимо закрыть некоторый определенный канал для гидроразрыва, опускают первый закрывающий инструмент соответствующей композитной муфты, соответствующей данному каналу для гидроразрыва, с тем, чтобы перекрыть этот канал для гидроразрыва.

Так как открывающий инструмент, первый закрывающий инструмент и композитная муфта могут просто, сами по себе, обеспечить уникальное сцепление, каждый раз при вбрасывании открывающего инструмента может открываться только соответствующая композитная муфта для создания соответствующего канала для гидроразрыва. В то же время, каждый первый закрывающий инструмент может закрывать только один соответствующий канал для гидроразрыва. Поэтому любая композитная муфта в вертикальной или горизонтальной скважине может быть открыта или закрыта, обеспечивая тем самым поэтапный гидроразрыв.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предлагается узел муфты гидроразрыва, содержащий

композитную муфту, имеющую неподвижную наружную трубу и внутреннюю трубу, соединенную с внутренней стенкой наружной трубы через срезаемый штифт, где наружная труба снабжена пескоструйным отверстием и внутренняя стенка внутренней трубы снабжена первым зубообразным элементом;

открывающий инструмент, имеющий полый основной корпус в виде трубы, второй зубообразный элемент, расположенный на основном корпусе, третий зубообразный элемент, расположенный на внутренней стенке основного корпуса, и первый пружинный механизм, размещенный между основным корпусом и вторым зубообразным элементом, где открывающий инструмент может вводиться во внутреннюю трубу, а второй зубообразный элемент может перемещаться в радиальном направлении наружу под действием первого пружинного механизма так, чтобы сцепиться с первым зубообразным элементом; и

запускающий инструмент с центральным корпусом, четверым зубообразым элементом, расположенным на наружной стенке центрального корпуса, и вторым пружинным механизмом, расположенным между центральным корпусом и четвертым зубообразным элементом, где запускающий инструмент может быть вставлен в открывающий инструмент так, чтобы перекрыть ствол скважины, и четвертый зубообразный элемент может перемещаться в радиальном направлении наружу под действием второго пружинного механизма так, чтобы сцепиться с третьим зубообразным элементом,

где в начальном состоянии узла муфты гидроразрыва пескоструйное отверстие заблокировано внутренней трубой; при последовательном опускании открывающего инструмента и запускающего инструмента внутренняя труба сцепляется с открывающим инструментом через первый и второй зубообразные элементы, и открывающий инструмент сцепляется с запускающим инструментом через третий и четвертый зубообразные элементы; и когда давление внутри обсадной колонны достигнет заранее определенного значения, срезаемый штифт срезается и запускающий инструмент вместе с открывающим инструментом приводит в движение внутреннюю трубу, перемещая ее вниз и открывая пескоструйное отверстие, в результате что устанавливается канал для гидроразрыва.

В одном воплощении для закрывания композитной муфты дополнительно добавлен второй закрывающий инструмент, содержащий центральную тягу, и шестой зубообразный элемент, соединенный с центральной тягой, где второй закрывающий элемент может быть вставлен во внутреннюю трубу или полый корпус открывающего инструмента так, что шестой зубообразный элемент может сцепляться с первым зубообразным элементом внутренней трубы или третьим зубообразным элементом открывающего инструмента, посредством чего внутренняя труба может быть сдвинута вверх путем подъема второго закрывающего инструмента, возвращая пескоструйное отверстие в заблокированное состояние, чтобы закрыть канал гидроразрыва.

В одном воплощении соответствующие соприкасающиеся поверхности внутренней трубы и наружной трубы композитной муфты снабжены канавкой выбора положения и элементом выбора положения, и их устанавливают в разные положения, когда узел муфты гидроразрыва находится в открытом состоянии и когда канал для гидроразрыва закрыт. То, что канавку для выбора положения и элемент выбора положения устанавливают в разные положения в разных состояниях узла гидроразрыва, может помочь избежать действия текучей среды и предотвратить композиционную муфту от несанкционированного перехода в закрытое состояние после того, как будет удален открывающий инструмент.

В одном воплощении соприкасающиеся поверхности наружной трубы и внутренней трубы композитной муфты снабжены соответствующими механизмами позиционирования, которые могут входить в сцепление друг с другом так, чтобы обеспечить такое сцепление внутренней трубы с наружной трубой, чтобы пескоструйное отверстие было заблокировано и, следовательно, канал гидроразрыва был бы закрыт.Механизмы позиционирования могут обеспечить отделение внешней трубы композитной муфты от ее внутренней трубы только тогда, когда в нее введены открывающий инструмент и запускающий инструмент и подано давление, а также возможность нового сцепления наружной трубы композитной муфты с ее внутренней трубой для закрытия канала гидроразрыва, когда внутреннюю трубу поднимают вверх с помощью второго закрывающего инструмента.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предлагается также устройство на основе муфты гидроразрыва, содержащее множество узлов муфт гидроразрыва по второму аспекту настоящего изобретения. Второй и третий зубообразные элементы каждого открывающего инструмента соответственно сконфигурированы отличающимися от второго и третьего зубообразного элемента любого другого открывающего инструмента, так что открывающий инструмент может сцепляться только с внутренней трубой и запускающим инструментом в узле для гидроразрыва, относящемся к указанному открывающему инструменту. Шестой зубообразный элемент каждого второго закрывающего инструмента сконфигурирован отличающимся от шестого зубообразного элемента любого другого второго закрывающего инструмента, так что каждый второй закрывающий инструмент может сцепляться только с первым зубообразным элементом внутренней трубы или с третьим зубообразным элементом открывающего инструмента в узле для гидроразрыва, относящемся к указанному второму закрывающему инструменту.

Такая конфигурация дает возможность второму зубообразному элементу открывающего инструмента и четвертому зубообразному элементу запускающего инструмента, относящемуся к определенному узлу для гидроразрыва, сцепляться соответственно только с первым зубообразным элементом композитной муфты и третьим зубообразным элементом открывающего инструмента указанного узла для гидроразрыва. Благодаря отличиям зубообразных элементов, даже в том случае, когда опускают открывающий инструмент или запускающий инструмент, проходя через другие узлы гидроразрыва, второй зубообразный элемент открывающего инструмента или четвертый зубообразный элемент запускающего инструмента не могут двигаться в радиальном направлении наружу, чтобы выполнить сцепление. Поэтому в устройстве согласно второму аспекту настоящего изобретения, когда опускают определенный открывающий инструмент и запускающий инструмент, может быть открыта только соответствующая композитная муфта, и когда опускают определенный второй закрывающий инструмент, то может быть закрыта только соответствующая композитная муфта. То есть, устройство на основе муфты гидроразрыва по настоящему изобретению может избирательно открывать и/или закрывать определенную композитную муфту, как этого требует технология выполнения работ.

В одном воплощении все композитные муфты имеют одинаковый внутренний диаметр, который допускает возможность иметь неограниченное число композитных муфт для неограниченного числа поэтапных гидроразрывов.

В одном воплощении каждый зубообразный элемент может сцепляться с одним единственным, ему соответствующим зубообразным элементом благодаря уникальным параметрам его контура и/или обустроенной на нем направляющей структуры. В предпочтительном воплощении параметрами контура являются один или более из параметров, выбранных из группы, состоящей из числа зубьев, профиля зуба и расстояния между зубьями.

В одном воплощении шестой зубообразный элемент второго закрывающего инструмента выполнен на наружной стенке соответствующей центральной тяги с пятым пружинным механизмом, расположенным между центральной тягой второго закрывающего элемента и шестым зубообразным элементом, где шестой зубообразный элемент может двигаться в радиальном направлении наружу под действием пятого пружинного механизма с тем, чтобы войти в сцепление с первым зубообразным элементом внутренней трубы и третьим зубообразным элементом открывающего инструмента.

В одном воплощении каждый из пружинных механизмов согласно второму аспекту настоящего изобретения содержит упругий элемент, который может развивать силу, радиально направленную наружу, и упор для ограничения хода соответствующего зубообразного элемента, который может двигаться в радиальном направлении наружу.

Упругие элементы такого вида дают возможность зубообразному элементу автоматически выходить наружу при ударе об обладающий возможностью прийти в зацепление зубообразный элемент и сцепиться с таким же элементом, в результате чего в скважине происходит автоматическое сцепление между ними и между внутренней трубой композитной муфты, открывающим инструментом, запускающим инструментом и вторым закрывающим инструментом. Упор для ограничения хода зубообразного элемента при его движении наружу может не только обеспечивать сцепление между соответствующими зубообразными элементами, но также предотвращает расцепление зубообразного элемента от компонент, с которым зубообразный элемент уже соединен, такими как сквозной основной корпус открывающего инструмента, центральный корпус запускающего инструмента и центральная тяга второго закрывающего инструмента.

В одном воплощении шестой зубообразный элемент второго закрывающего инструмента представляет собой пластинчато-пружинный элемент, нижний по течению конец которого соединен с соответствующей центральной тягой, а его верхний по течению конец отделен от соответствующей центральной тяги. Второй закрывающий инструмент шестого зубообразного элемента в виде пластинчато-пружинного элемента облегчает изготовление и использование второго закрывающего инструмента.

В одном воплощении каждый из зубообразньгх элементов снабжен наклонной направляющей структурой на его верхнем конце и на нижнем конце для направляемого зацепления или расцепления соответствующего зубообразного элемента. Эта наклонная направляющая структура позволяет выполнить зацепление или расцепление соответствующего зубообразного элемента, чтобы войти в "зажатое" или "разжатое" состояние, облегчая операцию открытия или закрытия композитной муфты.

В одном воплощении основной корпус запускающего инструмента содержит сквозную полую структуру с различными размерами поперечного сечения, где нижняя часть сквозной полой структуры, имеющая большее поперечное сечение, выполнена с механизмом, работающим на давлении, направленном наружу, который не может высвободиться из нижней части сквозной полой структуры, в частности, не может выйти в верхнюю часть сквозной полой структуры, имеющую меньшее поперечное сечение.

В предпочтительном воплощении механизм, работающий на давлении, направленном наружу, содержит обойму и сферическое тело внутри обоймы, где обойма включает закрытый верхний конец и открытый нижний конец и канал для жидкости на окружности стенки обоймы, сферическое тело должно иметь возможность двигаться внутри обоймы без блокирования канала для жидкости на окружности стенки обоймы, когда оно находится у его верхнего или нижнего конца.

Блокирующая функция шарика по отношению к сквозной полой структуре дает возможность запускающему инструменту подавать давление в ствол скважины. Более важным является то, что когда устройство на основе муфты гидроразрыва используется в газовой скважине, нет необходимости извлекать запускающий инструмент, так как газ в скважине будет обдувать сферическое тело, выбрасывая его наружу через канал для жидкости, что облегчает обслуживание. В предпочтительном воплощении канал для жидкости на окружности стенки обоймы имеет общую площадь не меньше, чем площадь отверстия на нижнем конце обоймы, что облегчает истечение жидкости.

В одном воплощении открывающие инструменты узлов гидроразрыва соединяются друг с другом, формируя колонну открывающих инструментов посредством механизма сцепления, который содержит срезаемый штифт и возвращающийся штифт. Когда запускающий инструмент соединен с соответствующим открывающим инструментом, запускающий инструмент вызовет отвод возвращающегося штифта в сторону и срезает срезаемый штифт, вследствие чего соответствующий открывающий инструмент будет расцеплен.

Второй аспект настоящего изобретения относится также к способу использования муфты гидроразрыва согласно второму аспекту настоящего изобретения, включающего:

Шаг I установка открывающего механизма, работающего на перепаде давления, на самый нижний конец обсадной трубы или колонны труб и затем последовательное монтирование композитных муфт в каждом из узлов для гидроразрыва;

Шаг II сцепление открывающих инструментов каждого узла для гидроразрыва, чтобы сформировать последовательность открывающих инструментов и их опускание в композитную муфту;

Шаг III п