Скользящая муфта, имеющая сужающееся сегментированное шаровое седло

Скользящая муфта, имеющая сужающееся сегментированное шаровое седло

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

[0001] При выполнении работ по ступенчатому гидроразрыву пласта (далее - ГРП) многочисленные зоны пласта должны быть последовательно изолированы для обработки. Для достижения этого операторы устанавливают в ствол скважины ГРП агрегат, который обычно имеет верхний пакер хвостовика, ствольный пакер, изолирующий ствол скважины по зонам, различные скользящие муфты и изолирующий клапан ствола скважины. Когда зоны не должны закрываться после открывания, операторы могут использовать одноходовые скользящие муфты для гидравлического разрыва. Муфты такого типа обычно приводятся в действие шаром и удерживаются открытыми после срабатывания. Муфта другого типа также приводится в действие шаром, но может быть смещена в закрытое состояние после открывания.

[0002] Первоначально операторы вводят в ствол скважины ГРП агрегат со всеми закрытыми скользящими муфтами и открытым клапаном изоляции ствола скважины. Затем операторы сбрасывают установочный шар, чтобы закрыть клапан изоляции ствола скважины. Это закупоривает насосно-компрессорную колонну агрегата, так что пакеры могут быть гидравлически установлены. В этот момент операторы возводят поверхностное буровое оборудование для ГРП и нагнетают текучую среду вниз в ствол скважины, чтобы открыть приводимую в действие давлением муфту, с тем чтобы можно было обрабатывать первую зону.

[0003] По мере того как операторы продолжают работать, они сбрасывают вниз в насосно-компрессорную колонну последовательно нарастающие по размеру шары и нагнетают текучую среду, чтобы поэтапно обрабатывать отдельные зоны. Когда сброшенный шар достигает своего сопрягаемого седла в скользящей муфте, нагнетаемая текучая среда, с силой воздействующая на лежащий в седле шар, открывает муфту. В свою очередь, лежащий в седле шар отводит нагнетаемую жидкость в соседнюю зону и препятствует прохождению текучей среды в нижние зоны. Сбрасывая последовательно возрастающие по размеру шары для приведения в действие соответствующих муфт, операторы могут точно обрабатывать каждую зону вверх по стволу скважины.

[0004] На фиг. 1A показан пример скользящей муфты 10, в частичном разрезе и в открытом состоянии, для многозонной ГРП системы. Эта скользящая муфта 10 подобна скользящей муфте для ГРП ZoneSelect Multishift компании Weatherford и может быть расположена между изолирующими пакерами в многозонном исполнении. Скользящая муфта 10 включает в себя корпус 20, определяющий канал 25 и имеющий верхний и нижний отсеки 22 и 24. Внутренняя муфта или вставка 30 может перемещаться внутри канала 25 корпуса, чтобы открывать или закрывать путь потоку текучей среды через расходные отверстия 26 корпуса, основываясь на положении внутренней муфты 30.

[0005] При первоначальном опускании в скважину внутренняя муфта 30 располагается в корпусе 20 в закрытом состоянии. Разламываемый стопор 38 первоначально удерживает внутреннюю муфту в направлении верхнего отсека 22, а стопорное кольцо или запор 36 на муфте 30 вставляется в кольцевую щель в корпусе 20. Другие уплотняющие элементы на внутренней муфте 30 входят в зацепление с внутренней стенкой корпуса 20 выше и ниже расходных отверстий 26, чтобы закупорить их.

[0006] Внутренняя муфта 30 определяет канал 35, имеющий седло 40, закрепленное в нем. Когда шар подходящего размера опускается на седло 40, скользящая муфта 10 может открыться, когда давление в насосно-компрессорной трубе прилагается к лежащему на седло шару 40, чтобы открыть внутреннюю муфту 30. Для того чтобы открыть скользящую муфту 10 при выполнении ГРП операции, после того как соответствующее количество пропанта будет накачано в нижнюю зону пласта, операторы, например, сбрасывают в скважину шар B подходящего размера и проталкивают насосом шар до тех пор, пока он не достигнет посадочного седла 40, расположенного во внутренней муфте 30.

[0007] После того как шар B ляжет на седло, наращиваемое давление оказывает воздействие на внутреннюю муфту 30 в корпусе 20, срезая разламываемый стопор 38 и высвобождая стопорное кольцо или затвор 36 из кольцевой щели корпуса, так что внутренняя муфта 30 может скользить вниз. По мере того как она скользит, внутренняя муфта 30 раскрывает расходные отверстия 26, с тем чтобы поток мог выводиться в окружающий пласт. Срезающие усилия, требуемые для открывания скользящих муфт 10, могут в общем случае находиться в пределах от 1000 до 4000 фунт/кв.дюйм (от 6,9 до 27,6 МПа).

[0008] Как только муфта 10 откроется, операторы могут нагнетать пропант под высоким давлением вниз по насосно-компрессорной колонне к открытой муфте 10. Пропант и находящаяся под высоким давлением текучая среда вытекают из открытых расходных отверстий 26, так как лежащий на седле шар B препятствует дальнейшему проникновению текучей среды и пропанта вниз по насосно-компрессорной колонне. Давление, используемое при ГРП операции, может достигать величины в 15000 фунт/кв.дюйм (103,5 МПа).

[0009] После завершения работы по ГРП скважина обычно полностью затопляется, и шар B всплывает к поверхности. Затем седло 40 шара (и шар B, если он остался) дробятся. Шаровое седло 40 может быть выполнено из чугуна, чтобы облегчить дробление, а шар B может быть изготовлен из алюминия или из неметаллического материала, такого как композитный материал. После того как дробление будет завершено, внутренняя муфта 30 может быть закрыта или открыта стандартным “B” толкателем на инструментальных профилях 32 и 34 во внутренней муфте 30, с тем чтобы скользящая муфта 10 могла затем функционировать подобно любой обычной скользящей муфте, сдвигаемой инструментом ”B”. Возможность избирательного открывания и закрывания муфты 10 позволяет операторам изолировать конкретную секцию агрегата.

[0010] В связи с тем, что зоны пласта обрабатываются ступенчато с помощью скользящих муфт 10, самая нижняя скользящая муфта 10 имеет шаровое седло 40 для самого меньшего по размеру шара, и расположенные последовательно более высоко муфты 10 имеют большие по размеру седла 40 для больших шаров B. Таким образом, имеющий конкретный размер шар B, сбрасываемый в насосно-компрессорную колонну, будет проходить через седла 40 в расположенных более высоко муфтах 10 и уляжется и обеспечит закупоривание только в желаемом седле 40 в насосно-компрессорной колонне. Несмотря на эффективность такого механизма, практические лимитирующие условия ограничивают число шаров B, которые могут эффективно работать в одной насосно-компрессорной колонне.

[0011] В зависимости от прикладываемого давления и материала используемого шара B может возникать ряд вредных эффектов. Например, высокое давление, прикладываемое к шару B из композитного материала, лежащему в седле 40 муфты, которое близко к внешнему диаметру шара, может привести к тому, что шар B будет срезаться, проходя через седло 40, так как край седла 40 срежет бока шара B. Соответственно, правильная посадка и вхождение в зацепление шара B и седла 40 ограничивают ту разницу в диаметре, которую должны иметь шары B из композитного материала и седла из чугуна. Это практическое лимитирующее условие ограничивает число шаров B, которые могут быть использованы для седел 40 в комплекте скользящих муфт 10.

[0012] В общем случае ГРП агрегат, использующий шары B из композитного материала, может быть ограничен числом скользящих муфт от тринадцати до двадцати одной в зависимости от диаметра используемых насосно-компрессорных труб. Например, трубы диаметром 5-1/2 дюйма (140 мм) могут вмещать двадцать одну скользящую муфту 10 для двадцати одного шара B разного размера из композитного материала. Отличие максимального внутреннего диаметра шаровых седел 40 от требуемого внешнего диаметра шаров B из композитного материала может находиться в пределах от 0,09 дюйма (2,3 мм) для шаровых седел меньшего размера до 0,22 дюйма (5,9 мм) для шаровых седел большего размера. В общем случае шары B из композитного материала числом 21 могут иметь размеры в диапазоне от около 0,9 дюйма (22,9 мм) до около 4 дюймов (102 мм) с приращением около 0,12 дюйма (3,05 мм) между первыми восемью шарами, около 0,15 дюйма (3,8 мм) между следующими восемью шарами, около 0,20 дюйма (5,08 мм) между следующими тремя шарами и около 0,25 дюйма (6,35 мм) между последними двумя шарами. Минимальные внутренние диаметры для двадцати одного седла 40 могут изменяться по размеру от около 0,81 дюйма (20,6 мм) до около 3,78 дюйма (96 мм), а приращения между ними могут быть выполнены соизмеримо шарам B.

[0013] При использовании алюминиевых шаров B может использоваться большее число скользящих муфт 10 благодаря жестким допускам, которые могут быть применены между диаметрами алюминиевых шаров B и чугунных седел 40. Например, сорок разных приращений может быть использовано для скользящих муфт 10, имеющих твердотельные седла 40, используемые для вхождения в зацепление с алюминиевыми шарами B. Однако алюминиевый шар B, входящий в зацепление с седлом 40, может быть существенно деформирован, когда к нему прикладывается высокое давление. Любые колебания давления вверх и вниз, которые позволяют укладывать на седло алюминиевый шар D и затем удерживать на поверхности шар B, могут изменить форму шара B, нарушая его способность прилегания к седлу. Кроме того, может быть очень трудно удалять дроблением алюминиевые шары B из скользящей муфты 10 из-за их стремления к вращению при выполнении операции дробления. По этой причине отдается предпочтение шарам B из композитного материала.

[0014] Задачей настоящего изобретения является устранение или, по меньшей мере, уменьшение влияния одной или более проблем, упомянутых выше.

Сущность изобретения

[0015] Скользящая муфта открывается сбрасываемой заглушкой (например, шаром). Внутренняя муфта располагается в канале корпуса и способна перемещаться в осевом направлении относительно расходного отверстия в корпусе из закрытого положения в открытое положение. Седло, расположенное в скользящей муфте, входит в зацепление со сбрасываемым шаром и открывает внутреннюю муфту в осевом направлении, когда начальное давление текучей среды прикладывается к лежащему на седле шару.

[0016] После того как скользящая муфта откроется, последующее давление текучей среды, прикладываемое к лежащему на седло шару для выполнения ГРП или другой обрабатывающей операции, воздействует на лежащий на седле шар. Седло, которое первоначально поддерживало шар в пределах начальной контактной зоны или размера, затем трансформируется в ответ на последующее давление, создавая большую контактную зону или более узкий размер и дополнительно поддерживая шар в седле.

[0017] В одном варианте осуществления седло имеет сегменты, раздвигаемые наружу один от другого. Первоначально седло находится в расширенном состоянии внутри скользящей муфты, так что сегменты седел раздвинуты наружу в канале корпуса. Когда шар соответствующего размера сбрасывается вниз, этот шар входит в зацепление с расширенным седлом. Давление текучей среды, приложенное к лежащему на седле шару, перемещает седло в канал внутренней муфты. Когда это происходит, седло сужается, что увеличивает зону зацепления седла с шаром. В конечном итоге седло достигает выступа во внутренней муфте, так что давление, приложенное к лежащему на седле шару, теперь перемещает внутреннюю муфту в корпусе, чтобы открыть расходное отверстие в скользящей муфте.

[0018] Седло имеет по меньшей мере один смещающий элемент, который раздвигает сегменты наружу относительно друг друга, и этот смещающий элемент может быть разрезным кольцом, имеющим сегменты, расположенные поблизости. Для того чтобы способствовать контакту сегментированного седла, когда оно перемещается во внутреннюю муфту, корпус может иметь разделительное кольцо, отделяющее седло в его первоначальном положении от внутренней муфты в закрытом положении.

[0019] Скользящая муфта может быть использована в комплекте подобных скользящих муфт для выполнения операции обработки, такой как операция ГРП. В операции обработки текучей средой скользящие муфты располагаются в стволе скважины, и возрастающие по размеру шары сбрасываются в скважину, последовательно открывая скользящие муфты вверх по насосно-компрессорной колонне. Будучи сброшенным, шар входит в зацепление с седлом, находящимся в расширенном состоянии в скользящей муфте, на открывание которой подобран размер шара. Седло сужается, переходя из своего первоначального положения в скользящей муфте в находящееся ниже положение во внутренней муфте внутри скользящей муфты, когда давление текучей среды прикладывается к шару, вошедшему в зацепление с седлом. Затем внутренняя муфта внутри скользящей муфты перемещается в открытое положение, когда давление текучей среды прикладывается к шару, находящемуся в зацеплении с седлом, суженным во внутренней муфте.

[0020] В другом варианте осуществления седло, расположенное в канале внутренней муфты, может перемещаться в нем в осевом направлении из своего первого положения в свое второе положение. Седло имеет множество сегментов, и каждый сегмент имеет наклонную поверхность, выполненную с возможностью вхождения в зацепление с обращенной внутрь поверхностью. Сегменты в первом положении раздвинуты наружу относительно друг друга и определяют первую контактную зону для вхождения в зацепление со сброшенным шаром. Седло перемещает внутреннюю муфту в открытое положение в ответ на давление текучей среды, приложенное к вошедшему в зацепление шару. Конкретно, сегменты перемещаются из первого положения во второе положение, находясь во внутренней муфте в открытом положении, в ответ на второе давление текучей среды, приложенное к находящемуся в зацеплении шару. Сегменты во втором положении сходятся вовнутрь за счет зацепления наклонных поверхностей сегментов с обращенной внутрь поверхностью муфты и определяют вторую контактную зону, обеспечивающую большее зацепление со сброшенным шаром, чем первая контактная зона.

[0021] В другом варианте осуществления седло, расположенное в канале внутренней муфты, имеет посадочное кольцо, расположенное в канале и способное перемещаться в нем в осевом направлении из первого осевого положения во второе осевое положение. Сжимаемое кольцо, которое может иметь сегменты, также располагается в канале и определяет пространство между участком сжимаемого кольца и каналом. Посадочное кольцо в своем первом положении поддерживает сброшенный шар, имея первый контактный размер, и перемещает внутреннюю муфту в открытое положение в ответ на приложение первого давления текучей среды к вошедшему в зацепление шару. Посадочное кольцо перемещается из первого положения во второе положение во внутренней муфте, находящейся в открытом положении, в ответ на второе давление текучей среды, приложенное к находящемуся в зацеплении шару. Посадочное кольцо во втором положении укладывается в пространство между сжимаемым кольцом и вторым каналом и сужает сжимаемое кольцо вовнутрь. Например, посадочное кольцо, уложенное в это пространство, перемещает сегменты сжимаемого кольца вовнутрь по направлению друг к другу. В результате сегменты, перемещенные вовнутрь, поддерживают вошедший в зацепление шар, имея второй контактный размер, являющимся более узким, чем первый контактный размер.

[0022] В другом варианте осуществления подвижное кольцо располагается в канале внутренней муфты рядом с выступом. Подвижное кольцо входит в зацепление со сброшенным шаром, используя первую контактную зону, и перемещает внутреннюю муфту в открытое состояние сброшенным шаром. Деформируемое кольцо, которое может быть выполнено из эластомера или подобного материала, также располагается в канале внутренней муфты между выступом и подвижным кольцом. При приложении повышенного давления подвижное кольцо перемещается во внутренней муфте со сброшенным шаром по направлению к выступу, а деформируемое кольцо деформируется в ответ на перемещение подвижного кольца по направлению к выступу. В результате деформируемое кольцо входит в зацепление со сброшенным шаром, будучи деформированным, и увеличивает зацепление со сброшенным шаром до второй контактной зоны, превышающей первую контактную зону.

[0023] В другом варианте осуществления седло, расположенное во внутренней муфте, имеет коническую форму с открытым верхним концом и открытым основанием. Например, седло может включать в себя кольцо в форме усеченного конуса. Это седло имеет первоначальное состояние, при котором открытый верхний конец располагается ближе по направлению к проксимальному концу внутренней муфты, чем нижний открытый конец. В таком первоначальном состоянии седло входит в зацепление со сброшенным шаром первой контактной зоной и перемещает внутреннюю муфту в открытое положение в ответ на первое давление текучей среды, приложенное к сброшенному шару в седле. Когда это происходит, седло деформируется, по меньшей мере частично, из первоначального состояния в инвертированное состояние в открытой внутренней муфте в ответ на второе давление текучей среды, приложенное к сброшенному шару. В этом инвертированном состоянии седло входит в зацепление со сброшенным шаром второй контактной зоной, превышающей первую контактную зону.

[0024] В другом варианте осуществления сжимаемое седло, которое может включать в себя разрезное кольцо, располагается в первом положении во внутренней муфте и имеет расширенное состояние для вхождения в зацепление со сброшенным шаром первой контактной зоной. Войдя в зацепления с шаром, сжимаемое седло смещается из первого положения во второе положение вплотную к точке вхождения в зацепление и сужается из расширенного состояния в суженное состояние в ответ на давление текучей среды, приложенное к сброшенному шару в сжимаемом седле. В суженном состоянии сжимаемое седло входит в зацепление со сброшенным шаром второй контактной зоной, превышающей поверхность первой контактной зоны.

[0025] Приведенное выше краткое изложение не направлено на обобщенное представление каждого возможного варианта осуществления или каждого аспекта настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

[0026] Фиг. 1A - представление скользящей муфты, имеющей шар, входящий в зацепление с седлом для открывания скользящей муфты, согласно предшествующему уровню техники

[0027] Фиг. 1B - укрупненное изображение скользящей муфты, показанной на фиг. 1.

[0028] Фиг. 2A - представление в закрытом состоянии скользящей муфты, имеющей сжимаемое, сегментируемое седло согласно настоящему изобретению, в первом положении.

[0029] Фиг. 2B - представление в открытом состоянии скользящей муфты, показанной на фиг. 2A, имеющей сжимаемое, сегментированное седло, во втором положении.

[0030] Фиг. 3 - изображение участка скользящей муфты, показанной на фиг. 2A-2B, представляющее сжимаемое, сегментированное седло в его первом и втором положениях.

[0031] Фиг. 4A-4D - изображение участка скользящей муфты, показанной на фиг. 2A-2B, представляющее сжимаемое, сегментированное седло, перемещаемое из первого и второго положений для открывания скользящей муфты.

[0032] Фиг. 5 - представление ГРП агрегата, имеющего множество скользящих муфт, согласно настоящему изобретению.

[0033] Фиг. 6A-6B - вид в разрезе и вид концевых секций скользящей муфты в закрытом состоянии, имеющей скошенное седло, согласно настоящему изобретению.

[0034] Фиг. 7A-7B - вид в разрезе и вид концевых секций скользящей муфты со скошенным седлом, изображенной на фиг. 6A-6B, в закрытом состоянии, согласно настоящему изобретению.

[0035] Фиг. 8A-8B - вид в разрезе скользящей муфты со скошенным седлом, изображенной на фиг. 6A-6B, когда седло стремится зажать сброшенный шар.

[0036] Фиг. 9A - альтернативная форма сегментов для скошенного седла.

[0037] Фиг. 9B - альтернативная реализация смещения для сегментов скошенного седла.

[0038] Фиг. 10A - представление скользящей муфты в закрытом состоянии, имеющей сдвоенно сегментированное седло, согласно настоящему изобретению.

[0039] Фиг. 10B - представление скользящей муфты, изображенной на фиг. 10A, где детально показано сдвоенно сегментированное седло.

[0040] Фиг. 11A - представление скользящей муфты, изображенной на фиг. 10A, в открытом состоянии.

[0041] Фиг. 11B - представление скользящей муфты, изображенной на фиг. 11A, где детально показано сдвоенно сегментированное седло.

[0042] Фиг. 12A-12B - изображение скользящей муфты в закрытом и открытом состояниях, детально представляющее другой вариант осуществления сдвоенно сегментированного седла.

[0043] Фиг. 13A-13B - изображение скользящей муфты в закрытом и открытом состояниях, детально представляющее снабженное кольцом седло.

[0044] Фиг. 13C - обособленный вид разрезного кольца, используемого для снабженного кольцом седла, показанного на фиг. 13A-13B.

[0045] Фиг. 14A-14C - изображения скользящей муфты, на которых детально показано инвертируемое седло во время процедуры открывания.

[0046] Фиг. 14D - детальное изображение инвертируемого седла, входящего в зацепление со сброшенным шаром.

[0047] Фиг. 14E - альтернативная форма кольца со скошенной кромкой.

[0048] Фиг. 15A-15B - изображения скользящей муфты в закрытом и открытом состояниях, детально представляющие деформируемое седло.

[0049] Фиг. 16A-16C - изображения скользящей муфты в закрытом и открытом состояниях, детально представляющие другие варианты осуществления деформируемого седла.

Подробное описание изобретения

А. Скользящая муфта, имеющая сужающееся, сегментированное шаровое седло

[0050] На фиг. 2A изображена скользящая муфта 100 в закрытом состоянии, имеющая седло 150, согласно настоящему изобретению, в первом (верхнем) положении, а на фиг. 2B изображена скользящая муфта 100 в открытом состоянии, имеющая седло 150 во втором (нижнем) положении. Скользящая муфта 100 может быть частью многозонной ГРП системы, которая использует скользящую муфту 100, чтобы открывать и закрывать сообщение с заколонным пространством. В таком агрегате скользящая муфта 100 может располагаться между изолирующими пакерами в многозонном исполнении.

[0051] Скользящая муфта 100 включает в себя корпус 120 с верхним и нижним отсеками 112 и 114. Внутренняя муфта или вставка 130 может перемещаться внутри корпуса 120, чтобы открывать или закрывать поток текучей среды через расходные отверстия 126 в корпусе, основываясь на положении внутренней муфты 130.

[0052] При первоначальном опускании в скважину внутренняя муфта 130 располагается в корпусе 120 в закрытом состоянии, как показано на фиг. 2A. Удерживающий элемент 145 временно удерживает внутреннюю муфту 130 в направлении верхней секции 112, и внешние уплотнители 132 на внутренней муфте 130 входят в зацепление с внутренней стенкой корпуса 120 как выше, так и ниже расходных отверстий 126, чтобы закупорить их. По желанию расходные отверстия 126 могут быть накрыты защитной манжетой 127, чтобы предотвратить проникновение всякого мусора в скользящую муфту 100.

[0053] Скользящая муфта 100 выполнена с возможностью открывания, когда шар B опускается на посадочное седло 150 и давление в насосно-компрессорной трубе прикладывается к нему, чтобы открыть внутреннюю муфту 130. (Хотя показан и описан шар B, может быть использован любой общепринятый тип заглушки, шара, конуса или подобного элемента). Поэтому термин “шар”, используемый здесь, служит для целей иллюстрации. Для того чтобы открыть скользящую муфту 100 при выполнении, например, операции ГРП, операторы сбрасывают вниз в скважину шар B подходящего размера и проталкивают шар насосом до тех пор, пока он не достигнет посадочного седла 150, расположенного во внутренней муфте 130.

[0054] Требуется только, чтобы седло 150 имело определенную величину площади поверхности для изначального вхождения в зацепление с шаром B. Кроме того, обеспечена дополнительная площадь поверхности, чтобы правильно посадить шар B и открыть внутреннюю муфту 130, когда прикладывается давление. Как видно, например, на фиг. 3, седло 150 показано в двух положениях относительно внутренней муфты 130 и в двух состояниях. В первоначальном положении седло 150 располагается в канале 125 корпуса 120 и находится в расширенном состоянии. Для того чтобы собрать скользящую муфту 100 с установленным седлом 150, в корпусе 120 имеется верхний компонент 122 корпуса, который привинчивается и прикрепляется к нижнему компоненту 124 корпуса вблизи расположения седла 150 и других компонентов, обсуждаемых здесь.

[0055] Седло 150 в расширенном состоянии в его верхнем положении входит в зацепление со сброшенным шаром B, и в суженном состоянии в его нижнем положении входит в зацепление со сброшенным шаром B и с внутренней муфтой 130. Для того чтобы обеспечить это, седло 150 имеет множество сегментов 152, располагаемых около внутренней поверхности канала 125 корпуса. Разрезное кольцо, C-образное кольцо или другой смещающий элемент 154 располагается вокруг внутренних поверхностей сегментов 152, предпочтительно в прорезях, и подталкивает сегменты 152 наружу к окружающей их поверхности.

[0056] В первоначальном, верхнем, положении сегменты 152 подталкиваются наружу в раздвинутое состояние разрезным кольцом 154 к внутренней поверхности канала 125 корпуса. Для того чтобы предотвратить проникновение накапливающегося мусора в сегменты 152 и воспрепятствовать возможному сужению сегментов 152, зазоры между сегментами 152 седла 150 могут быть заполнены уплотнительной смазкой, эпоксидным составом или другим наполнителем.

[0057] При перемещении вниз относительно корпуса 120, как обозначено пунктирными линиями на фиг. 3, седло 150 сужается до своего суженного состояния внутри канала 135 внутренней муфты 130. Находясь в этом втором положении, сегменты 152 суженного седла 150 подталкиваются наружу разрезным кольцом 154 к внутренней поверхности канала 135 муфты.

[0058] В рабочем состоянии, пока внутренняя муфта 130 закрыта, сегментированное седло 150 остается неподвижным в верхнем положении, расширенным в канале 125 корпуса, что позволяет шарам меньшего размера проходить без задержки через седло 150. Разделительное кольцо 140, расположенное внутри корпуса 120, отделяет седло 150 от внутренней муфты 130, а удерживающий элемент 145 на разделительном кольце 140 временно удерживает внутреннюю муфту 130 в ее закрытом положении. На фиг. 4A показан участок скользящей муфты 100, имеющий седло 150, установленное в его первоначальном положении, и имеющий внутреннюю муфту 130 закрытой.

[0059] Как показано, сегменты 152 седла 150 в первоначальном положении раздвинуты наружу в большем по размеру канале 125 корпуса 120. Когда седло 150 проходит через разделительное кольцо 140 во внутреннюю муфту 130, сегменты 152 сужаются вовнутрь в канале 135 внутренней муфты 130. Предпочтителен переход поверх неподвижного разделительного кольца 140. Однако могут быть использованы другие построения. Например, внутренняя муфта 130 может быть длиннее, чем показано, для удержания расширенного седла 150 на участке внутренней муфты 130 с целью первоначального вхождения в зацепление с шаром B. В этом случае сегменты 152 седла 150 в первоначальном положении могут раздвигаться наружу в канале 135 внутренней муфты 130. Затем сегменты 152 могут проходить через переход (не показан) во внутренней муфте 130 и сходиться вовнутрь внутри более узкого по размеру канала 135 внутренней муфты.

[0060] После того как шар B конкретного размера сбрасывается вниз в скважину в скользящую муфту 100, шар B укладывается на скошенные под углом края сегментов 152, которые определяют зону вхождения в зацепление, меньшую чем внутренний канал 125 корпуса 120. На фиг. 4A показан шар B, сброшенный в направлении седла 150, в его первоначальном положении. А именно, сегменты 152 в первом положении определяют внутренний размер (d₁), который приблизительно на 1/8 дюйма (3,17 мм) уже, чем внешний размер (d_B) сброшенного шара.

[0061] После того как шар B ляжет на седло, давление, создаваемое позади лежащего на седле шара B, прижимает шар B к седлу. В результате давление может заставить седло срезать или вырвать держатель (если он присутствует) и продвинуть его через скошенный край разделительного кольца 140. Вместо того чтобы надавливать на внутреннюю муфту 130 во время этого первоначального движения, седло 150 сужается до суженного состояния, так как сегменты 152 сходятся вместе под воздействием разрезного кольца 154, когда седло 150 проходит через разделительное кольцо 140.

[0062] Под продолжающимся воздействием давления седло 150 с шаром B перемещаются теперь вниз в канал 135 внутренней муфты 130. На фиг. 4B показано седло 150, перемещенное в последующее положение внутри внутренней муфты 130. Как можно увидеть, сужение седла 150 увеличивает площадь поверхности седла 150 для вхождения в зацепление с шаром B. Конкретно, верхние внутренние края сегментов 152 в первоначальном положении (фиг. 4A) определяют первый контактный размер (d₁) для контакта со сброшенным шаром B. Однако когда сегменты 152 перемещаются в следующее и затем окончательное положения (фиг. 4B-4D), концы сегментов 152 определяют второй контактный размер (d_2), который уже первого контактного размера (d₁). Кроме того, края сегментов 152 охватывают большую площадь поверхности сброшенного шара B.

[0063] Примечательно, что скольжение сегментов 152 в канале 135, сужение сегментов 152 вовнутрь и давление, прикладываемое к лежащему на седле шару B, в совокупности действуют сообща, чтобы заклинить шар B в седле 150. Другими словами, когда сегменты 152 переходят из первоначального положения (фиг. 4A) в последующие положения (фиг. 4B-4D),сегменты 152 стремятся сжаться по бокам сброшенного шара B, загоняемого в сегменты 152 и заставляющего сегменты 152 скользить. Таким образом, сегменты 152 не только поддерживают нижний край шара B, но также стремятся сдавить или сжать бока шара B, который мог первоначально оказаться способен каким-либо образом расположиться в седле, когда сегменты 152 были раздвинуты, и мог впоследствии быть сжат и деформирован.

[0064] Такая форма заклиненной поддержки оказывается выгодной как для алюминиевых, так и для композитных шаров B. Заклиненная поддержка может увеличить площадь опорной поверхности для шара B и может помочь шару B оставаться лежать на седле и выдерживать высокое давление. Заклинивание алюминиевого шара B может облегчить дробление шара B, тогда как заклинивание шара B из композитного материала может исключить возможность скалывания или срезания шара по бокам, когда шар B будет проходить через седло 150.

[0065] Продолжающееся воздействие давления в конечном итоге переместит седло 150 к внутреннему выступу 137 канала 135 муфты. Вхождение в зацепление приведет к тому, что перемещение седла 150 в канале 135 муфты прекратится. На фиг. 4C показано седло 150, перемещенное во внутренней муфте 130 к внутреннему выступу 137.

[0066] Теперь давление, прикладываемое к шару B, воздействует непосредственно на внутреннюю муфту 130, так что внутренняя муфта 130 перемещается из закрытого состояния в открытое состояние. Когда она скользит по каналу 125 корпуса, внутренняя муфта 130 раскрывает расходные отверстия 126 корпуса 120 и обеспечивает сообщение по текучей среде канала 125 с заколонным пространством (не показано), окружающим скользящую муфту 100. На фиг. 4D показана внутренняя муфта 130, перемещенная в открытое состояние.

[0067] ГРП может затем начинаться заливкой обрабатывающей текучей среды, такой как текучая среда для гидроразрыва, в скважину к скользящей муфте 100, с тем чтобы текучая среда могла выходить через открытые расходные отверстия 126 в окружающий пласт. Шар B, вошедший в зацепление с седлом 150, препятствует прохождению обрабатывающей текучей среды и изолирует расположенные ниже по скважине секции агрегата. При этом края сегментов 152, охватывающие большую площадь поверхности сброшенного шара B, помогают поддерживать шар B при более высоком давлении текучей среды, используемом во время операций обработки (например, ГРП), через скользящую муфту 100.

[0068] Следует заметить, что поддержка, обеспечиваемая седлом 150, не обязательно должна быть герметичной, поскольку обработка при ГРП может просто потребовать достаточного отведения потока при лежащем на седле шаре B и поддержания давления. В соответствии с этим дополнительное зацепление шара B, обеспечиваемое суженным седлом 150, направлено в основном на поддержку шара B при более высоких значениях давления гидроразрыва. Кроме того, следует заметить, что шар B, как он показан здесь и представлен в описании, может не изображаться деформированным. Это допустимо для иллюстрации. При использовании шар B будет деформироваться и изменять форму под действием приложенного давления.

[0069] После того как обработка для этой скользящей муфты 100 будет закончена, подобные операции могут быть произведены вверх по скважине, чтобы обработать другие секции скважины. После того как работы по ГРП будут завершены, скважина обычно полностью затопляется, и шар B всплывает на поверхность. Иногда шар B может не всплывать или может быть не снят с седла 150. В любом случае седло 150 (и шар, если он остался) дробится, чтобы обеспечить соответствующий внутренний размер скользящей муфты 100.

[0070] Для облегчения ГРП седло 150 и, главным образом, сегменты 152 могут быть изготовлены из чугуна, а шар B может быть выполнен из алюминия или из неметаллического материала, такого как композитный материал. Разрезное кольцо 154 может быть выполнено из того же, что и сегменты 152, или из другого материала. Предпочтительно разрезное кольцо 154 может быть выполнено из подходящего материала, чтобы смещать сегменты 152, который может быть также легко измельчен. Например, разрезное кольцо 154 может быть выполнено из любого подходящего материала, такого как эластомер, термопласт, органический термопластичный полимер, полиэфирэфиркетон (PEEK), термопластичный аморфный полимер, полиамидимид, TORLON®, мягкий металл, чугун, и т.п., и их сочетание. (TORLON - зарегистрированная торговая марка компании SOLVAY ADVANCED POLYMERS L.L.C).

[0071] После того как измельчение будет завершено, внутренняя муфта 130 может быть закрыта или открыта сдвигающим инструментом. Например, внутренняя муфта 130 может иметь инструментальные профили (не показаны), с тем чтобы скользящая муфта 100 могла функционировать подобно любой обычной скользящей муфте, которая может сдвигаться в открытое или закрытое состояние обычным инструментом, таким как инструмент “B”. Возможны другие решения.

[0072] Как было замечено выше, правильная посадка и вхождение в зацепление шара B и седла 150 определяют, какой должна быть разница между диаметрами шара B и седла 150. Регулируя разницу между тем, какая начальная площадь требуется для первоначальной посадки шара B на сегментированное седло 150 в его расширенном состоянии, и тем, какая последующая площадь седла 150 в суженном состоянии требуется, чтобы открыть затем внутреннюю муфту 130, скользящая муфта 100 увеличивает число шаров B, которые могут быть использованы для седел 150 в комплекте скользящих муфт 100 независимо от материала шара благодаря заклиненному зацеплению, упомянутому выше.

[0073] Вместо описанного разрезного кольца 154 может быть использован смещающий элемент другого типа, чтобы смещать сегменты 152 в сторону расширения. Например, сегменты 152 могут смещаться, используя смещающие элементы, расположенные между соседними краями сегментов 152. Эти промежуточные смещающие элементы, которые могут быть пружинами, эластомерами или другими компонентами, выдавливают сегменты 152 наружу друг от друга, так что седло 150 стремится расшириться.

[0074] Такая скользящая муфта 100 может, в конечном итоге, уменьшить общее падение давления во время операции ГРП и может позволить операторам сохранять интенсивность потока во время выполнения операций.

[0075] В качестве примера на фиг. 5 показан агрегат 50 для ГРП, использующий предлагаемое построение сегментированного седла (150) в скользящих муфтах (100A-C) агрегата 50. Как показано, насосно-компрессорная колонна развертывается в скважине 54. Колонна 52 имеет несколько скользящих муфт 100A-C, располагаемых вдоль всей ее длины, и различные пакеры 70 разделяют участки скважины 54 на изолированные зоны. В общем случае скважина 54 может быть открытой или обсаженной, и пакеры 70 могут быть пакерами любого подходящего типа, предназначенными для разделения участков скважины на изолированные зоны.

[0076] Скользящие муфты 100A-C размещаются в насосно-компрессорной колонне 52 между пакерами 70 и могут быть использованы для избирательного отведения обрабатывающей текучей среды в изолированные зоны окружающего пласта. Насосно-компрессорная колонна может быть частью ГРП агрегата, например, имеющего верхний пакер хв