RU2542022C2

RU2542022C2 - Способ и система для использования активационного шара

Info

Publication number: RU2542022C2
Application number: RU2013105717/03A
Authority: RU
Inventors: Трейси СПИР; Пиро ШКУРТИ; Джон Крисостом ВУЛФ
Original assignee: Смит Интернэшнл, Инк.
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2015-02-20
Also published as: US20140174728A1; WO2012009310A2; CN103080465A; CA2804868A1; CA2804868C; WO2012009310A3; US20120006562A1; US9404330B2; RU2013105717A

Abstract

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена в скважинных клапанных системах. Система содержит трубчатую колонну и пустотелый активационный шар. Трубчатая колонна приспособлена для размещения в скважине и включает в себя седло. Активационный шар приспособлен для сбрасывания в скважину для размещения в седле. Шар содержит наружную оболочку, которая образует сферическую поверхность. Наружная оболочка образует замкнутый объем и выполнена из металлического материала. Активационный шар включает в себя опорную конструкцию, расположенную на внутренней поверхности наружной оболочки. Технический результат заключается в повышении эффективности системы активации скважинного инструмента. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение, в общем случае, относится к способу и системе для использования активационного шара.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для подготовки скважины для добычи нефти и газа в скважине может быть размещен по меньшей мере один скважинный перфоратор с помощью механизма развертывания, такого как каротажный кабель или колонна гибких насосно-компрессорных труб. Затем, когда скважинный перфоратор (перфораторы) располагаются соответствующим образом, могут выстреливаться кумулятивные заряды скважинного перфоратора (перфораторов) с целью создания перфорационных туннелей в окружающем продуктивном пласте и, возможно, для перфорирования колонны труб, если скважина обсажена трубами. Для увеличения проницаемости скважины, в ней могут выполняться дополнительные операции, такие как операции возбуждения скважины и операции, включающие гидроразрыв пласта, кислотную обработку скважины и т.д. В процессе таких операций могут использоваться различные скважинные инструменты, которые требуют включения и/или выключения. Не имеющие ограничительного характера примеры могут включать клапаны для гидроразрыва, раздвижные расширители и подвесные устройства хвостовика.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В варианте реализации изобретения система содержит трубчатую колонну и активационный шар. Трубчатая колонна приспособлена для размещения в скважине, а активационный шар приспособлен для сбрасывания в трубчатую колонну с целью размещения в седле. Активационный шар включает в себя наружную оболочку, которая образует сферическую поверхность. Наружная оболочка образует замкнутый объем и выполнена из металлического материала.

В другом варианте реализации изобретения способ содержит сбрасывание активационного шара в скважинную трубчатую колонну в скважине. Активационный шар содержит наружную оболочку, которая содержит замкнутый объем. Наружная оболочка включает в себя металлический материал. Способ содержит перемещение шара через канал трубчатой колонны до размещения шара в седле колонны с целью образования препятствия или герметичного барьера и использование препятствия для повышения давления в области колонны.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из приведенного ниже описания и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематический вид скважины в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Фиг.2 - блок-схема способа с использованием активационного шара в скважине в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Фиг.3А, 3B и 3C - виды в поперечном разрезе иллюстративного инструмента на Фиг.1, приводимого в действие с помощью шара, в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Фиг.4 - вид в поперечном разрезе активационного шара в соответствии с раскрытым в настоящей заявке вариантом реализации изобретения.

Фиг.5 - вид в поперечном разрезе активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения.

Фиг.6 - вид в поперечном разрезе активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения.

Фиг.7A - вид в перспективе активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения.

Фиг.7B-7D - виды в поперечном разрезе части активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения.

Фиг.7E - вид в перспективе части активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке раскрыты системы и способы для использования легкого активационного шара для приведения в действие скважинного инструмента. Такой активационный шар может использоваться в скважине 10, которая показана на Фиг.1. В этом примере скважина 10 включает ствол 12 скважины, который проходит через одну или более пород-коллекторов. Хотя на Фиг.1 ствол 12 скважины показан как основной вертикальный ствол скважины, в соответствии с другими вариантами реализации изобретения ствол 12 скважины может представлять собой наклонный или горизонтальный ствол скважины.

Как показано на Фиг.1, трубчатая колонна 20 (колонна обсадных труб в качестве не имеющего ограничительного характера примера) размещена в стволе 12 скважины и включает пакеры 22, которые расширены в радиальном направлении или «посажены» с целью образования соответствующего кольцевого уплотнения (уплотнений) между наружной поверхностью трубчатой колонны 20 и стенкой ствола скважины. Пакеры 22 при установке образуют соответствующие изолированные зоны 30 (зоны 30a, 30b и 30c показаны на Фиг.1, в качестве не имеющих ограничительного характера примеров), в которых могут осуществляться различные операции заканчивания скважины. Таким образом, после опускания трубчатой колонны 20 в ствол 12 скважины и установки пакеров 22 операции заканчивания могут осуществляться в одной зоне 30 единовременно, в целях выполнения таких операций заканчивания, как гидроразрыв, возбуждение скважин, кислотная обработка скважины и т.д., в зависимости от конкретного внедрения изобретения.

Для выбора заданной зоны 30 для операции заканчивания трубчатая колонна 20 включает в себя инструменты, управление которыми осуществляется избирательно, с использованием легких активационных шаров 36. Как описано в настоящей заявке на изобретение, каждый активационный шар 36 изготавливается из наружной металлической оболочки и, в соответствии с некоторыми вариантами внедрения изобретения, может быть пустотелым.

Для конкретного, не имеющего ограничительного характера примера, приведенного на Фиг.1, скважинные инструменты представляют собой золотниковые клапаны 33. В общем случае для этого примера каждый золотниковый клапан 33 связан с заданной зоной 30 и включает золотник 34, управление которым осуществляется с помощью сброшенного активационного шара 36, чтобы избирательно открыть золотник 34. При этом в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения все золотниковые клапаны 33 первоначально конфигурированы таким образом, чтобы быть закрытыми при установке в скважину в качестве элементов колонны 20. Как показано на Фиг.3А совместно с Фиг.1, золотник 34, когда он закрыт (как показано в зонах 30b и 30c), закрывает радиальные каналы 32, выполненные в корпусе 35 золотникового клапана 33, который расположен концентрично к трубчатой колонне 30 для блокировки передачи текучей среды между центральным каналом 21 трубчатой колонны 20 и кольцевым пространством соответствующей зоны 30. Золотниковый клапан 33 содержит соответствующие уплотнения (например, уплотнительные кольца), хотя и не показанные на этих фигурах, с целью блокировки движения текучей среды через радиальные каналы 32.

Золотниковый клапан 33 может быть открыт за счет сбрасывания заданного активационного шара 36, как показано в зоне 30a на Фиг.1. При этом, как показано на Фиг.3B совместно с Фиг.1, активационный шар 36 сбрасывается с поверхности скважины и перемещается в скважину в направлении стрелки «A» через центральный канал 21 для размещения, в конечном итоге, в седле 38 золотника 34. Как показано на Фиг.3C совместно с Фиг.1, при размещении шара 36 в седле 38 создается препятствие или герметичный барьер, которое обеспечивает увеличение давления текучей среды например, за счет использования насосов на поверхности скважины, для приложения к золотнику 34 направленного вниз усилия за счет перепада давления (т.е. высокого давления «Р_{высокое}» над шаром 36 и низкого давления «Р_низкое» под шаром 36), чтобы заставить золотниковый клапан 33 открыться и, таким образом, открыть движения текучей среды через соответствующие радиальные отверстия 32.

Как показано на Фиг.1, в соответствии с иллюстративным, не имеющим ограничительного характера вариантом реализации изобретения, седла 38 золотниковых клапанов 33 откалиброваны таким образом, что внутренние диаметры седел 38 постепенно уменьшаются в направлении от поверхности скважины к концу или забою ствола 12 скважины. За счет калиброванных отверстий можно использовать комплекты пустотелых активационных шаров 36 изменяющегося диаметра с целью выбора и приведения в действие заданного золотникового клапана. Таким образом, для описанной в настоящей заявке на изобретение иллюстративной компоновки активационный шар 36 самого малого диаметра первым запускается в центральный канал 21 трубчатой колонны 20 с целью приведения в действие наиболее низко расположенного золотникового клапана. В примере, показанном на Фиг.1, активационный шар 36, используемый для приведения в действие золотникового клапана 33 для зоны 30a, оказывается, таким образом, меньшим, чем соответствующий пустотелый активационный шар 36 (не показан), который используется с целью приведения в действие золотникового клапана 33 для зоны 30b. Соответственно, активационный шар 36 (не показан) еще большего наружного диаметра может использоваться для приведения в действие золотникового клапана 33 для зоны 30c, и так далее.

Хотя Фиг.1 показывает систему седел уменьшающегося фиксированного диаметра 38, в соответствии с другими вариантами реализации изобретения могут использоваться другие системы. Например, в соответствии с другими вариантами реализации изобретения, трубчатая колонна может содержать седла клапанов, которые избирательно размещены в «состояниях захвата объекта» за счет, например, гидравлических линий управления.

Независимо от конкретной используемой системы трубчатая колонна включает по меньшей мере один скважинный инструмент, приводимый в действие активационным шаром, который сбрасывается через канал колонны. Таким образом, подразумеваются и другие изменения, которые находятся в пределах объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Удаление заданного активационного шара 36 из его седла 38 может использоваться для уменьшения перепада давления, возникающего за счет препятствия в канале 37 (см. Фиг.3C) через золотниковый клапан 33. Установленный в седло активационный шар 36 может быть удален из седла 38 несколькими различными способами. В качестве не имеющих ограничительного характера примеров активационный шар 36 может изготавливаться из разбуриваемого материала, он может быть размолот, чтобы позволить текучей среде проходить через центральный канал 21. В качестве альтернативы седло клапана 38, золотник 34 или активационный шар 36 могут изготавливаться из деформируемого материала, так что активационный шар 36 может проталкиваться через седло 38 под более высоким давлением, открывая, таким образом, центральный канал 21. В качестве еще одного примера поток текучей среды через центральный канал 21 может быть развернут в обратную сторону, таким образом, что активационный шар 36 может выталкиваться вверх через центральный канал 21 в направлении поверхности скважины. Таким образом, чтобы удалить шар 36 на поверхность скважины между центральным каналом 21 и кольцевым пространством, может быть создан поток обратной циркуляции. Путем реверсирования потока текучей среды, чтобы переместить активационный шар 36, активационный шар 36 удаляется из скважины неразрушающим способом, так что активационный шар 36 и соответствующий золотниковый клапан могут использоваться повторно.

Когда активационный шар 36 извлекается проходящей вверх текучей средой через центральный канал 21, он может иметь такую индивидуальную удельную плотность, что протекающая вверх текучая среда может удалить активационный шар 36 из седла 38. Хотя удельная плотность активационного шара 36 может быть относительно важным ограничением, активационный шар 36 должен быть способен выдерживать ударное воздействие при посадке в седло 38, нарастание перепада давления поперек шара 36 и более высокие температуры, имеющие место в окружающей обстановке забоя скважины. Неспособность активационного шара 36 сохранять свою форму и структуру в процессе использования может привести к выходу из строя скважинного инструмента, такого как золотниковый клапан. Например, деформация активационного шара 36 под воздействием нагрузок, высокого давления и высоких температур может, предположительно, сделать невозможным обеспечение соответствующего уплотнения активационного шара 36 в седле 38, препятствуя, таким образом, эффективному наращиванию перепада давления. В других сценариях деформация активационного шара 36 может заставить активационный шар 36 проскользнуть по седлу 38 и разместиться в золотнике 34, так что удаление активационного шара 36 может оказаться относительно затруднительным.

В вариантах реализации изобретения, где активационный шар 36 сконструирован для извлечения потоком текучей среды в направлении вверх через центральный канал 21, он может иметь следующие специфические физические свойства. Конкретно, активационный шар 36 может иметь удельную плотность, такую, что поток текучей среды в направлении вверх может удалить активационный шар 36 из седла 38 и вынести его вверх через центральный канал 21. Хотя удельная плотность активационного шара 36 может быть относительно важным ограничением, активационный шар 36 также должен быть способен выдерживать ударное воздействие при посадке в скважинный инструмент, нарастание перепада давления поперек активационного шара 36 и более высокие температуры, имеющие место в окружающей обстановке забоя скважины. Неспособность активационного шара 36 сохранять свою форму и структуру в процессе использования может привести к выходу из строя скважинного инструмента. Например, деформация активационного шара 36 под воздействием нагрузок, высоких давлений или высоких температур может сделать невозможным обеспечение соответствующего уплотнения активационного шара 36 в седле 38, препятствуя, таким образом, эффективному наращиванию перепада давления. В других сценариях деформация активационного шара 36 может заставить активационный шар 36 проскользнуть по седлу 38 и разместиться в золотнике 34, так что традиционные средства для удаления активационного шара 112 могут оказаться неэффективными.

Как раскрыто в настоящей заявке на изобретение, традиционные активационные шары могут представлять собой сплошные сферы, изготовленные из пластиков, таких, например, как полиэфирэфиркетон или армированные волокнами пластики, такие, например, как армированный волокнами фенольный полимер. Хотя традиционный активационный шар может удовлетворять требованиям по удельной плотности, несоответствие в свойствах материала между отдельными партиями может вызывать затруднения, так что активационные шары могут конструироваться с запасом прочности, таким образом, чтобы сохранялись их номинальные значения по прочности, давлению и температуре. В соответствии с вариантами реализации изобретения, раскрытыми в настоящей заявке, активационный шар 36 сконструирован из металлической оболочки и, таким образом, может представлять собой пустотелый шар или сферу, что позволяет активационному шару 36 иметь требуемые прочностные характеристики и оставаться достаточно легким, чтобы обеспечить извлечение шара 36 из скважины.

Как показано на Фиг.2, в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения способ 50 содержит сбрасывание на стадии 52 активационного шара, имеющего оболочку, такого как пустотелый активационный шар, в трубчатую колонну в скважине, и размещение шара в седле колонны на стадии 54. Способ 50 содержит использование на стадии 56 препятствия, создаваемого активационным шаром, размещенным в седле, для увеличения давления текучей среды в трубчатой колонне, и использование на стадии 58 увеличенного давления текучей среды для приведения в действие скважинного инструмента.

На Фиг.4 показан вид в поперечном разрезе пустотелого активационного шара 200 в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения. Пустотелый активационный шар 200 включает в себя наружную оболочку 202, содержащую замкнутый пустотелый объем 204. Наружная оболочка 202 может быть образована из первой части 206 и второй части 208, которые могут быть соединены вместе с использованием различных способов соединения, таких как, например, сварка, сварка трением с перемешиванием, резьбовое соединение, склеивание и прессовую посадку и/или механическое соединение. Как показано на Фиг.4, первая и вторая части 206, 208 наружной оболочки 202 соединяются с использованием сварного шва 210, однако специалистам в рассматриваемой области техники понятно, что может быть использован любой способ соединения двух частей.

В некоторых вариантах реализации изобретения наружная оболочка 202 может быть сформирована из металлического материала. Металлический материал может включать в себя металлический сплав, такой как, например, алюминиевый сплав и/или магниевый сплав. Могут использоваться алюминиевые сплавы из серии 6000 и серии 7000, такие, например, как алюминиевый сплав 6061 или алюминиевый сплав 7075. Хотя удельная плотность большинства металлических материалов больше чем 2,0, пустотелый активационный шар 200, в соответствии с настоящим раскрытием изобретения, может иметь удельную плотность меньше чем 2,0. Предпочтительно удельная плотность пустотелого активационного шара 200 в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения находится в пределах от приблизительно 1,00 до приблизительно 1,85.

На Фиг.5 показан вид в поперечном разрезе активационного шара 300 в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения. Аналогично пустотелому активационному шару 200 (Фиг.4) пустотелый активационный шар 300 включает в себя наружную оболочку 302, содержащую замкнутый объем 304. Наружная оболочка 302 может быть образована из первой части 306 и второй части 308, соединенных вместе с использованием резьбы 320. Специалисту в рассматриваемой области техники понятно, что могут быть использованы и другие способы соединения или сцепления, такие как, например, сварка. Пустотелый активационный шар 300 также может включать в себя покрытие 322, расположенное поверх наружной поверхности наружной оболочки 302. Покрытие 322 может представлять собой коррозионно-стойкий материал, такой как, например, фторопласт, перфторалкоксил сополимерная смола, фторированная этиленпропиленовая смола, этилен-тетрафторэтилен, поливинилиденфторид, керамический материал и/или материал на основе эпоксидного покрытия. В некоторых вариантах реализации изобретения покрытие 322 может включать Fluorolon® 610-E, доступный в продаже от компании Southwest Impreglon of Houston, TX.

Покрытие 322 может иметь толщину в пределах от 0,001 до 0,005 дюйма и может наноситься путем погружения наружной оболочки 302 в материал покрытия, путем распыления материала покрытия на наружную оболочку 302, за счет прокатывания наружной оболочки 302 через материал покрытия или любым другим известным способом нанесения покрытия. В некоторых вариантах реализации изобретения покрытие 322 может включать гальваническое покрытие, анодированный слой и/или лазерное плакирование. Материал покрытия и толщина покрытия 322 могут быть выбраны таким образом, чтобы активационный шар 300 имел удельную плотность в пределах между приблизительно 1,00 и приблизительно 1,85. Кроме того, материал покрытия может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить активационный шар 300 улучшенными свойствами, такими как, например, улучшенная коррозионная устойчивость и/или улучшенная устойчивость к истиранию. В частности, материал покрытия может быть выбран таким образом, чтобы предотвратить реакцию между металлическим материалом наружной оболочки 302 и скважинными текучими средами, такими как буровой раствор или добываемая текучая среда.

На Фиг.6 показан вид в поперечном разрезе активационного шара в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения. Пустотелый активационный шар 400 включает в себя наружную оболочку 402, содержащую замкнутый объем 404. Наружная оболочка 402 может включать в себя первую часть 406 и вторую часть 408, соединенные с помощью прессовой посадки 424; однако могут использоваться и другие способы соединения, такие как сварка, склеивание и резьбовое соединение. Замкнутый объем 404 может включать в себя заполняющий материал 426 для обеспечения дополнительной опоры для оболочки 402 при высоких воздействующих нагрузках, давлениях и температурах. В некоторых вариантах реализации изобретения заполняющий материал 426 может включать в себя по меньшей мере один из следующих материалов: пластик, термопластик, пеноматериал и армированный волокнами фенольный полимер. Заполняющий материал 426 может быть выбран таким образом, чтобы суммарная удельная плотность активационного шара 400 находилась в пределах между приблизительно 1,00 и приблизительно 1,85. Хотя активационный шар 400 и не показан вместе с покрытием, покрытие может быть добавлено по аналогии с покрытием 322, показанным на активационному шару 300 (Фиг.5).

В других вариантах реализации изобретения пустотелый объем 404 может быть заполнен газом, таким как, например, азот. Газ может находиться под давлением с целью обеспечения опоры внутри наружной оболочки 402, которая может позволить активационному шару 400 сохранять свою сферическую форму при высоких воздействующих нагрузках, давлениях и температурах. Пустотелый объем 404 может быть заполнен газом с использованием отверстия или канала (не показано), расположенного в наружной оболочке 402. После накачивания требуемого количества газа в пустотелый объем 404 и достижения требуемого внутреннего давления канал (не показан) может быть герметизирован или заглушен, чтобы предотвратить утечку газа из активационного шара 400.

На Фиг.7A показан вид в перспективе соединенной наружной оболочки 502, включающей в себя первую часть 506 и вторую часть 508, в соответствии с раскрытыми в настоящей заявке вариантами реализации изобретения. Далее, на Фиг.7B показан вид сбоку в поперечном разрезе второй части 508 наружной оболочки 502. Для упрощения показана только вторая часть 508 наружной оболочки 502, но специалистам в рассматриваемой области техники понятно, что соответствующая первая часть 506 может быть практически такой же, как и вторая часть 508.

Наружная оболочка 502 включает в себя полый объем 504, внутреннюю поверхность 528 и опорную конструкцию 530, расположенную на внутренней поверхности 528. Опорная конструкция 530 может включать в себя упрочняющее кольцо 532, которое может быть соединено с внутренней поверхностью 528 второй части 508 наружной оболочки 502. Хотя показано только одно упрочняющее кольцо 532, специалистам в рассматриваемой области техники понятно, что могут использоваться несколько упрочняющих колец, имеющих любую требуемую толщину, t, и любую требуемую максимальную ширину, w. Кроме того, хотя внутренняя поверхность 534 упрочняющего кольца 532 показана как параллельная центральной оси 536 второй части 508, внутренняя поверхность 534, в качестве альтернативы, может быть повернута под углом относительно центральной оси 536, или может быть изогнута, чтобы соответствовать кривизне внутренней поверхности 528.

На Фиг.7C показан вид сбоку в поперечном разрезе второй части 508 наружной оболочки 502, содержащей расположенный в ней второй тип опорной конструкции 530. Ребра жесткости 538 расположены на внутренней поверхности 528 второй части 508. Ребра жесткости 538 могут иметь любую форму или размер и могут размещаться вдоль внутренней поверхности 528 в любом требуемом направлении. Как показано, ребра жесткости 538a, 538b и 538c пересекаются друг с другом в соединении 540; однако множество ребер жесткости 538 может размещаться внутри второй части 508 таким образом, что контакт между ребрами жесткости 538 отсутствует.

На Фиг.7D показан вид в поперечном разрезе второй части 508 наружной оболочки 502, содержащей расположенный в ней третий тип опорной конструкции 530, при этом могут использоваться оси 542, чтобы обеспечить опору наружной оболочки 502, сохраняя, таким образом, форму наружной оболочки 502 при высоких давлениях, воздействии нагрузок и температур. В некоторых вариантах реализации изобретения множество осей 542 может проходить в радиальном направлении наружу из центральной точки 446 собранного активационного шара 500 и может касаться внутренней поверхности 528 второй части 508 в пересечении 544. Хотя выше уже были приведены конкретные примеры конфигураций опорной конструкции, специалист в рассматриваемой области техники согласится с тем, что могут быть использованы и другие конфигурации опорной конструкции без отклонения от объема раскрытых в настоящей заявке вариантов реализации изобретения.

Опорные конструкции 530, такие как, например, упрочняющие кольца 532, ребра жесткости 538, и оси 542, показанные на Фиг.7B-7D, могут быть изготовлены из пластика, металла, керамики и/или композитного материала. При этом металлические опорные конструкции могут быть изготовлены из чугуна или низкосортной стали. В некоторых вариантах реализации изобретения опорные конструкции 530 могут быть изготовлены как единое целое с первой или второй частями 506, 508 наружной оболочки 502. В качестве альтернативы, опорные конструкции 530 могут быть изготовлены отдельно и могут быть собраны внутри наружной оболочки 502 с использованием сварки, пайки тугоплавким припоем, склеивания, механического соединения и/или прессовой посадки. Специалистам в рассматриваемой области техники понятно, что материалы, конструкции и размеры опорных конструкций 530 могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить повышенную прочность для наружной оболочки 502 при сохранении суммарной удельной плотности активационного шара 500 в пределах от приблизительно 1,00 до приблизительно 1,85.

На Фиг.7E показан вид в перспективе первой части 506 наружной оболочки 502 активационного шара 500. Показана опорная конструкция 530, расположенная в полом объеме 504 первой части 506. Опорная конструкция 530 - это сборка упрочняющих колец 532, ребер жесткости 538 и оси 542. Специалистам в рассматриваемой области техники понятно, что для создания опорной конструкции 530 могут использоваться различные конфигурации упрочняющих колец 532, ребер жесткости 538 и осей 542. Кроме того, хотя это специально и не показано, опорная конструкция 530 в соответствии с приведенным выше описанием, может использоваться в сочетании с заполняющим материалом, введенным в замкнутый объем 504.

В некоторых вариантах реализации изобретения замкнутый объем 504 также может использоваться для размещения оборудования, такого как, например, датчики. Датчики, конфигурированные для измерения давления, температуры, и/или глубины, могут быть расположены внутри замкнутого объема 504. Данные, собранные датчиками, могут храниться в запоминающем устройстве, расположенном внутри объема 504, или же данные могут передаваться на поверхность ствола скважины.

Кроме того, внутри замкнутого объема 504 может быть размещено оборудование, такое как, например, приемники, передатчики, приемо-передатчики и импульсные приемо-передатчики, и можно будет посылать и/или принимать сигналы для взаимодействия со скважинными инструментами. Например, жетоны радиочастотной идентификации могут использоваться в качестве включающих устройств для запуска электрического устройства в другом скважинном инструменте. Например, по мере того, как активационный шар, содержащий указанные жетоны, проходит сквозь ствол скважины, жетоны могут запускать таймер, соединенный с электрическим устройством, которое может обеспечить выполнение требуемого задания. В некоторых вариантах реализации изобретения клапан для гидроразрыва может открываться за счет включения соответствующего таймера за счет инициализации жетонов и/или магнитов, размещенных внутри активационного шара. Магнит, расположенный внутри замкнутого объема 504, также может использоваться для запуска и/или приведения в действие скважинных инструментов.

Активационный шар в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения может быть создан путем изготовления наружной оболочки из металлического материала, где наружная оболочка включает в себе замкнутый объем. В некоторых вариантах реализации изобретения наружная оболочка может быть изготовлена из магниевого сплава, алюминиевого сплава, легированной стали или сплава на никель-кобальтовой основе. При этом алюминиевый сплав может быть выбран из алюминиевых сплавов серии 6000 или алюминиевых сплавов серии 7000, а легированная сталь может быть выбрана из серии 4000 легированных сталей. В частности, может использоваться сталь 4140. Также может использоваться сплав на никель-кобальтовой основе, такой как, например, MP35N®. Для облегчения производства наружная оболочка может быть выполнена из нескольких частей, соединенных вместе с использованием, например, сварки, сварки трением с перемешиванием, пайки тугоплавким припоем, склеивания, резьбового соединения, механического соединения и/или прессовой посадки. Толщина стенки, tw, может изменяться в зависимости от материала, выбранного для наружной оболочки 502, таким образом, чтобы могла быть достигнута суммарная удельная плотность активационного шара 500 в пределах от приблизительно 1,00 до приблизительно 1,85. Активационный шар, изготавливаемый из материала с высокой прочностью, такого как сплав MP35N® или сталь 4140, может иметь суммарную удельную плотность приблизительно равную 1,2. Низкая удельная плотность активационного шара, изготовленного из сплава MP35N или стали 4140, может существенно увеличить вероятность возврата активационного шара с использованием обратного потока текучей среды через центральное отверстие, в котором посажен активационный шар.

В некоторых вариантах реализации изобретения производство активационного шара также может включать в себя заполнение замкнутого объема внутри наружной оболочки заполняющим материалом, таким, например, как пластик, термопластик, полиэфирэфиркетон, армированный волокнами фенольный полимер, пеноматериал, жидкость или газ. Замкнутый объем наружной оболочки может быть заполнен таким образом, что давление внутри наружной оболочки будет больше атмосферного давления, обеспечивая, таким образом, активационный шар повышенной прочностью против воздействия ударных нагрузок и высоких давлений.

В качестве альтернативы, внутри замкнутого объема наружной оболочки может быть размещена жесткая опорная конструкция. Как указывалось выше, упрочняющие кольца, ребра жесткости, и оси с целью создания опорной конструкции могут использоваться отдельно или в сочетании. Опорная конструкция может быть выполнена как единое целое с наружной оболочкой за счет механической обработки, литья или спекания наружной оболочки. В другом варианте реализации изобретения опорная конструкция может быть выполнена как отдельное комплектующее изделие и может быть позже установлена внутри наружной оболочки. В вариантах реализации изобретения, содержащих изготовленную отдельно от наружной оболочки опорную конструкцию, опорная конструкция может быть установлена с использованием сварки, пайки тугоплавким припоем, склеивания, механического соединения и/или прессовой посадки. Опорная конструкция может быть разработана таким образом, чтобы при сборке внутри активационного шара давление, оказываемое опорной конструкцией на внутреннюю поверхность наружной оболочки, оказывалось большим, чем атмосферное давление.

Раскрытые в настоящей заявке варианты реализации изобретения предназначены для активационного шара, имеющего повышенную прочность при воздействии нагрузок, высоких давлений и высоких температур, и, одновременно, имеющего суммарную удельную плотность в пределах от приблизительно 1,00 до приблизительно 1,85. Активационные шары в соответствии с настоящим раскрытием изобретения также могут иметь большую износоустойчивость, чем активационные шары, изготовленные из композитных материалов, которые со временем разрушаются. Также активационные шары, имеющие металлическую оболочку, как показано в настоящем раскрытии изобретения, могут быть более надежными в эксплуатации за счет постоянства механических свойств для различных партий металлических материалов. За счет постоянства механических свойств металлических материалов и за счет их высокой прочности, активационные шары, в соответствии с настоящим изобретением, могут быть сконструированы таким образом, чтобы иметь меньшую зону контакта между активационным шаром и соответствующей несущей поверхностью. Таким образом, активационные шары, раскрытые в настоящем изобретении, могут обеспечить использование в одной трубчатой колонне увеличенного числа скважинных инструментов, приводимых в действие шарами. В качестве не имеющего ограничительного характера примера можно указать, что за счет использования активационного шара, описанного в приведенных выше вариантах реализации изобретения, в течение многоступенчатого процесса гидроразрыва можно использовать, приблизительно, двенадцать клапанов гидроразрыва (таких как золотниковые клапаны 33), в то время как с традиционными шарами для приведения в действие можно использовать только, приблизительно, восемь клапанов гидроразрыва.

Хотя настоящее изобретение и было описано относительно ограниченного числа вариантов реализации изобретения, специалисты в рассматриваемой области техники, использующие преимущества настоящего раскрытия изобретения, смогут различать его многочисленные модификации и варианты. Подразумевается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все подобные модификации и варианты, как попадающие в пределы фактической сущности и объема настоящего изобретения.

Claims

1. Система, содержащая:
трубчатую колонну, выполненную с возможностью размещения в стволе скважины и имеющую седло, и
активационный шар, выполненный с возможностью сбрасывания в трубчатую колонну для размещения в седле, при этом шар содержит наружную оболочку, образующую сферическую поверхность и замкнутый объем и выполненную из металлического материала, причем активационный шар включает в себя опорную конструкцию, расположенную на внутренней поверхности наружной оболочки.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая инструмент, содержащий седло, при этом шар выполнен с возможностью размещения в седле для препятствия, создающего давление текучей среды, достаточное для приведения в действие инструмента.

3. Система по п. 1, в которой седло содержит одно седло из множества седел в колонне.

4. Система по п. 3, в которой седла выполнены в виде набора калиброванных отверстий для обеспечения возможности для каждого из седел представлять собой избирательную цель для активационного шара, имеющего размер, соответствующий седлу.

5. Система по п. 1, в которой наружная оболочка содержит первую часть, присоединенную ко второй части.

6. Система по п. 5, в которой первая и вторая части соединены с использованием, по меньшей мере, одного способа, выбранного из группы, включающей в себя сварку, сварку трением с перемешиванием, резьбовое соединение и прессовую посадку.

7. Система по п. 1, в которой металлический материал содержит, по меньшей мере, один из материалов, выбранный из группы, состоящей из алюминиевого сплава, магниевого сплава, сплава на никель-кобальтовой основе и стали.

8. Система по п. 1, в которой алюминиевый сплав является сплавом, выбранным из группы, состоящей из алюминиевых сплавов серии 6000 и алюминиевых сплавов серии 7000.

9. Система по п. 1, дополнительно содержащая покрытие, расположенное на сферической поверхности наружной оболочки.

10. Система по п. 1, в которой замкнутый объем является полым.

11. Система по п. 1, в которой замкнутый объем содержит наполнитель содержащий, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из пластика, пеноматериала, армированного волокнами фенольного полимера, полиэфирэфиркетона, термопластика и сжатого газа.

12. Система по п. 1, в которой опорная конструкция содержит, по меньшей мере, одну конструкцию, выбранную из группы, состоящей из ребер жесткости, осей и упрочняющих колец.

13. Система по п. 1, в которой опорная конструкция выполнена за одно целое с наружной оболочкой.

14. Система по п. 1, в которой опорная конструкция соединена с внутренней поверхностью наружной оболочки с использованием, по меньшей мере, одного способа, выбранного из группы, включающей в себя сварку, пайку тугоплавким припоем, склеивание, механическое соединение и посадку с натягом.

15. Система по п. 1, в которой удельная плотность активационного шара находится в пределах от около 1,00 до около 1,85.

16. Система по п. 1, в которой давление внутри замкнутого объема превышает атмосферное давление.

17. Система по п. 1, дополнительно содержащая оборудование, расположенное внутри замкнутого объема и содержащее, по меньшей мере, одно из группы, содержащей датчики, приемники, приемопередатчики, передатчики, импульсные приемо-передатчики, жетоны радиочастотной идентификации и магниты.

18. Способ активации скважинного инструмента, при котором:
сбрасывают активационный шар в трубчатую колону в скважине, при этом шар содержит наружную оболочку, имеющую замкнутый объем и содержащую металлический материал, причем шар дополнительно содержит опорную конструкцию, размещенную в замкнутом объеме наружной оболочки,
перемещают шар через канал колонны до его размещения в седле трубчатой колонны для образования препятствия; и
используют препятствие для повышения давления в зоне колонны.

19. Способ по п. 18, при котором дополнительно используют повышение давления для приведения в действие скважинного инструмента.

20. Способ по п. 18, при котором перемещение шара включает его прохождение через, по меньшей мере, одно седло, для шара большего размера, чем размер данного шара.

21. Способ по п. 18, при котором перемещают шар потоком из седла на поверхность скважины.

22. Способ по п. 18, при котором наружная оболочка содержит, по меньшей мере, один из материалов, выбранный из группы, состоящей из алюминиевого сплава, магниевого сплава, сплава на никель-кобальтовой основе и стали.

23. Способ по п. 18, при котором наружная оболочка содержит, по меньшей мере, две части.

24. Способ по п. 18, при котором шар дополнительно содержит заполняющий материал внутри замкнутого объема, отличающийся от материала оболочки.

25. Способ по п. 18, при котором опорная конструкция содержит, по меньшей мере, одну конструкцию, выбранную из группы, состоящей из ребер жесткости, осей и упрочняющих колец.

26. Способ по п. 18, при котором давление внутри замкнутого объема наружной оболочки превышает атмосферное давление.