УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ
SELECTIVE WELL COMPLETION DEVICE

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для селективной изоляции пластов при заканчивании нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство селективного заканчивания скважины, содержащее установленный на трубе (например, проставочной) трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник снабжен кольцевидным упором П-образного профиля, посредством которого периодически соединен с исполнительным механизмом [1]. Последний содержит связанный с наземным источником питания и блоком управления наземный подъемно-вращательный механизм, соединенный выполненной в виде колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) механической тяги с периодически погружаемым в скважину захватом, который снабжен цилиндрическим корпусом с радиально установленными подпружиненными выдвижными кулачками и приводимым в действие вращением НКТ конусным распором кулачков. Для переключения клапана наращивают НКТ и погружают захват в скважину до тех пор, пока кулачки не окажутся расположенными напротив П-образного упора. Далее, вращая НКТ, выдвигают кулачки и, после того как они проникнут в П-образный упор, перемещают захват вместе со сцепленным с кулачками золотником вверх или вниз. В результате клапан открывается или закрывается. После завершения процесса переключения, вращая НКТ, задвигают кулачки в цилиндрический корпус и, изменяя длину НКТ, поднимают его на поверхность земли либо перемещают в скважине для осуществления переключения расположенного на иной глубине аналогичного клапана.
Недостатками известного устройства являются сложность эксплуатации и низкая надежность.
При осуществлении захвата золотника путем вращения колонны НКТ возможен ненамеренный отворот резьбовых соединений ее труб. Проведение длительных и дорогостоящих операций по монтажу и демонтажу НКТ усложняет эксплуатацию известного устройства. Операции захвата и перемещения золотника производятся вслепую и требуют высокой точности управления громоздкой колонной НКТ.
Известно выбранное в качестве прототипа устройство селективного заканчивания скважины, содержащее установленный на трубе (например, проставочной) трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта или пропластка и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник снабжен кольцевидным упором П-образного профиля, посредством которого периодически соединен с исполнительным механизмом [2]. Последний содержит связанный с наземным источником питания и блоком управления насос и наземный подъемно-вращательный механизм, соединенный механической тягой в виде НКТ с периодически погружаемым в скважину захватом, который снабжен цилиндрическим корпусом с радиально установленными подпружиненными выдвижными кулачками и снабженным гидравлическим приводом их конусным распором. Для переключения клапана наращивают колонну НКТ и погружают захват в скважину до тех пор, пока кулачки не окажутся расположенными напротив П-образного упора. Далее, при помощи насоса посредством колонны НКТ повышают давление в гидроприводе, в результате чего кулачки проникают в полость П-образного упора. После этого подъемным механизмом перемещают захват вместе со сцепленным с кулачками золотником вверх или вниз, осуществляя соответственно открытие или закрытие клапана. В завершении, понизив давление в НКТ и гидроприводе, задвигают кулачки в цилиндрический корпус и, изменяя длину НКТ, поднимают его на поверхность либо перемещают в скважине для осуществления переключения расположенного на иной глубине аналогичного клапана.
Недостатками известного устройства являются сложность эксплуатации и низкая надежность.
Проведение длительных и дорогостоящих операций по монтажу и демонтажу механической тяги в виде громоздкой разборной колонны НКТ усложняет эксплуатацию известного устройства. Операции захвата и перемещения золотника производятся вслепую и требуют высокой точности управления громоздкой колонной насосно-компрессорных труб.
Целью изобретения является упрощение эксплуатации и повышение надежности устройства селективного заканчивания скважины.
Указанная цель достигается тем, что устройство селективного заканчивания скважины содержит установленный на трубе трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта или пропластка и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник соединен с кольцевидным упором, посредством которого периодически связан с захватом исполнительного механизма, захват содержит цилиндрический корпус с радиально установленными на одном уровне подпружиненными кулачками, конусный распор кулачков, привод распора и соединен механической тягой со снабженным блоком управления и источником питания наземным подъемным механизмом. При этом содержит соединенный с клапанным корпусом дополнительный кольцевидный упор, механическая тяга имеет вид каротажного кабеля и исполнительный механизм полностью установлен на нижнем конце данного кабеля, на указанном цилиндрическом корпусе с возможностью перемещения относительно указанного захвата телескопически расположен дополнительный захват, который снабжен корпусом с радиально установленными на одном уровне подпружиненными кулачками и их конусным распором, причем последний соединен с указанным приводом, который выполнен в виде подпружиненного электротепломеханического рабочего элемента, один из захватов периодически соединен своими кулачками с указанным дополнительным кольцевидным упором, корпусы обоих захватов соединены между собой посредством дополнительного привода, снабженного двумя электротепломеханическими элементами, и каждый из указанных электротепломеханических элементов содержит электротеплоизоляционный кожух, внутри которого установлен снабженный термостатом электрический нагреватель и параллельные друг другу прямолинейные проволоки из сплава, обладающего эффектом памяти формы, а указанный блок управления дополнительно содержит снабженный монитором пульт дополнительно установленного на указанном цилиндрическом корпусе выносного ультразвукового зонда, в зоне действия которого расположены внутренняя поверхность скважины и две закрепленные на исполнительном механизме и снабженные рельефными метками рейки, одна из реек соединена с указанными конусными распорами, а другая, с корпусом указанного дополнительного захвата, при этом ультразвуковой зонд и каждый из указанных электрических нагревателей раздельно связаны через каротажный кабель и блок управления с указанным источником питания.
На чертеже схематично показано устройство селективного заканчивания скважины.
В предлагаемом описании: 1 - труба, например, проставочная; 2 - трубчатый золотниковый клапан; 3 - корпус клапана 2; 4 - отверстие; 5 - обсадная колонна; 6 - продуктивный пласт или пропласток; 7 - золотник клапана 2; 8 - патрубок; 9 - кольцевидный упор П-образного профиля; 10 - исполнительный механизм; 11 - каротажный кабель; 12 - лебедка; 13 - электрический кабель; 14 - блок управления; 15 - электрический источник питания; 16 - цилиндрический корпус; 17 - захват; 18 - привод захвата 17; 19 - трубчатый корпус захвата 17; 20 - конусный распор; 21 - клиновидный упор; 22 - кольцевидная цилиндрическая пружина; 23 - кулачок; 24 - стержень; 25 - привод распоров 20; 26 - трубчатый электротепломеханический рабочий элемент; 27 - трубчатый эластичный электротеплоизоляционный кожух; 28 - термостат; 29 - трубчатый электрический нагреватель; 30 - проволока из сплава, обладающего эффектом памяти формы; 31 - пружина; 32 - цилиндрический электротепломеханический рабочий элемент; 33 - цилиндрический эластичный электротеплоизоляционный кожух; 34 - монитор; 35 - пульт; 36 - выносной ультразвуковой зон; 37 - рейка; 38 - рельефная метка.
Устройство селективного заканчивания скважины содержит закрепленные, например, на трубе 1 (например, проставочной) трубчатый золотниковый клапан 2, корпус 3 которого через отверстия 4 в обсадной колонне 5 связан с продуктивным пластом 6 (пропластком), а золотник 7 снабжен патрубком 8, на конце которого закреплен кольцевидный упор 9 П-образного профиля (чертеж). На трубе 1 также закреплен П-образный упор 9, соединенный таким образом с клапанным корпусом 3. Оба упора 9 периодически соединены с исполнительным механизмом 10, который посредством каротажного кабеля 11 связан с расположенным на поверхности подъемным механизмом, например, с лебедкой 12. Посредством кабеля 11 и соответствующих электрических кабелей 13 механизм 10 и лебедка 12 соединены через блок 14 управления с электрическим источником 15 питания.
Механизм 10 содержит цилиндрический корпус 16 с двумя соосно ему телескопически расположенными друг в друге захватами 17 и приводом 18 захватов 17. Каждый захват 17 содержит крестообразный трубчатый корпус 19, внутри которого с возможностью линейного перемещения концентрично расположен конусный распор 20 и с возможностью линейного перемещения радиально установлены снабженные клиновидными упорами 21 и соединенные ими с общей кольцевидной пружиной 22 кулачки 23. Распоры 20 каждого захвата 17 соединены друг с другом стержнем 24. Корпус 19 нижнего захват 17 закреплен на корпусе 16 и связан с ним посредством стержня 24 и привода 25 распоров 20.
Привод 18 содержит два трубчатых электротепломеханических рабочих элемента 26, каждый из которых установлен концентрично корпусу 16 снаружи корпуса 19 верхнего захвата 17 соответственно над и под кулачками 23 последнего. Верхний элемент 26 соединен одним концом с корпусом 16, а другим, с корпусом 19 верхнего захвата 17. Нижний элемент 26 соединен одним концом с корпусом 19 верхнего захвата 17, а другим, с корпусом 19 нижнего захвата 17.
Каждый элемент 26 содержит трубчатый эластичный, например, силиконовый электротеплоизоляционный кожух 27 в виде сжатого в радиальном направлении тора, внутри которого расположены снабженный термостатом 28 трубчатый электрический нагреватель 29 и ряд составляющих вместе боковую цилиндрическую поверхность прямолинейных проволок 30 из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например, из никелида титана. Память верхнего элемента 26 привода 18 выражается в самопроизвольном укорачивании его проволок 30 при нагреве связанным с ними нагревателем 29 и их принудительном удлинении при охлаждении под совместным действием массы верхнего захвата 17 и нагретых проволок 30 нижнего элемента 26. Память последнего выражается в самопроизвольном укорачивании его проволок 30 при нагреве связанным с ними нагревателем 29 и их принудительном удлинении при охлаждении нагретыми проволоками 30 верхнего элемента 26 привода 18.
Привод 25 содержит расположенные соосно корпусу 16 пружину 31 растяжения и цилиндрический электротепломеханический рабочий элемент 32. Пружина 31 соединена одним концом с корпусом 16, а другим, с верхним распором 20. Элемент 32 соединен одним концом со стержнем 24, а другим, с корпусом 16.
Элемент 32 содержит цилиндрический эластичный, например, силиконовый электротеплоизоляционный кожух 33, внутри которого расположены снабженный термостатом 28 трубчатый электрический нагреватель 29 и несколько соединенных концами в пучок прямолинейных проволок 30 из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например, из никелида титана. Память элемента 32 выражается в самопроизвольном укорачивании его проволок 30 при нагреве связанным с ними нагревателем 29 и принудительном удлинении их пружиной 31 при охлаждении.
Блок 14 содержит снабженный монитором 34 пульт 35 установленного на корпусе 16 выносного ультразвукового зонда 36. В зоне действия последнего расположены верхние концы двух реек 37, каждая из которых снабжена двумя рельефными метками 38 и одна закреплена на верхнем распоре 20, а вторая, на корпусе 19 верхнего захвата 17.
Зонд 36, а также посредством своего термостата 28 каждый нагреватель 29 раздельно связаны соответствующими кабелями 11, 13 через блок 14 с электрическим источником 15 питания.
Устройство работает следующим образом (чертеж). При необходимости переключения клапана 2 механизм 10 располагают над скважиной и, включив лебедку 12, спускают его на кабеле 11 в скважину. Все нагреватели 29 отключены и все проволоки 30 находятся в охлажденном состоянии. Проволоки 30 элемента 32 максимально растянуты пружиной 31 и закрепленная на распоре 20 рейка 37 находится в крайнем верхнем положении. Проволоки 30 верхнего элемента 26 имеют максимальную, а проволоки 30 нижнего элемента 26, минимальную длину. Закрепленная на корпусе 19 верхнего захвата 17 рейка 37 находится в крайнем нижнем положении. При помощи монитора 34 оператор следит за перемещением механизма 10. Когда на мониторе 34 верхний торец корпуса 3 расположится за самой верхней меткой 38 закрепленной на распоре 20 рейки 37, оператор, подав команду на блок 14, выключает лебедку 12 и по появившемуся на мониторе 34 изображению зазора между корпусом 3 и золотником 7 определяет исходное положение клапана 2.
При показанном на чертеже положении механизма 10 относительно открытого клапана 2 кулачки 23 нижнего захвата 17 расположены напротив центра полости закрепленного на трубе 1 упора 9, а кулачки 23 верхнего захвата 17 расположены напротив центра полости закрепленного посредством патрубка 8 на золотнике 7 упора 9.
Закрытие клапана 2 производится следующим образом. После того, как все кулачки 23 расположатся напротив соответствующих упоров 9, оператор подает на блок 14 команду о включении нагревателя 29 элемента 32. В результате проволоки 30 элемента 32 нагреваются и вследствие реализации аустенитного превращения самопроизвольно укорачиваются, растягивая при этом пружину 31 и перемещая оба распора 20 в крайнее нижнее положение. При этом вследствие воздействия распоров 20 на соответствующие кулачки 23 последние выдвигаются из механизма 10, растягивая соответствующие пружины 22, и проникают в расположенные напротив них центральные части полостей соответствующих упоров 9. На мониторе 34 данный процесс отображается в виде перемещения вниз соединенной с распором 20 рейки 37. После того, как нижняя метка 38 данной рейки 37 расположится напротив верхней метки 38 находящейся за ней другой рейки 37, подав команду на блок 14, оператор включает нагреватель 29 верхнего из элементов 26 привода 18. Проволоки 30 данного элемента 26 нагреваются и вследствие реализации аустенитного превращения укорачиваются, растягивая при этом охлажденные проволоки 30 нижнего из элементов 26 привода 18 и перемещая верхний захват 17 и состыкованный с его кулачками 23 золотник 7 до предела вверх, что соответствует закрытию клапана 2. На мониторе 34 данный процесс отображается в виде перемещения закрепленной на верхнем захвате 17 рейки 37 в крайнее верхнее положение. После того, как нижняя метка 38 данной рейки 37 расположится на одном уровне с верхней меткой 38 закрепленной на распоре 20 рейки 37, подав команду на блок 14, оператор выключает нагреватели 29 элемента 32 привода 25 и верхнего из элементов 26 привода 18. В определенный момент происходящего при этом охлаждения проволоки 30 элемента 32 растягиваются до предела пружиной 31, которая перемещает распоры 20 в крайнее верхнее положение. Вследствие данного перемещения распоров 20 все кулачки 23 задвигаются под действием соединенных с ними соответствующих пружин 22 вовнутрь механизма 10. На мониторе данный процесс отображается в виде перемещения до предела вверх закрепленной на распоре 20 рейки 37. После того, как верхняя метка 38 данной рейки 37 расположится напротив верхней метки 38 установленной на верхнем захвате 17 рейки 37, подав команду на блок 14, оператор включает лебедку 12 для извлечения механизма 10 из скважины или транспортировки его к намеченному к переключению другому клапану (не показан).
При (показано на чертеже) исходном положение захватов 17 открытие клапана 2 осуществляется следующим образом.
Механизм 10 располагают над скважиной и, включив лебедку 12, спускают его на кабеле 11 в скважину. Все нагреватели 29 отключены и все проволоки 30 находятся в охлажденном состоянии. Проволоки 30 элемента 32 максимально растянуты пружиной 31 и закрепленная на распоре 20 рейка 37 находится в крайнем верхнем положении. Проволоки 30 верхнего элемента 26 имеют максимальную, а проволоки 30 нижнего элемента 26, минимальную длину. Закрепленная на корпусе 19 верхнего захвата 17 рейка 37 находится в крайнем нижнем положении. При помощи монитора 34 оператор следит за перемещением механизма 10. Когда на мониторе 34 верхний торец корпуса 3 расположится за самой верхней меткой 38 закрепленной на распоре 20 рейки 37, оператор, подав команду на блок 14, выключает лебедку 12 и по появившемуся на мониторе 34 изображению зазора между корпусом 3 и золотником 7 определяет исходное положение клапана 2.
Если расстояние между верхними кромками корпуса 3 и золотника 7 минимально, то есть если клапан 2 закрыт, то оператор подает команду на блок 14 о включении нагревателя 29 верхнего из элементов 26 привода 18. В результате проволоки 30 данного элемента 26 нагреваются и вследствие реализации аустенитного превращения укорачиваются, растягивая при этом охлажденные проволоки 30 нижнего из элементов 26 привода 18 и перемещая верхний захват 17 до предела вверх в положение, при котором кулачки 23 последнего располагаются напротив середины полости соединенного с золотником 7 упора 9. На мониторе 34 данный процесс отображается в виде перемещения закрепленной на верхнем захвате 17 рейки 37 в крайнее верхнее положение. После того, как верхняя метка 38 данной рейки 37 расположится напротив верхней метки 38 закрепленной на распоре 20 рейки 37, подав команду на блок 14, оператор выключает нагреватель 29 верхнего из элементов 26 привода 18 и включает нагреватель 29 элемента 32. В результате проволоки 30 элемента 32 нагреваются и вследствие реализации аустенитного превращения самопроизвольно укорачиваются, растягивая при этом пружину 31 и перемещая оба распора 20 в крайнее нижнее положение. При этом вследствие воздействия распоров 20 на соответствующие кулачки 23 последние выдвигаются из механизма 10, растягивая соответствующие пружины 22, и проникают в расположенные напротив них центральные части полостей соответствующих упоров 9. На мониторе 34 данный процесс отображается в виде перемещения вниз соединенной с распором 20 рейки 37. После того, как верхняя метка 38 данной рейки 37 расположится напротив нижней метки 38 установленной за ней рейки 37, подав команду на блок 14, оператор включает нагреватель 29 нижнего из элементов 26 привода 18. Проволоки 30 данного элемента 26 нагреваются и вследствие реализации аустенитного превращения укорачиваются, растягивая при этом успевшие остыть проволоки 30 верхнего из элементов 26 привода 18 и перемещая верхний захват 17 и состыкованный с его кулачками 23 золотник 7 до предела вниз, что соответствует открытию клапана 2. На мониторе 34 данный процесс отображается в виде перемещения закрепленной на верхнем захвате 17 рейки 37 в крайнее нижнее положение. После того, как верхняя метка 38 данной рейки 37 расположится на одном уровне с верхней меткой 38 закрепленной на распоре 20 рейки 37, подав команду на блок 14, оператор выключает нагреватель 29 элемента 32 привода 25 и нагреватель 29 нижнего из элементов 26 привода 18. В определенный момент происходящего при этом охлаждения проволоки 30 элемента 32 растягиваются до предела пружиной 31, которая перемещает распоры 20 в крайнее верхнее положение. Вследствие данного перемещения распоров 20 все кулачки 23 задвигаются соединенными с ними соответствующими пружинами 22 вовнутрь механизма 10. На мониторе данный процесс отображается в виде перемещения до предела вверх закрепленной на распоре 20 рейки 37. После того, как нижняя метка 38 данной рейки 37 расположится напротив верхней метки 38 установленной на верхнем захвате 17 рейки 37, подав команду на блок 14, оператор включает лебедку 12 для извлечения механизма 10 из скважины либо для транспортировки его к намеченному к переключению другому клапану (не показан).
Открытие клапана 2 при исходном крайнем верхнем положении верхнего захвата 17 относительно нижнего производится путем осуществляемого аналогичным образом расположения всех кулачков 23 напротив полостей соответствующих упоров 9, включения нагревателя 29 элемента 32 и нагревателя 29 нижнего из элементов 26 привода 18 и последующего выключения данных нагревателей 29.
Термостаты 28 традиционным образом защищают проволоки 30 и кожухи 27,33 соответствующих элементов 26,32 от перегрева. При этом термостат 28 элемента 32 стабилизирует температуру на весь период расположения кулачков 23 в центральных частях полостей соответствующих упоров 9, что упрощает управление устройством.
В отличие от традиционного медицинского прибора типа УЗИ необходима защита зонда 36 от агрессивного воздействия находящихся в скважине флюидов, действия высокого давления и значительных перепадов давления, а мощность передаваемых от него по кабелям 11, 13 сигналов должна быть усилена адекватно их длине. При транспортировке захвата 10 в скважине зонд 36 может быть использован для проведения дефектоскопии скважины.
Источники информации
1. Патент США №5203412, МКИ E21B 23/04, 1991 г.
2. Патент РФ №2244801, МКИ 7 E21B 23/04, опубликован в 2005 г. (прототип).