КЛАПАН ДЛЯ ПРОТИВОПЕСОЧНЫХ ВЫРАВНИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
VALVE FOR SAND SCREENING FLATTENING FILTERS

Область техники
Настоящее изобретение относится к разделительным клапанам для фильтров, которые выборочно могут быть перекрыты для обеспечения возможности работы другого оборудования.
Предшествующий уровень техники
В некоторых длинных горизонтальных скважинах требуется предпринимать шаги для снижения тенденции к тому, чтобы добываемый флюид проходил вдоль внешней поверхности фильтра до достижения места сужения кольцевого пространства, охватывающего фильтруемый интервал скважины, прежде чем пройти через фильтр обычно в верхней или нижней части фильтруемого интервала. Для предотвращения этого эффекта секции фильтра снабжены находящейся под ними неперфорированной базовой трубой, что вынуждает флюид проходить по кольцевому пути между базовой трубой и фильтрующим элементом до тех пор, пока он не достигнет суживающейся части. Суживающаяся часть может представлять собой спиральный участок, создающий сужение на пути фильтруемого потока. После прохождения через спиральную суживающуюся часть фильтруемый флюид достигает отверстий, через которые он проходит сквозь базовую трубу. Такое изделие предлагает отделение Baker Oil Tools под названием Equalizer Screen (выравнивающий фильтр). Последовательность фильтров с одинаковыми или различными сужениями устанавливают на интервале скважины с целью выравнивания профиля притока между секциями фильтра за счет противодействия тенденции прохождения флюидом, в противном случае, по пути наименьшего сопротивления в кольцевом пространстве снаружи всех секций фильтра вплоть до достижения изгиба горизонтального участка и стремления пройти сначала через самый верхний фильтр.
По разным причинам желательно входные отверстия в таких фильтрах держать закрытыми до введения фильтров в эксплуатацию. Прежде всего, если держать входные отверстия закрытыми, то поток через фильтры отсутствует до тех пор, пока фильтры не введут в эксплуатацию. Кроме того, при перекрытой базовой трубе давление в ней можно увеличить, так чтобы привести в действие установленное на ее нижнем конце оборудование, такое как гидравлический забойный двигатель, вращающий буровое долото, и переместить фильтры на заданный участок скважины, как правило, с необсаженным забоем. Могут быть также поставлены гидравлические пакеры без использования промывочной трубы или внутренней колонны для предотвращения поступления на вход пакера того, что в противном случае проходило бы через открытые участки фильтров.
Хотя возможным решением является перекрытие входных отверстий разрывными мембранами, при этом возникает проблема, связанная с тем, что нет уверенности в одновременном разрушении всех разрывных мембран. Если даже одна разрывная мембрана разрушится раньше остальных, другие не разрушатся вовсе, так как развиваемое в базовой трубе давление будет сбрасываться через открытую разрывную мембрану. Предыдущие попытки решения этой проблемы можно встретить в патенте US 5425424 и цитируемых в нем патентах на имя Zandmer.
Поэтому возникает необходимость в способе, по которому входные отверстия закрыты до тех пор, пока фильтры не нужно вводить в эксплуатацию, при одновременной гарантии того, что все фильтры вступят в действие в нужный момент за счет перевода отверстий в открытое состояние, когда это нужно.
Настоящее изобретение относится к конструкции клапана для входных отверстий в секциях фильтра, составляющих фильтруемый интервал, который сохраняет фильтры в закрытом состоянии при опускании в скважину для предотвращения прохождения через них потока и в то же время дает возможность повышения давления в базовой трубе, так чтобы могло работать скважинное оборудование. При снятии приложенного давления клапаны могут открываться, так что фильтры могут переходить в рабочее состояние. Эти и другие свойства настоящего изобретения будут более понятны специалистам в данной области техники из рассмотрения описания предпочтительного варианта выполнения и соответствующих чертежей при одновременном понимании того, что полный объем изобретения отражен в его формуле изобретения.
Краткое изложение сущности изобретения
В последовательности фильтров, имеющих сужения (ограничения) для выравнивания потока через перфорации в базовой трубе, находящиеся ниже или выше по направлению потока каждого сужения, используются введенные в отверстия клапанные элементы, так что фильтры закрыты для прохождения потока при опускании в скважину. Давление в базовой трубе может быть без необходимости во введении внутренней колонны или промывочной трубы повышено для обеспечения работы скважинного оборудования, установленного ниже фильтров, такого как забойный турбинный двигатель, или на перфорированном хвостовике, такого как пакер. Отверстия могут быть выборочно открыты, когда соответствующее оборудование, связанное с базовыми трубами, было использовано по назначению. Клапанный элемент может быть задействован на открывание различными путями, такими как приложение давления, температуры или изменение свойств скважинного флюида.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - сечение горизонтального участка скважины с изображением фильтров, снабженных клапанами по настоящему изобретению;
на фиг.2 - клапан, зафиксированный в закрытом положении для перекрытия соответствующего фильтра;
на фиг.3 - клапан с фиг.2 под давлением, приложенным для высвобождения фиксатора, при сохранении закрытого состояния клапана вплоть до снятия давления;
на фиг.4 - альтернативный вариант выполнения клапана с фиг.2, показанного в зафиксированном закрытом положении;
на фиг.5 - клапана с фиг.4, снятый с фиксатора и сохраняющий закрытое состояние за счет приложенного давления, но который может быть открыт пружиной при снятии давления;
на фиг.6 - клапан с фиг.5 после того, как давление снято, и клапан полностью открыт;
на фиг.7 - альтернативный вариант выполнения с использованием срезного штифта, в котором допускается циклическое приложение давления, значение которого лежит ниже порога перемещения клапанного элемента;
на фиг.8 - вариант с фиг.7, приведенный в готовность к открыванию при снятии давления;
на фиг.9 - вариант, альтернативный варианту с фиг.6-7, который изображен в положении для опускания в скважину;
на фиг.10 - клапан с фиг.9 в положении готовности к открыванию;
на фиг.11 - вид с фиг.10 в открытом положении клапана;
на фиг.12 - вид в перспективе конца поршня по варианту выполнения с фиг.9;
на фиг.13 - данный в сечении альтернативный вариант выполнения при опускании в скважину;
на фиг.14 - вариант с фиг.13 в положении готовности к открыванию;
на фиг.15 - вид с фиг.14 в открытом положении клапана;
на фиг.16 - данный в сечении альтернативный вариант выполнения при опускании в скважину;
на фиг.17 - вариант с фиг.16 в положении готовности к открыванию;
на фиг.18 - вид с фиг.17 в открытом положении.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан необсаженный горизонтальный интервал 10 ствола скважины, в котором установлена последовательность фильтров 12 и 14 типа Equalizer, связанных, например, с эксплуатационной колонной 16. На эксплуатационной колонне 16 установлен пакер 18. Базовые трубы 20 и 22 сплошные. Кольцевые пространства 24 и 26 ведут к сужениям (ограничителям) 28 и 30 соответственно. Эти сужения представляют собой по существу спиральный участок, размеры которого определяют величину сопротивления прохождению отфильтрованного флюида, поступающего через фильтры 12 и 14. После прохождения через сужения 28 и 30 отфильтрованный флюид поступает в кольцевое пространство 32 или 34, чтобы достичь соответственно клапанов 36 и 38, составляющих часть настоящего изобретения. Когда клапаны 36 и 38 закрыты, давление в канале 40 может быть поднято до величины, необходимой для установки пакера 18. В других применениях, на нижнем конце может находиться гидравлический забойный двигатель и буровое долото, присоединенное таким образом, чтобы произвести бурение, при котором фильтры 12 и 14 займут нужное положение в горизонтальном интервале 10, после чего клапаны 36 и 38 могут быть переведены в открытое положение, при котором флюид через фильтры 12 и 14 может начать поступать в канал 40.
Предпочтительным свойством клапанов 36 или 38 является то, что они закрыты и предпочтительно в таком положении остаются зафиксированными вплоть до открывания. Клапаны перемещаются, оставаясь закрытыми, несмотря на воздействие прикладываемого давления. Это свойство позволяет поднимать внутреннее давление в канале 40, необходимое для работы скважинного оборудования, некоторые примеры которого даны выше. Приложение давления также переустанавливает клапаны для последующего открывания. Это может быть выполнено несколькими путями. Один путь заключается в смещении их таким образом, чтобы снятие давления в первый раз просто давало им возможность открыться. Другой путь заключается в том, чтобы установить элементы клапана на байонетный механизм, так чтобы давление можно было циклически прикладывать и снимать требуемое число раз, прежде чем клапан откроется. Одновременно может быть использован другой тип клапана, в котором отверстия остаются закрытыми до тех пор, пока не изменятся скважинные условия, приводящие к удалению перекрывающего материала. Скважинным условием может быть изменение температуры или pH, воздействующее на перекрывающий материал и удаляющее его. Этот последний способ менее предпочтителен, так как регулировать изменения в скважине не так просто. Кроме того, имеются также проблемы с непостоянством реакции материала клапана, что может приводить к тому, что некоторые отверстия будут широко открыты, в то время как другие останутся перекрытыми.
Далее будут описаны несколько предпочтительных вариантов выполнения таких клапанов, как 36 и 38. На фиг.2 изображена проточка 42, ведущая от канала 40 к кольцевому пространству 32 или 34 на другом конце. Проточка (расширенная часть) 42 первоначально закрыта плунжером 44, удерживающим уплотнение 46 в сужении 48 проточки 42. Головка 50 принимает на себя увеличение давления в канале 40 и ограничена в движении поверхностью 52, охватывающей проточку 42. Пружина 54 удерживается выступом 56 и предназначена для проталкивания плунжера 44 в направлении канала 40. Разомкнутое кольцо 58 удерживается в сжатом состоянии в проточке 60. В сжатом состоянии разомкнутое кольцо 58 не позволяет нижнему приливу 62 двигаться и тем самым предотвращает перемещение пружиной 54 уплотнения 46 из герметизированного положения в сужении 48. Однако, как показано на фиг.3, под действием давления из канала 40, приложенного к головке 50, выступ 64 выдавливает разомкнутое кольцо 58 из проточки 60, и оно может расшириться в проточке 66, так что прилив 62 может пройти сквозь него, но только после уменьшения или снятия давления на головку 50. Это дает возможность пружине 54 достаточно переместить плунжер или элемент 44 клапана, чтобы вывести уплотнение 46 на конусный участок 68 или в проточку 70, так чтобы поток мог проходить в проточку 42. В это время плунжер 44 может быть совсем вытолкнут из проточки 42 пружиной 54 и потоком флюида, поступающим из кольцевого пространства, например 32. Предоставление возможности открывания канала вентиля после того, как приложенное давление снято, предотвращает также возникновение нежелательного скачка давления на пласт при открывании клапана, который может привести к снижению добычи. Альтернативно прилив 62 может иметь несколько отверстий 72 и может быть захвачен в сужении 48, чтобы удержать плунжер 44 в проточке 42, предоставляя в то же время возможность свободного прохода потока из кольцевого пространства, например 32, через отверстия 72 и теперь открытую проточку 42.
Специалистам в данной области понятно, что, хотя показаны только две секции фильтра, могут быть также использованы дополнительные секции. Могут быть также использованы составные клапаны в каждом соединении фильтров. Кроме того, вместо однократного повышения давления и операции освобождения, показанной на фиг.2 и 3, разомкнутое кольцо 58 может быть заменено байонетным механизмом, установленным между плунжером 44 и проточкой 42, так чтобы нужно было циклически выполнить нужное число приложений давления к головке 50, прежде чем появится возможность вывести уплотнение 46 из сужения 48. Использование головки 50 вводит ограничитель перемещения под действием давления в канале 40 для предотвращения излишнего сжатия пружины 54 или выдавливания уплотнения 46 из сужения 48.
На фиг.4 и 5 представлена фактически та же конструкция, что и на фиг.2 и 3, за исключением того, что головка 50 отсутствует. Это дает возможность плунжеру 44' при приложении давления из канала 40 входить в проточку 70'. В остальном действие то же самое. Такая конструкция позволяет сжимать вместе витки пружины 54', в результате чего они действуют как ограничитель перемещения плунжера 44'.
На фиг.6 показан вариант выполнения с фиг.3 и то, что происходит в результате снятия давления после достижения положения, показанного на фиг.3. Фактически пружина 54 расширилась, открыв проточку 48 и давая возможность потоку проходить через клапан.
На фиг.7 и 8 представлен другой вариант выполнения, в котором добавлен срезной штифт 100, действующий как ограничительный элемент, так что давление, оказывающее на срезной штифт 100 воздействие, ниже предела прочности, может быть приложено к головке 50 столько раз, сколько необходимо, без какого-либо движения. Штифт 100 закреплен кольцом 102, скользяще входящим в основу 104. Предпочтительно каждый клапан, подвергающийся воздействию давления в насосно-компрессорной трубе, может быть снабжен штифтом 100, но, как видно из других вариантов, такое выполнение совершенно не обязательно. При необходимости в открывании клапанов давление просто поднимают до значения, при котором все срезные штифты 100 или используемые эквивалентные им средства будут разрушены, и с этой точки работа продолжится таким же образом, как описано выше. Следует отметить, что плоскость среза штифта 100 проходит по границе между наружной поверхностью 106 поршня 108 и внутренней поверхностью 110 кольца 102. Если давление снижается после достижения положения, изображенного на фиг.8, такая конфигурация предотвратит то, чтобы поврежденные поверхности в плоскости среза препятствовали воздействию смещающей силы пружины 112 на поршень 108.
На фиг.9 изображен поршень 114 с уплотнением 116, перекрывающим сужение 118 при опускании в скважину. В паз 120 заложен элемент 122, противодействующий смещающему усилию, прилагаемому пружиной 124 к кольцу 126 крепежного штифта. Кольцо 126 не скреплено с основой 128, но имеет выступ 131, ограничивающий перемещение внутрь основы 128 при приложении давления к головке 130. Штифт 132 первоначально удерживает кольцо 126 на поршне 114. Элемент 122 предотвращает выталкивание поршня 114 из сужения 118. Это происходит за счет того, что против паза 120 находится уступ 134, переходящий в паз 136 большего диаметра. При сдвиге поршня под действием давления магниты 138 и 140 притягивают элементы 122, так чтобы совместить их с пазом 136. На фиг.10 показано положение, которое возникает при приложении и сохранении давления на головку 130. При этом происходит то, что срезной штифт 132 разрезается, и паз 120 сдвигается влево, совмещаясь с пазом 136, так что магнитная сила притягивает элементы 122, которые могут представлять собой шарики подшипника или иметь другую форму и материал, реагирующий на воздействие магнита. В представленном на фиг.10 положении снятие давления с головки 130 приведет к тому, что пружина 124 вытолкнет поршень 114 и кольцо 126 из сужения 118 на расстояние, при котором уплотнение 116 выйдет из сужения 118. Это положение показано на фиг.11 и 12, на которых в перспективе изображен поршень 114 с прямоугольной головкой 130, выполнение которой дает один из вариантов ограничения поворота головки вокруг собственной оси, необходимого для сохранения ориентации элементов 122 и магнитов 138 относительно друг друга. Следует отметить важный момент в этом варианте выполнения, заключающийся в том, что поверхность 142 среза (имеющая фактически цилиндрическую форму), по которой срезан штифт 132, не является поверхностью, по которой происходит последующее относительное перемещение при выталкивании поршня 114 из сужения 118. Наоборот, кольцо 126 перемещается вместе с поршнем 114, что устраняет любое сопротивление относительному перемещению, которое могло бы возникнуть на поверхности 142 среза, будь кольцо 126 связано с корпусом 128. Изобретение предусматривает различные пути временного закрепления поршня 114, приводящие к тому, что поверхность среза штифта или эквивалентного ему крепежного приспособления 132 не является поверхностью скольжения при выталкивании поршня 114.
На фиг.13 базовая труба 200 имеет отверстия 202, проходящие в кольцевое пространство 204, сформированное наружной рубашкой 206. Пружина 210 смещает поршень 208, но первоначально пружинное стопорное кольцо 212 удерживает его от перемещения в направлении смещения. Поршень 208 снабжен уплотнениями 214 и 216, так что под давлением, создаваемым через отверстия 202, поршень 208 может поступательно сдвинуться в направлении сжатия пружины 210. На фиг.14 представлено положение, в котором пружинное стопорное кольцо разжалось в паз 218, так что больше не взаимодействует с поршнем 208. Поток не может обходить поршень 208 и, следовательно, проходить сквозь фильтр (на этих фигурах не показан), так как в изображенном на фиг.14 положении, в котором продолжается воздействие давления через отверстия 202, уплотнения 214 и 216 по-прежнему находятся в суженной части 220, сформированной наружной рубашкой 206. Однако при снятии давления через отверстия 202 пружина 210 получает возможность сдвинуть поршень 208 в часть 222 большего диаметра наружной рубашки 206, так что поток может обходить уплотнения 214 и 216. Это открытое положение показано на фиг.15. Следует отметить, что в этом варианте выполнения изобретения один конец пружины 210 упирается в наружную рубашку 206, в то время как другой - в поршень 208.
На фиг.16 пружина 224 упирается в выступ 226, связанный с базовой трубой 228. Давление, создаваемое через отверстия 230, проталкивает поршень в направлении сжатия пружины 224. В это время разжимное крепежное кольцо 234 выскакивает в паз 236, но, пока поддерживается давление в каналах 230, поток вокруг поршня 232 не возникает. Это показано на фиг.17. При снятии давления пружина 224 проталкивает поршень 232, так что поток может обходить уплотнения 238 и 240 поршня, как это показано на фиг.18. В варианте с фиг.13-15 все происходит так же, как в варианте с фиг.16-18, за исключением места расположения опоры пружины. В варианте выполнения с фиг.16-18 имеется возможность применения более мощной пружины при таких же наружных размерах рубашки.
Настоящее изобретение дает возможность использования оборудования, для работы которого требуется подача давления, без применения промывочной колонны или внутренней колонны, и в то же время обеспечивает наличие отверстий, открываемых при необходимости для надлежащей фильтрации флюида, добываемого на данном интервале скважины. При приложении давления или в первый раз с достижением заданного уровня давления, необходимого для срабатывания срезного приспособления, или через достаточное количество циклов клапаны будут смещены для их открывания. Каждый клапан работает независимо от других, так что удается избежать возникавших в прошлом проблем, связанных с несколькими разрывными мембранами. Так как прилагаемое давление одинаково, снятие его при наличии смещающего элемента, такого как пружина, приводит к тому, что клапаны переходят в открытое состояние независимо.
Следует принять во внимание также альтернативные варианты к приведенным предпочтительным конструкциям, предназначенным для применения в выравнивающих фильтрах. Это может быть материал, например, пробки, на резьбе или другим образом закрепленной в отверстии и удаляемой при изменении скважинных условий, таких как температура или свойства скважинного флюида. Эти альтернативы отличаются несколько меньшим влиянием на процесс открывания всех отверстий преимущественно одновременно, но могут быть наилучшей альтернативой предпочтительным вариантам выполнения, в которой используются приводимые в действие за счет давления клапаны, открываемые при однократном или большем числе циклов приложения давления.
Приведенное выше описание иллюстрирует предпочтительный вариант выполнения изобретения, и специалистами в данной области могут быть внесены многочисленные изменения без выхода за объем изобретения, который должен точно и эквивалентно определяться приведенной ниже формулой изобретения.