СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ С ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫМ КАНАЛОМ, ПРОХОДЯЩИМ ЧЕРЕЗ МНОЖЕСТВО СЕКЦИЙ
WELL TOOL WITH SEALED CHANNEL EXTENDING THROUGH MULTIPLE SECTIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в целом, к разведке и добыче нефти и газа и, более конкретно, к системе и к соответствующему способу добычи углеводородов из нескольких продуктивных пластов, а также к смешиванию или к одновременному извлечению таких углеводородов, как это может потребоваться в процессе добычи. Изобретение также относится к невращающимся соединениям и к герметизированным системам камер и каналов в скважинных инструментах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Это обычная ситуация в нефте- и газодобывающей промышленности, когда необходимо обеспечивать возможность добычи углеводородов или других видов флюидов, извлекаемых из двух разных пластов с помощью одного скважинного насоса. Для этого необходимо осуществлять смешивание или соединение флюидов. Также может быть необходимо ограничивать извлечение флюидов из разных продуктивных зон. Это может следовать из прав собственности или из соответствующих нормативных положений, регулирующих добычу таких углеводородов, и других нормативно-правовых положений, которые также регулируют смешивание или соединение таких флюидов из нескольких пластов.
Поэтому может быть необходимо иметь возможность регулирования расхода добываемых флюидов при одновременной добыче этих флюидов из двух или более пластов. Для этого были разработаны различные устройства и способы регулирования потока скважинных флюидов, такие как клапаны и ограничители дебита. Однако такие способы не могут обеспечить эффективное управление смешиванием или извлечением флюидов из двух пластов, при котором осуществляется точное, воспроизводимое и регулируемое смешивание, или же не способны осуществлять этот процесс без использования дорогостоящего и громоздкого оборудования, подверженного отказам. Например, скважинный клапан может быть настроен на поверхности для обеспечения определенного расхода для двух смешиваемых скважинных флюидов. Затем клапан может быть установлен в скважине для регулирования потока флюидов. Однако в процессе добычи условия в скважине могут изменяться в результате изменений пластового давления, температуры, вязкости флюидов и т.п. В результате, может потребоваться извлечь скважинный клапан на поверхность для повторной настройки. Такая необходимая перенастройка требует материальных затрат и связана с потерями времени. В результате, каждый раз, когда клапан требует перенастройки, возникают перерывы в процессе добычи и дополнительные расходы для оператора скважины.
В других подходах использовались два отдельных комплекта труб (лифтовых колонн), проходящих параллельно в скважине для одновременной добычи углеводородов и других флюидов из двух или более разных пластов. Две лифтовые колонны, проходящие параллельно, могут быть соединены с двумя разными пластами, и в этом случае одно насосное оборудование может быть использовано для добычи флюидов из двух раздельных зон или пластов. Однако такой способ громоздок, поскольку в этом случае необходимо обеспечивать две отдельные лифтовые колонны, проходящие в одной скважине. Для одновременного использования двух лифтовых колонн скважина должна иметь достаточно большой диаметр, чтобы в ней можно было расположить сразу две колонны. Это влечет за собой дополнительные расходы на бурение скважины. Обычные инструменты не очень эффективны с коммерческой точки зрения в основном из-за их неспособности эффективного соединения источника питания с электронными датчиками и схемами, установленными в средах с регулируемым давлением. Это связано с необходимостью составления инструментов из нескольких секций и соединительных трубных секций, долговременно соединенных с помощью резьбы. Вращающиеся соединения препятствуют формированию сквозного прохода для электрических проводников, в частности, формированию сквозного прохода и соединенных между собой камер для чувствительных электронных компонентов, причем давление в проходе и в камерах должно регулироваться независимо от давления в скважине, действующего на инструмент.
Серьезную проблему для обеспечения такого регулирования представляют высокие уровни давления и температуры в зоне забоя эксплуатационной скважины, и воздействие этих условий окружающей среды на электронные компоненты вычислительных устройств.
Другой серьезной проблемой является необходимость соединения электронных схем между секциями инструмента, которые должны быть соединены между собой. Это требование препятствует применению резьбовых соединений, которые обычно используются для соединений секций трубных колонн при бурении и эксплуатации скважины.
Поэтому существует потребность в инструменте, обеспечивающем возможность управления с поверхности клапаном или ограничителем дебита для оптимального и экономически эффективного регулирования требуемого извлечения флюидов из двух разных пластов, а также потребность в скважинном клапане или регуляторе дебита, которым оператор скважины может управлять с поверхности без необходимости извлечения такого клапана или регулятора дебита с последующей установкой в скважине.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков известных технических решений и обеспечивает улучшенное управление процессом добычи углеводородов из нескольких пластов. В качестве примера в настоящем описании рассмотрен один из вариантов осуществления изобретения, который позволяет оператору скважины управлять скважинным ограничителем дебита или клапаном для регулирования потоком добываемого флюида, поступающего из нижнего пласта в поток флюида из верхнего пласта. В другом примере, рассмотренном в настоящем описании, может обеспечиваться определение соответствующего положения клапана с помощью нескольких скважинных датчиков.
Нижний конец инструмента по настоящему изобретению устанавливается на гидравлически устанавливаемом пакере, расположенном между верхней продуктивной зоной и нижней продуктивной зоной. Верхний конец инструмента присоединяется к скважинному насосу. Когда клапан закрыт, добыча ограничивается верхней зоной. Когда клапан открыт, флюид из нижней зоны будет поступать в нижнюю часть инструмента и выходить с одной стороны, где он смешивается с флюидом из верхней зоны. В настоящем изобретении расход флюида из нижней зоны может измеряться и регулироваться. Смешивание и добыча флюидов из двух пластов осуществляется с помощью предложенного инструмента, имеющего меньшие размеры по сравнению с известными техническими решениями. Настоящее изобретение может обеспечивать добычу углеводородов и других нужных флюидов из нескольких подземных пластов с использованием одного комплекта труб с клапаном, приводом которого управляет скважинное вычислительное устройство.
В свою очередь, скважинное вычислительное устройство может быть связано по проводам с поверхностью, так что оператор может получать информацию о параметрах среды в скважине от различных датчиков, расположенных на инструменте, а также направлять соответствующую управляющую информацию для осуществления дополнительных регулировок клапана. Информация о параметрах среды в скважине может включать данные о текущем расходе флюида, содержании воды, давлении, объеме, скорости изменения давления и т.п.
Таким образом, если в процессе добычи возникают различные изменения параметров внутри скважины, оператор скважины может принимать немедленные решения по изменению режимов работы оборудования. Использование настоящего изобретения позволяет устранить необходимость в извлечении клапана и соответствующего скважинного оборудования для выполнения необходимых регулировок и возвращении клапана в скважину для продолжения добычи из другого пласта в скважине, законченной в нескольких продуктивных пластах. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает возможность одновременной добычи из нескольких пластов, в результате чего устраняется необходимость в последовательной добыче из разных пластов. Указанные и другие особенности, достоинства и преимущества настоящего изобретения станут ясными специалисту в данной области техники после ознакомления с нижеприведенным подробным описанием иллюстративных вариантов осуществления изобретения вместе с прилагаемыми фигурами чертежей.
В настоящем изобретении предлагается скважинный инструмент для использования при добыче флюидов, состоящий из первой секции и второй секции, которые могут быть соединены их соответствующими соединительными концами. Одна из указанных секций имеет на соединительном конце вводимый выступ с практически круговой внешней поверхностью; По меньшей мере по части внешней поверхности проходит первая окружная канавка. Другая из указанных секций имеет на соединительном конце охватывающий выступ с практически круговой внутренней поверхностью. По части внутренней поверхности проходит вторая окружная канавка. Между первой и второй канавками формируется шпоночный паз, когда охватывающий выступ установлен с совмещением над вводимым выступом. На внешней поверхности охватывающего выступа расположена выемка для доступа, формирующую проход в шпоночный паз. Через выемку для доступа в шпоночный паз могут быть введены шпонки для предотвращения разделения первой секции и второй секции.
В другом варианте первая и вторая секции имеют полый в целом трубчатый корпус с цилиндрической стенкой. Внутри цилиндрической стенки первой секции имеется первый канал для электрических проводников, проходящий в продольном направлении. Внутри цилиндрической стенки второй секции имеется второй канал для электрических проводников, проходящий в продольном направлении. Первый и второй каналы совмещаются для формирования сквозного прохода между первой и второй секциями. В другом варианте первый и второй каналы герметизированы для поддержания атмосферного давления, когда работающий инструмент подвергается действию условий среды внутри скважины.
В другом варианте часть внутренней поверхности охватывающего выступа не имеет канавки. В другом варианте шпонки имеют криволинейную внутреннюю поверхность и криволинейную внешнюю поверхность, которые проходят примерно параллельно друг другу. Шпонки имеют противолежащие торцевые поверхности, которые не параллельны друг другу.
В другом варианте шпоночный паз удерживает от 8 до 11 шпонок.
На внешней поверхности второй секции имеется отверстие для фиксирующего элемента, которое проходит через вторую канавку. Шпонка имеет центральное отверстие с резьбой. Для фиксации шпонки в нужном положении в шпоночном пазе используется фиксирующий элемент, который может проходить через отверстие для фиксирующего элемента и может быть ввинчен в центральное отверстие шпонки.
В другом варианте между первой секцией и второй секцией расположен штифт, проходящий в продольном направлении. Штифт обеспечивает совмещение первой секции и второй секции таким образом, что первая и вторая канавки формируют шпоночный паз. Штифт препятствует повороту первой и второй секций относительно друг друга, когда вводимый выступ установлен внутри охватывающего выступа.
В другом варианте сквозь охватывающий выступ проходит отверстие с резьбой в таком месте, что оно не пересекается со второй канавкой. По внешней поверхности вводимого выступа проходит приемная канавка. В отверстие с резьбой может ввинчиваться фиксирующий элемент таким образом, что он входит в приемную канавку. Фиксирующий элемент может быть фиксирующим винтом, смещающим нагрузку между первой и второй секциями таким образом, чтобы растягивающая нагрузка, действующая между первой и второй секциями, приходилась на шпонки.
В другом варианте первая и вторая секция представляют собой по существу полые трубчатые элементы. В другом варианте длина по меньшей мере одной из указанных секций, по меньшей мере в 10 раз больше ее внешнего диаметра.
Еще в одном варианте первая и вторая секции имеют полый трубчатый корпус с цилиндрической стенкой. Внутри цилиндрической стенки первой секции имеется первый канал для электрических проводников, проходящий в продольном направлении. Внутри цилиндрической стенки второй секции имеется второй канал для электрических проводников, проходящий в продольном направлении. Первый и второй каналы совмещаются для формирования сквозного прохода между первой и второй секциями. Канал для электрических проводников проходит через часть охватывающего выступа, не имеющую канавки.
В другом варианте в месте соединения каналов обеспечивается уплотнительная втулка. Таким образом, соединения между первым и вторым каналами для электрических проводников и инструментом герметизированы для поддержания атмосферного давления внутри каналов, когда работающий инструмент подвергается действию условий среды внутри скважины. Электрические проводники внутри канала соединяют электрические компоненты в первой секции с электрическими компонентами во второй секции. В другом варианте канал для электрических проводников проходит через часть охватывающего выступа, не имеющую канавки. В другом варианте первая секция и вторая секция содержат также печатную плату с процессором и электродвигатель, электрический соединенный с печатной платой. С двигателем соединен редуктор, от которого отходит вал. С валом соединен поворотный клапан.
В другом варианте к редуктору присоединен волновой редуктор для дополнительного уменьшения скорости вращения вала и повышения вращающего момента. В другом варианте обеспечивается датчик давления. С датчиком электрически соединен преобразователь "аналог/цифра", который электрически соединен с печатной платой. В другом варианте внутри первого и второго каналов расположен сигнальный проводник. Внутри второй секции расположено устройство измерения положения, соединенное электрически с сигнальным проводником через второй канал. Устройство измерения положения может быть датчиком положения, соединенным с валом. Датчик положения электрически соединен с валом таким образом, что может быть определено положение клапана.
В другом варианте предлагается инструмент, имеющий полый трубчатый корпус с цилиндрической стенкой. Корпус состоит из множества секций, которые соединены друг с другом с помощью безрезьбовых линейных соединительных систем. Внутри цилиндрических стенок соседних секций расположены каналы для электрических проводников, проходящие в продольном направлении. В каналах для электрических проводников в местах соединения соседних секций установлены уплотнительные элементы. Внутри секций инструмента находится печатная плата с вычислительным устройством, электродвигатель, соединенный электрически с печатной плато 1, редуктор, соединенный с двигателем, и вал, отходящий от редуктора.
Инструмент имеет впускное отверстие на одном конце для поступления в инструмент флюида, добываемого из нижней зоны. В цилиндрической стенке трубчатого корпуса обеспечивается выпускное отверстие. С валом соединен поворотный клапан, имеющий пропускное отверстие. Клапан может поворачиваться регулируемым образом между открытым положением, в котором пропускное отверстие совмещается с выпускным отверстием, и флюид внутри инструмента может протекать через выпускное отверстие, и закрытым положением, в котором пропускное отверстие не совмещено с выпускным отверстием, и поток через выпускное отверстие прекращается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного и всестороннего понимания настоящего изобретения и его достоинств ниже приводится подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
Фигура 1 - вид продольного сечения скважинного инструмента в соответствии с настоящим изобретением, который выполнен в форме инструмента для смешивания флюидов из разных пластов.
Фигура 2 - вид продольного сечения верхнего переходника смешивающего инструмента фигуры 1.
Фигура 3 - вид поперечного сечения безрезьбовой невращающейся шпоночной соединительной системы по настоящему изобретения, как показано на инструменте фигуры 1, для невращающегося соединения секций инструмента.
Фигура 4 - вид в перспективе шпонки, используемой в шпоночной соединительной системе фигуры 3.
Фигура 5 - вид сбоку продольного сечения одного из вариантов шпоночной соединительной системы по настоящему изобретению.
Фигуры 6 и 7 - виды продольных сечений секции вычислительного устройства смешивающего инструмента фигуры 1, причем на фигуре 7 инструмент показан повернутым на 90 градусов относительно положения, показанного на фигуре 6.
Фигуры 8 и 9 - виды продольных сечений секции клапана смешивающего инструмента фигуры 1, причем на фигуре 9 инструмент показан повернутым на 90 градусов относительно положения, показанного на фигуре 8.
Фигура 10 - вид продольного сечения секции датчиков смешивающего инструмента фигуры 1.
Фигура 11 - вид сбоку продольного сечения соединения секции датчиков с секцией клапана инструмента, на котором иллюстрируется герметизированное соединение каналов для электрических проводов.
Фигура 12 - вид сбоку продольного сечения камеры преобразователя аналог/цифра секции датчиков инструмента.
Фигура 13 - вид сбоку продольного сечения камеры датчика обсадной колонны секции датчиков инструмента.
Фигура 14 - вид сбоку продольного сечения камеры датчика лифтовой колонны секции датчиков инструмента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеприведенное описание дает возможность любому специалисту в данной области осуществить и использовать изобретение и раскрывает конкретное применение и его требования. Специалисту в данной области техники будут понятны различные модификации описанных вариантов осуществления изобретения, и основные принципы, раскрытые в описании, могут быть применены и в других вариантах и в других областях применения без выхода за пределы сущности и объема изобретения. Таким образом, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами, и ему должен быть предоставлен самый широкий объем охраны в соответствии с принципами и признаками, раскрытыми в настоящем описании. Указание "по существу", как оно используется в настоящем описании, должно пониматься как "приближенно". На фигуре 1 представлен вид продольного сечения скважинного инструмента 10 для использования при добыче флюидов в соответствии с настоящим изобретением, который выполнен в форме инструмента для смешивания флюидов из разных пластов. Инструмент 10 может состоять из нескольких секций. В рассматриваемом варианте инструмент 10 содержит верхний переходник 100, секцию 200 вычислительного устройства, узел 300 клапана и узел 400 датчиков.
Названия секций и узлов даны лишь для удобства описания и не претендуют на полноту описания, требований или ограничений содержания каждой секции инструмента 10. Следует понимать, что начала и концы секций могут быть расположены таким образом, чтобы можно осуществлять установку или демонтаж некоторого оборудования. Также следует понимать, что принципы настоящего изобретения могут быть применены не только к смесителю, но и к другим скважинным инструментам.
Верхний переходник 100 может быть соединен с секцией 200 вычислительного устройства с использованием безрезьбовой невращающейся соединительной системы 500. Соединительная система 500 может быть описана как линейное шпоночное соединение. Предшествующее использование таких соединительных систем 500 для соединения трубных секций в эксплуатационных скважинах неизвестно. Секция 200 вычислительного устройства соединена с узлом 300 клапана с помощью шпоночной соединительной системы 500. Аналогичным образом, шпоночная соединительная система 500 используется для соединения узла 300 клапана с узлом 400 датчиков.
На фигуре 2 представлен вид продольного сечения верхнего переходника 100 инструмента 10, показанного на фигуре 1. Верхний переходник 100 представляет собой трубчатую секцию, имеющую резьбовое соединение 102 ниппеля для соединения с компонентом 20 лифтовой колонны, таким как скважинный насос. Внутри верхнего переходника 100 по его центральной оси проходит сквозной канал 104.
В секции 200 вычислительного устройства расположен электрический разъем 230, который уплотнен изолирующей втулкой 232 относительно сквозного канала 104 верхнего переходника 100. Таким образом, электрические проводники могут проходить между внутренним пространством секции 200 вычислительного устройства и верхним переходником 100 для подсоединения к источнику электропитания, такому как электрический скважинный насос, не подвергаясь действию условий среды и загрязнений за изолирующей втулкой 232.
Нижний конец верхнего переходника 100 имеет вводимый выступ 110 соединителя, имеющий круговую внешнюю поверхность. По круговой внешней поверхности вводимого выступа 110 соединителя проходит по окружности первая канавка 112. В одном из вариантов первая канавка 112 не проходит по всей окружности внешней поверхности вводимого выступа 110 соединителя.
Секция 200 вычислительного устройства имеет охватывающий выступ 210 соединителя с кольцевой внутренней поверхностью, охватывающей вводимый выступ 110 соединителя верхнего переходника 100. По части внутренней поверхности охватывающего выступа соединителя проходит вторая канавка 212. В предпочтительном варианте вторая канавка 212 не проходит по всей окружности внутренней поверхности охватывающего выступа 210 соединителя.
В рассматриваемом варианте верхний переходник 100 имеет одно или несколько отверстий 120, каждое из которых предназначено для введения в него части штифта 570. Секция 200 вычислительного устройства имеет одно или несколько отверстий 220, каждое из которых предназначено для введения противолежащей части штифта 570. Штифт 570 служит для выравнивания верхнего переходника 100 с секцией 200 вычислительного устройства, так чтобы обеспечивалось совмещение первой 112 и второй 212 канавок. При совмещении первой 112 и второй 212 канавок формируется шпоночный паз 516.
На фигуре 3 представлен вид поперечного сечения безрезьбовой невращающейся шпоночной соединительной системы, которая подходит для использования в инструменте 10. Как лучше всего видно на этом сечении, вводимый выступ 510 соединителя имеет круговую внешнюю поверхность. По части круговой внешней поверхности вводимого выступа 510 соединителя проходит по окружности первая канавка 512. В других вариантах первая канавка 512 не проходит по всей окружности внешней поверхности вводимого выступа 510 соединителя, в результате чего остается часть 514, не имеющая такой канавки.
Охватывающий выступ 520 соединителя имеет круговую внутреннюю поверхность, охватывающую вводимый выступ 510 соединителя. По части внутренней поверхности охватывающего выступа 520 соединителя проходит вторая канавка 522. Вторая канавка 522 не проходит по всей окружности внутренней поверхности охватывающего выступа 520 соединителя. Таким образом, остается часть 524 без канавки. Через часть 524 без канавки охватывающего выступа 520 соединителя проходит канал 590 для электрических проводников.
На фигуре 4 представлен вид в перспективе шпонки 540, используемой в соединительной системе 500 по настоящему изобретению, как показано на фигуре 8. Как показано на фигуре 4, шпонка 540 может иметь проходящее через нее отверстие 542 с резьбой. Шпонка 540 имеет криволинейную внешнюю поверхность 546 и криволинейную внутреннюю поверхность 544.
Шпонка 540 имеет криволинейную поверхность 544 для взаимодействия со скольжением с внешней канавкой 512 вводимого выступа 510. Шпонка 540 имеет криволинейную поверхность 546 для взаимодействия со скольжением с внутренней канавкой 522 охватывающего выступа 520. Внешняя поверхность 546 и внутренняя поверхность 544 параллельны. Шпонка 540 имеет две противолежащие торцевые поверхности 548 и 550. В предпочтительном варианте торцевые поверхности 548 и 550 не параллельны. Как показано на фигуре 5, в вводимом выступе 510 и в охватывающем выступе 520 соединителя имеются сопрягаемые отверстия 568 для штифтов. Когда вводимый выступ 510 соединителя находится внутри охватывающего выступа 520 соединителя, штифты 570 находятся в отверстиях 568 для обеспечения совмещения, так что первая канавка 512 и вторая канавка 522 совмещаются, формируя шпоночный паз 516.
Как можно видеть на фигуре 3, на поверхности охватывающего выступа 520 соединителя имеется первая выемка 532 доступа для обеспечения прохода к шпоночному пазу 516. Шпонки 540 могут быть вставлены через выемку 532 доступа в шпоночный паз 516 с возможностью скольжения в нем. Дополнительно может обеспечиваться вторая выемка 534 доступа (необязательный признак). Вторая выемка 534 доступа позволяет ввести инструмент для выталкивания шпонок 540 через первую выемку 532 доступа для разборки инструмента 10.
В охватывающем выступе 520 соединителя имеется отверстие 528 для введения фиксирующего элемента 530. Одна или несколько шпонок 540 имеют отверстие 542 с резьбой для ввинчивания в него фиксирующего элемента 530. Соединение фиксирующего элемента 530 со шпонкой 540 фиксирует ее в определенном положении внутри шпоночного паза 516. Таким образом, вводимый выступ 510 соединителя первой секции инструмента 10 и охватывающий выступ 520 соединителя второй секции инструмента 10 будут зафиксированы в соединенном положении без использования обычных резьбовых соединительных средств. Штифты 570 препятствуют повороту вводимого выступа 510 соединителя первой секции инструмента 10 относительно охватывающего выступа 520 соединителя второй секции инструмента 10. Шпонки 540 препятствуют разделению вводимого выступа 510 соединителя первой секции инструмента 10 и охватывающего выступа 520 соединителя второй секции инструмента 10.
На другой стороне от части 524, которая не имеет канавки, может быть выполнено второе отверстие 530 для фиксирующего элемента 530. Расположение второго отверстия 530 для фиксирующего элемента обеспечивает формирование упора, обеспечивающего возможность удерживания всех шпонок 540 прижатыми друг к другу. В других вариантах в качестве упора для вводимых шпонок 540 может использоваться часть 514 и/или часть 524 без канавки.
На фигуре 5 представлен вид сбоку продольного сечения одного из вариантов конструкции шпоночной соединительной системы 500, в которой используется один вставляемый выступ 510 для соединения с охватывающими частями 520А и 520 В соседних трубчатых секций инструмента 10. Как показано на фигуре 5, для уплотнения между вставляемым выступом 510 и охватывающими частями 520А и 520 В используются уплотнительные элементы 562, расположенные в канавках 560. Также, как можно видеть, между охватывающими частями 520А и 520В, а также между вводимым выступом 510 и охватывающим выступом 520 в совмещенных отверстиях 568 могут быть установлены штифты 570. На вводимом выступе 510 имеются приемные канавки 584 для введения фиксирующих винтов 582, ввинчиваемых в отверстия 580 (см. пример на фигуре 9) в охватывающих частях 520А и 520В.
На фигурах 6 и 7 представлены виды продольных сечений секции 200 вычислительного устройства инструмента 10. Как показано на фигуре 3, секция 200 вычислительного устройства соединена с узлом 300 клапана с помощью шпоночной соединительной системы 500. В рассматриваемом варианте секция 200 вычислительного устройства и узел 300 клапана соединяются между собой над вставкой 280 редуктора. Вставка 280 редуктора является вводимой частью для каждой шпоночной соединительной системы 500, с которой соединяются секция 200 вычислительного устройства и узел 300 клапана. Как показано на фигуре 6, сквозь охватывающий выступ соединителя секции 200 вычислительного устройства проходит отверстие 580 с резьбой. Вводимая часть соединителя вставка 280 редуктора, имеет приемную канавку 584 (см. фигуру 5) для введения кончика фиксирующего винта 582, ввинчиваемого в отверстие 580 с резьбой. Другое отверстие 580 с резьбой находится в охватывающем выступе соединителя узла 300 клапана над вводимой частью вставки 280 редуктора для введения фиксирующего винта 582 во вторую приемную канавку 584 на вводимой части вставки 280. В других вариантах вместо приемной канавки 584 может использоваться высверленное углубление. На фигуре 7 показан инструмент 10, повернутый на 90 градусов относительно положения, показанного на фигуре 6. Секция 200 вычислительного устройства имеет камеру 240, в которой расположена печатная плата 242. Печатная плата 242 представляет собой вычислительное устройство, процессор или другое электронное устройство для управления инструментом 10.
Печатная плата 242 электрически соединена с разъемом 280 с помощью электрических проводников (не показаны). Для уплотнения разъема 230, обеспечивающего поддержание атмосферного давления в камере 240 для защиты печатной платы 242, используется уплотнительная втулка 232. В нижней части камеры 240 имеется канал 244 для электрических проводников. Также от камеры 240 отходит продольный канал 250 для электрических проводников. Канал 250 расположен возле внешней поверхности трубчатой секции 200 вычислительного устройства и проходит примерно параллельно центральной оси секции 200.
Внутри секции 200 вычислительного устройства размещен двигатель 260. Двигатель 260 соединяется электрически с печатной платой 242 через канал 244 для электрических проводников. Между печатной платой 242 и двигателем 260 может быть установлен электрический разъем 246. Электрический разъем 246 может быть уплотнен относительно секции 200 вычислительного устройства для по С двигателем 260 соединен редуктор 262. Редуктор 262 преобразует скорость вращения двигателя 260 во вращающий момент. К редуктору 262 может быть присоединен волновой редуктор 264 для дополнительного преобразования скорости вращения двигателя 260 во вращающий момент. Возле внешней поверхности трубчатой секции 300 клапана расположен канал 350 для электрических проводников. Канал 350 совмещен с каналом 250 для Уплотнительная втулка 290 обеспечивает герметизацию соединения канала 250 с каналом 350. На фигурах 8 и 9 представлены виды продольных сечений секции 300 клапана инструмента 10. На фигуре 9 показан инструмент 10, повернутый на 90 градусов относительно положения, показанного на фигуре 8. На фигуре 8 показано, что с волновым редуктором 264 соединен вал 362. Другой конец вала 362 соединен с поворотным клапаном 370. Вращающийся клапан 370 имеет пропускное отверстие 372. Клапан 370 может поворачиваться относительно неподвижного корпуса 380 клапана, в котором имеется отверстие 382. Узел 300 клапана имеет выпускное отверстие 306, соединяющее внешнее пространство вокруг инструмента 10 с внутренним пространством узла 300 клапана, когда клапан 370 открыт. Клапан 370 открывается путем совмещения пропускного отверстия 372 с выпускным отверстием 306 и отверстием 382 корпуса. Над валом 362 расположен датчик 360 положения. Датчик 360 положения соединен электрически с печатной платой 242 через каналы 350 и 250 для электрических проводников. Датчик 360 положения содержит чувствительное устройство, используемое для определения положения вала 362 и, соответственно, положения клапана 370. Датчик 360 положения передает информацию о положении вала 362 по электрическим проводникам в печатную плату 242.
Для управления степенью открытия клапана 370, а также открытием и закрытием клапана 370 может использоваться вычислительное устройство или процессор на печатной плате 242. Достоинством настоящего изобретения является возможность открытия клапана 370 в любой нужной степени. Таким образом, инструмент 10 может осуществлять плавное регулирование расхода флюида, поступающего из нижнего пласта, который смешивается с флюидом, поступающим из верхнего пласта.
На фигуре 10 представлен вид продольного сечения секции 400 датчиков инструмента 10. Секция 400 датчиков соединена с секцией 300 клапана с помощью шпоночной соединительной системы 500. Возле внешней поверхности трубчатой секции 400 датчиков расположен канал 450 для электрических проводников. Канал 450 совмещен с каналом 350 для
На фигуре 11 представлен вид сбоку продольного сечения соединения секции 300 клапана с секцией 400 датчиков, на котором иллюстрируется герметизированное соединение каналов 350 и 450 для электрических проводников. В рассматриваемом варианте на конце каждого канала 350 и 450 обеспечивается расточенная часть 352 под уплотнительную втулку. В расточенных частях 352 установлена уплотнительная втулка 390. Уплотнительная втулка 390 имеет канавки 394 на каждом конце, в которые устанавливаются уплотнительные кольца 396 втулки. Эти уплотнительные кольца 396 втулки 390 обеспечивают герметизацию соединения каналов 350 и 450, через которые проходят электрические проводники. В результате, условия среды внутри канала 450 для электрических проводников будут такими же, что и в камере 240.
На фигуре 12 представлен вид сбоку продольного сечения камеры преобразователя «аналог/цифра» секции 400 датчиков инструмента 10. Внутри камеры 462 расположена печатная плата 460 преобразователя «аналог/цифра». Камера 462 снабжена крышкой 464, которая загерметизирована уплотнительным элементом 468, что обеспечивает защиту камеры 462 от действия условий среды. Для соединения канала 450 с камерой 462 с печатной платой датчиков, расположенной под крышкой 464, предназначен канал 466 для электрических проводников (см. фигуру 10).
На фигуре 13 представлен вид сбоку продольного сечения камеры 472 датчика обсадной колонны секции 400 датчика инструмента 10. Внутри камеры 472 расположен датчик 470 обсадной колонны, который сообщается с кольцевым пространством между обсадной эксплуатационной колонной и инструментом 10. В таком положении датчик 470 обсадной колонны может измерять условия среды, такие как давление потока флюида продуктивной зоны за пределами инструмента 10. Камера 472 снабжена крышкой 474, которая загерметизирована уплотнительным элементом 478, что обеспечивает защиту камеры 472 от действия условий среды. Камера 470 соединяется электрически с камерой 462 по каналу 476, обеспечивающему проход для электрических проводов, соединяющих датчик 470 обсадной колонны с печатной платой 460 преобразователя «аналог-цифра».
На фигуре 14 представлен вид сбоку продольного сечения камеры 442 датчика лифтовой колонны секции 400 датчиков инструмента 10. Внутри камеры 442 расположен датчик 440 лифтовой колонны, который сообщается с кольцевым пространством между лифтовой колонной и инструментом 10. В таком положении датчик 440 лифтовой колонны может измерять условия среды, такие как давление потока флюида продуктивной зоны внутри инструмента 10. Камера 442 снабжена крышкой 444, которая загерметизирована уплотнительным элементом 448, что обеспечивает защиту камеры 442 от действия условий среды. Камера 440 соединяется электрически с камерой 462 по каналу 446, обеспечивающему проход для электрических проводов, соединяющих датчик 440 лифтовой колонны с печатной платой 460 преобразователя «аналог-цифра». Как уже указывалось, уникальные и обладающие новизной признаки инструмента 10 обеспечивают полезную возможность соединения электронных устройств, расположенных в отдельных секциях инструмента, непрерывными соединительными проводами без использования открытых штепсельных разъемов. Кроме того, уникальные и обладающие новизной признаки инструмента 10 обеспечивают полезную возможность поддержания атмосферного давления внутри инструмента, в то время как в скважине могут быть очень высокие давления.
РАБОТА
Указания частей секций, такие как «верхний» и «нижний», или «вычислительное устройство», «клапан» или «датчику», даны лишь для удобства описания и не претендуют на полноту описания, требований или ограничений содержания каждой секции инструмента 10. Известно, что начала и концы секций могут быть по-разному расположены для установки или демонтажа некоторого оборудования. Также следует понимать, что принципы настоящего изобретения могут быть применены не только к смесителю, но и к другим скважинным инструментам.
Одним из уникальных признаков настоящего изобретения является безрезьбовая не вращающаяся соединительная система, используемая для соединения соседних секций 200, 300 и 400. Соединительная система 500 может быть описана как линейное шпоночное соединение. Предшествующее использование таких соединительных систем 500 для соединения трубных секций в скважинах неизвестно. Секция 200 вычислительного устройства соединена с узлом 300 клапана с помощью шпоночной соединительной системы 500. Аналогичным образом, узел 300 клапана соединен с узлом 400 датчиков с помощью шпоночной соединительной системы 500.
Как показано на фигуре 2, верхний переходник 100 представляет собой трубчатую секцию, имеющую резьбовой соединительный ниппель 102 для соединения с компонентом 20 лифтовой колонны, таким как скважинный насос. Внутри верхнего переходника 100 по его центральной оси проходит сквозной канал 104. Для работы скважинного насоса на него подается электропитание. Силовые провода от скважинного насоса соединяются с электрическим разъемом 230 в верхнем переходнике 100 инструмента 10. Электрический разъем 230 расположен сквозном канале 104 верхнего переходника 100, который уплотнен уплотнительной втулкой 232.
Втулка 232 герметизирует камеру 240 в секции 200 вычислительного устройства, защищая ее от давления среды на другой стороне этой втулки. Шпоночная соединительная система 500 уже была подробно описана, и ниже будут указаны и описаны более подробно только некоторые ее особенности. Как уже указывалось, соседние секции инструмента 10 могут быть соединены с помощью вводимого выступа 510 и охватывающего выступа 520. Также могут использоваться соединенные в торец охватывающие части 520А и 520 В над внутренним вводимым выступом 510, как показано на фигуре 5.
Для совмещения внутренних канавок 512 и внешних канавок 516 для формирования шпоночных пазов 516 используются штифты 570. Штифты 570 также предотвращают вращение секций инструмента 10 относительно друг друга.
Как показано на фигуре 3, шпонки 540 должны вдвигаться в выемку 532 доступа. Слишком большие или слишком малые шпонки 540 нежелательны, поскольку их трудно вставлять, на что может тратиться много времени, и, кроме того, прочность корпуса может быть недостаточна для используемого фиксирующего элемента 530 или для выдерживания растягивающих нагрузок, действующих на секции инструмента 10. Предпочтительное число шпонок, необходимое для обеспечения разумного компромисса между доступом к шпонкам и их функционированием, находится в диапазоне от примерно 8 до примерно 11, хотя вполне может использоваться и другое число шпонок. Фиксирующие винты 582 расположены отверстиях 580 с резьбой и входят в приемные канавки 584 для аксиального смещения нагрузки между соединяемыми секциями инструмента 10, такими как секция 200 вычислительного устройства и вставка 280 редуктора, так чтобы основные растягивающие нагрузки между соединяемыми секциями инструмента 10 приходились на шпонки 540.
Как показано на фигуре 5, для уплотнения между вставляемым выступом 510 и охватывающими частями 520А и 520 В могут использоваться уплотнительные элементы 562, установленные в канавки 560. Штифты 570, фиксирующие винты 582, входящие в приемные канавки 584, и уплотнения 562 могут использоваться вместе с системой шпонок 540 в шпоночных пазах 516 для формирования более надежной линейной невращающейся шпоночной соединительной системы 500. Специалистам в данной области техники будет ясно, что отдельные компоненты такой системы могут быть модифицированы или заменены без выхода за пределы сущности и объема изобретения. Например, приемные канавки могут быть заменены просверленными углублениями или вообще могут не использоваться.
Главное достоинство использования шпоночной соединительной системы 500 заключается в том, что она обеспечивает в инструменте 10 проходы (250, 350, 450) для электрических проводников и камеры (240, 442, 462, 472), соединенные вспомогательными проходами (446, 466, 476), в которых можно регулировать параметры среды. При использовании шпоночной соединительной системы 500 между несколькими секциями (например, 200, 300, 400) может быть сформирована система (600) соединенных между собой камер и проходов. В частности, обеспечение проходов малого диаметра, таких как проходы 250, 350 и 450, для электрических проводников в цилиндрической части стенок трубчатого корпуса секции скважинного инструмента является необычным и перспективным. Как показано на фигуре 3, через часть 524, не имеющую канавки, охватывающего выступа 520 соединителя шпоночной соединительной системы 500 проходит в поперечном направлении канал 590 для электрических проводников. Как можно видеть на фигуре 11, в отверстия 352 вводится уплотнение, такое как уплотнительная втулка 390. Уплотнительная втулка 390 обеспечивает герметизированное соединение между каналами (например, 250 и 350, или 350 и 450) для электрических проводников соседних секций 200, 300 и 400. В результате, обеспечивается герметизированная система 600 соединенных между собой камер и каналов, защищенная от действия условий среды в скважине.
Как показано на фигуре 7, печатная плата 242 получает электропитание от электрического разъема 230 в верхнем переходнике 100 (см. фигуру 2). Источником электропитания является скважинный насос. Печатная плата 242 может обмениваться данными с поверхностью через проводники, подсоединенные к электрическому разъему 230. Разъем 230 может обеспечивать четыре соединительных проводника и может включать пятый проводник для "земли". Могут обеспечиваться и другие проводники. Как уже указывалось печатная плата 242 может содержать вычислительное устройство или процессор для управления работой инструмента 10.
Печатная плата 242 обеспечивает передачу электропитания через проводники, проходящие через вспомогательный канал 244, на разъем 246, который уплотнен относительно корпуса секции 200 вычислительного устройства для поддержания герметичности системы 600 камер и каналов. Электрический разъем 246 обеспечивает соединение для передачи электропитания на двигатель 260, поворачивающий клапан 370. Редуктор 262 преобразует скорость вращения двигателя 260 во вращающий момент. К редуктору 262 может быть подсоединен волновой редуктор 264 для дополнительного преобразования скорости вращения двигателя 260 во вращающий момент, передаваемый с помощью вала 362 для вращения клапана 370. С печатной платой 242 через каналы 350 и 250 для электрических проводников соединен электрически датчик 360 положения. Датчик 360 определяет положение вала 362 и, соответственно, положение клапана 370 и передает эту информацию в печатную плату 242.
Нижний конец инструмента 10 соединен с пакером, установленным между верхней и нижней продуктивными зонами. Инструмент 10 имеет возле своего нижнего конца впускное отверстие 402, через которое флюид из нижней продуктивной зоны поступает во внутреннее пространство 404 секции 400 датчиков. Датчик 440 лифтовой колонны измеряет давление и температуру флюида, поступающего из нижней зоны, внутри инструмента 10 и передает эти данные в печатную плату 460 преобразователя "аналог/цифра". Датчик 470 обсадной колонны измеряет давление и температуру флюида, поступающего из нижней зоны, снаружи инструмента 10 и передает эти данные в печатную плату 460 преобразователя "аналог/цифра". Преобразователь "аналог/цифра" печатной платы 460 преобразует аналоговые сигналы, получаемые от датчиков, и направляет данные в печатную плату 242, которая передает их на поверхность. Через цилиндрическую стенку секции 400 датчиков, примыкающую к клапану 370, проходит выпускное отверстие 306. Клапан 370 имеет пропускное отверстие 372. В соответствии с командами, поступающими с поверхности в печатную плату 242, клапан 370 может регулируемым образом поворачиваться между открытым положением, в котором пропускное отверстие 372 совмещается с выпускным отверстием 306, так что флюид из нижней зоны может выходить из инструмента 10 через выпускное отверстие 306. Таким образом, флюид из нижней зоны, выходящий через выпускное отверстие 306, будет смешиваться с флюидом из верхней зоны, и смесь подается на поверхность скважинным насосом.
Когда клапан 370 поворачивается в закрытое положение, пропускное отверстие 372 уже не будет больше совмещаться с выпускным отверстием 306, и клапан 370 будет перекрывать поток флюида из нижней продуктивной зоны через выпускное отверстие 306. В предпочтительном варианте клапан 370 может устанавливаться в любом положении совмещения пропускного отверстия 372 с выпускным отверстием 306 для плавного регулирования расхода флюида из нижней зоны, который смешивается с флюидом из верхней зоны.
Для регулирования степени открытия и закрытия клапана 370 может использоваться вычислительное устройство или процессор на печатной плате 242, работа которого задается командами, поступающими с поверхности, или алгоритмом, обеспечивающим обработку данных, поступающих из датчиков 440, 470, или других входных сигналов. Достоинством настоящего изобретения является возможность открытия клапана 370 в любой нужной степени. Таким образом, обеспечивается инструмент 10, который может осуществлять плавное регулирование расхода флюида, поступающего из нижнего пласта, который смешивается с флюидом, поступающим из верхнего пласта.
Как уже указывалось, уникальные и обладающие новизной признаки инструмента 10 обеспечивают полезную возможность соединения электронных устройств, расположенных в отдельных секциях инструмента, непрерывными соединительными проводами без использования открытых штепсельных разъемов. Кроме того, уникальные и обладающие новизной признаки инструмента 10 обеспечивают полезную возможность поддержания атмосферного давления внутри всех секций инструмента 10, в то время как в скважине могут быть очень высокие давления.
Следует понимать, что вышеописанные варианты, являющиеся иллюстрациями настоящего изобретения, никоим образом не ограничивают его объем, и в настоящем описании предполагаются различные модификации и замены, а также использование некоторых признаков изобретения без соответствующего использования других признаков. Специалисты в данной области техники после ознакомления с вышеприведенным описанием предпочтительных вариантов могут предложить самые разные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации или варианты, которые находятся в пределах его объема.