КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО ГАРИПОВА ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН
VALVE FACILITY OF GARIPOV FOR WELL OPERATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для управления работой скважин путем изменения режима ее работы.
Известен клапан для эксплуатации скважины, включающий полый корпус с пропускными каналами и уплотнениями, в котором установлены шток с затворным элементом, жестко связанный с упругим элементом, и узел зарядки /RU 2043483 С1, 6 Е21В 34/06, опубл. 1995.09.10/. Клапан снабжен дополнительными затворными элементами, размещенными последовательно вдоль продольной оси корпуса и связанными стержнями между собой, герметичными перегородками и фиксатором штока. Эффективность работы скважины повышается за счет увеличения пропускного сечения клапана при ограниченном его диаметре.
Известно скважинное автоматическое клапанное устройство, содержащее расходомер и манометр для учета совершаемой полезной работы, а исполнительный механизм его выполнен в виде золотникового переключателя /SU 1645465 А1, 5 Е21В 34/06, опубл. 30.04.1991/. Расходомер и манометр служат для регулирования и контроля технологических процессов, осуществляемых в скважине с помощью устройства, обеспечивающего повышение эффективности работы путем периодического последовательного сообщения внутритрубного пространства с затрубным пространством.
Недостатком известных газлифтных клапанов, различных регуляторов является то, что все они имеют один режим регулирования, настроенный на устье скважины или в лаборатории перед их установкой в скважину, например, на определенное значение критического давления, или на определенный перепад давления, или на определенный расход. Во всех используемых глубинных клапанах для переключения режимов используются различного рода запорные механизмы, работающие и изменяющие режим работы клапана от давления /расхода жидкости/ газа, при этом основным движущим элементом запорного механизма является пружина, или сильфон, или поршень, настроенные на определенные термобарические скважинные и физико-химические условия, например на давления, расходы, направления движения флюида. Под действием сильфона, или пружины, или поршня в клапане перекрывается пропускной канал, или регулируется зазор в пропускном канале. При этом поддерживается один режим, настроенный на устье скважины, и нет возможности периодически или хаотично во времени производить автоматически закрытие или открытие или переключение на другие режимы открытия или закрытия пропускного отверстия на ½ или ¼ от его диаметра. Кроме того, невозможно работать с этими клапанами при регулировании в реальном времени действием запорных механизмов в различных режимах, например дистанционно, при передаче электрического сигнала постоянного или переменного тока.
Таким образом, не обеспечивается возможность изменения настроенного режима работы скважины без осуществления подъема данного устройства из скважины на устье. Кроме того, не решена проблема регулирования режима работы клапана во времени, например периодическом включении/отключении его работы при заданном реле времени.
Известно устройство для регулирования термобарических условий в скважине, включающее корпус с клапаном, закрепленный на колонне насосно-компрессорных труб и выполненный в виде цилиндра с двумя рядами радиальных каналов и уплотнениями на внешней поверхности, седла в нижней части с проходным каналом, соединяющим межтрубное пространство с внутренней полостью насосно-компрессорных труб, и золотника для вхождения в седло /RU 2188309 С2, 7 Е21В 43/12, 43/30, 34/06, опубл. 2002.08.27/. Клапан снабжен штоком, соединенным с золотником резьбой, для перемещения его в вертикальной плоскости, шестерней, установленной в верхней части штока с возможностью ее вращения при помощи реверсивного электродвигателя, установленного в корпусе и включающего шестерню на выходном валу для вхождения ее в зацепление с шестерней штока. Повышение надежности работы скважины обеспечивается путем возможности оперативного изменения термобарических условий в скважине при помощи устройства, управляемого с поверхности.
Недостатком известного клапана является то, что очень сложно при регулировании добиться необходимого режима работы клапана, требуется длительный во времени подбор режима открытия/закрытия пропускных каналов. Практически невозможна настройка клапана в режимах поддержания постоянного расхода или перепада давления в пропускных каналах клапана.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности и надежности управления режимом работы скважины в режиме реального времени дистанционно или автономно.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении оперативности работы клапанного устройства за счет управления режимом ее работы путем использования мотора, установленного в клапанном устройстве с возможностью передачи возвратно-поступательного или вращательно-поворотного момента движения на исполнительный механизм, который управляет работой затворного элемента, перекрывающего входные и выходные перепускные каналы/отверстия клапанного устройства, работающего либо автономно, при использовании автономного питания, либо через кабель.
Указанный технический результат достигается тем, что клапанное устройство для эксплуатации скважин содержит полый корпус с одним или несколькими перепускными каналами, в котором установлен исполнительный механизм, связанный, по меньшей мере, с одним затворным элементом. Новым является то, что клапанное устройство дополнительно снабжено мотором, установленным с возможностью взаимодействия с исполнительным механизмом, который может быть выполнен в виде камеры сильфона или пружины. В качестве мотора использован электродвигатель. Кроме того, клапанное устройство может быть выполнено в съемном исполнении, при этом указанный корпус расположен между хвостовиком и захватной головкой, а мотор установлен в корпусе, и/или в хвостовике, и/или в захватной головке. Затворный элемент выполнен в виде плунжерной пары, или в виде шарика или штока, или сферы и полусферы. Мотор связан с реле времени и/или с частотным преобразователем и может иметь источник автономного электропитания и/или канал для электропитания и для связи и дистанционного управления. В клапанном устройстве установлен, по меньшей мере, один обратный клапан или затворное или отсекающее устройство. Клапанное устройство установлено, по меньшей мере, в одном посадочном узле внутри скважины, выполненном в виде скважинной камеры.
Использование мотора совместно с исполнительным механизмом позволит автоматически подрегулировать работу затворного элемента, перекрывающего перепускные каналы для регулирования размеров каналов фильтрации.
При дополнительном оснащении мотора программно-управляемым модулем, включающим, например, реле времени, можно задавать определенный режим его работы и управление режимом работы во времени.
Если дополнительно подвести канал питания и обратной связи к мотору, установленному в клапане, то уже можно дистанционно во времени, в зависимости от текущих, меняющихся условий работы скважины, с поверхности управлять режимом работы исполнительного механизма за счет передачи на них возвратно-поступательного или крутящего момента. При этом, меняя рабочие параметры исполнительного механизма, который управляет работой затворного элемента, можно в режиме реального времени дополнительно задавать несколько режимов регулирования диаметров перепускных каналов в зависимости от расхода, давления или перепада давления протекающей через него скважинной жидкости (пластового флюида).
Основным движущим элементом затворного элемента в клапанном устройстве в предлагаемом изобретении является наряду с исполнительным механизмом мотор, который может напрямую или косвенно воздействовать на регулирование режима движения скважинной жидкости (пластового флюида) через клапанное устройство. Мотор может при работе в ходе вращательных и поступательных движений воздействовать непосредственно на исполнительный механизм, например, выполненный в виде камеры сильфона или пружины (например, увеличивая или ослабляя его усилие на затворный элемент), или его части, перемещая непосредственно затворный элемент, например поршень, шток или ограничивающие их элементы, либо может воздействовать на камеру сильфона или на напряжение пружины, приводящие в работу затворный элемент, настроенные на перепад давления или расход пластового флюида. Например, при включении мотора крутящий момент от его вала ротора или от вала редуктора может быть передан на затворный элемент посредством резьбового соединения со штоком или стержнем, при этом шток/стержень в процессе закручивания или откручивания приводит к осевым перемещениям цилиндра/плунжера со сквозными штуцированными отверстиями относительно гильзы. При этом происходит в клапанном устройстве настройка на необходимый диаметр пропускного сечения фильтрационного канала. Питание мотора осуществляется автономно от аккумуляторов или батареек либо посредством передачи тока с устья скважины через кабель.
Включение и выключение, а также режим работы моторчика программируется, например, через реле времени, установленное либо непосредственно в корпусе клапанного устройства, либо наземном блоке на устье скважины. Реле времени применяют обычно при периодическом режиме работы добывающей скважины, а при закачке применяют реле времени для включения и отключения или регулирования закачки нагнетательной скважины в случае периодической неравномерной работы группы влияющих добывающих скважин, для осуществления компенсации объемов отборов флюида объемами закачки.
Частотным преобразователем или редуктором регулируют крутящий момент моторчика, т.е. скорость его вращения, длительность срабатывания затворного механизма.
Клапанное устройство может иметь стационарное исполнение, при котором оно устанавливается внутри или снаружи НКТ. При стационарном исполнении мотор установлен внутри корпуса. Мотор связан с исполнительным механизмом любым известным способом.
В случае, если клапанное устройство выполнено съемным, то оно устанавливается на посадочные узлы/карманы с использованием канатной техники, например, соосно внутри НКТ или эксцентрично, например, внутри кармана скважинных камер. При этом клапанное устройство обычно включает наряду с корпусом дополнительно захватную головку, за которую поднимают или спускают клапанное устройство в скважину с использованием канатного (цангозахватного) инструмента. Для облегчения спуска клапанного устройства, а также для фиксации и удержания его в посадочном узле, его дополнительно оснащают хвостовиком, содержащим фиксирующие элементы, например цангу.
В зависимости от исполнения клапанного устройства и от конфигурации исполнительного механизма мотор может устанавливаться в любом месте клапанного устройства, например в корпусе, в хвостовике или в захватной головке. А при выполнении исполнительного механизма в виде камеры сильфона - внутри ее. Клапанное устройство имеет, по меньшей мере, один кабельный ввод для заделки кабеля.
Клапанное устройство поясняется чертежами, где на 1-4 приведено клапанное устройство с исполнительным механизмом в виде камеры сильфона, на фиг.5-6 - клапанное устройство с исполнительным механизмом в виде подпружиненной плунжерной пары. На чертежах мотор, источник автономного питания и реле времени показаны схематично в виде блоков.
В преимущественном, съемном исполнении, клапанное устройство содержит полый корпус 1, установленный между захватной головкой 2 и хвостовиком 3. В корпусе 1 и хвостовике 3 выполнены перепускные каналы (отверстия) 4, 5. В корпусе 1 клапанного устройства расположен исполнительный механизм, выполненный в виде пружины 6 (фиг.5, 6) или камеры сильфона 7 (фиг.1-4). Исполнительный механизм связан, по меньшей мере, с одним затворным элементом, выполненным, например, в виде полусферы/конуса 8 с выдвижным штоком 9 и стержнем 10 или в виде плунжерной пары 11 (плунжер) и гильзы 12, 13, с дополнительным отсекающим устройством - обратным клапаном в виде шара 14 (фиг.5, 6). В корпусе 1 расположен с возможностью взаимодействия с исполнительным механизмом мотор 15. В качестве мотора 15 использован электродвигатель либо с редуктором 16, либо реверсивный. С внешней стороны корпуса 1 расположены уплотнительные манжеты 17. Мотор 15 может быть взаимосвязан и с затворным элементом.
На фиг.1-2 выдвижной шток 9 закреплен жестко к исполнительному механизму, выполненному в виде камеры сильфона 7, при этом мотор 15 находится в камере сильфона 7. Выдвижение штока 9 происходит при растягивании и удлинении камеры сильфона 7.
На фиг.3 выдвижной шток 9 вкручивается вовнутрь или выкручивается из камеры сильфона 7, при этом на осевое выдвижение-перемещение стержня 10 одновременно влияют стационарное внутреннее давление камеры сильфона 7 и возвратно-поступательные или вращательно-поворотные движения штока 9, взаимосвязанного с валом ротора мотора 15.
На фиг.5-6 вращательно-поворотные движения вала ротора мотора 15 или вала редуктора 16 напрямую передаются на стержень 9, вращение которого приводит к осевым перемещениям плунжера 11 относительно гильз 12 и 13. Обратное движение отсекается шаром 14, устанавливающимся при обратном токе жидкости в узле герметизации 18.
Мотор 15 может быть связан с программно-управляемым модулем, в состав которого может входить реле времени 19. Мотор 15 может иметь источник автономного электропитания 21, например, в виде батарейки или аккумулятора или может быть соединен с кабелем 20 (фиг.2). Для осуществления связи с мотором 15 может быть использован либо кабель 20, либо, для дистанционного управления, любой известный канал связи. Мотор 15 может быть связан с частотным преобразователем (не показан).
Клапанное устройство работает следующим образом.
Клапанное устройство устанавливают над или под насосом, в трубном или в затрубном пространстве, выше или ниже уровня в зависимости от необходимости решения тех или иных поставленных задач регулирования, например высоты уровня жидкости в затрубном пространстве или давления, перепада давления или расхода перепускаемой скважинной жидкости (пластового флюида) из затрубного пространства в трубное или из внутреннего трубного пространства НКТ в затрубное пространство скважины.
Мотор 15, например, посредством редуктора 16 передает свой вращательный момент на исполнительный механизм, например, в виде пружины 6, которая воздействует на перемещение штока 6 или плунжера 13. Шток 6 или плунжер 13, перемещаясь вдоль корпуса 1, перекрывает полностью или частично штуцера 21, 22, 23, 24 и, соответственно, входные или выходные перепускные каналы (отверстия) 4, 5, тем самым регулируя движение через них потока скважинной жидкости (пластового флюида).
Программное обеспечение с реле времени позволяет более тонко регулировать режимы работы скважины, регулирование можно осуществлять по давлению и расходу или перепаду давления. Дистанционное управление позволяет производить регулирование в режиме реального времени.
Таким образом, предлагаемое клапанное устройство обеспечивает расширение его функциональных возможностей, повышение эффективности и надежности при исследовании и/или эксплуатации как одного, так и нескольких пластов нагнетательный, насосной, фонтанной или газлифтной скважины.