ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ И УРАВНОВЕШИВАНИЕМ ДАВЛЕНИЯ В НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ ТРУБЕ
SAFETY VALVE WITH ELECTRIC ACTUATOR AND PRESSURE BALANCE IN TUBING

Данное изобретение относится, в общем, к оборудованию, используемому для работ, выполняемых в подземных скважинах, и в одном примере, описанном ниже, в частности - к предохранительному клапану с электрическим исполнительным механизмом и уравновешиванием давления в насосно-компрессорной трубе.
Исполнительные механизмы используют в скважинных инструментах различных типов.
К сожалению, текучие среды в скважинах могут повреждать исполнительные механизмы скважинного инструмента или мешать их работе. Поэтому постоянно требуются улучшения в технике изоляции исполнительных механизмов скважинного инструмента от скважинных текучих сред и в приведении в действие скважинных инструментов.
В данном изобретении созданы системы и способы, дающие улучшения в технике изоляции исполнительных механизмов скважинного инструмента от скважинных текучих сред и в приведении в действие скважинных инструментов. Ниже описан один пример, в котором исполнительный механизм, находящийся под воздействием диэлектрической текучей среды, изолирован от внутреннего канала потока. Также ниже описан другой пример, в котором различные датчики можно использовать для управления приведением в действие скважинного инструмента.
В одном аспекте данным изобретением создан скважинный инструмент для использования в подземной скважине. В одном примере скважинный инструмент может включать в себя канал потока, проходящий продольно через скважинный инструмент, внутреннюю камеру, содержащую диэлектрическую текучую среду, и путь потока, который меняет направление. Путь потока обеспечивает гидравлическую связь между внутренней камерой и каналом потока.
В другом аспекте создан способ управления работой скважинного инструмента, который может включать в себя приведение в действие исполнительного механизма, установленного во внутренней камере скважинного инструмента, причем диэлектрическая текучая среда размещена в камере и давление в камере уравновешивается с давлением в канале потока, проходящем продольно через скважинный инструмент; и изменение работы исполнительного механизма на основе измерений, выполняемых, по меньшей мере, одним датчиком скважинного инструмента.
В еще одном аспекте создан предохранительный клапан для использования в подземной скважине, описанный ниже. В одном примере предохранительный клапан может включать в себя канал потока, проходящий продольно через предохранительный клапан, внутреннюю камеру, содержащую диэлектрическую текучую среду, путь потока, который меняет направление и который создает гидравлическую связь между внутренней камерой и каналом потока, исполнительный механизм, находящийся под воздействием диэлектрической текучей среды, рабочий элемент и запорный элемент, имеющий открытое и закрытое положения, в которых запорный элемент соответственно обеспечивает и предотвращает проход потока через канал потока. Исполнительный механизм смещает рабочий элемент, что обуславливает смещение запорного элемента между его открытым и закрытым положениями.
Данные и другие признаки, преимущества и выгоды должны быть ясны специалисту в данной области техники после тщательного изучения подробного описания представленных вариантов осуществления изобретения в данном документе и прилагаемых чертежах, на которых аналогичные элементы на разных фигурах показаны одинаковыми позициями.
На чертежах изображено:
На фиг.1 показана часть сечения скважинной системы и соответствующий способ осуществления принципов данного изобретения.
На фиг.2A-D показаны с увеличением продольные сечения скважинного инструмента, осуществляющего принципы данного изобретения, который можно использовать в скважинной системе и способе фиг.1.
На фиг.3A-C показаны продольные сечения скважинного инструмента.
На фиг.4 показано поперечное сечение скважинного инструмента по линии 4-4 Фиг.2A.
На фиг.5 показано поперечное сечение скважинного инструмента по линии 5-5 фиг.3A.
На фиг.6 показано поперечное сечение скважинного инструмента по линии 6-6 фиг.3C.
На фиг.7A-9B дополнительно показаны сечения скважинного инструмента.
На фиг.10 показано с увеличением сечение узла плавающего поршня скважинного инструмента.
На фиг.11A-C показаны сечения другого примера скважинного инструмента.
На фиг.1 показана система 10 и соответствующий способ, осуществляющие принципы данного изобретения. Вместе с тем система 10 и способ являются только одним примером практического применения принципов данного изобретения, и должно быть понятно, что данные принципы не ограничены какими-либо конкретными деталями системы 10 и способом, описанными в данном документе или показанными на чертежах.
В примере фиг.1 трубная колонна 12 установлена в стволе 14 скважины с креплением обсадной колонной 18 и цементом 16. Скважинная текучая среда 20 (в данном случае добываемая из пласта 22 породы, пройденной стволом 14 скважины) входит в трубную колонну 12 через устройство 24 регулирования расхода (такое как золотниковый клапан, регулирующий давление штуцер и т.д.). Пакер 26 изолирует кольцевое пространство 28, образованное радиально между трубной колонной 12 и стволом 14 скважины.
Скважинный инструмент 30 селективно обеспечивает и предотвращает подачу текучей среды 20 через продольный канал 32 потока, выполненный проходящим через скважинный инструмент и значительную остальную часть трубной колонны 12. В данном примере скважинный инструмент 30 содержит предохранительный клапан. Вместе с тем в других примерах скважинный инструмент 30 может представлять собой регулятор расхода (такой как устройство 24 регулирования расхода) или скважинный инструмент другого типа (такой как пакер 26, инструмент нагнетания химреагента, сепаратор и т.д.).
Скважинный инструмент 30, показанный на фиг.1, включает в себя запорный элемент 34, электронный блок 36 и исполнительный механизм 38. Исполнительный механизм 38 используют для перемещения запорного элемента 34 в открытое и закрытое положения и между ними, при этом подача текучей среды 20 соответственно обеспечивается и предотвращается.
Запорный элемент 34 в одном примере, описанном ниже, содержит дроссельную заслонку, поворачивающуюся в шарнире относительно канала 32 потока между открытым и закрытым положениями. В других примерах запорный элемент 34 может вместо этого являться шаром, шибером, муфтой или запорным элементом другого типа. Несколько запорных элементов или запорные элементы из нескольких деталей можно использовать, если требуется.
Электронный блок 36 в примере, описанном ниже, содержит гибридизированную цепь, в которой полупроводниковые кристаллы интегральной схемы (ИС) установлены на монтажной плате с небольшим уплотнением или без уплотнения, окружающего кристаллы ИС. Указанное значительно уменьшает объем, требуемый для электронного блока 36, что обеспечивает уменьшение толщины стенки скважинного инструмента 30. Вместе с тем можно использовать электронные блоки других типов, если требуется.
Исполнительный механизм 38 в примере, описанном ниже, представляет собой электрический исполнительный механизм, такой как шаговый электродвигатель постоянного тока. Одним преимуществом такого двигателя является то, что крутящий момент и/или усилие на выходе двигателя можно легко регулировать и положение рабочих элементов, смещаемых исполнительным механизмом 38, можно легко определять с помощью мониторинга числа шаговых импульсов, передаваемых на двигатель. Вместе с тем электрические исполнительные механизмы других типов и исполнительные механизмы других типов можно использовать в объеме данного изобретения.
Одна или несколько линий 40 проходят от скважинного инструмента 30 на удаленную площадку (например, на земную поверхность, буровую установку, подводную площадку и т.д.). Линии 40 могут включать в себя один или несколько электрических проводников для передачи электропитания на электронный блок 36, передачи команд, данных и т.д. на скважинный инструмент 30, приема данных и т.д. со скважинного инструмента и т.д. Линии 40 могут включать в себя оптические волноводы (такие как оптические волокна, ленты и т.д.), гидравлические трубы и/или другие типы линий, если требуется.
В примере, описанном ниже, линии 40 проходят внутри трубы (например, трубы типа, известного специалисту в данной области техники, как линия управления). Труба защищает линии 40 во время установки трубной колонны 12 в стволе 14 скважины и после этого. Вместе с тем использование трубы не является обязательным для соответствия принципам данного изобретения.
Система 42 управления расположена на удаленной площадке и подключена к линиям 40. Система 42 управления может включать в себя вычислительное устройство 44 и дисплей 46 вместе с подходящим запоминающим устройством, программным обеспечением, агрегатным обеспечением, связью (например, через интернет, спутниковый, через телефонные линии и т.д.), процессором (процессорами) и т.д. для передачи данных и управления работой скважинного инструмента 30. Альтернативно, система 42 управления может являться простым переключателем для подключения источника электропитания или отключения источника электропитания скважинного инструмента 30.
Применяемое, если необходимо, телеметрическое устройство 48 включается в состав системы 10 для транслирования команд, данных и т.д. между скважинным инструментом 30 и системой 42 управления на удаленной площадке. Например, акустическую, электромагнитную, по импульсам давления, из комбинации передачи короткими и длинными скачками телеметрию или телеметрию любого другого типа можно использовать. Проводную или беспроводную телеметрию или их комбинации можно использовать.
Текучую среду 20 получают из пласта 22 через трубную колонну 12, специалисты в данной области техники называют такую трубную колонну колонной насосно-компрессорных труб. Трубная колонна 12 может являться составной из звеньев или непрерывной.
Вместе с тем должно быть понятно, что трубная колонна 12 необязательно должна являться эксплуатационной колонной насосно-компрессорных труб, или текучую среду 20 необязательно должны получать из пласта 22 через трубную колонну. В других примерах скважинные инструменты, реализующие принципы данного изобретения, можно использовать в операциях нагнетания. Скважинные инструменты, реализующие принципы данного изобретения, необязательно соединяются между собой в трубной колонне.
На фиг.2A-10 показаны различные продольные и поперечные сечения примера скважинного инструмента 30. Скважинный инструмент 30 фиг.2A-10 можно использовать в системе 10 и способе фиг.1, или скважинный инструмент можно использовать в других системах и способах.
На фиг.2A-D показано продольное сечение по линии 2-2 фиг.4. Здесь можно видеть, что скважинный инструмент 30 включает в себя, в общем, проходящий продольно путь 50 потока.
Одна секция 50a пути 50 потока показана на фиг.2A-D. Вместе с тем в данном примере имеется фактически четырнадцать секций 50a-n (см. фиг.4) разнесенных друг от друга по периметру в боковой стенке 52 инструмента 30.
Конечно, любое число и/или расположение секций путей потока можно использовать в других примерах, реализующих принципы данного изобретения. Например, секции 50a-n путей потока могут являться спиральными и/или иметь поперечное расположение.
На фиг.2A-10 в примере секции 50a-n расположены так, что они меняют направления на непрерывном пути 50 потока. Путь 50 потока создает гидравлическую связь между каналом 32 потока, проходящим через трубную колонну 12, и внутренней, в общем проходящей продольно камерой 62 (см. фиг.4).
Исполнительный механизм 38 расположен в камере 52. Диэлектрическая текучая среда 54 (например, силиконовая жидкость и т.д.) окружает исполнительный механизм 38 в камере 62. Текучая среда 54 также заполняет значительную часть пути 50 потока.
Узел 56 с плавающим поршнем (см. фиг.9A и 10) изолирует диэлектрическую текучую среду 54 от скважинной текучей среды 20, которая входит в путь 50 потока через отверстие 58. Узел 56 обеспечивает уравновешивание давления (например, по существу до равных уровней) между каналом 32 потока и камерой 62 через путь 50 потока, без какого-либо смешивания текучих сред 20, 54.
Таким способом камера 62 изолируется от скважинной текучей среды 20 (которая может мешать работе исполнительного механизма 38, электронного блока 36 и т.д.), но от боковой стенки 52 не требуется выдерживать большой перепад давления между камерой 62 и каналом 32 потока. Следовательно, боковую стенку 52 можно сделать тоньше вследствие уравновешивания давления между камерой 62 и каналом 32 потока.
Отмечаем, что узел 56 с плавающим поршнем размещен с возможностью возвратно-поступательного перемещения с герметичным уплотнением в радиально увеличенной секции 50o пути 50 потока. Указанное создает узлу 56 с плавающим поршнем вытеснение большего объема на единицу линейного смещения, что обеспечивает увеличенное расширение диэлектрической текучей среды 54 с увеличением температуры и обеспечивает увеличенный диапазон передачи давления (хотя, если диэлектрическая текучая среда 54 является, по существу, несжимаемой, весьма незначительное изменение объема должны прогнозировать от давления в обычной среде в забойной зоне скважины). Клапан стравливания давления или другое устройство 68 стравливания давления оборудуют в узле 56 с плавающим поршнем для стравливания избыточного давления в пути 50 потока, например, при увеличении температуры.
Камера 62 является одной из нескольких камер 60, 62, 64, 66, гидравлически сообщающихся с путем 50 потока. Электронный блок 36 располагается в камере 66 (см. фиг.8A и В).
В общем, трубный кожух 70 образует корпус 72, в котором содержится электронный блок 36, изолированный от текучей среды 54 в камере 66. Кожух 70 в данном примере имеет работающую под давлением сварную конструкцию. Вместе с тем, если электронный блок 36 может выдерживать давление в камере 66 (по существу, одинаковое с давлением в канале 32 потока), то кожух 70 можно не использовать или, по меньшей мере, к кожуху можно не применять требований выдерживать высокий перепад давления.
Верхний и нижний манифольды 72, 74 обеспечивают гидравлическое сообщение между секциями 50a-o путей потока и камерами 60, 62, 64, 66. На фиг.5 показано поперечное сечение верхнего манифольда 72, и на фиг.6 показано поперечное сечение нижнего манифольда 74 по линиям 5-5 и 6-6 фиг.3A и C соответственно.
Поочередно противоположные концы смежных секций 50a-o путей потока гидравлически сообщаются друг с другом благодаря манифольдам 72, 74. В дополнение, электрические проводники и/или оптические волноводы могут проходить через отверстия в манифольдах 72, 74 (см. фиг.5).
Например, как показано на фиг.2A, линии 40 могут проходить через верхний манифольд 72 в проходной разъем 76 в камере 60. Разъем 76 изолирует камеру 60 от трубы 78, проходящей снаружи скважинного инструмента 30. Труба 78 (и линии 40 в ней) могут проходить, например, в другой скважинный инструмент (такой как другой предохранительный клапан, телеметрическое устройство 48 и т.д.), удаленную площадку, систему 42 управления и т.д.
В других примерах проходной разъем 76 можно не использовать, и труба 78 может гидравлически сообщаться с путем 50 потока и камерами 60, 62, 64, 66. Таким способом диэлектрическую текучую среду 54 (или другую текучую среду, такую как текучая среда химической обработки и т.д.) можно инжектировать в путь 50 потока и камеры 60, 62, 64, 66 с удаленной площадки по трубе 78.
Например, после установки скважинного инструмента 30 в скважине диэлектрическую текучую среду 54 можно перекачивать по трубе 78 с удаленной площадки в путь 50 потока и камеры 60, 62, 64, 66. Можно прикладывать достаточное давление для обеспечения открытия устройства 68 стравливания давления, что обеспечивает перекачку текучей среды в канал 32 потока из секции 50o пути потока.
Указанное должно обеспечивать заполнение пути 50 потока и камер 60, 62, 64, 66 диэлектрической текучей средой 54. Указанное должно также обеспечивать перекачку текучей среды химической обработки (такой как ингибитор коррозии, выпадения осадка и т.д.) в канал 32 потока по трубе 78, пути 50 потока и стравливающему клапану 68.
Различные датчики можно включать в состав скважинного инструмента 30. Данные датчики могут являться полезными для мониторинга скважинных параметров, мониторинга работы скважинного инструмента, управления работой скважинного инструмента и т.д.
В примере фиг.2A-10 датчик 80 давления и/или температуры расположен в верхнем манифольде 72 (см. фиг.5). Датчик 82 положения измеряет положение рабочего элемента 84 (см. фиг.2B-D), который смещается исполнительным механизмом 38 против отклоняющей силы, прикладываемой отклоняющим устройством 86, для открытия или закрытия запорного элемента 34.
Магниты 104 несет вал 90. Положение магнитов 104 измеряет датчик 82 положения, при этом обеспечивается измерение положения рабочего элемента 84.
Отмечаем, что датчик 82 положения необязательно является магнитным датчиком положения. Датчик 82 положения может вместо этого являться измерительным датчиком линейного перемещения, акустическим дальномером, оптическим датчиком или датчиком положения любого другого типа.
Датчик 88 усилия (см. фиг.3A) измеряет усилие на выходе исполнительного механизма 38. Как указано выше, исполнительный механизм 38 в данном примере содержит шаговый электродвигатель. Крутящий момент на выходе, потребление тока, число шаговых импульсов и/или любой другой параметр можно измерять датчиком 88, другим датчиком или любой комбинацией датчиков.
Двигатель (с помощью подходящего редуктора, муфты сцепления, тормозов и т.д., не показано на фиг.3A и В) перемещает вал 90 вверх или вниз (как показано на чертежах). Поршень 92 уплотняющего стержня 92 перемещается валом 90. Поршень 92 уплотняющего стержня изолирует диэлектрическую текучую среду 54 в камере 62 от скважинной текучей среды 20 в канале 32 потока.
Отмечаем, что, поскольку давление в камере 62 и канале 32 потока, по существу, одинаковое, от уплотнений 96 на поршне 92 не требуется работа с большим перепадом давления. Тем не менее, в данном примере поверхности 94 уплотнения с контактом металла с металлом созданы на каждом конце смещения поршня для дополнительного улучшения уплотнения.
Альтернативным устройством передачи давления может являться гофрированная трубка 98, показанная в примере фиг.11A-C. Другой альтернативой может являться диафрагма или мембрана. Устройство передачи давления любого типа, которое может изолировать камеру 62 от канала 32 потока при передаче усилия от исполнительного механизма 38 на рабочий элемент 84, можно использовать.
Рабочий элемент 84 может смещаться в любое положение с помощью исполнительного механизма 38 в любое время. Например, рабочий элемент 84 может смещаться в положение, в котором запорный элемент 34 полностью закрыт, положение, в котором запорный элемент полностью открыт, положение, в котором клапан 100 уравновешивания давления (см. фиг.2Г) открывается, и т.д.
При приведении в действие скважинного инструмента 30 с переходом из его открытой в закрытую конфигурацию исполнительный механизм 38 может смещать рабочий элемент 84 в его положение уравновешивания давления (при этом открывая клапан 100 уравновешивания давления), останавливать в положении уравновешивания давления (например, с использованием тормоза исполнительного механизма) и затем продолжать смещение к открытому положению (в котором запорный элемент 34 полностью открыт). Рабочий элемент 84 может оставаться стоящим в положении уравновешивания давления до индикации датчиком 80 прекращения увеличения давления в канале 32 потока над запорным элементом 34 до истечения некоторого периода времени, до индикации датчиком перепада давления (не показан), что давление на запорном элементе 34 уравновешено и т.д.
Измерения, выполняемые датчиком 88, можно также использовать для управления работой скважинного инструмента 30. Например, усилие и/или крутящий момент на выходе, создаваемый исполнительным механизмом 38, можно ограничивать заданным максимальным уровнем. В некоторых примерах такой заданный максимальный уровень может изменять, если требуется, систему 42 управления.
В других примерах силу и/или крутящий момент, потребление тока и т.д. исполнительного механизма 38 можно оптимизировать для наиболее производительной и/или эффективной работы скважинного инструмента 30. Например, усилие на выходе исполнительного механизма 38 можно ограничить для перемещения рабочего элемента 84 из закрытого положения в положение уравновешивания давления, затем увеличить до более высокого уровня, когда рабочий элемент начинает открывать запорный элемент 34, и затем уменьшить после поворота запорного элемента на достаточный угол. Если большее усилие требуется для смещения рабочего элемента 84 в любой из данных ситуаций (или в любых других ситуациях), тревогу, тревожный сигнал и т.д. можно передавать оператору с помощью системы 42 управления (например, через дисплей 46).
Должно быть ясно, что значительные улучшения в технике обеспечиваются следованием принципам, изложенным в данном изобретении. В примере, описанном выше, электрические соединения (например, проходной разъем 76, соединения на датчике 82 положения, датчике 88, исполнительном механизме 38 и т.д.), кожух 70 сварной конструкции внутрискважинного электронного блока, датчик 82 положения и электрический исполнительный механизм 38 установлены внутри заполненной диэлектрической текучей средой 54 камеры 60, 62, 64, 66. Все заполненные диэлектрической текучей средой 54 камеры 60, 62, 64, 66 находятся под давлением, уравновешенным с давлением в канале 32 потока, с использованием пути 50 потока, который меняет направление несколько раз.
Показанная конфигурация содержит только один электрический исполнительный механизм, один кожух сварной конструкции внутрискважинного электронного блока и один датчик положения. Вместе с тем любое число данных элементов можно использовать, если требуется.
Имеется семь изменений направления заполненных диэлектрической текучей средой, работающих под действием силы тяжести секций пути потока в форме буквы "U" (всего четырнадцать секций) для отделения текучей среды добычи от диэлектрической текучей среды в показанной конфигурации. Вместе с тем любое требуемое число секций путей потока можно использовать.
Окна прохода, используемые для прохода диэлектрической текучей среды уравновешивания давления, можно также использовать для прокладки электрических проводников или линий другого типа из камеры в камеру. Данные окна могут уплотняться с помощью статических двойных кольцевых уплотнений круглого сечения (на которых всегда, по существу, нет перепада давления).
Если требуется, данные окна можно выполнять с помощью лазерной сварки вместо уплотнения кольцами круглого сечения. Вместе с тем устройство уравновешивания давления в других примерах может включать в себя камеру, где диэлектрическая текучая среда отделена от скважинных текучих сред с помощью гофрированной трубки или изолирующих устройств других типов.
Большую магнитную соединительную муфту не используют в показанной конфигурации. Вместе с тем магнитную соединительную муфту можно использовать согласно принципам данного изобретения.
Обычно основным фактором, ограничивающим габариты предохранительного клапана, является толщина стенки, требуемая для исполнительного механизма. Требуемая толщина стенки может быть значительно меньше в показанном конструктивном решении, поскольку электрический исполнительный механизм может быть меньше, чем в обычных конструктивных решениях.
Электрическому исполнительному механизму для показанной конфигурации нет необходимости быть таким же мощным или крупным, как обычные электрические исполнительные механизмы предохранительных клапанов. Исполнительный механизм в показанной конфигурации должен только являться достаточно прочным для выдерживания силы отклонения устройства 86 и трения. Поскольку отсутствует перепад давления на каких-либо уплотнениях, трение должно быть минимальным.
Обычный поршень 92 штока с непроницаемыми уплотнениями 96 используют в показанном примере предохранительного клапана. Отмечаем, что несколько уплотнений поршня штока (или даже гофрированные трубки, диафрагму и т.д.) можно использовать на месте непроницаемых уплотнений, поскольку предпочтительно, по существу, отсутствует перепад давления на уплотнениях.
Еще раз, все уплотнения в конструкции должны предпочтительно иметь небольшой перепад давления на них или не иметь его совсем. Отсутствие перепада давления должно приравниваться к весьма незначительной протечке или ее отсутствию на уплотнениях в течение длительного времени.
Конструктивное исполнение электронного блока из гибридных микромодулей, длинного и с малым наружным диаметром, используют в показанном примере предохранительного клапана. Данное конструктивное исполнение схемы из гибридных микромодулей обеспечивает значительное уменьшение габаритов. Долговечность при высоких температурах также увеличивается.
В других примерах можно использовать схему из гибридных микромодулей, выдерживающую высокое давление и поэтому не требующую кожуха высокого давления. Указанное может дополнительно уменьшать стоимость изготовления скважинного инструмента.
В показанном примере не требуется сварки каких-либо корпусных компонентов, которые испытывают значительное натяжение при работе. При этом увеличивается структурная целостность скважинного инструмента, а также снижаются затраты.
Признак уравновешивания давления в насосно-компрессорной трубе интегрирован в показанный пример предохранительного клапана. Указанное также может давать в результате значительное снижение стоимости. Вместе с тем в других примерах признак уравновешивания давления в насосно-компрессорной трубе можно обеспечивать с помощью отдельного компонента, соединенного с заполненной диэлектрической текучей средой камерой.
Показанный пример предохранительного клапана также предусматривает добавление внутрискважинного электронного прибора измерения давления и/или температуры как части предохранительного клапана. Такой прибор измерения давления и/или температуры можно устанавливать в одной из камер уравновешивания давления, в которых поддерживается давление в канале потока. Данный внутрискважинный измерительный прибор может передавать информацию по давлению и температуре на удаленную площадку по той же линии, что используется для управления работой предохранительного клапана.
Полное резервирование системы можно обеспечить, по меньшей мере, тремя путями вследствие, по меньшей мере, частично уменьшенной стоимости примера предохранительного клапана, описанного выше:
а. Можно установить несколько предохранительных клапанов. Вспомогательный клапан может быть зафиксирован или временно застопорен в открытом положении. Вспомогательный клапан может приводиться в действие (например, с помощью рейса инструмента на каротажном кабеле), когда основной предохранительный клапан отказывает.
б. Несколько предохранительных клапанов могут все время находиться в работе. Если любой из предохранительных клапанов отказывает, его можно застопорить в открытом положении.
в. Предохранительный клапан может включать в себя несколько исполнительных механизмов, несколько линий управления и несколько комплектов электронных блоков. В показанной конфигурации число изменений путей потока можно уменьшить, если несколько исполнительных механизмов и т.д. должны входить в стенку тех же размеров предохранительного клапана. Если озабоченность вызывает загрязнение диэлектрической текучей среды, можно увеличить число трубок в форме буквы "U" или можно использовать взамен систему уравновешивания давления с металлическими гофрированными трубками и т.д.
В показанной конфигурации использован новый, обнаруживающий изменение магнитного поля датчик положения Honeywell. Когда небольшой магнитный узел, который несет вал 90, перемещается, датчик положения Honeywell точно сообщает данные положения. Данный полупроводниковый датчик не имеет движущихся частей внутри кожуха, работающего под давлением, и является более надежным, чем датчик потенциометрического типа. Вместе с тем датчик положения потенциометрического или другого типа можно использовать, если требуется.
Возможны опасения, что скважинные текучие среды могут постепенно достигать рабочей камеры, если путь потока открыт в канал потока (например, если узел 56 с плавающим поршнем не используется). Вместе с тем несколько меняющих направление секций 50a-o путей потока должны быть эффективными для предотвращения миграции скважинной текучей среды 20 в камеры 60, 62, 64, 66.
Узел 56 с плавающим поршнем образует физический барьер между скважинными текучими средами и диэлектрической текучей средой, предотвращая смешивание текучих сред. Плавающий поршень может перемещаться в направлении внутрь и наружу с изменениями в давлении, но его перемещение внутрь может быть ограничено сжимаемостью диэлектрической текучей среды и его перемещение наружу может ограничиваться способностью к расширению диэлектрической текучей среды.
Базовой комбинацией, описанной выше, является камера, заполненная диэлектрической текучей средой, с одним концом пути потока, соединенным с камерой, и другим концом пути потока, сообщающимся с каналом потока. Хотя данный признак интегрального уравновешивания давления в основном описан для предохранительного клапана с электрическим управлением, его можно потенциально использовать с другими скважинными инструментами, такими как скользящие муфты, клапаны нагнетания химреагентов, сепараторы и т.д.
Показанная электрическая система предохранительного клапана может включать в себя электрический исполнительный механизм с внутрискважинным электронным блоком, внутрискважинное телеметрическое устройство (передатчик и/или приемник) и систему управления на удаленной площадке (такой как буровая установка на поверхности, подводное сооружение и т.д.).
Датчик положения может передавать данные относительного положения рабочего элемента от исходного (или полностью закрытого положения) до конечного (или полностью открытого положения) в электронный блок. Электронный блок передает данную информацию в телеметрическое устройство. Телеметрическое устройство затем транслирует данные положения в систему управления. В некоторых примерах оператор на удаленной площадке может видеть положение рабочего элемента.
Система управления может отображать момент, когда предохранительный клапан должен полностью открываться, например после заданного числа шагов, выполненных электродвигателем. Данная индикация системы управления на компьютерном дисплее может являться независимой от датчика положения, так что выход из строя датчика положения не влияет на выполнение функций открытия/закрытия предохранительного клапана.
Система управления может отображать момент, когда клапан находится в закрытом положении, когда работает компьютерная программа системы управления. Предохранительный клапан должен предпочтительно автоматически закрываться, если система управления выключается, питание на предохранительный клапан не подается, или компьютер, используемый для выполнения компьютерной программы, отказывает.
В другом примере предохранительный клапан может входить в состояние удержания, если система управления отказывает или выключается, вместо автоматического закрытия предохранительного клапана. Причиной выхода из строя или выключения может являться проблема эксплуатации системы, не требующая закрытия скважины.
Датчик 88 усилия периодически передает данные измеренного усилия на выходе исполнительного механизма в систему управления. Указанные измерения усилия могут содержать вторичную индикацию работы предохранительного клапана, которую можно использовать в варианте отказа датчика 82 положения.
Если предохранительный клапан относится к типу с самоуравновешиванием (например, содержит клапан 100 уравновешивания давления), электронный блок или система управления могут заранее программироваться на смещение рабочего элемента только в положение уравновешивания давления и затем включения тормоза до передачи оператором команды в систему управления на продолжение открытия предохранительного клапана до полностью открытого положения.
Данные температуры, давления, вибрации и т.д. электронного блока могут передаваться периодически в систему управления. Например, данная информация может отображаться после закрытия предохранительного клапана. Температура, давление, вибрация и т.д. могут также отображаться и/или записываться в режиме реального времени.
Данные давления и температуры в трубной колонне 12 (например, измерения датчика 80) могут передаваться периодически в систему 42 управления (например, когда предохранительный клапан открыт, или после закрытия клапана, и/или в режиме реального времени). Указанное можно выполнять с помощью интегрального скважинного прибора измерения давления и/или температуры или других выделенных датчиков.
Если усилие на исполнительном механизме или усилие, требуемое для открытия дроссельной заслонки, превосходит заданный предел, указывая, что давление на дроссельной заслонке не уравновешено, электронный блок может автоматически дать команду закрыть предохранительный клапан (например, создавая реверс направления действия исполнительного механизма), и данные превышения усилия могут передаваться в систему управления.
Оператор может затем установить более высокий предел данного усилия, если требуется. Вместе с тем шаговый электродвигатель должен наверняка вибрировать и не открывать предохранительный клапан, если достигнут максимальный крутящий момент двигателя. В данных обстоятельствах оператор может увеличить в насосно-компрессорной трубе давление для уравновешивания давления над дроссельной заслонкой с давлением ниже дроссельной заслонки.
Предпочтительно, периодически передают данные тока и напряжения, подаваемых на муфту сцепления, тормоз и шаговый электродвигатель, в систему управления.
Крутящий момент на выходе шагового электродвигателя можно увеличивать с помощью уменьшения частоты электрических шаговых импульсов, передаваемых на двигатель. Время открытия предохранительного клапана можно оптимизировать, увеличивая частоту импульсов в начале смещения, когда выходное усилие на отклоняющем устройстве является самым низким, и уменьшая частоту в конце смещения, когда усилие пружины является самым высоким.
Данную функциональность можно улучшить с помощью мониторинга датчиком усилия на выходе. Если датчик усилия указывает на увеличенное усилие, частоту шаговых импульсов можно уменьшить.
Для оптимизации потребления электроэнергии предохранительный клапан может иметь систему, управляемую по требованию, при этом осуществляется непрерывный мониторинг и поддержание мощности в узком диапазоне. Предохранительный клапан должен, очевидно, иметь оптимальную мощность при выполнении своей функции. Данная оптимальная мощность является достаточной для управления клапаном, излишки мощности являются минимальными. При этом можно использовать электрические компоненты уменьшенных габаритов, и происходит уменьшенный нагрев во внутрискважинных электронных блоках, исполнительном механизме и т.д.
В одном примере, если давление в канале 32 потока ниже или выше заданного предела, клапан должен автоматически закрываться. Предупреждение с заданным пределом времени корректировки может отображаться системой 42 управления перед данным событием, так что клапан не должен закрываться без подтверждения обстоятельств.
Указанное должно обеспечивать оператору ручную коррекцию закрытия, если внутрискважинный измерительный прибор давления отказал или ограничения давления являются неправильными. Ограничения давления можно переустановить в системе 42 управления. Если команда на коррекцию не принята в течение заданного времени, клапан может автоматически закрываться.
Система 42 управления может автоматически менять резервные муфты сцепления и/или тормоза исполнительного механизма 38.
Отмечаем, что электрический исполнительный механизм 38 и другие компоненты, используемые в показанной конфигурации, можно также использовать для управления работой внутрискважинного штуцера, золотникового клапана и т.д., а не подземного предохранительного клапана. Для внутрискважинного штуцера другие датчики, такие как измеритель удельного сопротивления и дифференциальный расходомер, могут включаться в состав схемы, так что работу штуцера можно регулировать на основе выходных данных таких датчиков.
Электронный блок и/или телеметрическое устройство можно перепрограммировать с системы 42 управления.
Другая функция самоуравновешивания может включаться в состав как часть предохранительного клапана. Рабочий элемент 84 может смещаться из закрытого положения в заданное положение уравновешивания давления, в котором клапан 100 уравновешивания давления открывается. Тормоз должен включаться для удержания рабочего элемента 84 в положении уравновешивания давления. Можно вести мониторинг по измерительному прибору давления до прекращения роста давления на запорном элементе 34 в течение заданного времени, затем рабочий элемент 84 должен смещаться в открытое положение.
Скважинный инструмент 30 для использования в подземной скважине описан выше. В одном примере скважинный инструмент 30 может включать в себя канал 32 потока, проходящий продольно через скважинный инструмент 30, внутреннюю камеру 60, 62, 64, 66, содержащую диэлектрическую текучую среду 54, и путь 50 потока, который меняет направление и который создает гидравлическую связь между внутренней камерой 60, 62, 64, 66 и каналом 32 потока.
Скважинный инструмент 30 может также включать в себя плавающий поршень 102 в пути 50 потока. Плавающий поршень 102 может предотвращать проход диэлектрической текучей среды 54 в канал 32 потока. Плавающий поршень 102 может располагаться в увеличенной секции 50o пути 50 потока.
Скважинный инструмент 30 может включать в себя электрический исполнительный механизм 38 в диэлектрической текучей среде 54. Исполнительный механизм 38 может смещать устройство передачи давления (например, поршень 92, гофрированную трубку 98 и т.д.), которые изолируют камеры 60, 62, 64, 66 от канала 32 потока. Устройство передачи давления может содержать гофрированную трубку 98 и/или поршень 92.
Камера 60, 62, 64, 66 может гидравлически сообщаться с источником диэлектрической текучей среды 54 по трубе 78, проходящей на удаленную площадку. Линия 40 может проходить по трубе 78 на исполнительный механизм 38 в камере 62.
Камера 60, 62, 64, 66 может гидравлически сообщаться с источником текучей среды химической обработки по трубе 78, проходящей на удаленную площадку. В данном примере также линия 40 может проходить по трубе 78 на исполнительный механизм 38 в камере 62.
Скважинный инструмент 30 может включать в себя устройство 68 стравливания давления. Устройство 68 стравливания давления может обеспечивать проход диэлектрической текучей среды 54 в канал 32 потока в ответ на превышение давлением в камере 60, 62, 64, 66 заданного уровня.
Скважинный инструмент 30 может включать в себя исполнительный механизм 38 в диэлектрической текучей среде 54 и датчик 88 усилия, который измеряет усилие, приложенное исполнительным механизмом 38. Усилие, приложенное исполнительным механизмом 38, можно регулировать на основе измерений, выполняемых датчиком 88 усилия.
Выходное усилие исполнительного механизма 38 может изменяться в зависимости от смещения рабочего элемента 84 скважинного инструмента 30 исполнительным механизмом 38. Скважинный инструмент 30 может включать в себя датчик 82 смещения или положения, который измеряет смещение рабочего элемента 84.
Смещение рабочего элемента 84 может обуславливать смещение запорного элемента 34, который селективно обеспечивает и предотвращает проход потока через канал 32 потока. Смещение рабочего элемента 84 может привести в действие клапан 100 уравновешивания давления, который уравновешивает давление на запорном элементе 34.
Скважинный инструмент 30 может включать в себя по меньшей мере одно из группы, содержащей датчики температуры, усилия, давления, положения и вибрации в диэлектрической текучей среде 54. По меньшей мере один из датчиков (например, датчик 106 вибрации, см. фиг.8В) и электронный блок 36 могут располагаться в корпусе 71 с изоляцией от давления в камере 66.
Способ управления работой скважинного инструмента 30 также описан выше. В одном примере способ может включать в себя приведение в действие исполнительного механизма 38, установленного во внутренней камере 62 скважинного инструмента 30, в котором диэлектрическая текучая среда 54 помещена в камеру 62, и давление в камере 62 уравновешивается с давлением в канале 32 потока, проходящем продольно через скважинный инструмент 30; и изменения в приведении в действие на основе измерений, выполняемых, по меньшей мере, одним датчиком 80, 82, 88, 106 скважинного инструмента 30.
Этап приведения в действие может также включать в себя смещение рабочего элемента 84. Датчик 82 может измерять смещение рабочего элемента 84. Этап изменения может включать в себя изменение скорости смещения в зависимости от измеренного смещения рабочего элемента 84.
Этап изменения может включать в себя изменение усилия и/или крутящего момента на выходе исполнительного механизма 3 в зависимости от измеренного смещения рабочего элемента 84.
Этап изменения может включать в себя изменение частоты электрических импульсов, передаваемых на исполнительный механизм 38.
Этап изменения может включать в себя закрытие запорного элемента 34 в ответ на обнаружение датчиком 88, что выходное усилие исполнительного механизма 38 превосходит заданный максимальный уровень усилия.
Этап изменения может включать в себя прекращение смещения рабочего элемента 84 и затем возобновление смещения рабочего элемента 84. Этап прекращения смещения может быть выполнен, когда исполнительный механизм 38 сместил рабочий элемент 84 в положение уравновешивания давления, в котором давление уравновешивается на запорном элементе 34. Этап возобновления смещения может быть выполнен, когда давление на запорном элементе 34 уравновешено, и/или по истечении заданного периода времени от смещения рабочего элемента 84 в положение уравновешивания давления.
Скважинный инструмент 30 может содержать предохранительный клапан. Исполнительный механизм 38 может обуславливать попеременное открытие и закрытие запорного элемента 34 соответственно для обеспечения и предотвращения прохода потока через канал 32 потока.
В частности, выше описан предохранительный клапан 30 для использования в подземной скважине. В одном примере предохранительный клапан 30 может включать в себя канал 32 потока, проходящий продольно через предохранительный клапан 30, внутреннюю камеру 60, 62, 64, 66, содержащую диэлектрическую текучую среду 54, путь 50 потока, который меняет направление и который создает гидравлическую связь между внутренней камерой 60, 62, 64, 66 и каналом 32 потока, исполнительный механизм 38, находящийся под воздействием диэлектрической текучей среды 54, рабочий элемент 84 и запорный элемент 34, имеющие открытые и закрытые положения, в которых запорный элемент 34 соответственно обеспечивает и предотвращает проход потока через канал 32 потока. Исполнительный механизм 38 может смещать рабочий элемент 84, что обуславливает смещение запорного элемента 34 между его открытым и закрытым положениями.
Хотя различные примеры описаны выше, где каждый пример имеет конкретные признаки, понятно, что необязательно конкретный признак одного примера должен использоваться исключительно в данном примере.
Вместо этого любой из признаков, описанных выше и/или показанных на чертежах, можно комбинировать с любым из примеров в дополнение или для замещения любого из других признаков данных примеров. Признаки одного примера не являются исключающими признаки другого примера. Наоборот, объем данного изобретения включает в себя любую комбинацию любых признаков.
Хотя каждый пример, описанный выше, включает в себя некоторую комбинацию признаков, должно быть понятно, что необязательно использовать все признаки примера. Вместо этого любые из признаков, описанных выше, можно использовать, исключив любой другой конкретный признак или признаки.
Должно быть понятно, что различные варианты осуществления, описанные в данном документе, можно использовать с различной ориентацией, такой как наклонная, перевернутая, горизонтальная, вертикальная и т.д., и в различных конфигурациях без отхода от принципов данного изобретения. Варианты осуществления описаны только как примеры полезного применения принципов изобретения, которое не ограничивается какими-либо конкретными деталями данных вариантов осуществления.
В приведенном выше описании примеров термины направления (такие как "сверху", "снизу", "верхний", "нижний" и т.д.) используются для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. Вместе с тем должно быть совершенно понятно, что объем данного изобретения не ограничивается какими-либо конкретными направлениями, описанными в данном документе.
Термины "включающий в себя", "включает в себя", "содержащий", "содержит" и аналогичные термины используют в неограничивающем смысле в данном описании. Например, если система, способ, устройство, прибор и т.д. описываются как "включающий в себя" некоторый признак или элемент, система, способ, устройство, прибор и т.д. может включать в себя данный признак или элемент и может также включать в себя другие признаки или элементы. Аналогично, термин "содержит" считают означающим "содержит, но без ограничения этим".
Конечно, специалисту в данной области техники должно быть ясно при рассмотрении приведенного выше описания вариантов осуществления изобретения, что многие модификации, дополнения, замены, удаления и другие изменения могут выполняться в конкретных вариантах осуществления и такие изменения соответствуют принципам данного изобретения. Соответственно, описанное выше подробное описание должно пониматься только как пример и иллюстрация, сущность и объем изобретения ограничиваются только прилагаемой формулой изобретения и его эквивалентами.