АВТОНОМНЫЙ КЛАПАН, СНАБЖЕННЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ К ТЕМПЕРАТУРЕ УСТРОЙСТВОМ
SELF-CONTAINED VALVE EQUIPPED WITH TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству чувствительного к температуре автономного клапана и способу его применения. Клапан может применяться, например, для подачи с постоянным массовым расходом углеводородов в добычной трубопровод в стволе скважины.
Сведения о предшествующем уровне техники
Устройства для извлечения нефти и газа из длинных горизонтальных и вертикальных скважин известны из публикаций №4,821,801, №4,858,69, №4,577,691 патентов С.Ш.А. и публикации №2169018 патента Великобритании. Эти известные устройства содержат перфорированную дренажную трубу, например, с фильтром для борьбы с пескопроявлением вокруг трубы. Значительным недостатком известных устройств для добычи нефти и/или газа в высокопроницаемых геологических пластах, является то, что в результате гидравлического трения в трубе давление в дренажной трубе увеличивается по экспоненте в направлении выше по потоку. Поскольку, в результате, разница давлений между коллектором и дренажным трубопроводом будет снижаться в направлении выше по потоку, то, соответственно, будет снижаться и количество нефти и/или газа, притекающего из коллектора в дренажную трубу. Поэтому, при добыче таким средством общий объем добываемых нефти и/или газа будет низким. В случае добычи на тонких нефтеносных участках и геологических пластах с высокой проницаемостью, также существует большой риск образования конусов, то есть, попадания нежелательного потока воды или газа внутрь дренажной трубы ниже по потоку, где скорость потока нефти, проходящего из коллектора в трубу, наиболее велика.
При извлечении нефти из коллекторов при помощи нагнетания пара или с использованием сжигания, разница давлений может варьировать на протяжении дренажной трубы. Это может вызвать проблемы, если нагнетаемый пар или дымовой газ достигают клапанов, используемых для дренирования флюида из коллектора в добычную трубу, так как многие такие клапаны не способны закрыться для предотвращения попадания пара или дымового газа в добычной трубопровод. В частности, если разница давлений относительно низкая, то поступление пара или дымового газа может привести к «короткому замыканию» давления нагнетания и давления добычи. Это вызовет еще большее падение разницы давлений, что негативно скажется на эффективности процесса дренажа (затрачиваемая энергия нагнетания по отношению к объему добытой нефти).
Другим результатом существования участков с низкой разницей давлений совместно с высокой температурой или местными перегревами является то, что низковязкий флюид из высокотемпературных областей коллектора будет преобладать на притоке в добычную трубу. В этом случае, добычная труба будет обладать нежелательным профилем притока по своей длине.
Как было ранее описано в «World Oil», том 212, №11 (11/91), стр. 73-80, дренажный трубопровод можно разделить на секции с одним или более ограничивающими приток устройствами, такими как скользящие муфты или дросселирующие устройства. Однако, в указанной работе речь ведется в основном об управлении притоком для ограничения его интенсивности на участках выше по скважине и, посредством этого, устранения или уменьшения образования конусов воды и/или газа.
Документ WO-A-9208875 описывает горизонтальный добычной трубопровод, содержащий множество добычных участков, которые соединены смесительными камерами, имеющими больший внутренний диаметр, чем добычные участки. Добычные участки включают в себя внешний щелевой хвостовик, который может рассматриваться в качестве фильтрующего устройства. Однако, последовательность секций различного диаметра создает турбулентность потока и препятствует прохождению инструментов для ремонтных работ, действующих вдоль наружной поверхности добычного трубопровода.
Устройства, раскрытые в документах WO 2009/088292 и WO 2008/004875, обладают высокой прочностью, могут выдерживать большие нагрузки и высокие температуры, предотвращать депрессии (изменения разности давлений), не требуют подачи энергии, выдерживают пескопроявление, а также надежны, обладают простой конструкцией и очень дешевы. Однако, несмотря на это, можно провести ряд усовершенствований для повышения эффективности и долговечности вышеупомянутых устройств, в которых различные варианты осуществления WO 2009/088292 и WO 2008/004875 раскрывают подвижный клапанный затвор в виде диска.
При извлечении нефти и/или газа из продуктивных геологических пластов, флюиды различного качества, то есть нефть, газ, вода (и песок) добываются в разных количествах и пропорциях в зависимости от свойств или качества пласта. Ни одно из вышеупомянутых известных устройств не способно различать то, какой флюид притекает - нефть, газ или вода, сравнивая их относительный состав и/или качество, а также управлять их притоком. В частности, известные устройства не обладают возможностью надлежащего управления изменениями притока в добычной трубопровод по изменениям разности давлений, вызываемой изменениями температуры. В патентной заявке WO 2008/004875 раскрывается чувствительный к температуре клапан, однако предложенное решение предполагает изгиб подвижного клапанного затвора посредством биметаллического элемента. Предложенное решение достаточно сложно и требует дорогостоящего клапанного затвора, подверженного износу из-за многократной деформации. В патентной заявке WO 2005/103443 раскрыт чувствительный к температуре клапан, затвор которого выполнен из материала с коэффициентом линейного расширения, превышающим данный коэффициент у материала трубопровода скважины. При повышении температуры клапанный затвор расширяется больше чем трубопровод скважины и перемещается по направлению к закрытому положению, перекрывая проход. Данное решение дает относительно долгое время срабатывания, что является причиной прохождения большого количества газа и/или горячей жидкости в дренажный трубопровод, нарушая проходящий через него поток.
Настоящее изобретение обеспечивает улучшенный клапанный механизм, предназначенный для сведения к минимуму проблем, связанных с изменениями притока в добычной трубопровод вследствие температурных изменений.
Сущность изобретения
Изобретение обеспечивает саморегулирующийся клапан и способ, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.
Настоящее изобретение предпочтительно обеспечивает устройство управления притоком или клапан, который является саморегулирующимся или автономным. Изобретение также может быть адаптировано под другие типы управляемых клапанов, подходящих для этой цели. Общей особенностью клапанов в соответствии с изобретением является возможность автоматического закрытия клапана и предотвращения притока в добычной трубопровод, в ответ на повышение температуры флюида, окружающего клапан и/или попадающего внутрь механизма клапана. Устройства управления притоком могут легко быть установлены в стенке добычного трубопровода и не препятствуют использованию инструментов для ремонтных работ. Устройство выполнено с возможностью «различать» нефть и/или газ и/или воду, а также обладает возможностью управлять потоком или притоком нефти или газа, в зависимости от того, к какому из этих флюидов требуется применить такое управление потоком.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, изобретение относится к саморегулирующемуся клапану или устройству управления потоком, предназначенным для управления на основе эффекта Бернулли потоком флюида от одного пространства или области к другой, в частности, для управления потоком флюида, например нефти и/или газа, включающим любую воду, из коллектора в добычной трубопровод скважины в коллекторе нефти и/или газа. Добычной трубопровод может содержать нижнюю дренажную трубу, предпочтительно разделенную на одну или более секций, каждая из которых включает в себя одно или более устройств управления притоком, позволяющих добычному геологическому пласту и внутреннему потоковому пространству дренажной трубы сообщаться по текучей среде. Флюид может протекать между впускным отверстием на стороне впуска, обращенной к пласту, и выпускным отверстием на выпускной стороне устройства, обращенной внутрь добычной трубы. Клапан дополнительно содержит подвижный клапанный затвор, выполненный с возможностью приведения его в действие чувствительным к температуре устройством. Клапанный затвор выполнен с возможностью перемещения его в направлении закрытия под воздействием чувствительного к температуре устройства в ответ на заданное повышение температуры флюида, окружающего клапан и/или попадающего внутрь клапана.
Чувствительное к температуре устройство может представлять собой герметичный расширяющийся механизм, по меньшей мере, частично наполненный материалом, существенно расширяющимся при повышении температуры флюида, окружающего устройство. Предпочтительно, чтобы расширение было достаточным для существенного или полного закрытия клапана при подъеме температуры флюида, окружающего чувствительное к температуре устройство, выше заданного значения. Такого расширения можно добиться, например, выбрав материал, изменяющий свое фазовое состояние при заданной температуре. Примером такого изменяющего свое фазовое состояние материала служит жидкость, которая закипает при заданной температуре или выше нее. Жидкость выбирают в зависимости от расположения добычного трубопровода. Например, при нормальных условиях эксплуатации, на добычной трубопровод, расположенный на глубине 300 метров, действует давление от 25 до 30 бар при температуре 250-290°C. Для того чтобы предотвратить внезапный приток пара с более высокой температурой через клапан, расширяющийся механизм можно наполнить спиртоводной смесью, кипящей, например, при 280°C. В процессе нежелательного повышения температуры протекающего через клапан флюида, расширяющийся механизм может расширяться, перемещая подвижный клапанный затвор в направлении закрытия, когда температура флюида превышает указанное заданное значение. Таким образом, клапан может быть закрыт для предотвращения попадание кипящей или мгновенно испаряющейся воды в добычной трубопровод. Мгновенное испарение или кипение могут случаться при относительно низкой разнице давлений на устройстве управления притоком. Если допустить попадание кипящей или мгновенно испаряющейся воды в добычной трубопровод, это может привести к «короткому замыканию» давления нагнетания и давления добычи и, в результате, к еще большему уменьшению разницы давлений. Это отрицательно скажется на эффективности дренажа, как было сказано ранее. Другими нежелательными флюидами, попадание которых в добычной трубопровод может быть предотвращено, являются горячие добычные газы или дымовые газы, использующиеся для повышения производительности скважины.
Для управления открытием и закрытием клапана при изменении температуры расширяющийся механизм может быть выполнен с возможностью контакта с флюидом, который окружает добычной трубопровод или протекает через клапан.
В соответствии с первым примером, расширяющийся механизм расположен во флюидной камере клапана, содержащей подвижный клапанный затвор, управляющий потоком протекающего через клапан флюида. Данный пример, как правило, применяется для автономных клапанов, содержащих камеру с подвижным клапанным затвором в виде плоского круглого диска или с коническим затвором с плоским основанием. Положение подвижного клапанного затвора обычно задается притоком флюида из впуска, обращенного к центру подвижного клапанного затвора, протекающего радиально наружу через, по меньшей мере, часть подвижного клапанного затвора в направлении выпуска. Пример такого подвижного клапанного затвора или диска показан в документе WO 2008/004875 А1 и будет подробно описан далее по тексту. В данном примере, расширяющийся механизм расположен с противоположной стороны диска относительно впуска флюида. Расширяющийся механизм может быть прикреплен к участку флюидной камеры и выполнен с возможностью, при расширении, вступать в контакт с подвижным клапанным затвором. Альтернативно, расширяющийся механизм может быть прикреплен к подвижному клапанному затвору и выполнен с возможностью, при расширении, вступать в контакт с флюидной камерой.
Когда происходит нежелательное повышение температуры протекающего через клапан флюида, горячий флюид частично отдает тепло расширяющемуся механизму через подвижный клапанный затвор и частично, окружая его внешние кромки, пространству между камерой и подвижным клапанным затвором, где расширяющийся механизм и находится. Если расширяющийся механизм содержит текучую среду, то при превышении заданного значения температуры протекающего через клапан флюида, эта текучая среда изменит свое фазовое состояние и начнет кипеть. Это вызовет расширение расширяющегося механизма вследствие повышения давления и увеличения объема внутри него. По мере увеличения объема расширяющийся механизм будет перемещать подвижный клапанный затвор в направлении закрытия и, если повышение температуры окажется достаточным, клапан в итоге закроется.
В соответствии со вторым примером, расширяющийся механизм расположен во флюидном канале последовательно с протекающим через клапан потоком флюида. В данном примере расширяющийся механизм расположен в канале, через который протекает весь поток флюида или его часть перед прохождением через подлежащий управлению клапан. Для воздействия на клапанный затвор с целью закрытия клапана, расширяющийся механизм напрямую или опосредованно соединен с подвижным клапанным затвором, либо с исполнительным механизмом, управляющим указанным клапаном. По мере своего расширения расширяющийся механизм перемещает подвижный клапанный затвор в направлении закрытия и, при достаточном повышении температуры, в итоге закрывает клапан.
В соответствии с третьим примером, расширяющийся механизм расположен во флюидном канале параллельно основному протекающему через клапан потоку флюида. В данном примере расширяющийся механизм расположен в канале, через который проходит лишь часть потока флюида, которая направляется в обход подлежащего управлению клапана. Для воздействия на указанный клапанный затвор с целью закрытия клапана, расширяющийся механизм напрямую или опосредованно прикреплен к подвижному клапанному затвору или к исполнительному механизму, управляющему указанным клапаном. По мере своего расширения расширяющийся механизм перемещает подвижный клапанный затвор в направлении закрытия и, при достаточном повышении температуры, в итоге закрывает клапан.
В соответствии с одним вариантом осуществления, расширяющийся механизм содержит текучую среду с температурой кипения ниже, чем у горячего флюида, такую как вода, при давлении в коллекторе, окружающем трубопровод. Как указано выше, указанная текучая среда изменит свое фазовое состояние и начнет кипеть при протекании горячего пластового флюида через впуск клапана и после того, как расширяющийся механизм превысит заданное значение температуры. Повышение давления газа внутри расширяющегося механизма, вызванное испарением жидкости, в свою очередь вызовет увеличение объема расширяющегося механизма. Это приведет к перемещению подвижного клапанного затвора, находящегося в контакте с расширяющимся механизмом, либо находится под его прямым или опосредованным воздействием. Текучая среда может содержать спирт, спиртоводную смесь или ацетон. Текучую среду выбирают в зависимости от ее температуры кипения при заданном давлении, которое в свою очередь зависит от давления, оказываемого на добычной трубопровод в месте нахождения клапана или устройства управления притоком. Свойства выбранной текучей среды определяют скорость, с которой клапан может быть закрыт. Таким образом, основанием при выборе используемой текучей среды могут стать область применения устройства и требуемо время реакции автономного клапана.
Расширяющийся механизм может представлять собой герметичный контейнер, по меньшей мере, частично наполненный текучей средой. Контейнер может обладать заданной общей формой, и, по меньше мере, частично быть упруго деформируемым, либо может выполнен в виде бесформенного мешка, причем контейнер выполнен с возможностью расширения в заданном направлении при повышении температуры. Контейнер может иметь заданную базовую форму, например цилиндр, с гофрированными или волнообразными боковыми поверхностями, проходящими по окружности для обеспечения расширения в заданном направлении. В случае клапана с подвижным клапанным затвором в виде расположенного в камере диска, торцевые поверхности цилиндра могут располагаться так, чтобы контактировать с подвижным клапанным затвором и камерой соответственно. При этом цилиндр может работать в качестве сильфона, выполненного с возможностью расширения в заданном направлении.
Альтернативно, расширяющийся механизм может представлять собой герметичный гибкий или упругий контейнер, такой как мешок. Такой упругий контейнер, по существу, может быть бесформенным и выполнен с возможностью расширения во всех направлениях. Контейнер выполнен с возможностью, при нагреве выше указанной заданной температуры, равномерного расширения до тех пор, пока он не будет ограничен фиксированной поверхностью и смещаемым компонентом. В случае клапана с подвижным клапанным затвором в виде расположенного в камере диска, контейнер будет ограничен стенкой камеры и диском. Дальнейшее расширение контейнера приведет к перемещению диска. Гибкий или упругий контейнер данного типа может также содержать, по меньшей мере, один усиленный участок для облегчения крепления контейнера. Дополнительный усиленный участок может быть предусмотрен для обеспечения контакта между расширяющейся частью контейнера и подлежащим смещению подвижным клапанным затвором или исполнительным механизмом.
Как указано выше, контейнер, составляющий расширяющийся механизм, может быть прикреплен к части флюидной камеры и выполнен с возможностью, при расширении, вступать в контакт с подвижным клапанным затвором. Альтернативно, расширяющийся механизм может быть прикреплен к подвижному клапанному затвору и выполнен с возможностью, при расширении, воздействовать на стенку флюидной камеры. Данные альтернативные варианты предпочтительны для контейнеров с базовой формой и заданным направлением расширения. В соответствии с другим альтернативным вариантом, расширяющийся механизм может быть удержан в требуемом положении на подвижном клапанном затворе или стенке камеры при помощи удерживающего средства, без физического крепления ни к одному из компонентов. Данный альтернативный вариант предпочтителен для, по существу, бесформенных контейнеров, которые могут расширяться равномерно во всех направлениях.
Чертежи
Далее, исключительно в качестве примера, будут подробно описаны варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует понимать, что чертежи выполнены исключительно в целях иллюстрации и не предназначены для определения объема изобретения. Также следует понимать, что чертежи не обязательно выполнены в масштабе и что, если иное не указано, они предназначены только для схематического изображения конструкций и описанных в настоящем документе процедур.
На Фиг. 1 показан механизм автономного клапана, оснащенного устройством управления потоком в соответствии с изобретением;
На Фиг. 2А показан вид в разрезе первого варианта механизма клапана;
На Фиг. 2Б показан вид в разрезе второй компоновки клапана;
На Фиг. 3А показан механизм клапана с Фиг. 2А, оснащенного термически расширяющимся механизмом в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
На Фиг. 3Б показан механизм клапана с Фиг. 2Б, оснащенного термически расширяющимся механизмом в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
На Фиг. 4 показан механизм клапана, оснащенного термически расширяющимся механизмом в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения; и
На Фиг. 5 показан механизм клапана, оснащенного термически расширяющимся механизмом в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 показан добычной трубопровод 11 с отверстием, в которое устанавливают автономный клапанный механизм 12 в соответствии с изобретением. Клапанный механизм 12, в частности, полезен в управлении потоком флюида, протекающим из подземного коллектора в добычной скважинный трубопровод 11 скважины в нефтяном и/или газовом коллекторе между впускным отверстием 13 на стороне впуска и, по меньшей мере, одним выпускным отверстием (не показано) на стороне выпуска автономного клапанного механизма 12. Компонент, составляющий в целом автономный клапанный механизм именуется в дальнейшем «клапанный механизм», в то время как активные компоненты, необходимые для управления потоком в большинстве случаев называются «устройство управления потоком». Впускная сторона автономного клапанного механизма 12 расположена в отверстии на внешней стороне 14 добычного трубопровода 11, а выпускная сторона расположена на внутренней стороне 15 добычного трубопровода 11. Далее по тексту термины «внутренний» и «внешний» служат для определения положений относительно внутренней и внешней поверхностей клапанного механизма, когда он установлен на трубопровод 11 (см. Фиг. 1). Клапан, пригодный для использования в вариантах осуществления согласно первому примеру, может быть типа, описанного в публикации WO 2008/004875 или в международной заявке РСТ/ЕР2011/050471.
На Фиг. 2А показан вид в разрезе клапанного механизма 12а, как описано в заявке WO 2008/004875. Устройство состоит из первого имеющего форму диска корпусного элемента 21 с внешней цилиндрической частью 22 и внутренней цилиндрической частью 23 и центральным отверстием или впуском 13а, и из второго имеющего форму диска удерживающего корпусного элемента 24 с внешней цилиндрической частью 25, а также из предпочтительно плоского диска или свободно перемещаемого клапанного затвора 26, размещенного в открытом углублении или камере 27, образованной между первым дискообразным корпусным элементом 21 и вторым дискообразным удерживающим корпусным элементом 24. Для отдельно взятых областей применения и конфигураций, клапанный затвор 26 может не иметь плоской формы, а иметь частично коническую или полукруглую поверхность, обращенную к впускному отверстию 13а. Как видно из фигуры, цилиндрическая часть 25 второго дискообразного удерживающего корпусного элемента 24 помещена внутри и проходит в противоположном направлении внешней цилиндрической части 22 первого дискообразного корпусного элемента 21, тем самым формируя канал для потока, направление которого отмечено стрелками А, где флюид поступает в устройство управления потоком через центральное отверстие или впускное отверстие 13а и протекает по направлению к диску 26 и радиально вдоль него перед протеканием через кольцевое отверстие 28, образованное между цилиндрическими частями 23 и 25 и далее наружу через кольцевое отверстие или выпускное отверстие 29, образованное между цилиндрическими частями 22 и 25. На Фиг. 2А, из-за того, что разрез выполнен в той области, где проходит сплошная опорная часть (одна из трех таких частей) между цилиндрическими частями 22 и 25, кажется, что правая сторона выпускного отверстия 29 заблокирована. На самом деле, выпускное отверстие 29 не заблокировано и оно, в действительности, является кольцевым. В более поздней версии данного клапана таких опорных частей не было, и выпускное отверстие 29 было открыто по всей окружности. Два дискообразных элемента 21 и 24 прикреплены друг к другу при помощи винтового соединения, сварки или другими средствами (не показано на фигуре). Узел клапана в сборе съемно установлен при помощи резьбового соединения, показанного на Фиг. 2А, в отверстии, проделанном в добычном трубопроводе.
При эксплуатации, впускное отверстие 13а соединено с углублением 27 посредством центрального канала или отверстия, через которое флюид протекает из пласта в углубление 27. Затем флюид вытекает из углубления 27 радиально через участок первой поверхности 26а клапанного затвора, причем указанная первая поверхность обращена к впускному отверстию 13а, и через кольцевое отверстие 28 указанного клапанного затвора протекает по направлению к кольцевому выпускному отверстию 29.
В работе настоящего изобретения используется эффект Бернулли, согласно которому сумма статического давления, динамического давления и трения является постоянной вдоль линии потока:
Для клапана, изображенного на Фиг. 2А, при воздействии на подвижный клапанный затвор или диск 26 потоком флюида, как в случае настоящего изобретения, разница давлений на диске 26 может быть выражена следующим образом:
По причине более низкой вязкости, флюид, такой как газ, будет протекать быстрее вдоль диска по направлению к выпуску. Это приводит к снижению давления на участке А2 над диском, в то время как давление действующее на участок A3 под диском 28, не изменяется. Так как диск 26 свободно перемещается внутри углубления, он будет двигаться вверх, сужая тем самым канал потока между диском 26 и первой поверхностью 26а углубления 27. Таким образом, будет ли диск 26 перемещаться вниз или вверх, зависит от вязкости протекающего через него флюида, и в силу этого, данный принцип может применяться для управления потоком флюида протекающего через устройство.
Кроме того, падение давления в традиционном устройстве управления притоком УУП (ICD, от англ. Inflow Control Device) с фиксированной геометрией будет пропорционально динамическому давлению:
где постоянная К, главным образом, является функцией геометрии и в меньшей степени зависит от числа Рейнольдса. В управляющем устройстве по настоящему изобретению, при увеличении разницы давлений, площадь потока будет уменьшаться так, что объем потока, протекающего через устройство управления, не будет или почти не будет увеличиваться при увеличении перепада давления. Следовательно, объем протекающего потока для настоящего изобретения является, по существу, постоянным и выше данной разницы давлений. Это представляет собой основное преимущество настоящего изобретения, так как оно может быть использовано для обеспечения, по существу, постоянного объема потока, протекающего через каждый участок горизонтальной скважины в целом, чего невозможно добиться, используя неподвижные устройства управления потоком.
При добыче нефти и газа, устройство управления потоком в соответствии с изобретением может иметь два разных применения: применение в качестве устройства управления притоком для уменьшения притока воды или газа, или для поддержания постоянного потока через устройство управления потоком. При проектировании устройства управления в соответствии с изобретением для различных областей применения, таких как поддержание постоянного потока флюида, различные области и зоны давления будут влиять на эффективность и пропускные свойства устройства. Различные области/зоны давления (показанные на Фиг. 2А) могут делиться на:
- А1, Р1 являются, соответственно, площадью притока и давлением. Сила (Р1*А1), созданная этим давлением на впускном отверстии 13а, будет стремиться открыть устройство управления (переместить диск или затвор 28 вниз);
- А2, Р2 являются площадью и давлением в зоне между первой поверхностью 26а диска и углублением 27, где скорость потока будет наибольшей, и, следовательно, является источником динамического давления. Данная область расположена между впускным отверстием 13а и кольцевым отверстием 28, выходящим в углубление 27. Результирующее динамическое давление будет стремиться закрыть устройство управления посредством перемещения диска или затвора 26 вверх по мере увеличения скорости потока и снижения давления.
- A3, Р3 являются площадью и давлением на кольцевом отверстии 28, выходящем в углубление 27. Давление должно быть таким же, что и в скважине (давление на впуске);
- А4, Р4 являются площадью и давлением за подвижным диском или затвором 26 между второй поверхностью 26b (противоположной первой поверхности 26а) диска 26 и углублением 27. Давление за подвижным диском или затвором должно равняться давлению в скважине (давлению на впуске). При этом давление будет стремиться переместить затвор вверх в направление закрытия устройства управления по мере повышения скорости потока.
Флюиды с различной вязкостью, в зависимости от конструкции этих зон, в каждой зоне будут порождать различные силы для того, чтобы оптимизировать эффективность и пропускающие свойства устройства управления, при этом конструкция зон будет различной для различных областей применения, например, поток с постоянным объемом, или поток газ/нефть, или поток нефть/вода. Следовательно, для каждого применения области должны быть тщательно сбалансированными и обладать оптимальной конструкцией, учитывающей свойства и физические условия (вязкость, температура, давление и т.д.) для каждой ситуации проектирования.
На Фиг. 2Б показан вид в разрезе клапанного механизма 12а, описанного в РСТ/ЕР2011/050471. Устройство состоит из первого дискообразного корпусного элемента 31 с центральным или впускным отверстием 13b и второго дискообразного удерживающего корпусного элемента 34, а также предпочтительно плоского диска или свободно перемещаемого клапанного затвора 36, предусмотренного в открытом углублении или камере 37, образованной между первым дискообразным корпусным элементом 31 и вторым удерживающим корпусным элементом 34. Для конкретных областей применения и конфигураций, клапанный затвор 36 может обладать формой, отличной от плоской, и выполняться с частично конической или полукруглой поверхностью, обращенной к впускному отверстию 13b. Направление потока, протекающего через клапанный механизм, показано стрелками А, причем флюид попадает в устройство управления через центральное или впускное отверстие 13b и протекает по направлению к диску 26 и радиально по внешней периферии диска 26 перед протеканием через радиальные отверстия 39, выполненные во втором удерживающем корпусном элементе 34. Клапанный механизм в сборе съемно установлен при помощи резьбового соединения, показанного на Фиг. 2Б, в отверстии, проделанном в добычном трубопроводе.
При эксплуатации, впускное отверстие 13b соединено с углублением посредством центрального канала или отверстия, через которое в углубление 37 из пласта протекает флюид. Затем флюид вытекает из углубления радиально через первую поверхность 26а клапанного затвора, которая обращена к центральному отверстию, и проходя по внешней периферии поверхности указанного клапанного затвора, протекает к, по меньшей мере, одному выпускному отверстию 39, которое в клапанном механизме может быть ориентировано радиально (Фиг. 2Б) или аксиально.
В основе работы клапанного механизма с Фиг. 2Б, как и клапана с Фиг. 2А, лежит эффект Бернулли, согласно которому сумма статического давления, динамического давления и силы трения является постоянной вдоль линии потока. Основное отличие между данными клапанами заключается в том, что в расчеты для определения перепада давления на диске не входит площадь A3 (фиг. 2А), так как выпускное отверстие расположено вне периферии диска. Кроме того, в клапанном механизме, показанном на Фиг. 2Б, не используется статическое давление на площади А4 снизу диска, так как флюид выходит из камеры 37 радиально за пределами диска 26.
На Фиг. 2А и 2Б показана нормальное функционирование автономного клапана данного типа. Принцип работы такого клапанного механизма с термически расширяющимся устройством в соответствии с изобретением описан со ссылкой на Фиг. 3А и Фиг. 3Б.
На Фиг. 3А показан клапанный механизм, аналогичный показанному на Фиг. 2А, оснащенный термически расширяющимся устройством в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Для соответствующих деталей клапана использованы те же ссылочные номера. В соответствии с данным примером, расширяющийся механизм в форме сильфона 20 расположен во флюидной камере 27 клапана, содержащей подвижный клапанный затвор в форме диска 26, управляющий потоком флюида, проходящим через клапан. Положение диска 26 обычно задается притоком флюида, затекающим через впускное отверстие 13а, обращенное к центру диска 26, и протекающим радиально наружу через, по меньшей мере, часть диска 26 по направлению к выпускному отверстию 29. В данном примере, сильфон 20 расположен с обратной стороны диска 26 относительно впускного отверстия 13а для флюида. Сильфон 20 содержит первую 20а и вторую 20b, по существу, плоские торцевые поверхности, соединенные гофрированной частью 20с. Герметичный расширяющийся сильфон 20, по меньшей мере, частично заполнен текучей средой, которая при заданной температуре изменяет свое фазовое состояние. В этом случае, первая торцевая поверхность 20а сильфона 20 прикреплена к участку стенки флюидной камеры 27 и выполнена с возможностью, при расширении, вступать в контакт с диском 26. Альтернативно, расширяющийся механизм может быть прикреплен к диску и выполнен с возможностью, при расширении, вступать в контакт со участком стенки флюидной камеры.
При нежелательном повышении температуры протекающего через клапан флюида, тепло передается от горячего флюида к сильфону 20, частично через диск 26 и частично через его внешние кромки, в пространство между камерой 27 и диском 26, где расположен расширяющийся механизм. Когда будет превышено заданное значение температуры протекающего через клапан флюида, если расширяющийся механизм содержит текучую среду, то указанная текучая среда начнет кипеть. Это приведет к расширению сильфона 20 вследствие повышения давления и увеличения объема внутри указанного сильфона 20. По мере расширения, сильфон 20 будет перемещать диск 26 в направлении закрытия и, при достаточном повышении температуры, в итоге закроет клапан.
Описанный здесь способ крепления сильфона к участку стенки может также применяться для варианта осуществления, показанного на Фиг. 3Б ниже.
На Фиг. 3Б показан клапанный механизм, как на Фиг. 2Б, оснащенный термически расширяющимся устройством в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. Для соответствующих деталей клапана использованы те же ссылочные номера. В соответствии с данным примером, расширяющийся механизм в форме сильфона 30 расположен во флюидной камере 37 клапана, содержащей подвижный клапанный затвор в форме диска 36, управляющий потоком флюида, проходящим через клапан. Положение диска 36 обычно задается притоком флюида, затекающим через впускное отверстие 13а, обращенное к центру диска 36, и протекающим радиально наружу через, по меньшей мере, часть диска 36 в направлении выпускного отверстия 39. В данном примере, сильфон 30 расположен с обратной стороны диска 36 относительно впускного отверстия 13а для флюида. Сильфон 30 содержит в себе первую 30а и вторую 30b, по существу, плоские торцевые поверхности, соединенные гофрированной частью 30с. Герметичный, расширяющийся сильфон 30, по меньшей мере, частично заполнен текучим материалом, изменяющим свое фазовое состояние при заданной температуре. В этом случае, первая торцевая поверхность 30а сильфона 30 прикреплена к диску 36 и выполнена с возможностью, при расширении, вступать в контакт со участком стенки флюидной камеры 37. Альтернативно, расширяющийся механизм может быть прикреплен к диску и выполнен с возможностью, при расширении, вступать в контакт с участком стенки флюидной камеры.
При нежелательном повышении температуры протекающего через клапан флюида, тепло передается от горячего флюида к сильфону 30, частично через диск 36 и частично через его внешние кромки, в пространство между камерой 37 и диском 36, где расположен расширяющийся механизм. Когда будет превышено заданное значение температуры протекающего через клапан флюида, если расширяющийся механизм содержит текучую среду, то указанная текучая среда начнет кипеть. Это приведет к расширению сильфона 30 вследствие повышения давления и увеличения объема внутри указанного сильфона 30. По мере расширения, сильфон 30 будет перемещать диск 36 в направлении закрытия и, при достаточном повышении температуры, в итоге закроет клапан.
Описанный здесь способ крепления сильфона к диску может также применяться для варианта осуществления, показанного выше со ссылкой на Фиг. 3А.
Расширяющийся механизм, описанный со ссылкой на Фиг. 3А и Фиг. 3Б, представляет собой герметичный контейнер в виде сильфона, по меньшей мере, частично наполненный текучим материалом. Альтернативно, контейнер может иметь заданную общую форму, по меньшей мере, часть которой выполнена подверженной упругой деформации, или может быть выполнен в форме мешка, не обладающего какой-либо определенной формой. В данном случае, расширяющийся механизм может быть удержан в требуемом положении при помощи средства, размещенного на подвижном клапанном затворе или на стенке камеры, без физического крепления ни к одному из компонентов. Например, расширяющийся механизм может быть удержан на месте за счет средства, выполненного в виде ряда выступов, выходящих в камеру для создания опоры подвижному клапанному затвору в его конечном положении, при котором клапан полностью открыт. С примерами таких опорных выступов можно ознакомиться в международной заявке РСТ/ЕР2011/050471. Данный вариант предпочтителен для, по существу, бесформенного расширяющегося механизма, который может расширяться одинаково во всех направлениях.
На Фиг. 4 показан клапанный механизм, оснащенный термически расширяющимся механизмом в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения. Клапанный механизм выполнен с возможностью установки в добычном трубопроводе (не показано). В соответствии с данным вариантом осуществления, термически расширяющийся механизм в форме сильфона 40 расположен в канале 41, 42, 43 для флюида последовательно с протекающим через клапанный механизм потока флюида. В данном примере, сильфон 40 расположен в корпусе 44, снабжаемом через первый канал 41, через который проходит весь поток флюида из пласта перед попаданием в клапан 45, подлежащий управлению через второй канал 42. Поток флюида выходит из клапана 45 через третий канал 43 и попадает в добычной трубопровод. Сильфон 40 соединен с подвижным клапанным затвором 46 (показано схематически) для воздействия на него с целью закрытия клапана 45. При повышении температуры флюида, протекающего через корпус 44 и клапан 45, тепло передается от горячего флюида текучей среде, находящейся внутри сильфона 40. Когда превышено заданное значение температуры протекающего через клапан флюида, текучая среда в сильфоне 40 начнет кипеть. Это вызовет расширение сильфона 40 вследствие повышения давления и объема внутри указанного сильфона 46. По мере расширения, сильфон 40 начнет воздействовать на подвижный клапанный затвор 46 перемещая его в направлении закрытия и, при достаточной температуре, в итоге закроет клапан 45.
На Фиг. 5 показан клапанный механизм, оснащенный термически расширяющимся устройством в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения. Клапанный механизм выполнен с возможностью монтажа в добычном трубопроводе (не показано). В соответствии с данным вариантом осуществления, термически расширяющийся механизм в форме сильфона 50 расположен в канале 51 для флюида параллельно основному каналу 52, 53, обеспечивающему протекание флюида через клапан 55. В данном примере сильфон 50 расположен в корпусе 54, снабжаемом через первый канал 51, через который проходит часть потока пластового флюида, обходящая подлежащий управлению клапан 55. Второй канал 52 подает основной поток флюида в клапан 55. Основной поток флюида покидает клапан 55 через третий канал 53, после чего он воссоединяется с потоком из первого канала 51 перед попаданием в добычной трубопровод. Сильфон 50 соединен с подвижным клапанным затвором 56 (показано схематически) для воздействия на него с целью закрытия клапана 55. При повышении температуры протекающего через корпус 54 и клапан 55 флюида, тепло от горячего флюида передается к текучей среде, находящейся внутри сильфона 50. Когда превышено заданное значение температуры протекающего через корпус 54 флюида, текучая среда в сильфоне 50 начнет кипеть. Это вызовет расширение сильфона 50 вследствие повышения давления и объема внутри указанного сильфона 50. По мере расширения, сильфон 50 начнет воздействовать на подвижный клапанный затвор 56, перемещая его в направлении закрытия, и, при достаточном повышении температуры, в итоге закроет клапан 55.