УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ
SELECTIVE WELL COMPLETION DEVICE

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для селективной изоляции пластов при заканчивают нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство для селективного заканчивания скважины, содержащее установленный на трубе (например, проставочной) трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта или пропластка и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник снабжен кольцевидным пазом, по сути, двумя кольцевидными концевыми упорами, посредством которых периодически соединен с захватом [1]. Захват содержит цилиндрический корпус с расположенными на нем подпружиненными выдвижными кулачками, конусным распором и механическим приводом распора. Корпус захвата соединен выполненной в виде колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) механической тягой со снабженным наземным источником питания и блоком управления наземным подъемно-вращательным механизмом.
Для переключения клапана наращивают НКТ и погружают захват в скважину до тех пор, пока кулачки не окажутся расположенными напротив золотникового паза. Далее, вращая НКТ, выдвигают кулачки и после того, как они проникнут в золотниковый паз, перемещают захват вместе со сцепленным с кулачками золотником вверх или вниз. В результате клапан открывается или закрывается. После завершения процесса переключения, вращая НКТ, задвигают кулачки в корпус захвата и, изменяя длину НКТ, поднимают захват на поверхность либо перемещают захват для осуществления переключения расположенного на иной глубине аналогичного клапана.
Недостатком известного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.
При осуществлении захвата золотника путем вращения колонны НКТ возможен ненамеренный отворот резьбовых соединений ее труб. Проведение длительных и дорогостоящих операций по монтажу и демонтажу НКТ усложняет эксплуатацию известного устройства. Операции захвата и перемещения золотника производятся вслепую и требуют высокой точности управления громоздкой колонной НКТ.
Известно выбранное в качестве прототипа устройство для селективного заканчивания скважины, содержащее установленный на трубе (например, проставочной) трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта или пропластка и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник снабжен кольцевидным пазом, по сути, двумя кольцевидными концевыми упорами, посредством которых периодически соединен с захватом [2]. Захват содержит цилиндрический корпус с расположенными на нем подпружиненными выдвижными кулачками, конусным распором и гидравлическим приводом распора. Корпус захвата соединен выполненной в виде колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) механической тягой со снабженными наземным источником питания и блоком управления наземным подъемно-вращательным механизмом и насосом.
Для переключения клапана наращивают колонну НКТ и погружают захват в скважину до тех пор, пока кулачки не окажутся расположенными напротив золотникового паза. Далее, при помощи насоса посредством колонны НКТ повышают давление в гидроприводе, в результате чего кулачки проникают в золотниковый паз. После этого подъемным механизмом перемещают захват вместе со сцепленным с кулачками золотником вверх или вниз, осуществляя соответственно открытие или закрытие клапана. В завершение, понизив давление в НКТ и гидроприводе, задвигают кулачки в корпус захватного приспособления и, изменяя длину НКТ, поднимают захват на поверхность либо перемещают его для осуществления переключения аналогичного клапана, расположенного на иной глубине.
Недостатком известного устройства являются его ограниченные функциональные возможности.
Проведение длительных и дорогостоящих операций по монтажу и демонтажу механической тяги в виде громоздкой разборной колонны НКТ усложняет эксплуатацию известного устройства. Операции захвата и перемещения золотника производятся вслепую и требуют высокой точности управления громоздкой колонной насосно-компрессорных труб.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства селективного заканчивания скважины.
Указанная цель достигается тем, что устройство селективного заканчивания скважины содержит установленный на трубе трубчатый золотниковый клапан, корпус которого связан с расположенным напротив продуктивного пласта или пропластка и снабженным отверстиями участком обсадной колонны, а золотник снабжен двумя кольцевидными упорами, посредством которых он периодически соединен с захватом, последний содержит цилиндрический корпус с расположенными на нем подпружиненными выдвижными кулачками и со снабженным приводом конусным распором, и соединен механической тягой со связанным с наземным источником питания и блоком управления с наземным подъемным механизмом. При этом дополнительно содержит расположенный в корпусе захвата электрический автономный источник питания, например, в виде электрического аккумулятора или комплекта электрических батареек, закрепленные на захвате друг над другом электрические бесконтактные выключатели, например герконы, аналогичное им количество раздельно связанных с блоком электрических сигнальных устройств, например электрических ламп, объекты воздействия бесконтактных выключателей, например герконов, например кольцевидные постоянные магниты, которые расположены друг над другом и связаны с клапаном, а также два взаимосвязанных радиоэфиром радиоконтактных устройства, одно из которых расположено на захвате, снабжено антенной в виде выполненной электропроводной указанной тяги и связано с автономным источником питания, а другое расположено на поверхности земли и через блок управления соединено с наземным источником питания, указанная тяга выполнена гибкой, например в виде электропроводного троса, привод распора содержит снабженный термостатом электрический нагреватель, расположенный в зоне его действия рабочий элемент, обладающий эффектом памяти формы, например, в виде прямолинейной проволоки из никелида титана, элемент реверса рабочего элемента, выполненный, например, весовым, в виде самого распора и электротеплоизоляционный кожух, внутри которого расположены рабочий элемент и электрический нагреватель с термостатом, при этом через закрепленное в захвате радиоконтактное устройство нагреватель и каждый геркон раздельно соединены с автономным источником питания, и посредством обоих радиоконтактных устройств нагреватель через блок, а каждый геркон раздельно через блок и одну из ламп соединены с наземным источником питания. Указанное устройство содержит, по меньшей мере, два геркона, аналогичное количество ламп и, по меньшей мере, три концентрично установленных в скважине кольцевидных постоянных магнита, причем расстояние между герконами больше длины хода золотника, два кольцевидных постоянных магнита имеют одинаковую ширину, закреплены на клапанном корпусе над золотником и расстояние между ними соответствует длине хода золотника, а ширина третьего кольцевидного постоянного магнита меньше, чем у остальных, и он закреплен на золотнике. Наземный подъемный механизм выполнен в виде имеющей регулируемую скорость электрической самостопорящейся, например, червячной лебедки.
На чертеже схематично показано устройство селективного заканчивания скважины.
В предлагаемом описании: 1 - труба, например, проставочная; 2 - трубчатый золотниковый клапан; 3 - корпус клапана 2; 4 - отверстие; 5 - обсадная колонна; 6 - продуктивный пласт или пропласток; 7 - золотник клапана 2; 8 - кольцевидный упор; 9 - захват; 10 - электропроводный трос; 11 - самостопорящаяся лебедка с реверсным ходом и регулируемой скоростью; 12 - электрический кабель; 13 - блок управления; 14 - наземный электрический источник питания; 15 - балластный груз; 16 - герметичный автономный электрический источник питания; 17 - радиоконтактное устройство; 18 - бесконтактный выключатель - геркон; 19 - сигнальное приспособление - электрическая лампа; 20 - кольцевидный постоянный магнит; 21 - цилиндрический корпус захвата 9; 22 - направляющая втулка; 23 - клиновидный упор; 24 - кулачок; 25 - кольцевидная пружина; 26 - электротепломеханический привод; 27 - стержень; 28 - конусный распор; 29 - рабочий элемент, обладающий эффектом памяти формы; 30 - термостат; 31 - электрический нагреватель; 32 - эластичный электротеплоизоляционный, например, силиконовый кожух.
Устройство селективного заканчивания скважины содержит закрепленный, например, на проставочной трубе 1 трубчатый золотниковый клапан 2, корпус 3 которого через отверстия 4 в обсадной колонне 5 связан с продуктивным пластом 6 (пропластком), а золотник 7 снабжен упорами 8 и периодически соединен с захватом 9, который закреплен электропроводным, например стальным, тросом 10 на имеющей регулируемую скорость электрической самостопорящейся, например
червячной, лебедке 11. Последняя связана соответствующими электрическими кабелями 12 через блок 13 управления с наземным электрическим источником 14 питания. На захвате 9 закреплен балластный груз 15 и установлены герметичный автономный электрический источник 16 питания, радиоконтактное устройство 17 и, по меньшей мере, два электрических бесконтактных, например, магнитных нормально разомкнутых выключателя - два геркона 18, аналогичное последним количество сигнальных приспособлений, например, две электрические лампы 19, которые раздельно соединены с блоком 13 соответствующими кабелями 12. На клапане 2 концентрично закреплены три объекта воздействия бесконтактных выключателей, например герконов 18, - три кольцевидных постоянных магнита 20, два из которых больше третьего. Устройство 17 посредством выполняющего функцию его антенны электропроводного троса 10 связано радиоэфиром с расположенным на поверхности земли другим радиоконтактным устройством 17, которое соединено соответствующими электрическими кабелями 12 через блок 13 с источником 14 питания.
Захват 9 содержит цилиндрический корпус 21, внутри которого горизонтально и вертикально установлены соответствующие направляющие втулки 22 и концентрично установлен кольцевидный упор 8. Горизонтально расположенные втулки 22 установлены радиально к корпусу 21 на одном уровне, и в каждой из них с возможностью перемещения установлен снабженный клиновидным упором 23 кулачок 24. С внешней стороны корпуса 21 с упором в упоры 23 кулачков 24 установлена кольцевидная пружина 25. Концентрично внутри корпуса 21 установлен электротепломеханический привод 26, содержащий соединенный стержнем 27 с конусным распором 28 рабочий элемент 29, обладающий эффектом памяти формы, который расположен в зоне действия снабженного термостатом 30 электрического нагревателя 31 внутри эластичного электротеплоизоляционного кожуха 32. Последний изготовлен, например, из силикона. Распор 28 выполнен массивным. Элемент 29 имеет, например, вид, по меньшей мере, одной прямолинейной проволоки из никелида титана и «память» его выражается в принудительном удлинении под весом распора 28 при охлаждении и самопроизвольном укорачивании при нагреве. Причем при максимальной длине элемента 29 распор 28 опирается на закрепленный в корпусе 21 упор 8. Нагреватель 31 связан соответствующими кабелями 12 через термостат 30 с источником 16 и с закрепленным в корпусе 21 радиоконтактным устройством 17. Последнее через наземное устройство 17 связано с блоком 13.
Герконы 18 закреплены друг над другом на корпусе 21, причем расстояние между ними больше длины хода золотника 7 при переключении клапана 2. Два кольцевидных магнита 20 имеют одинаковую ширину и установлены друг над другом на клапанном корпусе 3, причем расстояние между ними соответствует длине хода золотника 7 при переключении клапана 2. Ширина третьего магнита 20 меньше, чем у остальных магнитов 20, и он закреплен на золотнике 7. Посредством соответствующих кабелей 12 через закрепленное в корпусе 21 устройство 17 герконы 18 раздельно соединены с источником 16 и раздельно связаны через расположенное на поверхности земли устройство 17 и блок 13 каждый со своей лампой 19.
Устройство работает следующим образом. При необходимости переключения клапана 2 захват 9 располагают над скважиной и, включив лебедку 11, спускают его на тросе 10 в скважину. При этом в охлажденном состоянии рабочий элемент 29 максимально растянут под действием веса опирающегося на упор 8 распора 28. Из-за отсутствия магнитного взаимодействия между герконами 18 и магнитами 20 оба геркона 18 разомкнуты и обе лампы 19 не горят. В определенный момент поравнявшийся с верхним из магнитов 20 нижний геркон 18 вследствие магнитного взаимодействия замыкается и посредством устройств 17 информация об этом передается на поверхность к блоку 13, о чем сигнализирует короткая вспышка одной из ламп 19, например левой лампы 19. По команде с блока 13 лебедка 11 замедляется и скорость спуска захвата 9 падает. По мере продолжающегося медленного спуска захвата 9 тот же самый нижний геркон 18 вследствие магнитного взаимодействия со средним по высоте расположения магнитом 20 еще раз кратковременно замыкается, о чем сигнализирует повторная кратковременная вспышка той же самой левой из ламп 19. По команде с блока 13 лебедка 11 еще раз замедляется и скорость спуска захвата 9 еще раз падает. Когда нижний из герконов 18 окажется напротив закрепленного на золотнике 7 магнита 20, данный геркон 18 замыкается в третий раз, о чем в очередной раз сигнализирует зажженная левая из ламп 19. Получив информацию об этом третьем за данный спуск замыкании нижнего из герконов 18, блок 13 подает команду об остановке лебедки 11 и включении нагревателя 31. В результате захват 9 останавливается в момент расположения кулачков 24 на среднем между упорами 8 уровне с допусками относительно них по высоте. Температура внутри кожуха 32 повышается, нагреваемый нагревателем 31 рабочий элемент 29 вследствие реализации эффекта памяти формы самопроизвольно укорачивается и поднимает распор 28. В результате воздействия верхней части распора 28 кулачки 24 выдвигаются из корпуса 21, растягивают пружину 25, располагаются между упорами 8 золотника 7 и фиксируются в данном положении нижней частью распора 28, которая выполняет при этом функцию расположенного между кулачками 24 стопора. Продолжая работать, нагреватель 31 повышает температуру в кожухе 32 до тех пор, пока термостат 30 вследствие перегрева не разомкнется, отключив тем самым нагреватель 31. Получив через устройства 17 информацию о данном размыкании термостата 30, блок 13 на короткое время включает лебедку 11, и в зависимости от того, открыт клапан 2 или закрыт, перемещает захват 9 со сцепленным с его кулачками 24 золотником 7 вниз или вверх. При этом информацию об исходном положении клапана 2 и продолжительности включения лебедки 11 блок 13 получает в результате срабатывания верхнего из герконов 18. Например, если в момент расположения нижнего из герконов 18 напротив закрепленного на золотнике 7 магнита 20 и третьего по счету загорания связанной с ним левой из ламп 19 верхний из герконов 18 впервые замкнется и связанная с ним правая из ламп 19 загорится в первый раз, то это указывает на то, что золотник 7 расположен в крайнем верхнем положении и клапан 2 открыт.Если же еще до расположения нижнего из герконов 18 напротив закрепленного на золотнике 7 магнита 20 и соответствующего третьего за спуск захвата 9 загорания связанной с ним левой из ламп 19 верхний из герконов 18 уже один раз кратковременно замкнулся под воздействием самого верхнего из магнитов 20, о чем сигнализировала кратковременная вспышка связанной с ним правой из ламп 19, а в момент расположения нижнего из герконов 18 напротив расположенного на золотнике 7 магнита 20 верхний из герконов 18 замкнулся во второй раз, о чем сигнализировало второе, более длительное загорание связанной с ним правой из ламп 19, то это указывает на то, что золотник 7 расположен в крайнем нижнем положении и клапан 2 закрыт. При этом из-за соответствия длины хода золотника 7 расстоянию между закрепленными на корпусе 3 магнитами 20, под воздействием которых верхний геркон 18 замыкается, связанная с ним правая из ламп 19 загорается только тогда, когда золотник 7 оказывается в крайне верхнем или крайне нижнем положении. Таким образом, получив через устройства 17 информацию об одновременном замыкании обоих герконов 18 и однократном или двукратном замыкании верхнего из герконов 18, реагируя на нее, блок 13 подает команду лебедке 11 о начале и направлении перемещения соединенного с захватом 9 золотника 7. Получив же при перемещении золотника 7 информацию о взаимодействии верхнего из герконов 18 со вторым по счету из закрепленных на корпусе 3 магнитов 20, блок 13 подает команду об отключении нагревателя 31 и лебедки 11 и последующем включении последней на очень короткое время в направлении, соответствующем движению захвата 9 в направлении, противоположном его предыдущему перемещению. Поскольку ширина закрепленного на золотнике 7 магнита 20 меньше, чем у закрепленных на корпусе 3 магнитов 20, то при незначительном перемещении нижнего из герконов 18 и размыкании его вследствие прекращения взаимодействия с закрепленным на золотнике 7 магнитом 20 верхний из герконов 18 остается замкнутым из-за того, что продолжает взаимодействовать с одним из закрепленных на корпусе 3 магнитов 20. При прекращении взаимодействия нижнего из герконов 18 с закрепленным на золотнике 7 магнитом 20, о чем сигнализирует своим отключением связанная с данным герконом 18 левая из ламп 19, по команде с блока 13 лебедка 11 после указанного крайне непродолжительного включения отключается, и захват 9 останавливается в положении, при котором кулачки 24 оказываются расположенными посередине между упорами 8 золотника 7. То есть в положении, при котором верхний или нижний упор 8 золотника 7 перестает оказывать на соответствующие кулачки 24 стопорящее воздействие. После указанного отключения нагревателя 31 температура внутри кожуха 32 понижается, рабочий элемент 29 охлаждается и под действием веса распора 28 удлиняется до тех пор, пока тот не упрется в упор 8. В результате под действием пружины 25 кулачки 24 задвигаются внутрь корпуса 21. Далее по команде на блок 13 лебедку 11 включают и в зависимости от потребностей захват 9 либо поднимают на поверхность, либо перемещают в скважине для переключения очередного клапана (не показан).
Устройство селективного заканчивания скважины работает аналогичным образом и в случае использования вместо герконов 18 других, например, индукционных бесконтактных выключателей, объектами воздействия которых являются, например, медные кольца. Следует отметить, что количество выключателей (герконов 18) и объектов их воздействия (магнитов 20) в предложенном описании до крайности минимизировано. На практике их количество может быть увеличено. Автоматизация работы устройства предполагает использование в блоке 13 микропроцессора, и чем больше исходной информации им будет обработано, тем проще станет работа оператора, увеличена скорость транспортировки захвата 9 в скважине и ускорен процесс переключения клапана 2. Например, при установке дополнительного геркона 18 под грузом 15 и, по меньшей мере, одного дополнительного магнита 20 над устьем скважины блок 13 обеспечит автоматизацию процесса плавной остановки поднимаемого на поверхность массивного захвата 9 с грузом 15. Аналогичным образом в случае запрограммированного поочередного переключения нескольких клапанов 2 (не показаны) при одном спуске захвата 9 в скважину для самостоятельного распознавания устройством 9 разных клапанов 2 можно, например, устанавливать над корпусом 3 каждого из них дополнительный магнит 20. При этом отличительной для блока 13 особенностью каждого клапана 2 станет различие расстояния установки этого магнита 20 относительно закрепленных на корпусе 3 магнитов 20.
В предлагаемом описании перед переключением очередного по высоте расположения клапана 2 (не показаны) захват 9 должен находиться над этим клапаном 2. В противном случае, когда сцеплению захвата 9 с золотником 7 предшествует не спуск, а подъем захвата 9 лебедкой 11, нагрев рабочего элемента 29 нагревателем 31 начинается при первом же загорании связанной с нижним из герконов 18 левой из ламп 19.
Участвующий в управлении предлагаемого устройства нормально замкнутый термостат 30 одновременно выполняет и традиционную для термостатов защитную функцию. В случае превышения предельно допустимой температуры нагрева элемента 29 и кожуха 32 термостат 30 размыкается, что ведет к отключению нагревателя 31 и предотвращению порчи элемента 29 и кожуха 32 от перегрева. После же заданного регулировкой термостата 30 периода отключения нагревателя 31 следует повторное включение последнего.
Электротепломеханический привод 26 на основе эффекта памяти формы может быть заменен другим электрическим приводом, например электромагнитным или электрическим мотор-редуктором, которые, однако, при силовых характеристиках привода 26 значительно более шире в поперечном сечении и поэтому не могут быть использованы в скважинах малого диаметра, а из-за сложности конструкции менее надежны. Кроме того, в отличие от аналогов для предлагаемой конструкции привода 26 отсутствуют жесткие требования к стабильности поступающей от источника 16 к нагревателю 31 энергии. При этом снижение мощности источника 16 ведет лишь к увеличению продолжительности нагрева, но не влияет на дееспособность привода 26.
С целью облегчения распора 28 при растяжении элемента 19 наряду с распором 28 можно использовать пружину (не показана).
Сигнальные устройства в виде ламп 34 могут быть заменены электрическими звонками. При этом их наличие обеспечивает возможность не только контролировать процесс переключения клапана 2, но и осуществлять дублирование автоматической работы блока 13 своевременными командами оператора.
Самостопорящаяся червячная лебедка 11 с реверсным ходом обеспечивает при отключении надежную фиксацию захвата 9 на заданной глубине как после его подъема, так и после погружения.
Использование для связи компактных радиоконтактных устройств 17 делает возможным применение в качестве тяги традиционного троса 10.
Использование своеобразной системы наведения захвата 9, содержащей закрепленные в скважине магниты 20, связанные с блоком 13 герконы 18 и лампы 19, делает возможным штатное срабатывание устройства даже в случае значительного провисания, упругой деформации и термодеформации длинномерного троса 10.
На корпусе 21 или внутри него можно разместить соединенную с источником 16 и связанную посредством устройств 17 с блоком 13 геофизическую измерительную аппаратуру. Это позволяет одновременно с работой устройства селективного заканчивания скважины производить необходимые геофизические измерения. Для того чтобы наводить кулачки 24 предлагаемого устройства на упоры золотника клапана [1, 2], не снабженного магнитами 20 или другими объектами наведения, в корпусе захвата 21 может быть установлена видеокамера с подсветкой или ультразвуковой наблюдательный прибор.
Источники информации
1. Патент США №5203412, МКИ Е21В 23/04, 1991 г.
2. Патент РФ №2244801, МКИ 7 Е21В 23/04, опубликован в 2005 г. (прототип).