УСТРОЙСТВО СЕЛЕКТИВНОГО ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR SELECTIVE COMPLETION OF WELL

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для селективной изоляции пластов при заканчивании нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство селективного заканчивания скважины интеллектуальной внутрискважинной клапанной системы для управления извлечением флюидов из нескольких разобщенных соответствующими пакерами интервалов скважины [1]. Устройство содержит снабженный органом регулирования и исполнительным механизмом регулирующий золотниковый клапан, корпус органа регулирования которого установлен на трубе и связан через отверстия в обсадной трубе с продуктивным пластом. Исполнительный механизм выполнен гидро- или пневматическим, закреплен в скважине, постоянно соединен с золотником органа регулирования и посредством трубчатой линии управления связан с расположенным на поверхности земли блоком управления и контроля.
Переключение клапана осуществляют по команде с блока регулирования и контроля путем повышения и понижения давления в линии управления и исполнительном механизме.
Недостаток известного устройства заключается в сложности его изготовления, что обусловлено в первую очередь трудностями, связанными с прокладкой трубчатой линии управления в скважине.
Недостаток известного устройства заключается в его ограниченных функциональных возможностях.
Регулирующий клапан предназначен для работы при перепаде давлений на входе и выходе, достигающем сотен атмосфер, чем обусловлены повышенные требования к его прочностным характеристикам. Из-за проблем, связанных со сложностью прокладки трубчатой линии управления высокого давления, в случае ее повреждения линии управления невозможно восстановить работоспособность устройства без полного демонтажа скважинного оборудования. Повышению надежности устройства способствует снижение рабочего давления в линии управления. Однако это чревато значительным увеличением диаметра гидро- или пневмоцилиндра исполнительного механизма и обусловливает либо неоправданное увеличение диаметра скважины, либо использование при ее эксплуатации только низкопроизводительного скважинного оборудования малого диаметра.
Известно выбранное в качестве прототипа устройство селективного заканчивания скважины, содержащее электрический регулирующий клапан с органом регулирования в виде золотникового клапана, корпус регулирующего органа которого установлен в трубчатом корпусе, закрепленном на находящейся в обсадной колонне труб колонне напорных труб меньшего диаметра и сообщается с внутренней полостью последней и через отверстия в обсадной трубе скважины с продуктивным пластом [2]. Исполнительный механизм регулирующего клапана выполнен в виде соединенных с золотниковым затвором его регулирующего органа двух противодействующих друг другу термочувствительных элементов из сплава с эффектом памяти формы. Один из этих термочувствительных элементов расположен над, а другой под затвором, и каждый из них соединен противоположным концом с трубчатым корпусом регулирующего клапана. Поочередный нагрев последних осуществляется электрическим нагревателем, соединенным электрическими проводами через наземный блок управления с источником электропитания. Нагреватель закреплен снаружи трубчатого корпуса на периодически спускаемом в скважину на гибкой тяге челночном приспособлении между двумя раздвижными эластичными органами, которые концентрично установлены снаружи того же корпуса и связаны с ним посредством термочувствительного элемента из сплава, обладающего эффектом памяти формы и пружины реверса.
Операции закрытия и открытия регулирующего золотникового клапана производятся путем опускания челночного приспособления на тяге до уровня верхнего или нижнего термочувствительного элемента регулирующего клапана и включения нагревательного элемента. В результате термочувствительный элемент челночного приспособления нагревается, в нем реализуется аустенитное превращение, и он самопроизвольно деформируется, совершая работу по прижатию раздвижных эластичных органов к колонне напорных труб и деформации противодействующей этому реверсной пружины. В результате происходит теплоизоляция кольцевидного зазора на участке, напротив которого расположен нижний из термочувствительных элементов исполнительного механизма. При нагреве в нем реализуется аустенитное превращение, и он самопроизвольно деформируются, совершая работу по закрытию золотникового клапана, после чего нагреватель челночного приспособления отключается от электросети. В результате термочувствительный элемент челночного приспособления охлаждается скважинными флюидами до мартенситного состояния и удлиняется под действием своей реверсной пружины, раздвижные органы прижимаются к корпусу челночного приспособления и перестают препятствовать охлаждению этого термочувствительного элемента скважинными флюидами до мартенситного состояния.
При необходимости открытия клапана приходится перемещать челночное приспособление вверх и включать его нагреватель, осуществляя, таким образом, нагрев верхнего из термочувствительных элементов исполнительного механизма, совершающий в процессе реализации аустенитного превращения работу по перемещению вверх золотникового затвора и растяжению противодействующего этому термочувствительного элемента, который находится при этом в охлажденном мартенситном состоянии.
Недостатком известного устройства является его ограниченная функциональная возможность. А именно то, что для открытия и закрытия регулирующего клапана каждый раз приходится перемещать относительно него челночное приспособление, и при использовании в качестве тяги напорной трубы погружного скважинного насоса переключение клапана возможен только после прекращения добычи и отсоединения напорной трубы насоса от оголовка скважины.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства селективного заканчивания скважины.
Указанная цель достигается тем, что устройство селективного заканчивания скважины, содержащее электрический регулирующий клапан, корпус регулирующего органа которого закреплен на колонне напорных труб, расположен напротив продуктивного пласта и сообщается с последним через отверстия в обсадной колонне труб скважины, а затвор соединен с электрическим исполнительным механизмом, который посредством закрепленных на периодически спускаемом на тяге в скважину челночном приспособлении электрических проводов связан через блок управления с источником электроэнергии, челночное приспособление снабжено трубчатым корпусом с концентрично расположенным снаружи раздвижным эластичным органом, который соединен с этим корпусом посредством термочувствительного элемента из сплава, обладающего эффектом памяти формы и элемента его реверса, отличается тем, что дополнительно содержит разъемный электроконтактный орган, одна из разъемных частей которого имеет вид электроизолированных друг от друга электрических контактов, соединенных соответствующими электрическими проводами с электрическим исполнительным механизмом, другая часть имеет вид электроизолированных друг от друга электрических контактов, которые установлены на распорном органе челночного приспособления и соединены с закрепленными на нем соответствующими электрическими проводами, а указанный элемент реверса имеет вид термочувствительного элемента из сплава с эффектом памяти формы, и концы обоих термочувствительных элементов челночного приспособления соединены с закрепленными на нем соответствующими электрическими проводами. Тяга имеет вид колонны напорных труб погружного скважинного насоса. Распорный орган челночного приспособления имеет вид соосно закрепленного на торце указанного трубчатого корпуса упругого трубчатого раструба из электроизоляционного материала, например из резины, в котором расположены ножевидные электрические контакты, а электрические контакты постоянно соединенной с электрическим исполнительным механизмом части разъемного электроконтактного органа имеют вид колец из электропроводного материала, которые концентрично закреплены в трубчатом корпусе, изготовленном из электроизоляционного материала, например из фторопласта.
На фиг.1 схематично показано устройство селективного заканчивания скважины с двумя регулирующими клапанами при разомкнутом - транспортном положении разъемного электроконтактного органа. На фиг.2 схематично показано устройство селективного заканчивания скважины с двумя регулирующими клапанами при замкнутом - рабочем положении разъемного электроконтактного органа. На фиг.3 изображен поперечный разрез упругого раструба челночного приспособления в плоскости расположения кольцевидного контакта, на левой стороне относительно оси - при разомкнутом, а на правой - замкнутом положении кольцевидного и ножевидного контактов.
В предлагаемом описании: 1 - обсадная колонна; 2 - колонна напорно-компрессорных труб; 3 - продуктивный пласт (пропласток); 4 - трубчатый корпус; 5 - отверстие; 6 - пакер; 7 - золотниковый клапан; 8 - клапанный корпус; 9 - клапанный золотник; 10 - термочувствительный элемент с эффектом памяти формы; 11 - электроизоляционная трубка; 12 - электрический изолятор; 13 - электрический провод; 14 - трубчатый корпус; 15 - кольцевидный электрический контакт; 16 - ножевидный электрический контакт; 17 - раструб; 18 - трубчатый корпус; 19 - челночное приспоспособление; 20 - напорная колонна труб; 21 - конический распор; 22 - блок управления; 23 - источник электропитания.
Устройство селективного заканчивания скважины содержит закрепленную в обсадной колонне труб 1 колонну напорно-компрессорных труб 2 с установленным напротив продуктивного пласта 3 трубчатым корпусом 4 (фиг.1-3). Расположенный в пласте 3 участок колонны 1 снабжен отверстиями 5. Кольцевидная полость между колоннами 1, 2 над и под перфорированным отверстиями 5 участком колонны 1 ограничена по высоте двумя пакерами 6, между которыми в зазоре между колонной 2 и корпусом 4 закреплены два золотниковых клапана 7. Каждый из них содержит корпус 8 и установленный в нем с возможностью продольного перемещения золотник 9, который соединен противоположными концами с исполнительным механизмом в виде двух термочувствительных элементов 10, изготовленных из сплава, обладающего эффектом памяти формы, например из никелида титана. Посредством корпуса 8 внутренняя полость колонны 2 периодически сообщается через отверстия 5 с продуктивным пластом 3. Элементы 10 установлены внутри соответствующих эластичных электроизоляционных, например силиконовых, трубок 11. Один из термочувствительных элементов 10 каждого золотникового клапана 7 расположен над, а другой под его золотником 9, и каждый элемент 10 посредством электрического изолятора 12, например, из стеклотекстолита соединен одним концом с корпусом 4, а другим - с золотником 9. Память элементов 10 выражается в самопроизвольном укорачивании при нагреве и принудительном удлинении соответствующим противодействующим ему элементом 10 при охлаждении.
Посредством соответствующих электрических проводов 13 концы элементов 10 соединены с концентрично закрепленными в трубчатом корпусе 14 соответствующими кольцевидными электрическими контактами 15. Корпус 14 изготовлен из электроизоляционного материала, например из фторопласта, и закреплен в скважине концентрично ей. Контакты 15 закреплены в корпусе 14 вдоль скважины на расстоянии друг от друга и периодически соединены с ножевидными электрическими контактами 16, которые закреплены в раструбе 17, изготовленном из упругого электроизоляционного материала, например из резины. Контакты 15 с корпусом 14 представляют собой неподвижную, а контакты 16 с раструбом 17 подвижную часть разъемного электроконтактного органа. При этом расстояния между соседними контактами 15 равны расстояниям между соседними контактами 16 и при замкнутом положении разъемного электроконтактного органа каждый из контактов 15 соединен с соответствующим контактом 16. Раструб 17 соосно закреплен своим торцом на торце трубчатого корпуса 18 трубчатого челночного приспособления 19. Корпус 18 установлен на напорной колонне труб 20 погружного скважинного насоса (на фиг.1-3 насос с его электрическим кабелем не показаны). В корпусе 18 телескопически установлен конический распор 21. Корпус 18 и распор 21 соединены между собой двумя термочувствительными элементами 10, каждый из которых расположен в соответствующей электроизоляционной трубке 11 и снабжен на концах соответствующими электрическими изоляторами 12. Посредством закрепленных на колонне 20 проводов 13 соответствующие ножевидные контакты 16 соединены через наземный блок управления 22 с источником электропитания 23.
Операции закрытия и открытия клапанов 7 производятся после спуска трубы 20 с челночным приспособлением 19 в скважину и фиксации ее в положении, при котором самые нижние, средние и верхние по высоте из показанных на фиг.1, 2 ножевидных контактов 16 находятся соответственно на уровне нижнего, среднего и верхнего по высоте кольцевидного контакта 15.
При необходимости запирания клапанов 7 (см. фиг.1-3) на блок 22 подают команду о подаче напряжения от источника 23 через блок 22 и соответствующие провода 13 на верхний из элементов 10 приспособления 19. Из-за этого вследствие прямого электрического нагрева этот элемент 10 самопроизвольно укорачивается и совершает работу по перемещению распора 21 вверх и растяжению связанного с ним другого элемента 10, который находится при этом в охлажденном мартенситном состоянии. Перемещение распора 21 ведет к увеличению наружного диаметра раструба 17 до тех пор, пока он с контактами 16 не упрется соответственно в корпус 14 и контакты 15. После этого, подав команду на блок 22, прекращают подачу напряжения на верхний из элементов 10 челночного приспособления 19, в результате чего этот элемент 10 охлаждается скважинными флюидами до мартенситного состояния.
При данном замкнутом положении соответствующих контактов 15 и 16 для запирания клапанов 7 на блок 22 подают команду о подаче напряжения от источника 23 через блок 22, соответствующие провода 13 и замкнутые контакты 15 и 16 на расположенные под соответствующими золотниками 9 нижние элементы 10 соответствующих клапанов 7. При этом вследствие прямого электрического нагрева в этих элементах 10 реализуется аустенитное превращение, они самопроизвольно укорачиваются и совершают работу по перемещению соединенных с ними затворов 9 вниз и растяжению связанных с теми же затворами 9, но находящихся над ними в охлажденном мартенситном состоянии соответствующих элементов 10.
Отпирание клапанов 7 производят путем подачи на блок 22 команды о подаче напряжения от источника 23 через блок 22, соответствующие провода 13 и замкнутые контакты 15 и 16 на расположенные над соответствующими золотниками 9 элементы 10 соответствующих клапанов 7. Вследствие чего из-за прямого электрического нагрева в этих элементах 10 реализуется аустенитное превращение, они самопроизвольно укорачиваются и совершают работу по перемещению соединенных с ними затворов 9 вверх и растяжению связанных с теми же затворами 9, но находящихся под ними в охлажденном мартенситном состоянии соответствующих элементов 10.
Перед транспортировкой колонны 20 с приспособлением 19 из скважины на блок 22 подают команду на подачу напряжения от источника 23 через блок 22 и соответствующие провода 13 на нижний из элементов 10 приспособления 19. Вследствие прямого электрического нагрева в этом элементе 10 реализуется аустенитное превращение, он самопроизвольно укорачивается и совершает работу по перемещению распора 21 вниз и растяжению верхнего из элементов 10 приспособления 19, который находится при этом в мартенситном состоянии. Перемещение распора 21 вниз ведет к уменьшению наружного диаметра упругого раструба 17 и прекращению взаимодействия его с корпусом 14, а каждого из контактов 16 с соответствующими контактами 15. После этого, подав команду на блок 22, прекращают подачу напряжения на нижний из элементов 10 челночного приспособления 19, и этот элемент 10 охлаждается скважинными флюидами до мартенситного состояния.
Происходящее в элементах 10 из никелида титана аустенитное и мартенситное превращение находит яркое отражение в аномальном гистерезисном изменении их электрического сопротивления [3]. В предлагаемом устройстве наличие постоянного электрического контакта между каждым из его элементов 10 и находящихся в блоке 22 приборов, измеряющих электрическое сопротивление этих элементов 10 может быть использовано для наблюдения в реальном времени за температурой и степенью деформации элементов 10. В результате чего сами же элементы 10 выполняют функцию датчиков своей температуры и деформации, а снабженный приборами для измерения их электрического сопротивления блок 22 приобретает функцию контролирующего органа.
Условием нормального функционирования предлагаемого устройства является установка трубы 20 в скважине и фиксация ее в положении, при котором расположенные на приспособлении 19 контакты 16 находятся напротив закрепленных в скважине соответствующих контактов 15. Чтобы обеспечить высокую точность такого наведения помимо увеличения ширины кольцевидных контактов 15, устройство может быть оборудовано ранее предложенными нами прицельными приспособлениями с бесконтактными электрическими выключателями [4] или ультразвуковым прибором [5].
Список использованной литературы
1. Патент РФ №2320850, E21B 34/06, E21B 43/14. (43) Дата публикации заявки: 2005.09.20, (45) Опубликовано: 2008.03.27.
2. Решение о выдаче патента РФ на изобретение «Устройство селективного заканчивания скважины» по заявке №2009117753/03(024395) от 14.04.2010, 7E21B 23/04, E21B 34/06, E21B 43/14. Начало отсчета срока действия патента - 2009 г.
3. Оцука К., Симидзу К, Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы. Перевод с японского под редакцией А.М.Глезера, М.: Металлургия, 1990, стр.76, 165.
4. Решение о выдаче патента РФ на изобретение «Устройство селективного заканчивания скважины» по заявке №2009119397/03(026719) от 09.02.2010, 7E21B 23/04, E21B 34/06, Е21B 43/14. Начало отсчета срока действия патента - 2009 г.
5. Решение о выдаче патента РФ на изобретение «Устройство селективного заканчивания скважины» по заявке №2009121168/03(029270) от 17.02.2010, 7E21B 23/04, E21B 34/06, E21B 43/14 Начало отсчета срока действия патента - 2009 г.