Устройство управления клапаном и способ регулирования потока в скважине
VALVE CONTROL DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING FLOW IN A WELL

Известен патент РФ №2620700, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэдектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, полый шток, на который установлен подвижный дифференциальный поршень, выравнивающий скважинное и пластовое давления. Известен патент РФ №2645311, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, полый шток на который установлена штуцерная трубка. Известен патент РФ №2706083, описывающий скважинный управляемый электромеханический клапан, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, клапан в виде поршня внутри наружного корпуса, перекрывающий поток жидкости через отверстия, выполненные в нем. Известен патент РФ №2761913, описывающий скважинный клапан с управляемым электроприводом, содержащий микроэлектродвигатель, редуктор, винтопару с гайкой, шарикоподшипники, кабель для управления, установленный снаружи корпуса датчик состава флюида. Известен патент РФ №2569390, описывающий скважинную установку с системой контроля и управления эксплуатации месторождений, содержащее регулирующее устройство, выполненное в виде клапана, приводимого в движение электродвигателем.
Указанные выше патенты предусматривают питание от нулевой точки электродвигателя скважинного насоса или геофизического кабеля и представляют собой массивные конструкции около 50 кг. Применение геофизических кабелей в процессе добычи(закачки) имеет ограничение. К примеру при использовании струйного насоса диаметром 108 мм в обсадной колонне с внутренним диаметром 122 мм и естественным изгибом ствола скважины в доли градусов оставляет мало шансов на нормальную работу геофизического кабеля. Дополнительно к этому влияние коррозии до 1 метра в год вообще сводит к нулю возможность применения геофизических кабелей при добыче(закачке).
Известен патент РФ №2475643, описывающий «Способ и устройство для контроля управления процессом одновременно-раздельной эксплуатации многопластовых обсаженных скважин(варианты) и исполнительный модуль в составе устройства(варианты)», содержащий клапан регулирования подачи (отбора) текучей среды, управляемый шаговым микродвигателем, блок автономного питания, при этом управление осуществляется по сигналам с поверхности земли. Идея автономности, предложенная в данном патенте очень привлекательна, но реализация с применение электродвигателя или микродвигателем или микроэлектродвигателем выливается в серьезный опорный подшипниковый узел, который должен выдерживать осевую нагрузку в несколько тонн в зависимости от диаметра оси, выходящей за пределы корпуса устройства. Указанное усилие распространяется на винтопару с гайкой. Есть варианты изготовления таких винтопар, включая применения дополнительных шаров. Это сложные и затратные устройства. Кроме того регулярно необходимо менять смазку. Стоимость обслуживания подобных электроприводов судя по всему должна быть высокой.
Известен патент РФ №2633598, описывающий автономное устройство для регулирования потока в скважине, содержащий средства входа, выхода среды и гидравлического сопротивления, установленного между ними, способного менять своих характеристики под действием окружающей среды либо с помощью сигнала.
Цель изобретения состоит в использовании энергии пластового давления экономически выгодными методами, не требующего серьезного обслуживания, простого в эксплуатации.
Наиболее близкими к рассмотрению как прототип являются патенты, использующие автономную эксплуатацию и как следствие применение энергосберегающих технологий. В качестве прототипа был взят патент РФ №2344290, включающий пробоприемную, балластную камеру и расположенным между ними запорным устройством, состоящим из регулятора давления и гидрореле.
Цель достигается гидравлическим управлением в данном случае устройства регулирования потоками в скважине, представляющего собой корпус, установленный в наружный корпус в верхней точке продуктивного пласта или установленный на муфту (переводник) снаружи насосно-компрессорной трубы, имеющий входные и выходные отверстия для потока скважинной жидкости. Из корпуса выступает второй разделительный поршень, на котором закреплен клапан или дроссель или задвижка. Эти элементы могут регулировать поток или потоки, в зависимости от их количества, путем осевого перемещения. Для этого производится стравливания части гидравлической жидкости из одной или двух камер, отсеченных от пластовой жидкости разделительными поршнями, либо по одному гидравлическому каналу, либо по двум гидравлическим каналам в балластную камеру. При этом клапан либо закрывает проходное отверстие, либо открывает, либо частично закрывает. На рисунках 1-6 изображены: 1 - запорное устройство, 2 - корпус, 3 - второй разделительный поршень, 4 - клапан, 5 - разделительный поршень, 6 - шток, 7 - камера, 8 - герметичные уплотнения, 9 - вторая камера, 10 - второе запорное устройство, 11 - балластная камера, 12 - блок питания, управления и связи, 13 - муфта, 14 - входные отверстия, 15 - наружный корпус, 16 - выходные отверстия.
Предлагаемый способ использует перемещение разделительного поршня 5 только в одну возможную сторону, то есть в сторону балластной камеры 11 благодаря избыточному давлению скважинной жидкости, проходящей через входные отверстия 14 и нулевое давление балластной камеры 11. Для регулирования потоков в многопластовой скважине используется клапан 4, размещенный в наружном корпусе 15 или муфте 13, закрепленный на втором разделительном поршне 3. Во второй разделительный поршень 3 установлен разделительный поршень 5, соединенный со штоком 6 и помещен в корпус 2, образуя таким образом камеру 7, которая посредством запорного устройства 1 соединена с балластной камерой 11. Шток 6 сообщается со второй камерой 9, которая посредством второго запорного устройства 10 соединена с балластной камерой 11.
На рис. 2-4 показаны стадии работы устройства по предлагаемому способу. На рис. 2 показано некоторое начальное состояние клапана 4, частично перекрывающее поток скважинной жидкости проходящей через входные отверстия 14 и выходящий через выходные отверстия 16, выполненный в данном случае в муфте 13. На рис. 3 открывая запорное устройство 1 и второе запорное устройство 10 под действием давления скважинной жидкости второй разделительный поршень 3 и разделительный поршень 5 двигаются в сторону балластной камеры 11, гидравлическая жидкость из камеры 7 и второй камеры 9 истекает в балластную камеру 11. При этом полностью открываются входные отверстия 14. На рис. 4 открывая второе запорное устройство 10 гидравлическая жидкость из второй камеры 9 истекает в сторону балластной камеры 11 и второй разделительный поршень 5 под действием давления пластовой жидкости движется в сторону балластной камеры 11, вытесняя из камеры 7 второй разделительный поршень 3 в противоположную балластной камере 11 сторону. При этом клапан 4, установленный на втором разделительном поршне 3 перекрывает входные отверстия 14.
На рис. 7 изображено запорное устройство для реализации предложенного способа: 17 - входной гидравлический канал, 18 - регулятор давления, 19 - гидрореле, 20 - дозировочная камера, 21 - второе гидрореле, 22 - выходной гидравлический канал. Гидравлическая жидкость из камеры 7 или второй камеры 9 поступает по входному гидравлическому каналу 17 на регулятор давления 18, который снижает его до величины, при котором гидрореле 19 и второе гидрореле 21 можно открывать и закрывать малыми электрическими токами. В описания под термином «открывая запорное устройство» следует понимать следующий процесс. Сначала открывается гидрореле 19 на время выравнивания давления в дозировочной камере 20, затем закрывается гидрореле 19, открывается гидрореле 21, давление дозировочной камеры стравливается, часть ее уходит в балластную камеру 11 по выходному гидравлическому каналу 22 и закрывается гидрореле 21. Следует понимать, что между указанными этапами существуют некоторые временные задержки. Применение дозировочной камеры 20 и второго гидрореле 21 позволило сделать процесс дискретным или ступенчатым, что позволяет точнее устанавливать регулировочный элемент клапан 4.
Блок питания, управления и связи 12 служит помимо прямых обязанностей, отраженных в названии, служит также для поддержания автономности устройства. Рассмотренные выше патенты не могут обойтись без кабеля в силу своей энергозатратности, а предложенное устройство может. Автономное питание можно рассматривать как резервный источник питания для выполнения задач регулирования потоков в скважине.
На рис. 5, 6 показаны варианты установки устройства по предлагаемому способу внутри наружного корпуса и снаружи насосно-компрессорной трубы на муфте.