Автономное устройство регулирования потока флюида в скважине
STAND-ALONE DEVICE FOR CONTROLLING FLUID FLOW IN WELL

Изобретение относится к области добычи углеводородов и может быть использовано при эксплуатации скважин, в частности для выравнивания профиля притока флюида по длине скважины.
В рамках настоящей заявки термин «заканчивание скважины» означает (см. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1979; Теория и практика заканчивания скважин: в 5 т. / А.И. Булатов, П.П. Макаренко, В.Ф. Будников и др. - М.: Недра, 1997-1998. Т. 1-5) спуск компоновки из труб, возможно, фильтров (через них течет жидкость) или последующей перфорации, пакеров (изолирующие элементы) и подвески (крепежное приспособление (якорь) для того, чтобы вся конструкция фиксировалась в указанном месте).
На данный момент в нефтегазовой индустрии существует два основных типа систем контроля притока с использованием заканчивания скважин. Часто используемые системы контроля притока представляют собой пассивные устройства, которые монтируются в противопесочные фильтры. Наиболее распространены модификации штуцерных или трубочно-канальных систем. Данные системы за счет гидравлического сопротивления создают определенный перепад давления между пластом и скважиной, тем самым изменяя депрессию на пласт. При этом уровень штуцерования или гидравлического сопротивления (подбор определенного диаметра штуцера или длины и диаметра трубочно-канальной системы) осуществляют на основе данных каротажа после бурения или по данным каротажа во время бурения – LWD, и, естественно, этот параметр не может быть изменен после установки оборудования в скважину.
Основным недостатком такой системы является невозможность поменять ее настройку в случае изменения со временем характеристик призабойной зоны пласта, а также невозможность при прорыве воды или газа ограничить приток упомянутых компонентов. В случае неправильной установки системы или ее недоспуска весь дизайн настройки не будет соответствовать притоку жидкости по длине самой горизонтальной скважины, что также отрицательно скажется на дебите последней и выработке месторождения в целом.
Известны также активные системы с гидравлически контролируемыми клапанами, которые спускают на насосно-компрессорной трубе (НКТ) внутрь хвостовика или противопесчанных фильтров. Данные клапана имеют возможность регулировать уровень дросселирования каждой зоны с поверхности.
Основными недостатками таких систем являются высокая стоимость оборудования и сервисных работ при установке и эксплуатации, ограничение по глубине спуска и небольшая надежность работы.
Известно (RU, патент 2042788, опубл. 27.08.1995) клапанное устройство для насосной скважины, включающее полый корпус с входными отверстиями, управляющий элемент в виде сильфона, установленный в верхней части корпуса и образующий с ним камеру, заполненную сжатым газом и оборудованную узлом зарядки, подпружиненные седла, размещенные в нижней части корпуса, шток, жестко связанный верхним концом с упругим элементом, а нижним под седлами - с затворами. Известное устройство предназначено для регулирования динамического уровня жидкости в насосной скважине.
Недостатком устройства является невысокая надежность работы.
Известна также (SU, авторское свидетельство 1781416, опубл. 15.12.1992 г.) скважинная установка, включающая спущенный на колонне труб посадочный ниппель со съемным клапаном - регулятором и отсекателем для насосной эксплуатации, состоящий из полого корпуса с пропускными отверстиями, наружными уплотнителями и фиксатором, внутри которого установлен сверху вниз сильфон с ограниченным ходом вверх и вниз, жестко связанный нижним концом со штоком, а верхним торцом с корпусом и образующий с ним камеру зарядки, седло, жестко зафиксированное в корпусе, и под седлом - затвор, связанный со штоком сильфона.
Недостатком известного технического решения является невысокая надежность, обусловленная тем, что клапан-отсекатель установлен по центру труб, из-за чего сужается проходное сечение подъемника и не уравновешиваются его положения в посадочном ниппеле в процессе работы. При этом возникает большая вероятность выброса клапана при высоких перепадах давлений, а также вероятность его забивания механическими примесями при остановке скважины, что затрудняет извлечение клапана из ниппеля. Кроме того, шток сильфона связан с затвором, что увеличивает вероятность обрыва штока от затвора при динамических нагрузках и нарушения герметичности пары "затвор-седло".
Ближайшим аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2513570, опубл. 20.04.2014) клапанный узел, предназначенный для использования в стволе скважины (два варианта). Согласно первому варианту клапанный узел содержит корпус, соединенный с насосно-компрессорной колонной, камеру, образованную внутри корпуса и гидравлически сообщенную через проточный канал с внутренним кольцевым зазором, образованным вблизи скважины; поршень и смещающий элемент, расположенные в камере, причем смещающий элемент приспособлен для смещения поршня в первое положение, и путь потока текучей среды, образованный внутри корпуса, сообщенный с насосно-компрессорной колонной и внутренним кольцевым зазором и содержащий одну или несколько форсунок, расположенных в нем, при этом поршень способен перемещаться между первым положением, обеспечивающим проход потока - проток текучей среды через путь потока в насосно-компрессорную колонну, и вторым положением, предотвращающим поток текучей среды в насосно-компрессорную колонну. Согласно второму варианту клапанный узел содержит корпус, соединенный с насосно-компрессорной колонной, камеру, образованную внутри корпуса и имеющую первый конец, гидравлически сообщенный с внутренним кольцевым зазором проточным каналом, и второй конец, гидравлически сообщенный с насосно-компрессорной колонной через вентиляционный канал, путь потока текучей среды, образованный внутри корпуса и проходящий через камеру, для обеспечения гидравлического сообщения внутреннего кольцевого зазора с насосно-компрессорной колонной, форсунку, расположенную внутри пути потока вблизи насосно-компрессорной колонны, поршень, расположенный внутри камеры, приспособленный для радиального перемещения относительно насосно-компрессорной колонны и имеющий поршень имеет прижимной конец, смещающий конец и центральную часть уменьшенного поперечного сечения, расположенную между прижимным и смещающим концом, и смещающий элемент, расположенный вблизи второго конца камеры и приспособленный для перемещения поршня в первое положение, причем поршень приспособлен для перемещения между первым положением, обеспечивающим поток текучей среды через путь потока в насосно-компрессорную колонну, и вторым положением, предотвращающим поток текучей среды в насосно-компрессорную колонну, - перекрыт.
Недостатком известного решения можно признать следующее: в известном техническом решении клапан способен только закрываться при увеличении разности давлений между внутренней частью насосно-компрессорной колонны и затрубным пространством скважины, т.е. клапан перекрывает проходное сечение прохода флюида при увеличении разницы давлений. Принцип работы клапана основывается на поджатии пружиной, такая конструкция быстро выйдет из строя. Система в указанном патенте не имеет возможности переключаться, клапан может только закрыться и перекрыть весь канал, и нет возможности переключения клапана по сигналу. Клапанный узел непригоден для подстройки под изменение расхода. Гидравлическое сопротивление, функцию которого выполняют форсунки, хотя может быть использовано любое устройство, имеющее сужения и собственное гидравлическое сопротивление, не играет существенной роли. При этом подстройка клапанного узла по разнице давлений неэффективна, поскольку добыча углеводорода прежде всего характеризуется расходом жидкости, преимущественно нефти, а расход зависит только косвенно от разницы давлений. Расход различен для разных скважин и может меняться со временем при засорении призабойной зоны или прорывах воды или газа при одной и той же разнице давлений. Следовательно, известный клапанный узел малоэффективен в качестве устройства регулирования потока флюида в скважине.
Техническая задача, решаемая посредством разработки данного технического решения, состоит в расширении функциональности средств управления потоком флюида при добыче углеводородов.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в повышении эффективности регулирования потока флюида в скважине.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать устройство регулирования потока флюида разработанной конструкции. Устройство содержит корпус со средствами входа и выхода для прохода потока флюида, причем между указанными средствами входа и выхода последовательно размещены, по меньшей мере, одно гидравлическое сопротивление, способное менять свои характеристики в зависимости от расхода и состава проходящей через него жидкости и/или при воздействии внешнего управляющего электрического, электромагнитного или акустического сигнала, и отсечная ступень, содержащая, по меньшей мере, большое постоянное гидравлическое сопротивление и, по меньшей мере, один клапан с фиксированным положением затвора.
В качестве гидравлического сопротивления, способного изменять свои характеристики могут быть использованы:
1. Постоянное гидравлическое сопротивление и клапан, которые соединены параллельно друг другу. Таким образом, клапан в отрытом состоянии позволяет жидкости двигаться напрямую, минуя гидравлическое сопротивление, в закрытом состоянии направляет жидкость через указанное постоянное гидравлическое сопротивление.
2. Постоянное гидравлическое сопротивление, клапан, перекрывающий выход в добывающую трубу, при этом гидравлическое сопротивление и клапан соединены последовательно друг другу. Таким образом, клапан в отрытом состоянии позволяет жидкости двигаться напрямую в добывающую трубу, в закрытом состоянии направляет жидкость через указанное постоянное гидравлическое сопротивление, после чего жидкость может попасть в добывающую трубу.
3. Гидравлическое сопротивление достигается за счет сужения и/или расширения потока и их взаимосочетаний и выполнено из резиновой смеси, разбухающей в присутствии большого содержания воды в протекающей через устройство жидкости. При этом проходные сечения в суживающихся местах уменьшаются и гидравлическое сопротивление всей системы возрастает.
Гидравлическое сопротивление, входящее в отсечную ступень, по меньшей мере, в 5 раз больше гидравлического сопротивления, способного изменять свои характеристики. Оно может представлять собой средство увеличения скорости потока в сужении потока.
В отсечной ступени постоянное гидравлическое сопротивление и клапан с фиксированным положением затвора установлены параллельно.
Работа разработанного устройства регулирования потока флюида в скважине в базовом варианте реализации происходит следующим образом. Устройство размещают в фильтре заканчивания скважины. При спуске все клапаны устройства открыты. Если поток флюида слишком мал, то жидкость проходит через открытый клапан и попадает в добывающую трубу. При превышении определенного (заданного) значения расхода на клапане клапан закрывается. Значение расхода закрытия клапана устанавливают с использованием регулировки возвращающей силы затвора клапана, в частности за счет увеличения силы притяжения магнитов или электромагнитов. При этом изменяется тракт течения и поток направляется через гидравлическое сопротивление. Таким образом, гидравлическое сопротивление всей системы возрастает и расход падает. Возможно использовать несколько изменяемых комбинаций гидравлических сопротивлений и клапанов, установленных последовательно или параллельно. В этом случае если расход опять превосходит необходимую величину, то закроется последующий клапан и т.д.
Использование разработанного устройства позволит выравнивать профиль притока флюида к скважине в процессе добычи, что предотвращает такие распространенные проблемы (в особенности для горизонтальных скважин), как прорывы воды и газа в нефтедобывающие скважины либо воды в газодобывающие скважины, а также конусообразование.
При прорыве воды или газа по одному из интервалов между пакерами расход жидкости через фильтры этого интервала увеличивается в 2-10 раз за счет того, что вязкость воды и газа и фазовая проницаемость ниже, чем те же параметры для нефти. При работе устройств контроля притока, при увеличении расхода через фильтры, клапаны закрываются, уменьшая расход. За счет этого уменьшается добыча воды и газа, что позволяет добывать нефть более эффективно. Обводненность при работе устройств контроля притока уменьшается с 89% до 78%.
Таким образом, использование разработанного устройства позволяет регулировать поток флюида в скважине как под внешним воздействием, так и под действием самого потока флюида.