Устройство и способ регулирования потока текучей среды в скважине
Формула / Реферат
1. Устройство для взаимно независимого управления регулирующими агрегатами (1-6), служащими для управления потоком текучей среды между углеводородным пластом (50) и скважиной (51), проходящей от своей начальной зоны (52) к углеводородному пласту, причем регулирующие агрегаты (1-6) установлены в скважине (51) в пределах углеводородного пласта (50) и каждый регулирующий агрегат (1) содержит контроллер (54) потока с регулирующим элементом (55), выполненным с возможностью перемещения между положениями регулировки потока текучей среды, и связан с исполнительным элементом гидравлического исполнительного механизма (56), который снабжен двумя гидравлическими портами (15, 16), при этом исполнительный элемент выполнен с возможностью перемещения между положениями регулировки при наличии минимального перепада давления между портами (15, 16), создаваемого посредством гидравлических труб (11-14), проходящими от начальной зоны (52) скважины до углеводородного пласта (50), отличающееся тем, что содержит на каждый регулирующий агрегат, по меньшей мере, два управляющих клапана (20-25) для управления потоком гидравлической жидкости между портами (15, 16) исполнительного механизма (56) и гидравлическими трубами (11-14), причем управляющие клапаны (20-25) относятся к типу клапанов, которые открываются и запираются для потока гидравлической жидкости соответственно в присутствии или отсутствии, по меньшей мере, открывающего давления на управляющем порте (30-35), при этом исполнительный механизм (56) включен своими портами (15, 16) последовательно по потоку по отношению к управляющим клапанам (20-25) в гидравлическом канале (18, 19) между двумя гидравлическими трубами (11, 14),
управляющий порт (30), по меньшей мере, одного управляющего клапана (20) соединен с одной из гидравлических труб (11 или 14), а управляющий порт (31), по меньшей мере, одного из остальных управляющих клапанов соединен с другой гидравлической трубой (14 или 11), и
комбинация двух гидравлических труб (11-14), которая использована для соединения с исполнительным механизмом (56), для всех независимо управляемых регулирующих агрегатов (1-6) является отличной от других использованных комбинаций.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с каждой стороны по потоку относительно каждого исполнительного механизма (56) установлено, по меньшей мере, по одному указанному управляющему клапану (20).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что с каждой стороны по потоку относительно каждого исполнительного механизма (56) установлены два указанных управляющих клапана (20, 21), причем оба управляющих клапана имеют управляющие порты (30, 31), соединенные с соответствующей гидравлической трубой (11, 14).
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что два управляющих клапана, которые установлены по потоку с каждой стороны исполнительного механизма и управляющие порты которых соединены с одной и той же гидравлической трубой (14), выполнены в виде управляющего клапанного модуля (24) с общим управляющим портом.
5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что исполнительный механизм (56) снабжен, по меньшей мере, одним сквозным проходом (74, 75, 85), который открыт для протекания гидравлической жидкости, когда исполнительный элемент находится в положениях регулировки, и который перекрыт, когда исполнительный элемент находится вне положений регулировки.
6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что между каждым исполнительным механизмом (56) и каждой из гидравлических труб (11, 14), с которыми соединен данный исполнительный механизм, последовательно по потоку относительно управляющих клапанов (20-25) установлен самоуправляющийся дозирующий клапан (77), причем дозирующий клапан (77) относится к типу клапанов, в которых внутренняя полость (79) заполняется поступающей жидкостью при создании давления во входном канале (78), вслед за чем поступление жидкости прекращается до тех пор, пока давление во входном канале (78) не будет снято, и в которых повторное приложение давления во входном канале (78) обеспечивает подачу жидкости во внутреннюю полость (79).
7. Способ взаимно независимого управления регулирующими агрегатами (1-6) для управления потоком текучей среды между углеводородным пластом (50) и скважиной (51), проходящей от своей начальной зоны (52) к углеводородному пласту, посредством устройства по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в двух гидравлических трубах (11, 14), которые соединены с управляющими клапанами (20-25) для регулирования исполнительного механизма (56), повышают с помощью гидравлической жидкости давление, по меньшей мере, до открывающего давления управляющих клапанов (20-25), связанных с этим трубами, открывая за счет этого управляющие клапаны (20-25) для протекания гидравлической жидкости между указанными двумя гидравлическими трубами (11-14) и исполнительным механизмом (56), причем между двумя гидравлическими трубами создают перепад давления, достаточно большой для того, чтобы переместить исполнительный элемент (57), в результате чего исполнительный механизм (56) приводит в действие контроллер (54) потока.
8. Способ по п.7, реализуемый при использовании устройства по п.5, отличающийся тем, что контролируют давление в двух гидравлических трубах (11, 14) и скорость потока гидравлической жидкости во время срабатывания исполнительного механизма и, поскольку сквозные походы (74, 75, 85) открыты, когда исполнительный элемент находится в положениях регулировки, положения регулировки исполнительного элемента и тем самым регулирующего элемента (55) определяют по падению давления в гидравлической жидкости и/или возрастанию скорости потока гидравлической жидкости.
9. Способ по п.7, отличающийся тем, что контролируют давление в двух гидравлических трубах (11, 14) и объемный расход потока гидравлической жидкости между двумя гидравлическими трубами (11, 14) во время срабатывания исполнительного механизма и рассчитывают положения регулировки регулирующего элемента (55) на основе внутреннего гидравлического объема исполнительного механизма (56) и объемного расхода гидравлической жидкости во время процесса срабатывания исполнительного механизма.
10. Способ по п.7, реализуемый при использовании устройства по п.6, отличающийся тем, что объемный расход гидравлической жидкости рассчитывают, исходя из объема внутренней полости (79) дозирующего клапана (77) и числа повышения давления во входном канале (78).
Текст
1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к устройству и способу взаимно независимого управления регулирующими агрегатами, служащими для управления потоком текучей среды(флюида) между пластом углеводородов и скважиной, которая проходит от своего устья до углеводородного пласта. Регулирующие агрегаты при этом находятся в скважине в пределах углеводородного пласта, и каждый агрегат содержит контроллер потока с регулирующим элементом, выполненным с возможностью перемещения между положениями регулировки потока флюида, и связан с исполнительным элементом гидравлического исполнительного механизма, который снабжен двумя гидравлическими портами, при этом исполнительный элемент выполнен с возможностью перемещения между положениями регулировки при наличии минимального перепада давления между портами, создаваемого посредством гидравлических труб, проходящими от начальной зоны скважины до углеводородного пласта. Уровень техники Для добычи углеводородов из пластов углеводородов бурятся скважины, начиная от устья, расположенного либо на морском дне,либо на поверхности земли, и до пласта. Скважины покрываются облицовкой для того, чтобы предотвратить обрушения скважины. В зоне пласта облицовка перфорируется, что позволяет углеводородам стекать в скважину. Внутри облицовки размещают колонну труб для подачи углеводородов к устью скважины. Пласты углеводородов располагаются в изолированных карманах, или гнездах, которые могут иметь большую площадь в горизонтальном сечении. Применительно к подобным пластам скважина, начиная от поверхности, бурится в вертикальном направлении, а затем она подводится к пласту в горизонтальном направлении. Поток углеводородов внутри колонны обсадных труб (облицовки) вызывает повышение давления в направлении конца скважины. Этот перепад давления является нежелательным, поскольку его наличие может привести к проникновению воды или газа в зоны с низким давлением, что может вызвать трудности для течения потока и уменьшить производительность скважины. Для того чтобы управлять потоком, поступающим в скважину по ее длине, и обеспечить возможность закрытия скважины в некоторых зонах, применяются подвижные в осевом направлении или поворотные втулки, снабженные отверстиями для прохождения потока, которые могут запираться регулирующим элементом,проталкиваемым в осевом направлении или разворачивающимся вокруг продольной оси скважины. 2 Втулки образуют интегральную часть системы обсадных труб/коллекторного трубопровода. Они приводятся в движение посредством электродвигателей или гидравлических двигателей и управляются из зоны начала скважины посредством электрических кабелей и/или гибких труб, в которых создано гидростатическое давление. Втулки должны быть выполнены с возможностью регулирования как в направлении их открывания, так и закрывания. В связи с этим в случае прямого гидравлического управления необходимо иметь по две гибких трубы на каждую втулку. Количество втулок может быть довольно большим (10 или более); в таком случае прямое гидравлическое управление потребовало бы наличия большого числа гибких труб. Поэтому обычный подход заключается в использовании электрогидравлической системы,в которой энергия для перемещения регулирующих элементов втулок обеспечивается гидравлическим путем, а управление гидравликой обеспечивается электромеханическими клапанами. Глубина скважины может составлять 2000 м, а ее горизонтальная длина - 3000 м. Как следствие, длина кабелей и гибких труб становится недопустимо большой. В связи с высокими затратами на установку и эксплуатационными трудностями желательно ограничить число кабелей и гибких труб. Давление в скважине может составлять от 200105 до 300105 Н/м 2, а температура от 90 до 180 С. В таких условиях регулирующие устройства и особенно электромеханические компоненты часто повреждаются после краткосрочной эксплуатации. Экономические последствия невозможности управления притоком в скважину колоссальны; следовательно, имеется потребность в наличии устройств для управления потоком углеводородов, которые были бы более простыми и надежными, чем существующие устройства. Особенно желательно избежать использования электромеханических устройств в пределах пласта. Когда в углеводородный пласт закачивается вода или газ, на некоторых участках вода или газ могут непосредственно протекать к эксплуатационной скважине. Следовательно, применительно к инжекционным скважинам также желательно обеспечить возможность перекрытия или регулирования в определенных зонах потока от скважины к пласту. В патенте США 4945995 описаны способ и устройство для взаимно независимого гидравлического управления, по меньшей мере,двумя агрегатами, включая и агрегаты для регулирования потока, устанавливаемые в коллекторных зонах скважины. Задача, решаемая данными способом и устройством, состоит в сокращении количества соединяющих гидравлических труб, необходимых для осуществления управления. Такое сокращение достигается 3 применением комбинированного электрогидравлического решения. В международной заявке WO 98/09055 описаны способ и устройство для селективного управления агрегатами, размещенными в скважине. Управление предусматривает наличие электрических и гидравлических линий связи. Сущность изобретения Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы создать устройство и способ взаимно независимого управления регулирующими агрегатами,служащими для управления потоком флюида между пластом углеводородов и скважиной,которая проходит от своего устья до пласта углеводородов. При этом устройство и способ по изобретению должны быть проще, чем известные устройства и способы, а компоненты, устанавливаемые в пределах пласта, должны быть прочными и надежными. Следующая задача заключается в том, чтобы количество гибких труб и/или кабелей было меньшим, чем в случае известных устройств и способов. Другие задачи,решаемые изобретением, станут ясны из соответствующей части описания. В соответствии с настоящим изобретением поставленные задачи решены созданием устройства и способа вышеописанного типа, которые характеризуются признаками, изложенными в формуле изобретения. Согласно настоящему изобретению и энергия, и управляющие сигналы подаются к регулирующим агрегатам только с использованием гидравлических труб. Электрические кабели и электромеханические компоненты исключены полностью, и тем самым обеспечено более простое, более устойчивое и надежное управление потоком флюида. При использовании изобретения для обеспечения независимого управления тем же самым количеством регулирующих агрегатов можно применить меньшее количество гидравлических труб по сравнению с количеством гибких труб/кабелей, применяемых в известных устройствах. Тем самым достигается упрощение управления. Это преимущество будет более подробно раскрыто в соответствующем разделе описания. Перечень фигур Далее изобретение будет подробно охарактеризовано на примере описания конкретного варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. Фиг. 1 иллюстрирует морскую скважину для добычи углеводородов; фиг. 2 иллюстрирует поворотную втулку для управления притоком в скважину; фиг. 3 представляет поперечное сечение трубопровода, который используется при осуществлении изобретения, по линии III-III на фиг. 1; 4 фиг. 4 иллюстрирует соединение между гидравлическими трубами и регулирующими агрегатами, используемыми согласно изобретению; фиг. 5-9 иллюстрируют различные варианты установки гидравлических управляющих клапанов, которые могут быть применены согласно настоящему изобретению; фиг. 10 иллюстрирует предпочтительный вариант гидравлического управляющего клапана по изобретению; фиг. 11 показывает продольное сечение через регулирующий агрегат по настоящему изобретению; фиг. 12-13 представляют поперечные сечения регулирующего агрегата по линии XII-XII на фиг. 11 вместе с гидравлическими трубами и управляющими клапанами. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 показана морская скважина 51 для добычи углеводородов. Скважина 51 пробурена от морского дна 5, по существу, до горизонтально залегающего углеводородного пласта 50. В зоне своего начала, расположенного на морском дне, скважина соединена посредством своего устья 52 и трубопровода 63 с морской платформой 53, которая находится в море 62. Скважина 51 укреплена обсадными трубами(облицовкой) 69, и внутрь скважины введена колонна 64 труб для подачи углеводородов из пласта 50. Как было отмечено выше, пласт может находиться на глубине 2000 м ниже уровня морского дна, а горизонтальная, коллекторная часть скважины может иметь длину 3000 м. Скважина дает различные количества углеводородов в своих различных зонах притока, только две из которых (обозначенные, как 60 и 61) приведены на фиг. 1. Чтобы управлять добычей, в зоны притока могут быть введены регулирующие агрегаты. На фиг. 2 представлен регулирующий агрегат 1, установленный внутри трубопровода 64 в коллекторной части скважины для регулирования притока в скважину. Регулирующий агрегат содержит контроллер 54 потока в виде поворотной втулки 67 с проточками 68 и расположенным внутри регулирующим элементом, который на фиг. 2 не изображен. Регулирующий агрегат 1 содержит также исполнительный механизм 56, установленный в корпусе 76 исполнительного механизма и предназначенный для приведения в действие контроллера 54 потока. Кроме того, регулирующий агрегат содержит не изображенные управляющие клапаны для управления потоком гидравлической жидкости,поступающей к исполнительному механизму 56. Фиг. 2 имеет достаточно общий характер: она относится как к известным устройствам, так и к настоящему изобретению. 5 На фиг. 3 показано поперечное сечение трубопровода, который используется при осуществлении изобретения, по линии III-III на фиг. 1. Снаружи трубопровода 64, в кожухе 17 установлены гидравлические трубы, число которых в изображенном варианте равно четырем. Эти гидравлические трубы 11-14 проходят от начала скважины, т.е. от ее устья 52 до пласта. Начало трубы может также соответствовать устью скважины, расположенному на берегу,или же гидравлические трубы могут быть подведены к платформе или добывающему судну. Фиг. 4 иллюстрирует соединение между гидравлическими трубами 11-14 и регулирующими агрегатами 1-7, используемыми согласно изобретению. Регулирующие агрегаты изображены схематично; как уже было упомянуто со ссылкой на фиг. 2, каждый регулирующий агрегат содержит контроллер потока, исполнительный механизм для контроллера потока и управляющие клапаны для управления потоком гидравлической жидкости между гидравлическими трубами и исполнительным механизмом. К каждому регулирующему агрегату присоединена пара гидравлических труб. Можно видеть, что к каждому регулирующему агрегату 1-6 присоединена различная комбинация труб, а регулирующий агрегат 7 соединен с той же комбинацией гидравлических труб (например, с гидравлическими трубами 11 и 13), что и регулирующий агрегат 5. Фиг. 5-9 иллюстрируют различные варианты установки гидравлических управляющих клапанов, которые могут быть применены согласно настоящему изобретению. Изобретение не ограничивается использованием какого-то конкретного количества гидравлических труб,конкретного количества регулирующих агрегатов или конкретной схемой включения управляющих клапанов. Для облегчения понимания рассматриваются только управляющие клапаны для регулирующего агрегата 1, которые соединены с гидравлическими трубами 11 и 14. На фиг. 5 показаны четыре гидравлические трубы 11-14, гидравлический исполнительный механизм 56 и два управляющих клапана 20 и 21, которые расположены в гидравлическом канале 18, 19, расположенном между гидравлическими трубами и исполнительным механизмом. Исполнительный механизм изображен схематично; у него имеется стационарная часть 70 и подвижный исполнительный элемент 57,причем обе эти части выполнены в форме круговых сегментов, расположенных в кольцевом пространстве, ограниченном снаружи не изображенным корпусом исполнительного механизма. Изнутри оно ограничено не изображенной круговой внутренней стенкой, которая образует продолжение стенки трубопровода. Стационарная часть 70 и исполнительный элемент 57 формируют первую и вторую гидравличе 002217 6 скую камеру 71, 72 соответственно с гидравлическими портами 15 и 16 соответственно. Управляющие клапаны 20 и 21 управляют потоком гидравлической жидкости между исполнительным механизмом 56 и гидравлическими трубами. Они представляют собой клапаны такого (нормально закрытого) типа, которые открывают и перекрывают поток гидравлической жидкости соответственно в присутствии или отсутствии, по меньшей мере, открывающего (номинального) давления на управляющем порте 30 и 31 соответственно. Представленные на чертежах управляющие клапаны относятся к типу клапанов с направленным перемещением, управляемым давлением; они снабжены возвратной пружиной,которая при отсутствии давления на управляющем порте перемещает клапан в положение закрытия клапана. Клапаны изображены в схематичной форме, в соответствии со стандартными правилами. Применительно к клапану 21 верхний квадрат 65 иллюстрирует перекрытый путь через клапан, изображая клапан в закрытом состоянии. Нижний квадрат 66 иллюстрирует путь, открытый в обоих направлениях, изображая клапан в открытом состоянии. Через 41 обозначена возвратная пружина, которая перемещает клапан в нейтральное положение, соответствующее для клапанов данного типа их закрытию при отсутствии давления на управляющем порте 31. В соответствии со стандартными правилами клапан 21 показан соединенным в своем нейтральном положении с каналом 18. Когда на управляющий порт 31 подается, по меньшей мере, открывающее давление, пружина 41 сжимается и клапан перемещается в открытое положение. На фиг. 5-9 клапаны, управляющие порты и возвратные пружины обозначены соответственно позициями 20-25, 30-35 и 40-45, причем последняя цифра в обозначении деталей клапана совпадает с последней цифрой в обозначении клапана. В соответствии с изобретением исполнительный механизм 56 включен посредством портов 15, 16 последовательно, по меньшей мере, с двумя управляющими клапанами в гидравлическом канале 17, 18 между двумя гидравлическими трубами. Так, фиг. 5 изображает исполнительный механизм 56 включенным последовательно с управляющими клапанами 20, 21 между двумя гидравлическими трубами 11, 14,что соответствует минимальному количеству управляющих клапанов согласно настоящему изобретению. В соответствии с изобретением управляющий порт, по меньшей мере, одного из управляющих клапанов должен быть соединен с одной из гидравлических труб, а управляющий порт, по меньшей мере, одного из остальных управляющих клапанов должен быть соединен с другой гидравлической трубой. На фиг. 5 управляющий порт 30 на управляющем клапане 7 20 соединен с гидравлической трубой 11 посредством гидравлического канала 18, а управляющий порт 31 на управляющем клапане 21 соединен с гидравлической трубой 14 посредством гидравлического канала 19, как это и предусмотрено изобретением. При осуществлении управления регулирующим агрегатом в гидравлических трубах,которые соединены с управляющими клапанами, управляющими исполнительным механизмом, с помощью гидравлической жидкости создается давление, по меньшей мере, соответствующее открыванию соединенных с ними управляющих клапанов. Это обеспечивается путем закачивания в гидравлические трубы гидравлической жидкости из зоны начала скважины. Как это видно из фиг. 5, управление регулирующим агрегатом 1 осуществляется путем создания в гидравлических трубах 11 и 14 давления, которое выше, чем открывающее давление для управляющих клапанов 20 и 21, составляющее в типовом случае 75105 Н/м 2. В результате управляющие клапаны 20, 21 открываются для потока гидравлической жидкости через каналы 18, 19 между гидравлическими трубами 11 и 14 и исполнительным механизмом 56. В результате первая и вторая гидравлические камеры 71 и 72 исполнительного механизма 56 соответственно соединяются с гидравлическими трубами 11 и 14 соответственно. Затем в одной из гидравлических труб 11 и 14 давление повышают, создавая таким образом перепад давления между портами 15, 16, т.е. между первой и второй гидравлическими камерами. Когда перепад давления станет достаточно большим,чтобы преодолеть внутреннее трение в регулирующем агрегате 1, исполнительный элемент 57 начнет перемещаться. Давление в той гидравлической трубе, в которой оно наибольшее, может составлять 200105 Н/м 2, тогда как давление в трубе, в которой оно наименьшее, может соответствовать открывающему давлению для управляющего клапана или незначительно превышать его. Видно, что исполнительный элемент 57 движется в направлении R1, когда повышенное давление создано в первой камере 71,и во втором направлении R2, когда повышенное давление создано во второй камере 72. Исполнительный элемент 57 соединен с регулирующим элементом в контроллере потока. Таким образом, установление дифференциального давления между гидравлическими трубами вызывает перемещение контроллера потока в направлении, зависящем от направления перепада давления. На фиг. 6 представлена схема, в которой по одному управляющему клапану 20, 23 расположено по потоку с каждой стороны исполнительного механизма 56. Когда в гидравлических трубах создается давление, данный вариант расположения клапанов будет функционировать 8 так же, как и вариант по фиг. 5. Однако вариант по фиг. 6 может иметь дополнительные преимущества. Например, газовые пузырьки или включения, которые могут присутствовать в гидравлической трубе 14, когда давление в ней снимается, не пройдут через клапан 23, что предотвратит их попадание в исполнительный механизм 56. На фиг. 7 представлена схема расположения управляющих клапанов, аналогичная схеме по фиг. 6, с тем отличием, что управляющие порты соединены с противоположными гидравлическими трубами. По сравнению со схемой по фиг. 6 данная схема обладает тем преимуществом, что при создании давления только в одной из гидравлических труб ни одна из камер исполнительного механизма не будет находиться под давлением. При идеальных условиях работы гидравлики при полностью контролируемом давлении и несжимаемой, свободной от газовых включений гидравлической жидкости, схемы расположения клапанов по фиг. 5-7 будут обеспечивать полную управляемость регулирующим агрегатом 1. Однако на практике гидравлические давления в гидравлических трубах будут изменяться во времени, и в трубы может попадать газ,что будет приводить к сжимаемости гидравлической жидкости и к трудностям в полной управляемости давлением. Если давление в гидравлических трубах превышает давление, соответствующее открывающему давлению для управляющих клапанов, применение указанных схем может привести к нежелательным перемещениям исполнительного элемента. Фиг. 8 иллюстрирует схему расположения управляющих клапанов, в которой с каждой стороны от исполнительного механизма 56 по потоку установлено по два управляющих клапана 20, 21 и 22, 23 соответственно. В данной схеме два управляющих клапана, которые расположены по одну сторону от исполнительного механизма, имеют управляющие порты, соединенные с различными гидравлическими трубами. Так, управляющие порты 30 и 33 соединены с гидравлической трубой 11, а управляющие порты 31 и 32 соединены с гидравлической трубой 14. В этой схеме обе камеры 71, 72 заперты от соединения с гидравлическими трубами до тех пор, пока давление в гидравлических трубах 11 и 14 не станет выше, чем открывающее давление для управляющих клапанов. В результате будет решена отмеченная выше потенциальная проблема, присущая схемам по фиг. 5-7. На фиг. 9 представлена схема клапанов,согласно которой два управляющих клапана,которые расположены по потоку с противоположных сторон от исполнительного механизма и имеют управляющие порты, соединенные с одной и той же гидравлической трубой, представляют собой управляющий клапанный мо 9 дуль 24, 25 с общим управляющим портом 34 и 35 соответственно. С функциональной точки зрения схема по фиг. 9 идентична схеме по фиг. 8, поскольку клапан 24 можно рассматривать как комбинацию клапанов 21 и 22, а клапан 25 - как комбинацию клапанов 20 и 23. Из фиг. 4 видно, что когда в гидравлических трубах 11 и 14 создано давление, которое выше, чем открывающее давление для управляющих клапанов, одновременно создается давление и в одной из гидравлических труб, входящих в состав регулирующих агрегатов 2, 3, 5,6 и 7. Применительно к схеме расположения клапанов по фиг. 5 или 6 это приведет к тому,что в регулирующих агрегатах 2 и 3, которые оба соединены с гидравлической трубой 14,создастся давление во второй камере 72. Канал 18 от первой камеры 71 остается, однако, перекрытым, так что при идеальных рабочих условиях, как это было упомянуто выше, появление давления во второй камере не приведет ни к какому перемещению исполнительного элемента 57. Однако, как уже было указано, могут иметь место пузырьки газа или другие факторы,вызывающие перемещение исполнительного элемента. Очевидно, что эта проблема не столь серьезна в случае схемы по фиг. 7 и практически исключена в схемах, показанных на фиг. 8 и 9. На фиг. 10 показан вариант выполнения схемы расположения клапанов, соответствующий схеме, схематично представленной на фиг. 9, с тем отличием, что каналы 18, 19 на фиг. 9 имеют одинаковую направленность, а на фиг. 10 противоположную. Для функционирования клапанов это не имеет значения. Единственные обозначения, отсутствующие на фиг. 9, - это 94 и 95, которые обозначают ползуны, используемые в клапанах 24 и 25 соответственно. Клапаны 24 и 25 являются стандартными, поэтому описание их функционирования будет опущено. Можно видеть, что клапаны 24 и 25 смонтированы вместе в виде единого вытянутого модуля. На фиг. 11 показано продольное сечение регулирующего агрегата 1 по настоящему изобретению, выполненного в виде поворотной втулки 67, которая установлена в трубопроводе 64. Гидравлические трубы не изображены. Управляющие клапаны 24 и 25 выполнены так,как это показано на фиг. 10, и размещены в стенке корпуса 76 исполнительного механизма. Показан также исполнительный механизм 56 с исполнительным элементом 57, а также контроллер 54 потока с проточками 68 и регулирующим элементом 55. Исполнительный элемент 57 жестко соединен с регулирующим элементом 55. Тем самым непосредственно обеспечивается поворот регулирующего элемента при вращении исполнительного механизма 56 в результате созданного перепада давления. 10 Гидравлические каналы 18 и 19 на фиг. 11 не показаны. Они имеют форму проходов в корпусе исполнительного механизма. Прочие конструктивные компоненты, входящие в состав регулирующего агрегата, также не требуют подробного рассмотрения. На фиг. 12 представлено поперечное сечение исполнительного механизма 56 по линииXII-XII на фиг. 11; здесь же дана схематическая иллюстрация связанных с ним гидравлических каналов и управляющих клапанов. Для общего понимания фиг. 12 ее следует рассматривать совместно с фиг. 5-10. Из фиг. 12 можно видеть, что исполнительный элемент 57 исполнительного механизма 56 и его стационарная часть 70 определяют первую и вторую камеры 71 и 72 соответственно. Когда между портами 15 и 16 имеется перепад давления, исполнительный элемент 57 совершает вращательное движение в направлении,зависящем от направления перепада давления. Можно видеть, что исполнительный элемент 57 снабжен внутренней байпасной камерой 85, которая закрыта в своих концевых зонах обратными клапанами 86, 87, пропускающими поток только внутрь байпасной камеры 85. Кроме того, исполнительный элемент 57 снабжен наружной байпасной камерой 74, которая соединена с внутренней байпасной камерой 85 байпасным каналом 75. Перед тем, как приступить к более подробному описанию фиг. 12, следует обратиться к фиг. 13, на которой исполнительный механизм 56 представлен в положении, когда исполнительный элемент 57 в результате приложенного к нему перепада давления между портами 15 и 16 (при максимальном давлении в порте 16) переместился в направлении R3 в свое крайнее положение. Можно видеть, что в этом крайнем положении исполнительный элемент 57 запирает канал между первой камерой 71 и портом 15,в то время как канал между наружной байпасной камерой 74 и портом 15 остается открытым. Благодаря этому имеется сквозной проход между второй камерой 72 через обратный клапан 86,внутреннюю байпасную камеру 85, байпасный канал 75, наружную байпасную камеру 74 к порту 15. Поскольку гидравлическая жидкость,которая находится во второй камере 72, имеет более высокое давление, чем давление у порта 15, гидравлическая жидкость будет протекать по указанному сквозному проходу. Благодаря соответствующему подбору размерных параметров сквозного прохода и параметров гидравлической системы указанное сквозное протекание гидравлической жидкости приведет к падению давления в ней и/или к возрастанию скорости потока. Таким образом, контролируя давление в двух гидравлических трубах 11, 14 и скорость потока гидравлической жидкости во время срабатывания исполнительного механизма, оказывается возможным опре 11 делить, когда исполнительный элемент 57 достигнет своего конечного положения. За счет создания повышенного давления у порта 15 относительно порта 16 сквозное протекание гидравлической жидкости будет остановлено, и обратный клапан 86 закроется. Из фиг. 13 можно видеть, что избыток давления у порта 15 не может привести к перемещению исполнительного элемента 57, поэтому в непосредственной близости к стационарной части 70 предусмотрен концевой порт, который соединен с портом 15. При подаче давления на порт 15' гидравлическая жидкость оказывает давление на торец исполнительного элемента 57, заставляя его двигаться в направлении, противоположномR3. В связи с отходом исполнительного элемента от своего конечного положения нарушается соединение между портом 15 и наружной байпасной камерой 74, так что сквозной проход жидкости прекращается. Конечное положение исполнительного элемента является одним из возможных положений регулировки. Необходимо учитывать, что соответствующий сквозной проход может быть обеспечен и для других положений регулировки. Внутренний гидравлический объем исполнительного механизма, т.е. суммарный объем первой и второй камер 71 и 72, является известной величиной. Контролируя давление в двух гидравлических трубах 11, 14 и объемный расход потока гидравлической жидкости между двумя гидравлическими трубами 11, 14 во время срабатывания исполнительного механизма (что можно обеспечить измерением давления и волюметрическими измерениями в начальной зоне скважины), можно рассчитать перемещения исполнительного элемента 57 и, следовательно,определить его регулирующее положение по истечении некоторого времени. Процесс срабатывания исполнительного механизма начинается, когда давление в гидравлических трубах превысит открывающее давление для управляющих клапанов, и именно с этого момента следует периодически измерять объемный расход гидравлической жидкости в процессе срабатывания. В отличие от вариантов, представленных на фиг. 5-10, в варианте, показанном на фиг. 12,между исполнительным механизмом 56 и каждой из гидравлических труб 11, 14 имеется самоуправляемый дозирующий клапан 77, установленный последовательно по потоку относительно каждого из управляющих клапанов 24,25. Дозирующий клапан 77 относится к тому типу клапанов, в котором внутренняя полость 79 заполняется поступающей в него жидкостью за счет создания давления во входном канале 78. При этом входной поток прекращается до тех пор, пока не будет снято давление во входном канале 78. За счет многократной подачи давления во входной канал 78 дозирующий клапан 77 12 подает жидкость из своей внутренней полости 79. Этот процесс осуществляется следующим образом. Когда во входном канале 78 имеется избыток давления, гидравлическая жидкость течет во внутреннюю полость 79, заставляя поршень 80 сжимать возвратную пружину 81. В байпасном канале 84 имеется байпасный клапан 83, управляемый тем же давлением, которое подается во входной канал 78. Байпасный клапан 83 относится к типу нормально-открытых клапанов управления направлением с возвратной пружиной. В отсутствие давления на управляющем порте пружина устанавливает клапан в открытое положение; при появлении давления во входном канале 78 байпасный клапан 83 запирает байпасный канал 84. Когда поршень 80 отжимается в направлении дна дозирующего клапана 77, приток гидравлической жидкости прекращается. В этот момент давление во входном канале 78 снимается, что может быть осуществлено вручную или автоматически из зоны начала скважины. Снятие давления заставляет байпасный клапан 83 открыться для перетекания потока гидравлической жидкости из внутренней полости 79 над поршнем через байпасный канал 84 во внутреннюю полость 79' под поршнем. Возвратная пружина 81 отжимает поршень 80 вверх, что и обусловливает указанное перетекание гидравлической жидкости. При этом обратный клапан 82 препятствует перетеканию гидравлической жидкости в дозирующий клапан с его нижней стороны. При повторной подаче давления во входной канал 78 следующая порция гидравлической жидкости заполняет внутреннюю полость 79, тогда как гидравлическая жидкость, находящаяся под поршнем, выдавливается из дозирующего клапана 77. Путем подсчета количества многократных повышений давления во входном канале 78 можно рассчитать, при известном объеме внутренней полости 79, объемный расход гидравлической жидкости более точно, чем при волюметрических измерениях в зоне начала скважины. Тем самым обеспечивается более точное определение положения приводного элемента 57 и, следовательно,регулирующего положения регулирующего элемента 55. При дальнейшем описании изобретения снова делается ссылка на фиг. 4. Как уже упоминалось, комбинация двух гидравлических труб, которые соединены с регулирующим агрегатом, является различной для гидравлических агрегатов 1-6. Создавая давление в гидравлических трубах 11 и 14, можно обеспечить независимое управление регулирующим агрегатом 1. Аналогично, подавая давление в выбранные комбинации гидравлических труб, можно обеспечить независимое управление всеми регулирующими агрегатами 1-6. Поскольку регулирующий агрегат 7 присоединен к тем же гидравлическим трубам, что и регулирующий агре 13 гат 5, оба этих агрегата управляются совместно и образуют тем самым одну регулирующую группу. Когда количество регулирующих агрегатов велико, можно группировать подобным образом регулирующие агрегаты в группы регулирующих агрегатов с взаимно независимым управлением каждой группой. Имеется также возможность осуществлять более сложное управление путем подачи давления в несколько гидравлических труб одновременно, возможно, при различных уровнях давления. В результате гидравлическая труба, давление в которой для одного регулирующего агрегата будет наибольшим, может соответствовать низкому уровню давления для другого регулирующего агрегата. Фиг. 4 показывает, что четыре гидравлические трубы обеспечивают возможность независимого управления максимум шестью регулирующими агрегатами. Из этой фигуры видно также, что с помощью трех гидравлических труб можно управлять, независимо друг от друга, тремя регулирующими агрегатами. Аналогично, пять гидравлических труб обеспечат независимое управление десятью регулирующими агрегатами. Шесть гидравлических труб соответствуют пятнадцати независимым регулирующим агрегатам и т.д. Если количество гидравлических труб обозначить через n, a максимальное количество независимых регулирующих агрегатов через N, можно видеть, что при увеличении n на 1, N возрастает на n-1. Далее видно, что n=2 соответствует наименьшему возможному значению для n и что в этом случаеN = 1. Таким образом, для случая n гидравлических труб значение N соответствует сумме членов арифметической прогрессии, первый член которой равен 1, последний член равен n-1, а число членов равно n-1. Из математики известно, что эта сумма равна сумме первого и последнего членов, умноженной на количество членов, деленное на 2. Отсюда следует, чтоN = [(1+n-1)(n-1)]/2 = n(n-1)/2. Когда некоторое количество регулирующих агрегатов независимо управляется в соответствии с уровнем техники, в случае прямого гидравлического управления на каждый регулирующий агрегат необходимо иметь по две гидравлические трубы. В случае электромеханического управления количество гидравлических труб может быть уменьшено до двух, но для каждого регулирующего агрегата необходимо иметь по два электрических кабеля. Следовательно, при наличии N регулирующих агрегатов необходимо использовать, по меньшей мере, 2N кабелей или гибких труб. Кроме того, желательно иметь обратную связь от пласта, указывающую, когда регулирующие агрегаты установились в конкретные регулирующие положения. Эта связь может быть обеспечена с помощью концевых переключателей, что приведет к дальнейшему росту числа кабелей. Конечно, можно 14 передавать сигналы и с помощью сложной электроники, сократив благодаря этому количество кабелей. Однако в этом случае необходимо устанавливать внутри пласта электронное оборудование, которое, как показывает опыт, не обеспечивает надежности работы в связи с высоким давлением и особенно в связи с высокой температурой внутри пласта. В случае использования изобретения количество гидравлических труб, необходимых для независимого управления заданным количеством регулирующих агрегатов, оказывается меньшим, чем количество гибких труб/кабелей,требуемых в известных системах. Из формулы для N видно, что это преимущество имеет существенно большее относительное значение при большом количестве гидравлических труб, чем когда их количество мало. Для того чтобы реализовать существенное преимущество от использования изобретения, количество гидравлических труб должно быть не менее трех. Из данного описания должно быть очевидно, что изобретение может быть использовано также для управления потоком текучей среды(флюида) из скважины в пласт. Следовательно,изобретение может быть применено при закачке воды или газа в пласт. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для взаимно независимого управления регулирующими агрегатами (1-6),служащими для управления потоком текучей среды между углеводородным пластом (50) и скважиной (51), проходящей от своей начальной зоны (52) к углеводородному пласту, причем регулирующие агрегаты (1-6) установлены в скважине (51) в пределах углеводородного пласта (50) и каждый регулирующий агрегат (1) содержит контроллер (54) потока с регулирующим элементом (55), выполненным с возможностью перемещения между положениями регулировки потока текучей среды, и связан с исполнительным элементом (57) гидравлического исполнительного механизма (56), который снабжен двумя гидравлическими портами (15,16), при этом исполнительный элемент (57) выполнен с возможностью перемещения между положениями регулировки при наличии минимального перепада давления между портами(15, 16), создаваемого посредством гидравлических труб (11-14), проходящими от начальной зоны (52) скважины до углеводородного пласта(50), отличающееся тем, что содержит на каждый регулирующий агрегат, по меньшей мере,два управляющих клапана (20-25) для управления потоком гидравлической жидкости между портами (15, 16) исполнительного механизма(56) и гидравлическими трубами (11-14), причем управляющие клапаны (20-25) относятся к типу клапанов, которые открываются и запираются для потока гидравлической жидкости соответ 15 ственно в присутствии или отсутствии, по меньшей мере, открывающего давления на управляющем порте (30-35), при этом исполнительный механизм (56) включен своими портами (15, 16) последовательно по потоку по отношению к управляющим клапанам (20-25) в гидравлическом канале (18, 19) между двумя гидравлическими трубами (11, 14),управляющий порт (30), по меньшей мере,одного управляющего клапана (20) соединен с одной из гидравлических труб (11 или 14), а управляющий порт (31), по меньшей мере, одного из остальных управляющих клапанов соединен с другой гидравлической трубой (14 или 11), и комбинация двух гидравлических труб (1114), которая использована для соединения с исполнительным механизмом (56), для всех независимо управляемых регулирующих агрегатов(1-6) является отличной от других использованных комбинаций. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что с каждой стороны по потоку относительно каждого исполнительного механизма (56) установлено, по меньшей мере, по одному указанному управляющему клапану (20). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что с каждой стороны по потоку относительно каждого исполнительного механизма(56) установлены два указанных управляющих клапана (20, 21), причем оба управляющих клапана имеют управляющие порты (30, 31), соединенные с соответствующей гидравлической трубой (11, 14). 4. Устройство по п.3, отличающееся тем,что два управляющих клапана, которые установлены по потоку с каждой стороны исполнительного механизма и управляющие порты которых соединены с одной и той же гидравлической трубой (14), выполнены в виде управляющего клапанного модуля (24) с общим управляющим портом. 5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что исполнительный механизм (56) снабжен, по меньшей мере,одним сквозным проходом (74, 75, 85), который открыт для протекания гидравлической жидкости, когда исполнительный элемент (57) находится в положениях регулировки, и который перекрыт, когда исполнительный элемент (57) находится вне положений регулировки. 6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что между каждым исполнительным механизмом (56) и каждой из гидравлических труб (11, 14), с которыми соединен данный исполнительный механизм, последовательно по потоку относительно управляющих клапанов (20-25) установлен самоуправляющийся дозирующий клапан (77), причем дозирующий клапан (77) относится к типу клапанов, в которых внутренняя полость (79) заполняется поступающей жидкостью при соз 002217 16 дании давления во входном канале (78), вслед за чем поступление жидкости прекращается до тех пор, пока давление во входном канале (78) не будет снято, и в которых повторное приложение давления во входном канале (78) обеспечивает подачу жидкости во внутреннюю полость (79). 7. Способ взаимно независимого управления регулирующими агрегатами (1-6) для управления потоком текучей среды между углеводородным пластом (50) и скважиной (51),проходящей от своей начальной зоны (52) к углеводородному пласту, посредством устройства по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в двух гидравлических трубах(11, 14), которые соединены с управляющими клапанами (20-25) для регулирования исполнительного механизма (56), повышают с помощью гидравлической жидкости давление, по меньшей мере, до открывающего давления управляющих клапанов (20-25), связанных с этим трубами, открывая за счет этого управляющие клапаны (20-25) для протекания гидравлической жидкости между указанными двумя гидравлическими трубами (11-14) и исполнительным механизмом (56), причем между двумя гидравлическими трубами создают перепад давления,достаточно большой для того, чтобы переместить исполнительный элемент (57), в результате чего исполнительный механизм (56) приводит в действие контроллер (54) потока. 8. Способ по п.7, реализуемый при использовании устройства по п.5, отличающийся тем,что контролируют давление в двух гидравлических трубах (11, 14) и скорость потока гидравлической жидкости во время срабатывания исполнительного механизма и, поскольку сквозные походы (74, 75, 85) открыты, когда исполнительный элемент (57) находится в положениях регулировки, положения регулировки исполнительного элемента (57) и тем самым регулирующего элемента (55) определяют по падению давления в гидравлической жидкости и/или возрастанию скорости потока гидравлической жидкости. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что контролируют давление в двух гидравлических трубах (11, 14) и объемный расход потока гидравлической жидкости между двумя гидравлическими трубами (11, 14) во время срабатывания исполнительного механизма и рассчитывают положения регулировки регулирующего элемента (55) на основе внутреннего гидравлического объема исполнительного механизма(56) и объемного расхода гидравлической жидкости во время процесса срабатывания исполнительного механизма. 10. Способ по п.7, реализуемый при использовании устройства по п.6, отличающийся тем, что объемный расход гидравлической жидкости рассчитывают, исходя из объема внутренней полости (79) дозирующего клапана (77) и числа повышения давления во входном канале (78).
МПК / Метки
МПК: E21B 34/10
Метки: скважине, потока, устройство, регулирования, способ, среды, текучей
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/11-2217-ustrojjstvo-i-sposob-regulirovaniya-potoka-tekuchejj-sredy-v-skvazhine.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Устройство и способ регулирования потока текучей среды в скважине</a>
Предыдущий патент: Система многосекционных топливных элементов
Следующий патент: Ниппель.
Случайный патент: Абсорбирующий предмет одежды одноразового использования