Способ и система управления устройством регулировки дебита скважины

013419 Предпосылки создания изобретения Область техники В целом, изобретение относится к области управления работой нефтяных и газовых эксплуатационных скважин. Более конкретно, изобретение относится к управлению перемещаемыми элементами в устройствах регулировки дебита (потока добываемой жидкости или газа) скважины. Уровень техники Управление работой нефтяных и газовых эксплуатационных скважин является постоянной заботой в нефтегазовой промышленности, отчасти, вследствие огромных дополнительных затрат по рискам, связанным с проблемами защиты окружающей среды и безопасности. Важность и сложность этого вопроса усугубились широким распространением в нефтегазовой отрасли признания роста значения и распространения скважин, имеющих несколько ответвлений (многоствольные скважины). Подобные многоствольные скважины включают продуктивные зоны, которые дают флюид либо по общей, либо по отдельным насосно-компрессорным колоннам. В любом случае, существует необходимость в управлении добычей из зоны (горизонта), изоляции отдельных зон и ином управлении каждой зоной в конкретной скважине. Устройства регулировки дебита, например, золотниковые клапаны, скважинные клапаныотсекатели и скважинные штуцеры обычно используются для регулирования дебита между насоснокомпрессорной колонной и затрубным пространством. Подобные устройства используются для разобщения пластов, избирательной добычи, перекрытия потока, смешения продукции из нескольких пластов и кратковременных испытательных включений. Управление устройством регулировки дебита скважины желательно осуществлять устройством плавной регулировки дебита. Плавное регулирование дает возможность клапану работать в режиме дросселирования, что может быть необходимым при попытке смешения продукции нескольких пластов,работающих при различных пластовых давлениях. Такое дросселирование позволяет предотвратить переток между продуктивными зонами через ствол скважины. В случае использования устройства регулировки дебита с гидравлическим приводом, например, золотникового клапана, в клапане по прошествии времени может происходить ряд изменений. Например, гидравлическая жидкость стареет и теряет свои смазывающие свойства при воздействии высокой температуры. Внутри клапана осаждается окалина и другие отложения. Кроме того, изнашиваются и разрушаются уплотнители. Чтобы клапан мог эффективно использоваться в качестве штуцера, в нем должна обеспечиваться достаточно плавная регулировка. Одна из трудностей при точной установке перемещаемого элемента в устройстве регулировки дебита обусловлена объемом накапливаемой текучей среды в гидравлических линиях. Другая трудность связана с тем, что давление, необходимое, чтобы сдвинуть перемещаемый элемент, отличается от давления, требующегося для поддержания его движения. Это объясняется различием между статическим и динамическим коэффициентами трения, причем статический коэффициент трения больше динамического коэффициента. Когда в гидравлической линии имеется постоянно действующее давление, за счет эластичности линии происходит ее некоторое растяжение, благодаря чему линия начинает действовать как гидравлический аккумулятор. Чем больше длина линии, тем сильнее этот эффект. Сочетание отмеченных эффектов может в процессе работы привести к значительному проскакиванию перемещаемого элемента при его установке в заданное положение. Например, если давление в гидравлической линии поднимается так,чтобы преодолеть статическое трение, золотник начинает двигаться. Обычно в систему закачивается известное количество текучей среды для перемещения элемента на заданное расстояние. Однако из-за эффекта аккумулирования текучей среды в гидравлической линии и пониженной силы, требующейся для поддержания движения, элемент продолжает движение дальше заданного положения. Это может привести к нежелательным ограничениям дебита. В настоящем изобретении отсутствуют указанные недостатки существующих устройств, благодаря использованию системы и способа преодоления статического трения при существенном сокращении эффекта проскакивания. Для специалистов также будут понятны и другие преимущества по сравнению с известными устройствами. Краткое изложение сущности изобретения Согласно одной особенности настоящего изобретения, предлагается система управления устройством регулировки дебита скважины (притока флюида в скважину), включающая устройство регулировки дебита, установленное в стволе скважины и содержащее перемещаемый элемент для управления дебитом продуктивного пласта. С перемещаемым элементом соединен гидравлический уплотнитель. Конструкция уплотнителя отличается тем, что максимальной величины приложенного импульса давления достаточно для преодоления силы статического трения, связанной с уплотнителем, в то время как минимальная величина давления приложенного импульса давления недостаточна для преодоления силы динамического трения, связанной с уплотнителем. Согласно другой особенности, предлагается способ управления устройством регулировки дебита,включающий передачу импульса давления от расположенного на поверхности гидравлического устройства к устройству регулировки дебита в стволе скважины. Интересующие (выбранные) параметры импульса давления устанавливаются так, чтобы дискретно сдвигать перемещаемый элемент в устройстве регулировки дебита в заданное положение. Управляемые параметры импульса давления включают, на-1 013419 пример, амплитуду импульса и длительность импульса. В то время как приведенное раскрытие касается предпочтительных вариантов осуществления изобретения, специалистам будут очевидны различные его модификации. Подразумевается, что раскрытие охватывает все изменения в пределах области притязаний, определенных приложенной формулой. Для специалиста, однако, очевидно, что многие модификации и изменения в приведенных выше вариантах осуществления возможны в рамках области притязаний и существа изобретения. Подразумевается, что приложенная формула будет истолкована как охватывающая все эти модификации и изменения. Краткое описание чертежей Для лучшего понимания настоящего изобретения приводится подробное описание предпочтительного варианта его осуществления, рассматриваемого совместно с приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы имеют одинаковые обозначения и где на фиг. 1 схематически представлена система регулировки дебита эксплуатационной скважины, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; на фиг. 2 представлено в графической форме непрерывное движение перемещаемого элемента в устройстве регулировки дебита под действием сил статического и динамического трения; и на фиг. 3 схематически представлены импульсы гидравлического давления в сравнении с давлением, требующимся для преодоления статического и динамического трения, и соответствующее им движение перемещаемого элемента в устройстве регулировки дебита. Подробное описание изобретения Как известно, скважина может быть разделена на несколько отдельных зон, которые необходимы,например, для изолирования определенных областей скважины с целью избирательной добычи флюидов,предотвращения нерегулируемых выбросов и предотвращения забора воды, а также иных операций. На фиг. 1 показана скважина 1, включающая, для примера, две зоны, а именно, зону А и зону В,причем зоны разделены непроницаемым барьером. Каждая из зон А и В была закончена (подготовлена к эксплуатации) известным способом. На фиг. 1 показано, что для заканчивания зоны А использовались пакеры 15 и золотниковый клапан 20, закрепленные в насосно-компрессорной колонне 10 в скважине 5. Пакеры 15 закупоривают затрубное пространство между стволом скважины и устройством регулировки дебита, например, золотниковым клапаном 20, тем самым заставляя пластовый флюид протекать только сквозь открытый золотниковый клапан 20. В другом варианте в качестве устройства регулировки дебита может использоваться любое устройство регулировки дебита, имеющее по меньшей мере один перемещаемый элемент для управления дебитом, включая скважинный штуцер и скважинный клапанотсекатель, а также и другие устройства. Как известно, в обычных золотниковых клапанах используются наружные кожухи со щелями, также называемыми отверстиями, и золотник со щелями. Щели могут быть совмещаемы или не совмещаемы с направлением осевого движения внутреннего золотника относительно наружного кожуха. Такие устройства используются в промышленности. Насосно-компрессорная колонна 10 соединена на поверхности с устьевым оборудованием 35. В одном варианте осуществления управление золотниковым клапаном 20 производится с поверхности по двум гидравлическим линиям управления, открывающей линии 25 и закрывающей линии 30, по которым производится управление уравновешенным гидравлическим поршнем двухстороннего действия(не показан) в скользящей манжете 20. Гидравлический поршень перемещает перемещаемый элемент,например, внутренний золотник 22, также называемый манжетой, таким образом, что щели или отверстия для потока, оказываются совмещенными, либо не совмещенными, обеспечивая, при этом, прохождение пластового флюида сквозь золотниковый клапан 20. Известны различные конфигурации перемещаемого элемента, поэтому здесь они рассматриваться не будут. Подобное устройство имеется на рынке под названием "Скользящая манжета для гидравлики НСМ" от фирмы Baker Oil Tools, Хьюстон, шт. Техас, США. Для открывания золотникового клапана 20, создается давление в линии 25, а для закрывания золотникового клапана 20 создается давление в линии 30. При создании давления в одной из линий 25 или 30, из другой через клапанную коробку 65 гидравлическая жидкость управляемо отводится в расширительный бак 45 на поверхности. Линии 25 и 30 соединены с насосом и расширительным баком 45 через клапанную коробку 65, управление которой производится процессором 60. Насос 40 отбирает гидравлическую жидкость из бака 45 и подает ее под давлением в линию 41. Датчик 50 давления отслеживает давление в нагнетательной линии 41 насоса и подает в процессор 60 сигнал, соответствующий этому давлению. Продолжительность цикла или скорость работы насоса 40 измеряется датчиком 55 продолжительности цикла работы насоса, который направляет в процессор 60 электрический сигнал, соответствующий числу циклов работы насоса. Сигналы датчиков 55 и 50 могут быть сигналом любого подходящего типа, включая оптический, электрический, пневматический и акустический, либо иного типа. Благодаря своей конструкции, поршневой насос прямого вытеснения в каждом цикле работы выталкивает определенный объем текучей среды. Зная число циклов работы насоса, можно определять и отслеживать объем накачанной текучей среды. Клапанная коробка 65 используется для распределения потока с выхода насоса в соответствующую гидравлическую линию 25 или 30 для смещения золотника 22 в клапане 20 в направление открывания или закрывания, в соответствии с командами процессора 60. В процессоре 60 имеются необходимые схемы сопряжения и процессоры, которые, согласно запрограммированным ко-2 013419 мандам подают питание и получают выходные сигналы от датчика 50 давления и датчика 55 продолжительности цикла; взаимодействуют с клапанной коробкой 65 и управляют ее работой и числом циклов работы насоса 40; анализируют сигналы от датчика 55 продолжительности цикла работы насоса и датчика 50, 70, 71 давления для выдачи команд в насос 40 и клапанную коробку 65 для управления установкой золотника 22 в золотниковом клапане 20 в открытое положение или в закрытое положение. Процессор также обладает и дополнительными функциями, описанными далее. Обычно в процессе работы, управление золотниковым клапаном 20 производится так, что его отверстия устанавливаются либо в полностью открытое, либо в полностью закрытое состояние. Однако как уже отмечалось выше, в этом устройстве было бы желательно осуществлять пропорциональное управление для получения промежуточных условий пропускания потока для дросселирования дебита пластового флюида. В идеальном случае, управление насосом должно обеспечивать подачу заданного объема текучей среды для смещения золотника на заданное расстояние. Однако под влиянием сил статического и динамического трения, связанных с перемещаемыми элементами в устройстве регулировки дебита скважины, например, золотником 22, в сочетании со способностью аккумулирования текучей среды гидравлическими линиями 25 и 30, может произойти значительное проскакивание золотника 22. Этот эффект виден на фиг. 2, где показано движение 103 золотника 22 при нагнетании текучей среды для смещения(d) золотника 22. Создаваемое насосом давление (р) нарастает по кривой 100. В одном варианте осуществления любые пульсации давления, создаваемые насосом 40, передаются по подводящей линии. Давление нарастает до уровня 101 для преодоления статического трения в уплотнителях (не показаны) в золотниковом клапане 20. В идеальной гидравлической системе, как только золотник 22 начинает двигаться, давление в подводящей линии снижается до уровня, обозначенного линией 102, и для смещения золотника 22 в требуемое положение 108 может быть подана дополнительная текучая среда при пониженном давлении. Однако гидравлическая подводящая линия 25, 30 в целом находится под более высоким давлением 101, и, благодаря расширению подводящей линии 25, 30, имеется значительный объем текучей среды под давлением 101. Вместо того чтобы давление текучей среды установилось на уровне 102,оно постепенно спадает по линии 107, заставляя золотник 22 сместиться в положение 109, проскочив нужное положение 108. Чтобы решить проблему проскакивания, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения создаются импульсы 203 давления, которые дискретно смещают золотник 22 в нужное положение (фиг. 3). Благодаря использованию импульсов 203, воздействие расширения подающей линии значительно снижается. Каждый импульс 203 генерируется так, чтобы максимальное давление 207 импульса давления превосходило давление 201, необходимое для преодоления силы статического трения, создающей сопротивление движению золотника 22, а минимальное давление 208 импульса давления было меньше давления 202, необходимого для преодоления силы динамического трения, создающей сопротивление движению. В одном варианте осуществления импульсы 203 давления складываются с базовым (постоянным) давлением 205. Движение 206 золотника 22 представляет собой, по существу, дискретное смещение для установки в заданное положение 210. Хотя рассматривается золотник 22,следует понимать, что золотник 22 представляет собой только один пример перемещаемого элемента. Подобным же образом могут быть использованы и другие перемещаемые элементы с учетом соответствующих сил статического и динамического трения. В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 1, источник 70 давления, который может представлять собой гидравлический цилиндр, гидравлически связан с линией 41. Поршень 71 приводится в действие гидравлической системой 72 по линии 73, смещающей поршень 71 заданным образом с подачей импульсов 203 в линию 41. Эти импульсы передаются по подводящим линиям 25, 30 и вызывают дискретные перемещения золотника 22. Управление гидравлической системой 72 может осуществляться процессором 60, с изменением максимального и минимального давлений импульса давления и его ширины W, также называемой длительностью импульса, чем обеспечивается дополнительное управляющее воздействие на дискретное перемещение золотника 22. В другом варианте насос 40 может представлять собой поршневой насос прямого вытеснения, обеспечивающий и создание импульсов 203. В одном варианте осуществления эффект деформации подводящих линий 25, 30 учитывается сравнением сигналов от датчика 50 давления, расположенного на поверхности, с сигналами от датчиков 70,71, расположенных в скважине на подводящих линиях 25 и 30, соответственно. Сигналы от датчиков 70 и 71 передаются по линиям передачи сигнала (не показаны) к процессору 60. Сравнением этих сигналов можно определить передаточную функцию F, связывающую выдаваемый импульс давления и полученный импульс давления. Передаточная функция F может быть запрограммирована в процессоре 60 для управления одним или более параметром вырабатываемого импульса давления, например, амплитудой импульса или длительностью импульса, таким образом, чтобы полученный импульс давления имел заданную амплитуду и длительность для установки золотника 22 в заданное положение. В данном описании за амплитуду импульса принимается различие между максимальным давлением 207 импульса и минимальным давлением 208 импульса. За длительность импульса принимается время, за которое импульс давления может фактически сдвинуть золотник 22. В другом варианте осуществления в золотниковом клапане 20 расположен датчик 73 положения для определения положения золотника 22 внутри золотникового клапана 20. При этом передаточная функцияF' может быть определена сопоставлением вырабатываемого импульса с фактическим перемещением золотника 22. В датчике 73 положения может использоваться любой подходящий принцип определения положения, например, как в системе определения положения, описанной в патентной заявке US 10/289,714, поданной 7 ноября 2002 г., переуступленной правопреемнику настоящей заявке и включенной в настоящее описание посредством данной ссылки. Несмотря на то, что системы и способы описаны выше применительно к эксплуатационным скважинам, специалисту будет понятно, что описанные здесь система и способы в равной мере применимы к управлению расходом в нагнетательной скважине. Кроме того, специалисту должно быть понятно, что описанные здесь система и способы в равной мере применимы как для наземного, так и подводного расположения устьевого оборудования скважины. Приведенное описание относится к конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения,приведенным для иллюстрации и пояснения изобретения. Специалисту, однако, должно быть очевидно,что в приведенных вариантах осуществления возможны многочисленные модификации и изменения. Подразумевается, что приведенная ниже формула будет восприниматься как охватывающая все подобные модификации и изменения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система управления дебитом флюида в скважине, содержащая устройство (20) регулировки дебита, отличающаяся тем, что она снабжена перемещаемым элементом, связанным с устройством (20) регулировки дебита для управления дебитом флюида в скважине и установленным с возможностью дискретного смещения между начальным и конечным положениями посредством множества импульсов прилагаемого к нему давления, и гидравлическим источником, выполненным с возможностью подачи указанных импульсов прилагаемого давления к устройству (20) регулировки дебита и изменения давления и длительности этих импульсов. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что гидравлический источник способен выдать импульсы прилагаемого давления, максимальное давление которых в скважине преодолевает силу статического трения, связанного с перемещаемым элементом (22), а минимальное давление не может преодолеть эту силу динамического трения, связанного с перемещаемым элементом (22). 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит процессор, действующий согласно запрограммированным командам с возможностью управления гидравлическим источником для регулирования давления и длительности импульсов давления, прилагаемого к перемещаемому элементу. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что процессор использует по меньшей мере один интересующий измеренный параметр импульсов прилагаемого давления при выдаче их гидравлическим источником и по меньшей мере один интересующий измеренный параметр импульсов прилагаемого давления при получении их на перемещаемом элементе для управления этим гидравлическим источником. 5. Система по п.3, отличающаяся тем, что процессор использует измеренное положение перемещаемого элемента и по меньшей мере один интересующий измеряемый параметр импульсов прилагаемого давления, выдаваемых гидравлическим источником, для управления этим гидравлическим источником. 6. Способ регулирования дебита флюида в скважине, в котором размещают в стволе скважины устройство (20) регулировки дебита, содержащее перемещаемый элемент, регулирующий дебит флюида в скважине, отличающийся тем, что осуществляют дискретное смещение перемещаемого элемента между начальным и конечным положениями посредством приложения к нему импульсов давления, имеющих регулируемую величину и длительность. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют выдачу гидравлическим источником (40) импульсов давления к устройству (20) регулировки дебита, так что максимальное давление в импульсах прилагаемого давления в скважине преодолевает силу статического трения, связанного с перемещаемым элементом (22), а минимальное давление в импульсах прилагаемого давления в скважине не может преодолеть эту силу динамического трения, связанного с перемещаемым элементом (22). 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют управление гидравлическим источником (40) посредством процессора для регулирования по меньшей мере одного регулируемого параметра выдаваемых импульсов давления. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют измерение по меньшей мере одного интересующего параметра импульсов прилагаемого давления при выдаче их гидравлическим источником (40),измерение по меньшей мере одного интересующего параметра импульсов прилагаемого давления при получении их на перемещаемом элементе и управление гидравлическим источником (40) по интересующим измеренным параметрам. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют подстройку амплитуды выдаваемых импульсов на основании вычисленной передаточной функции для дискретного смещения-4 013419 перемещаемого элемента (22) в устройстве (20) регулировки дебита. 11. Способ по п.8, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют измерение положения перемещаемого элемента,измерение по меньшей мере одного интересующего параметра импульсов прилагаемого давления при выдаче их гидравлическим источником (40) и управление гидравлическим источником (40) по измеренным интересующим параметрам.