Автономный циркуляционный питательный и выравнивающий клапан

(71)(73) Заявитель и патентовладелец: БЕЙКЕР ХЬЮЗ ИНКОРПОРЕЙТЕД (US) В изобретении описаны устройство и способ, использующие циркуляционный клапан, такой как клапан, автоматически закрывающийся без необходимости в опускании шара или другого вмешательства с поверхности. Циркуляционный клапан автономен и предпочтительно переводится из открытого в закрытое положение под действием движущей силы, такой как создаваемая ходовым винтом. Клапан содержит привод, закрывающий клапан при возникновении определенных условий, таких как истечение заданного промежутка времени, или при достижении определенного значения такими скважинными параметрами, как температура или давление. 015096 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится, в общем, к конструкции циркуляционных клапанов, используемых в скважинах. Уровень техники Циркуляционные клапаны используют для передачи флюида между центральным каналом для прохождения потока и затрубным (кольцевым) пространством. Типичный циркуляционный клапан снабжен скользящей втулкой, которая выполнена подвижной для выборочного перекрытия нескольких каналов,по которым флюид может проходить между затрубным пространством и внутренним каналом. Использование клапанов важно при проведении операций спуска устройства в скважину. Они позволяют флюиду проходить во внутренний канал из затрубного пространства (наполнять) или из внутреннего канала наружу в затрубное пространство (циркулировать). Они также обеспечивают выравнивание давления между внутренним каналом прохождения потока и затрубным пространством. Типичным применением циркуляционного клапана может быть спуск в скважину и установка на гибкую насосно-компрессорную трубу расширяющегося пакера. Циркуляционный клапан может быть открыт при спуске. При достижении пакером глубины, на которой его нужно установить, циркуляционный клапан должен быть закрыт,чтобы установить пакер. В известных конструкциях для закрытия клапана требуется вмешательство с поверхности. Обычно это производится путем опускания во внутренний канал перекрывающего шара. Шар опускается на шаровое седло в клапане. Давление флюида за шаром возрастает, и втулка перемещается в закрытое положение. Во многих случаях, включая установку расширяющегося пакера, опускание перекрывающего шара для закрытия втулки не желательно. Операция может отнять много времени и отрицательно повлиять на работу инструментов, находящихся ниже шара. Таким образом, желательно иметь альтернативный способ выборочного перекрытия циркуляционного клапана. В основу настоящего изобретения положена задача решения этих проблем, присущих предшествующему уровню техники. Краткое изложение сущности изобретения В изобретении предложены устройство и способ, использующие циркуляционный клапан, такой как клапан, автоматически закрывающийся без необходимости в опускании шара или другого вмешательства с поверхности. Циркуляционный клапан автономен и предпочтительно переводится из открытого в закрытое положение под действием ходового винта или другого подходящего движущего механизма. В одном из вариантов выполнения клапан приводится в действие таймером таким образом, что будет закрыт через определенный промежуток времени. В других вариантах выполнения изобретения клапан связан с датчиком, регистрирующим определенные скважинные параметры, такие как расход, давление или температура, или комбинацию параметров. Если регистрируются заданные значения параметров или набора параметров, то клапан закрывается. В соответствии с другими вариантами выполнения с циркуляционным клапаном связаны акселерометр или датчик положения с целью определения момента, когда пакер или другой инструмент достигнет заданной глубины. В это время клапан закрывается. Краткое описание чертежей Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - вид сбоку в поперечном сечении спускового устройства, с помощью которого на гибкой трубе в скважину опускают гидравлический пакер-пробку и которое содержит предлагаемый в настоящем изобретении циркуляционный клапан; на фиг. 2 - в увеличенном виде поперечное сечение устройства с фиг. 1, содержащее циркуляционный клапан, находящийся теперь в закрытом положении, готовом к установке пакера-пробки; на фиг. 3 - вид сбоку в поперечном сечении устройства с фиг. 1 и 2 теперь с установленным пакером-пробкой; на фиг. 4 - разнесенный вид в поперечном сечении примера выполнения предлагаемого в настоящем изобретении циркуляционного клапана, находящегося в открытом, пропускающем флюид состоянии; на фиг. 5 - разнесенный вид в поперечном сечении циркуляционного клапана с фиг. 4, находящегося теперь в закрытом состоянии; на фиг. 6 - один из вариантов выполнения модуля управления, используемого с циркуляционным клапаном с фиг. 4 и 5; на фиг. 7 - альтернативный вариант выполнения модуля управления, используемого с циркуляционным клапаном с фиг. 4 и 5. Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения На фиг. 1 и 2 в качестве примера показана протяженная скважина 10, пробуренная в породе 12. Скважина 10 укреплена стальной обсадной трубой 14. Через породу 12 проходят два отдельных содержащих углеводороды пласта 16, 18, разделенных интервалом 20 относительно непроницаемой скальной породы. В обсадной трубе 14 и пластах 16 и 18 предварительно выполнена перфорация 22, 24, соответственно дающая возможность прохождения потока из пластов 16, 18 в скважину 10. В данном примере требуется опустить в скважину 10 гидравлический пакер-пробку и установить его между верхней перфорацией 22 и нижней перфорацией 18. Это может понадобиться, например, если в нижний пласт 18 просо-1 015096 чилась вода или в другом аналогичном случае, когда больше нежелательно вести добычу из нижнего пласта 18. Устье 26 скважины расположено на поверхности 28. В качестве примера показано расположение в скважине 10 проходящего через устье 26 устройства спуска гибкой трубы (насосно-компрессорной колонны), обозначенного в общем позицией 30. Гибкую трубу 32 сматывают с катушки 34 и вводят в устье 26 скважины с помощью устройства 36 ввода гибкой трубы, известного в предшествующем уровне техники. Специалистам в данной области техники известно, что, хотя гибкая труба 32 представляет собой непрерывную трубную нитку, устройство 30 спуска гибкой трубы на самом деле имеет несколько соединителей и связанных с ним приспособлений, но на всей своей длине формирует центральный канал для прохождения потока флюида. На нижнем конце устройства 30 спуска гибкой трубы расположен гидравлический пакер-пробка 38. В устройство 30 спуска гибкой трубы входит также ниппельный профильный фиксатор 40, предназначенный для взаимодействия в обсадной трубе 14 с посадочным ниппелем 42 и фиксации в нем. Устройство 30 спуска гибкой трубы содержит также автономный циркуляционный клапан 44, выполненный в соответствии с настоящим изобретением. Устройство и работа циркуляционного клапана 44 более подробно описаны ниже. Следует отметить, что детали устройств поверхностной запорной арматуры и подачи флюида под давлением для гибкой трубы на фиг. 1 не показаны и не описаны,так как такие подробности хорошо известны специалистам в данной области техники. На фиг. 2 и 3 более подробно показаны компоненты, связанные со скважинной частью устройства 30 спуска гибкой трубы. На фиг. 2 ниппельный профильный фиксатор 40 введен в посадочный ниппель 42. Циркуляционный клапан 44, который, как можно видеть, имеет боковые отверстия 48 для прохождения флюида, переходит из открытого положения в закрытое состояние. Пакер-пробка 38 находится в неустановленном состоянии, но доведен до непроницаемого слоя 20 и расположен между находящейся над ним перфорацией 22 и находящейся под ним перфорацией 24. На фиг. 3 пакер-пробка 38 раздут увеличенным давлением флюида в гибкой трубе 32. Будучи установленным, пакер-пробка образует препятствие для прохождения флюида между продуктивными зонами 16 и 18. На фиг. 4 и 5 изображен в подробностях автономный циркуляционный клапан 44, выполненный и функционирующий в соответствии с настоящим изобретением. Клапан 44 содержит корпус 50 клапана,имеющий верхнюю переходную муфту 52 с коробчатой резьбовой частью 54, предназначенной для соединения с гибкой трубой или другими компонентами устройства 30 спуска гибкой трубы. Верхняя переходная муфта 52 за счет резьбы связана с циркуляционной переходной муфтой 56. Наружный корпус 58 связан с нижним краем циркуляционной переходной муфты 56. Нижняя переходная муфта 60 соединена с нижним краем наружного корпуса 58. Нижняя переходная муфта 60 имеет выполненный в ней осевой канал 62 для прохождения потока, направленный по центру, и вводимый вовнутрь соединительный участок 64. Наружный корпус 58 охватывает узел ходового винта, обозначенный в общем позицией 66. Перечисляя с нижнего края, узел 66 ходового винта содержит корпусной аккумуляторный контакт 68, предназначенный для соединения аккумулятора (не показан) или другого источника питания и корпуса 70 электронного блока. Силовой вывод 72 выходит из корпуса 70 электронного блока к поворотному двигателю 74. В предпочтительном варианте выполнения двигатель 74 представляет собой бесщеточный двигатель,но фактически может быть любым двигателем подходящего типа. Приводной вал 76 двигателя 74 связан с коробкой 78 передач, и приводная шестерня 80 коробки передач связана с приводным элементом 82 ходового винта, вращая его под действием двигателя 74. Между приводным элементом 82 и стержнем 86 клапана введено спиральное или червячное соединительное звено 84. Спиральное соединительное звено 84 преобразует вращательное движение приводного элемента 82 в осевое перемещение стрежня 86 клапана в канале 88 стержня клапана, выполненном в циркуляционной переходной втулке 56. В клапане 44 выполнено несколько каналов для прохождения потока флюида. Циркуляционная переходная втулка 56 имеет боковые проходы (отверстия) 48 для передачи флюида, сообщающиеся с каналом 88 в стержне клапана и затрубным пространством 90, окружающим клапан 44. Кроме того, имеется осевой канал 92 прохождения потока, через который флюид может проходить в осевом направлении через клапан 44, когда клапан 44 находится в открытом положении, показанном на фиг. 4. В изображенном варианте выполнения осевой канал 92 включает каналы 94 для прохождения потока, высверленные в осевом направлении в циркуляционной переходной втулке 56, кольцевую камеру 96 и кольцевое пространство 98 для прохождения потока. Кольцевое пространство 98 сформировано между наружным корпусом 58 и внутренним корпусом 100, защищающим части узла ходового винта, описанного выше. Эти каналы для прохождения потока пропускают флюид во время работы, что необходимо для выравнивания и циркуляции. При работе на опускание устройства 30 спуска гибкой трубы с клапаном 44, находящимся в открытом положении, показанном на фиг. 4, флюид стремится пройти через боковые проходы 48, представляющие путь с наименьшим сопротивлением. Обращаясь к схеме на фиг. 6, можно видеть, что в корпус 70 электронного блока заключены привод 102 двигателя и автономный механизм управления или модуль 104 управления, который приводит в действие привод 102 двигателя при возникновении определенных условий или сочетания условий. В данном варианте выполнения модуль 104 управления содержит таймер, который может быть установлен на вве-2 015096 дение определенной задержки перед приведением в действие привода 102 двигателя модулем 104 управления. В процессе работы перед опусканием спусковой колонны 30 в скважину 10 в модуль 104 управления на поверхности 28 вводят заданную временную задержку (например, 8 ч). Затем спусковую колонну 30 опускают в скважину 10 вместе с циркуляционным клапаном 44, находящимся в открытом состоянии,так что флюид в процессе опускания может циркулировать через каналы и проходы 62, 48 клапана 44. Ниппельный профильный фиксатор 40 входит в посадочный ниппель 42 для позиционирования пакерапробки 38 на заданной глубине. По прошествии заданного времени таймер 104 приводит в действие привод 102 двигателя на включение двигателя 74. При работе двигателя 74 он приводит в действие коробку 78 передач, которая вращает приводной элемент 82 узла 66 ходового винта. В результате вращения приводного элемента 82 стержень 86 клапана перемещается по оси вверх к закрытому положению, показанному на фиг. 5, в котором стержень 86 перекрывает боковые проходы 48. При закрытых боковых проходах 48 флюид, проходящий вниз по гибкой трубе, вынужден проходить через осевой канал 92 клапана 44. При закрытом таким образом клапане 44 давление флюида в гибкой трубе 32 можно использовать для установки пакера-пробки 38 известным в предшествующем уровне техники способом. Альтернативно, в клапане 44 может быть использован электронный модуль 70' (показанный на фиг. 7), выполненный в соответствии с альтернативным вариантом, чтобы обеспечить автономную работу клапана 44. На фиг. 7 схематически изображен электронный модуль 70', содержащий датчик 106 известного в предшествующем уровне техники типа, предназначенный для регистрации определенных скважинных параметров, таких как температура или давление. В процессе работы электронный модуль 70' может приводить клапан 44 в закрытое состояние при регистрации определенных скважинных параметров (давление или температура), возникающих когда датчик достигнет определенной глубины или местоположения в скважине 10 (то есть установленной глубины). Альтернативно, датчик 106 может содержать акселерометр или датчик положения. В этом случае датчик 106 может приводить клапан 44 в закрытое состояние, когда акселерометр или датчик положения регистрируют, что спусковая колонна 30 оказалась в посадочном ниппеле 42, что свидетельствует о достижении заданной глубины. Следует отметить, что, хотя изобретение описано для случая опускания в скважину и установки пакера-пробки 38,представленные способ и устройство могут быть также использованы при опускании в скважину и активации других гидроприводных инструментов. Для специалистов в данной области будет понятно, что в описанные здесь, приведенные в качестве примера устройства и варианты выполнения могут быть внесены многочисленные модификации и изменения и что объем изобретения определяется только нижеследующей формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Автономный циркуляционный клапан для использования в скважине, содержащий корпус клапана со сформированным внутри него осевым каналом для прохождения потока, боковое отверстие передачи флюида, проходящее через корпус клапана, запирающий элемент, установленный с возможностью перемещения между первым положением, в котором он не перекрывает указанное боковое отверстие, и вторым положением, в котором он перекрывает это боковое отверстие, и автономный приводной узел для выборочного перемещения запирающего элемента из первого во второе положение. 2. Клапан по п.1, содержащий ходовой винт, выборочно приводимый в действие приводным узлом для перемещения запирающего элемента в его второе положение. 3. Клапан по п.1, в котором приводной узел содержит таймер. 4. Клапан по п.1, в котором приводной узел содержит датчик для регистрации определенного скважинного параметра и выполнен с возможностью перемещения запирающего элемента во второе положение при регистрации этого определенного скважинного параметра. 5. Клапан по п.2, в котором приводной узел содержит источник питания, в процессе работы соединенный с узлом ходового винта для выборочного приведения его в действие, и таймер, в процессе работы взаимосвязанный с источником питания для включения источника питания с целью приведения в действие узла ходового винта после истечения заданного промежутка времени. 6. Клапан по п.4, в котором датчик способен регистрировать давление в скважине. 7. Клапан по п.4, в котором датчик способен регистрировать температуру в скважине. 8. Клапан по п.4, в котором датчик способен регистрировать перемещение в скважине. 9. Система спуска в скважину и активации в ней гидроприводного устройства, содержащая спусковую колонну, вводимую в скважину и формирующую по своей длине центральный канал для прохождения потока, гидроприводной инструмент, встроенный в спусковую колонну, и автономный циркуляционный клапан, встроенный в спусковую колонну для выборочной передачи флюида между указанным центральным каналом и затрубным пространством, окружающим спусковую колонну, и снабженный корпусом клапана со сформированным внутри него осевым каналом для прохождения потока, боковым отверстием передачи флюида, проходящим через корпус клапана, запирающим элементом, установленным с возможностью перемещения между первым положением, в котором он не перекрывает указанное боковое отверстие, и вторым положением, в котором он перекрывает это боковое отверстие, и автоном-3 015096 ным приводным узлом для выборочного перемещения запирающего элемента из первого во второе положение. 10. Система по п.9, в которой гидроприводной инструмент содержит пакер-пробку. 11. Система по п.9, в которой запирающий элемент перемещается во второе положение узлом ходового винта. 12. Система по п.11, в которой автономный приводной узел содержит источник питания, выборочно приводящий в действие соленоид, и таймер, в процессе работы связанный с источником питания для его включения с целью приведения в действие узла ходового винта после истечения заданного промежутка времени. 13. Система по п.11, в которой автономный приводной узел содержит источник питания для выборочного приведения в действие узла приводного винта и датчик для регистрации определенного скважинного параметра и включения источника питания для приведения в действие узла ходового винта при регистрации указанного определенного скважинного параметра. 14. Система по п.13, в которой датчик способен регистрировать давление в скважине. 15. Система по п.13, в которой датчик способен регистрировать температуру в скважине. 16. Система по п.13, в которой датчик способен регистрировать перемещение в скважине. 17. Способ спуска в скважину и активации в ней гидроприводного инструмента, включающий следующие шаги: сборку спусковой колонны, содержащей гидроприводной инструмент и автономный циркуляционный клапан, имеющий открытое и закрытое положения,спуск в скважину спусковой колонны при открытом положении циркуляционного клапана,обеспечение возможности автономного перемещения циркуляционного клапана из его открытого положения в закрытое положение и активацию гидроприводного инструмента. 18. Способ по п.17, в котором активация гидроприводного инструмента включает установку гидравлического пакера-пробки. 19. Способ по п.17, в котором обеспечение перемещения циркуляционного клапана в его закрытое положение осуществляют посредством приведения в действие ходового винта после истечения заданного промежутка времени. 20. Способ по п.17, в котором обеспечение перемещения циркуляционного клапана в его закрытое положение осуществляют посредством приведения в действие ходового винта при регистрации определенного скважинного параметра.