Устройство для регулирования режима работы скважины

 

Изобретение относится к нефтегаэодобывйющей промышленности и может быть использовано для запуска скважин и автоматического регулирования режимов их работы . Сущность изобретения: устройство включает полый корпус с входными и выходными каналами. В нижней части корпуса установлено седло. В полости корпуса размещфн шток с затвором на нижнем конце. Со штоком жестко связан сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом и образующий с ним герметичную камеру, частично заполненную вязкой жидкостью, В сильфонной камере размещен узел демпфирования . Узел демпфирования выполнен в виде дополнительного седла, с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости, дополнительного затвора,установленного с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем положении штока, и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного концентрично на штоке. Устройство снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительно него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью. Отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него и выполнен в виде плунжера, Затвор выполнен в виде поршня со сферической верхней и нижней поверхностями и каналами, гидравлически связывающими входной канал с пространством над затвором. 2 ил.. СО с 4J о ел о 00 о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э Е 21

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4835238/03 (221 09.04.90 (46) 15.02.93, Бюл. М 6 (71) Нижневартовский научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) M. 3. Шарифов, В. А. Леонов, Н. И. Бекиррв и А. Н. Соколов (56) Патент США N 4592380, кл. 137 — 15, 1986, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

РЕЖИМА РАБОТЫ СКВАЖИНЫ (57) Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для запуска скважин и автоматического регулирования режимов их работы. Сущность изобретения: устройство вклЮчает полый корпус с входными и выходнымй каналами. В нижней части корпуса установлено седло, В полости корпуса размещен шток с затвором на нижнем конце.

Со штоком жестко связан сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом и образующий с ним герметичную камеру, частично заполненную вязкой жидкостью, В сильфонной камере размещен узел демпфирования. Узел демпфирования выполнен в виде дополнительного седла, с проходным

Изобретение относится к нефтегазодобываЮщей промышленности, в частности, к технике добычи нефти и может быть применено для запуска скважин и автоматического регулирования их режимов работы.

Известно устройство, содержащее.корпус, узел зарядки, уплотнительные элементы, сильфон с демпфером, шток и затвор. В известном устройстве демпфирующий узел

„„Я2„„179508б А1 отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости, допол нительно го затвора, установлен ного с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем положении штока, и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного концентрично на штоке, Устройство

° снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительно . него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью. Отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополни.тельный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого пере. мещения относительно него и выполнен в виде плунжера, Затвор выполнен в виде поршня со сферической верхней и нижней поверхностями и каналами, гидравлически ° связывающими входной канал с пространством над затвором, 2 ил. сильфона выполнен в виде втулки с осевым каналом, установленный в верхней части внутри штока. Здесь демпфирование, то есть снижение динамических нагрузок на сильфон, происходит следующим образом, С момента открытия клапана сильфон со штоком перемещается вверх под действием на его площадь давления среды. При этом демпфирующая жидкость иэ полости пере1795086 текает в камеру азота через осевой демпфирующий канал втулки, эа счет чего создается дополнительное сопротивление перемещению штока, вследствие чего уменьшается сила ударов на сильфон, Недостатками известного демпфирующего узла являются следующие: проходное сечение осевого демпфирующего канала постоянно, то есть его величина не изменяется в зависимости от перемещения сильфона со штоком, из-за че,го динамические нагрузки на сильфон в полйой мере не исключаются, а это особенно отрицательно сказывается на работе сильфона при более сжатом его состоянии; при полном открытии устройства полость демпфирующей жидкости не изолируется от камеры азота, вследствие чего с увеличением давления в среде во внешней полости сильфона, прижимается его боковая поверхность и продолжает перетекать демпфирующая жидкость из полости в камеру азота, и создает дополнительную динамическую нагрузку на сильфон, а это снижает надежность его работы, Также, известно устройство, включающее полый корпус с входными и выходными каналами, седло, установленное в нижней части корпуса; шток с затвором; сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом, а нижний — со штоком, образующий с корпусом герметичную камеру для сжатого газа, частично заполненную вязкой жидкостью; узел демпфирования, выполненный в виде дополнительного седла с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости; дополнительного затвора в виде шара, установленного с возможностью полного перекрытия проходного отверстия а крайнем верхнем положении штока и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилиндра с боковыми отверстиями, установленного. концентрично на штоке. Это устройство имеет следующие недостатки: шар в сильфонной камере размещен свободно, что не исключает преждевременной его посадки в седло (например, при возникновении мгновенного удара на шар через шток произойдет преждевременное закрытие проходного сечения седла с подъемом шара; вследствие этого сильфонная камера, заполненная демпфирующей жидкостью герметично закроется; что и ограничит ход затвора вверх, то есть уменьшит пропускную способность клапана, а также не исключена возможность гидравлического удара, приводящего к порыву . сильфона); проходные сечения канала в сильфонной камере в зависимости от хода штока вверх не изменяется из-за чего растет динамическая нагрузка на сильфон при импульсном перемещении затвора вверх, что в свою очередь приводит к снижению срока службы сильфонного элемента, Известные устройства, кроме названных, имеют следующие недостатки: наружная поверхность сильфона при эксплуатации скважины находится в контакте с рабочей средой, вследствие чего происходит ее за"О сорение, коррозия и пр„не позволяет регулировать давления в потоке жидкости на уровне устройства, а значит и на забое скважины при изменении давления в системе скважины, поскольку его пропускное сече15 ние не изменяется, Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства при одновременном повышении надежности его работы. Эффект от применения устройства при запуске и эксплуатации скважины (а частности, газлифтных) получается эа счет уменьшения общее количество канатных работ эа счет сокращения порывов сильфонов и увеличения отбора нефти из-за

25. сокращения ремонтных работ и поддержания заданного оптимального (рационального) забойного давления, а также от снижения требования к материалу сильфона, а значит и уменьшения стоимости устройства. ОжиЗО даемый удельный зкономический эффект составит на одну скважину не менее 6 тыс. руб.

Указанная цель достигается следующими техническими решениями.

Устройство снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительного него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на дае гидрав40 лически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью. Этот признак позволяет изолировать наружную поверхность сильфона, контактирующую с вязкой жидкостью от ра45 бочей среды, за счет чего исключается его загрязнение, коррозия и пр, Причем давления под и над поршневым кольцом равны

- между собой, так как оно является подвижным, 50 Отверстия в направляющей выполнены а виде продольных прорезей, суммарная площадь которых, не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен

55 на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него, и выполнен в виде плунжера, при этом шток с дополнительным затвором установлены с возможностью осевого перемещения относительно направляющей и плавного пере1795086 крытия ее продольных прорезей. 3а счет штока 7, причем внутри направляющего 10 этого штуцирование демпфирующей (вяз- имеется седло 13, которое ограничивает кой) жидкости происходит в продольных верхнее положение плунжера12, На шток 7 прорезях при любом перемещении плунже- насажено поршневое кольцо 14 с наружным ра в цилиндре (в противном случае, штуци- 5 15 и внутренним 16 уплотнительными кольрованив жидкости при перемещении цами, которое сверху образует с корпусом 1. плунжера в цилиндре без выполнения дан- полость 17, заполненная вязкой (буферной) ного условия, происходило бы наоборот в жидкостью, а снизу полость 18 связанная с верхнем минимальном сечении седле, а это рабочей средой (гаэ). Основной затвор в випротиворечит принципу работы заявляемо- 10 де поршня 19 со сферическими верхней и го демпфирующего узла). В целом это реше- нижней поверхностями жестко связанный ние исключает динамические нагрузки на со штоком 7 и размещен в седле 20 с входсильфон,таккаксопротивлениеприперете- ными каналами в виде продольных прореканиидемпфирующейжидкостиизполости зей 21. Поршень имеет каналы 22, вкамеруазотарастетвзависимостиотхода 15 соединяющие его боковую поверхность с штока, а при крайнем верхнем положении верхним сферическим основанием, причем . штока перекрывается полностью сечение нижнее сферическое основание поршня 19 . прорезей на кожухе с увеличением давле- . при закрытом состоянии устройства гермения во внешней полости сильфона. То есть, тично сидит в канале 23 седла 20, Диаметр полость демпфирующей жидкости иэолиру- 20 поршня 19 и наружный диаметр поршневоется от камеры азота, за счет чего давление, го кольца 14 равны эффективному диаметру действующее на внутреннюю и внешнюю сильфона 6. Это исключает действие давлеповерхность сильфона, выравнивается, так ния рабочей среды (газа) на поперечную как демпфирующая жидкость практически площадь сильфона через входные каналы 21 является несжимаемой. 25 при любом положении поршня 19. То есть, Затвор выполнен в виде поршня со здесь на полную поперечную(эффективную) сферическими верхней и нижней поверх- площадьсильфонадействуетдавление в понос1ями, и каналами, гидравлически свя- токе жидкости через поршень 19 и шток 7, зывающими входной канал корпуса с что дает воэможность автоматически регупространством над поршнем. Этот признак 30. лировать заданное оптимальное (рациопоэ оляет: изготавливать поршень из шара нальное) давление в скважине. срезая его боковые сегменты, что повышает Перед спуском устройства в скважину герметичность затвора при закрытом со- камера 9 заряжается азотом через узел застоянии устройства; исключает засорение рядки 5до расчетного давления; Это давлемехйримесями, солями и пр.; позволяет ча- 35 ние определяется из уравнения баланса стичНо открыть или перекрыть проходное сил,действующих на эффективную площадь сечеНие продольных каналов цилиндра при сильфона 6, то есть: изменении давления в скважине; обеспечи- Рпх$ =PcхSc+F, вает,сообщение внутренней полости корпу- где P — давление потока ж едкости; са с внешней полостью входных каналов 40 S> — поперечная площадь поршня 21; при Любом положении штока. Pc=f(Ic) — давление азота в камере 9;

На.фиг. 1 изображено устройство для Sc — эффективная, то есть средняя поперегу4ирования режима работы скважины, речная площадь сильфона, Sc=S3; общИй вид; на фиг, 2 — изменение сопротив- F=f(dIc/dt), I (с) — сила сопротивления, возления демпфирующего устройства при пе- 45 никающая при перемещении сильфона вверх реме цении затвора вверх. (при определении давления зарядка, это

Устройство состоит из полого корпуса 1 сила принимается равная нулю, т.е. расчет с вхо)1ными 2 и выходными 3 каналами (на- . ведется для закрытого устройства в статичепример, в виде продольных прорезей), уп- ском состоянии); лотнительных элементов 4 и узла зарядки 5. 50 Ic — ход сильфона;

Внутри корпуса 1 размещен сильфон 6, же- t — время перемещения сильфона. стко связанный со штоком 7, образующий с Сопротивление F возникает при открыкорпусом 1 полость 8, заполненную вязкой тии клапана, причем его значение зависит (демпфирующей) жидкостью и камеру 9 для не только от величины Ic, но и от темпа его сжатого азота. Сильфон 6 взаимосвязан че- 55 изменения во времени б4/dt, то есть от рез шток 7 с узлом демпфирования, состоя- . скорости перемещения сильфона (затвора) щий из направляющего 10 с отверстиями в вверх. Другими словами эти сопротивления виде продольных прорезей 11 и дополни- F(Ic) возникает за счет жесткости сильфона тельнб затвор в виде плунжера 12, который и изменения объема газа в сильфонной канеразьемно соединен с верхним торцом мере в зависимости от хода штока, а сопро1795086 тивления F(dl /dt) возникает только во время перемещения штока, за счет переменной скорости нагрузки сильфона, возникающей из-за изменения пропускного сечения прорезей 11, То есть сила F(dl

-равно нулю при статическом состоянии затвора 19.

Плунжер 12 демпфирующего узла имеет возможность перемещения относительно штока 7, что позволяет обеспечить полное и герметичное закрытие камеры 8 при открытом состоянии клапана за счет перемещения плунжера 12 вверх до упора в седле 13 (без уменьшения объема камеры 8) при статическом состоянии штока 7, то есть за счет. возникновения мгновенного перепада давления в камерах 8 и 9, в случае сжатия боковой поверхности сил ьфона 6 при возникновении высокого давления за его наружной окружностью, Тем самым, полностью исключается переток жидкости с ниж.ней камеры в верхнюю; что в свою очередь обеспечивает постоянное давление на внутреннюю и наружную поверхности сильфона независимо от значения давления в рабочей среде и повышает надежность сильфонного элемента.

Устройство работает следующим образом.

Давление потока жидкости действует снизу на эффективную площадь сильфона 6 через поперечную площадь поршня 19 затвора. А рабочая среда (например, газ) поступая в полость 18 через каналы 22 действует на площадь поршневого кольца

14, а также на площадь верхнего основания поршня 19 затвора. При этом перемещения сильфона 6 от давления рабочей среды не . происходит, поскольку силы, направленные вверх и вниз компенсируются между собой.

Поэтому перемещение сильфона 6 со штоком 7 и поршня 19 затвора происходит только под действием давления потока жидкости на эффективную площадь сильфона 6. При открытии устройства рабочая среда проходя через входные 2 и выходные 3 каналы поступает в подъемник и совершает полезную работу.

Это устройство в работе регулирует давление в потоке жидкости и на забое скважины за счет автоматического изменения пропускной способности и обеспечения штуцирования рабочей среды в продольных прорезях 21, Это происходит за счет дополнительного открытия или, наоборот, перекрытия проходного сечения продольных прорезей 21 с перемещением поршня 19 затвора в корпус 1 при изменении давления в скважине, 10 Здесь демпфирующий узел работает следующим образом. При перемещении .сильфона 6 со штоком 7 и плунжером 12 давление в полости 8 растет и часть демпфирующей.жидкости перетекает из полости 8 в камеру 9 через продольные прорези 11, причем при любом перемещении штока 7 штуцирование демпфирующей жидкости происходит в прорезях 11, С момента движения плунжера 12 в цилиндре 10 происхо20

55 дит. перекрытие сечения прорезей 11, вследствие чего растет сила сопротивления, действующая на перемещение сильфона 6.

При полном открытии клапана, если увеличивается давление рабочей среды во внешней полости сильфона 6, то плунжер 12 приподнимается и упираясь в седло 13 направляющего 10 полностью перекрывает проходные каналы прорезей 11 (здесь плунжер 12 выполняет функцию обратного клапана). При этом полость демпфирующей жидкости 8 гидравлически изолируется от камеры азота 9 и давления, действующие на внешнюю и внутреннюю поверхности сильфона 6, выравниваются. Таким образом, практически исключается динамическая нагрузка (напряжение) на сильфон, поскольку при более сжатом состоянии его сила сопротивления сильно растет, а величина механического удара при перемещении сильфона наоборот резко уменьшается.

На фиг, 2 приводится графическая иллюстрация зависимости F=f(dIc/dt) для заявленного устройства (линия 1) и прототипа (линия 2). При этом площадь проходного сечения осевого демпфирующего канала является постоянной в прототипе, для примера примем равной площадь проходного сечения в продольных прорезях 11 направляющего 10 (заявляемое решение) в нижнем состоянии плунжера 12, Как видно для заявляемого устройства сила сопротивления с момента перемещения сильфона вверх становится больше, причем при более сжатом состоянии сильфона его величина значительно больше по сравнению с прототипом.

1795086

IO

13

11

Фиг. I

Формула изобретения

Устройство для регулирования режима работы скважины, включающее полый корпус с входными и выходными каналами, установленное в нижней части корпуса седло, размещенный концентрично в полости корпуса шток с затвором на нижнем конце, сильфон, верхним своим концом жестко связанный с корпусом, а нижним — со штоком, образующий с корпусом герметичную камеру для сжатого газа, частично заполненную вязкой жидкостью и узел демпфирования, выполненный в виде дополнительного седла с проходным отверстием, размещенного в герметичной камере, разделяющего ее на две полости. дополнительного затвора, установленного,с возможностью полного перекрытия проходного отверстия в крайнем верхнем положении штока, и связанной с седлом направляющей, выполненной в виде цилИндра с боковыми отверстиями, установленного концЕнтрично на штоке, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности в работе устройства, оно снабжено поршневым кольцом, установленным концентрично на штоке с возможностью осевого перемещения относительно него и разделяющим полость корпуса под сильфоном на две гидравлически не связанные между собой части, верхняя из которых заполнена вязкой жидкостью, причем отверстия в направляющей выполнены в виде продольных прорезей, суммарная площадь которых не больше площади сечения проходного отверстия дополнительного седла, а дополнительный затвор установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно него и выполнен в виде плунжера, при этом шток с дополнительным затвором установлен с возможностью Осевого перемещения относительно направляющей и плавного перекрытия ее продольных прорезей, а затвор выполнен в виде поршня со сферическими верхней и нижней поверхностями и каналами, гидравлически связывающими входной канал корпуса с пространством над поршнем, 1795086

Фиг. 2

Составитель М. Шарифов

Техред М,Моргентал Корректор Н. Милюкова

Редактор Т, Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 413 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5