Система для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости

 

Изобретение относится к системам для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости и может быть использовано при газлифтной эксплуатации скважин. Система содержит производственный трубопровод 5 для транспортирования потока углеводородной жидкости, который снабжен клапанной камерой 13, для размещения в ней корпуса 19 клапана с возможностью его извлечения, при этом корпус содержит клапан 25, управление которым осуществляется посредством электрической цепи, подсоединенной к оборудованию, находящемуся на поверхности для перемещения клапана в открытое положение, в котором он обеспечивает сообщение посредством текучей среды между упомянутым потоком и каналом для нагнетания текучей среды, проходящим в скважине, и закрытое положение, в котором он препятствует сообщению посредством текучей среды между потоком и каналом для нагнетания текучей среды. Электрическая цепь системы содержит индуктивный соединитель, включающий первичную катушку 29, установленную в производственном трубопроводе, и вторичную катушку 31, установленную на корпусе клапана. Данная система не требует больших затрат, поскольку устранена необходимость удаления производственного трубопровода из скважины для замены клапана, что сокращает время, в течение которого добыча углеводородной жидкости должна быть приостановлена. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к системе для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости, текущий по буровой скважине, образованной в земной формации. Такая нагнетательная среда может, например, включать в себя транспортирующий газ, с тем чтобы способствовать течению потока углеводородной жидкости по скважине посредством снижения средней плотности этой углеводородной жидкости.

В английской заявке на патент N 2250320 раскрыта система, предназначенная для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости, текущий по буровой скважине, образованной в земной формации, при этом система содержит производственный трубопровод для транспортирования потока углеводородной жидкости по скважине к поверхности земли, причем упомянутый трубопровод снабжен по меньшей мере одной клапанной камерой, которая предназначена для размещения в ней корпуса клапана, при этом корпус клапана включает в себя собственно клапан, управление которым может осуществляться посредством электрической цепи, подсоединенной к находящемуся на поверхности управляющему оборудованию, с тем чтобы перемещать клапан между открытым положением, в котором он обеспечивает сообщение посредством текучей среды между упомянутым потоком и каналом для нагнетания текучей среды, проходящим в скважине, и его закрытым положением, в котором клапан препятствует сообщению между упомянутыми потоком и каналом для нагнетания текучей среды.

Корпус клапана электрически соединен с находящейся на поверхности системой управления посредством проводника, подсоединенного к корпусу клапана. Когда требуется провести текущее обслуживание клапана либо в случае его поломки, производственный трубопровод должен быть извлечен из скважины, с тем чтобы в свою очередь извлечь из этой скважины корпус клапана. Такая процедура требует больших затрат, поскольку удаление производственного трубопровода из скважины - это процедура, на которую расходуется определенное время и в течение которой добыча углеводородной жидкости из скважины должна быть приостановлена.

Цель изобретения заключается в создании системы, предназначенной для скважин, которая позволяет устранить проблемы, присущие известной системе для скважин.

Согласно изобретению создана система, предназначенная для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости, текущей по скважине, образованной в земной формации, при этом система содержит производственный трубопровод для транспортирования потока углеводородной жидкости по скважине к земной поверхности, причем упомянутый трубопровод снабжен по меньшей мере одной клапанной камерой, которая предназначена для размещения в ней корпуса клапана с возможностью его извлечения, при этом корпус включает в себя клапан, управление которым может осуществляться посредством электрической цепи, присоединенной к находящемуся на поверхности управляющему оборудованию, с тем чтобы перемещать клапан между его открытым положением, в котором он обеспечивает сообщение посредством текучей среды между упомянутым потоком и каналом для нагнетания текучей среды, проходящим в скважине, и его закрытым положением, в котором клапан препятствует сообщению между упомянутыми потоком и каналом для нагнетания текучей среды, причем упомянутая электрическая цепь содержит индуктивный соединитель, включающий в себя первичную катушку, обеспеченную на производственном трубопроводе, и вторичную катушку, обеспеченную на корпусе клапана, а корпус клапана снабжен чувствительным средством для восприятия физического параметра потока углеводородной жидкости, при этом упомянутое чувствительное средство электрически подсоединено к находящемуся на поверхности оборудованию через индуктивный соединитель.

Посредством применения индуктивного соединителя достигается получение надежного электрического соединения между электрической цепью и корпусом клапана, причем это соединение обеспечивает возможность расположения корпуса клапана в клапанной камере и извлечения его оттуда без удаления производственного трубопровода из скважины.

Очевидно, что заявка на патент Соединенного Королевства GB-A-2264136 раскрывает извлекаемый клапан для газлифта, который приводится в действие соленоидом и который снабжен турбинным расходомером и другими чувствительными средствами, которые обеспечены отдельными кабелями, предназначенными для передачи создаваемых сигналов к поверхности.

Упомянутый корпус клапана может надлежащим образом располагаться в камере и извлекаться оттуда с помощью средства, предназначенного для размещения/извлечения, которое может подсоединяться к корпусу клапана и проходить к поверхности земли, при этом средство для размещения/извлечения, например, представляет собой линейный провод.

Клапанная камера предпочтительно располагается таким образом, чтобы обеспечить возможность размещения в ней корпуса клапана и его извлечения из нее с помощью упомянутого средства размещения/извлечения через внутреннюю часть производственного трубопровода.

На корпусе клапана соответствующим образом установлены чувствительные средства для измерения физического параметра потока углеводородной жидкости, текущей по производственному трубопроводу, при этом упомянутые чувствительные средства электрически подсоединены через индуктивный соединитель к находящемуся на поверхности управляющему оборудованию.

Скорость потока углеводородной жидкости в производственном трубопроводе может быть повышена посредством нагнетания в этот трубопроводе транспортирующего газа, с тем чтобы понизить вес колонны жидкости в трубопроводе. При таком применении клапан соответственно образует газлифтный клапан, а упомянутый канал образует газлифтный канал для подачи транспортирующего газа под давлением к потоку углеводородной жидкости через галзифтный клапан.

Оптимальное управление нагнетанием транспортирующего газа в производственный трубопровод может достигаться, если упомянутое чувствительное средство включает в себя датчик давления, предназначенный для измерения давления в потоке углеводородной жидкости, при этом упомянутый датчик давления электрически подсоединен через индуктивный соединитель к находящемуся на поверхности управляющему оборудованию и это поверхностное управляющее оборудование осуществляет управление перемещением газлифтного клапана между его открытым положением и закрытым положением в ответ на сигналы давления, передаваемые датчиком давления к находящемуся на поверхности оборудованию.

Для защиты индуктивного соединителя от повреждения вследствие агрессивных или абразивных жидкостей в скважине по меньшей мере одна из упомянутых катушек надлежащим образом покрыта защитной оболочкой из нержавеющей стали, предпочтительно из нержавеющей стали 316. Предпочтительно, чтобы такой защитной оболочкой были покрыты обе катушки.

Когда требуется, чтобы нагнетание текучей среды в производственный трубопровод осуществлялось на разных глубинах, этот трубопровод предпочтительно обеспечивается большим количеством клапанных камер, расположенных на разных глубинах с выбранными расстояниями друг от друга, при этом каждая клапанная камера взаимосвязана с соответствующим корпусом клапана и индуктивным соединителем. При таком расположении первичные катушки индуктивных соединителей остаются электрически подсоединенными к электрической цепи независимо от удаления из скважины одного или более клапанных корпусов, так что электрическая цепь остается нетронутой и осуществляет управление клапанными корпусами, которые еще располагаются в соответствующих клапанных камерах.

Ниже изобретение будет описано более подробно посредством примера со ссылками на прилагаемый чертеж, при этом на фиг. 1 схематически представлено поперечное сечение буровой скважины для добычи углеводородной жидкости с использованием системы согласно изобретению.

Скважина, показанная на чертеже, снабжена стальной обсадной трубой 1, сцементированной с окружающей земной формацией 3, и производственным трубопроводом 5, проходящим в продольном направлении через обсадную трубу 1 между зоной добычи (не показана) в земной формации и устьем скважины (не показана), чтобы транспортировать углеводородную жидкость по внутренней части 9 производственного трубопровода 5 к поверхности. Пространство между обсадной трубой 1 и производственным трубопроводом 5 образует канал 10 для подачи транспортирующего газа в направлении вниз по скважине. Производственный трубопровод 5 включает в себя оправочную часть 11 известного типа с боковым карманом, при этом оправочная часть 11 содержит клапанную камеру 13 для газлифтного клапана, образующую боковой карман, расположенный в стороне от внутренней части 9. Внутри камеры 13 неподвижно установлен трубчатый элемент 15, при этом трубчатый элемент 15 имеет наружный диаметр, равный внутреннему диаметру клапанной камеры 13. Как трубчатый элемент 15, так и производственный трубопровод 5 снабжены отверстием, при этом два отверстия совпадают и формируют вход 17 для транспортирующего газа.

Цилиндрический корпус 19 клапана с наружным диаметром, несколько меньшим внутреннего диаметра трубчатого элемента 15, с возможностью его извлечения расположен внутри трубчатого элемента 15. Цилиндрический корпус 19 клапана может быть перемещен в продольном направлении через трубчатый элемент 15 и отсюда может быть перенесен во внутреннюю часть 9, либо наоборот. Цилиндрический корпус 19 клапана удерживается в надлежащем месте внутри трубчатого элемента 15 с помощью установочных средств (не показаны) таким образом, что внутренняя расточка 23 корпуса 19 клапана обеспечивает сообщение посредством текучей среды между входом 17 для транспортирующего газа и внутренней частью 9 производственного трубопровода 5. В упомянутой расточке 23 установлен подъемный клапан 25, при этом клапан 25 в открытом положении обеспечивает сообщение посредством текучей среды, а в закрытом положении препятствует такому сообщению. Управление клапаном 25 может осуществляться электрически посредством находящегося на поверхности оборудования (не показано) через кондуктор (не показан) прикрепленный к наружной поверхности производственного трубопровода 5, и индуктивный соединитель 27, содержащий первичную катушку 29, встроенную в трубчатый элемент 15, и вторичную катушку 31, прикрепленную к корпусу 19 клапана. Вторичная катушка 31 проходит вокруг продольной оси корпуса 19 клапана, а первичная катушка 29 концентрично проходит вокруг вторичной катушки 31, при этом обе катушки 29, 31 располагаются в плоскости, фактически перпендикулярно продольной оси корпуса 19 клапана. Металлический сердечник индуктивного соединителя 27 образован частями производственного трубопровода 5, трубчатого элемента 15 и корпуса 19 клапана, через которые течет магнитный поток, когда индуктивный соединитель задействован. Кроме того, корпус 19 клапана обеспечен датчиком давления 33, предназначенным для замера давления в производственном трубопроводе 5, при этом датчик давления электрически подсоединен к находящемуся на поверхности электрическому оборудованию через упомянутый индуктивный соединитель 27 и электрический проводник, прикрепленный к производственному трубопроводу 5. Верхней части 35 корпуса 19 клапана придана такая форма, чтобы обеспечить возможность подсоединения к части 35 инструмента в виде линейного провода, с тем чтобы переместить корпус 19 клапана через производственный трубопровод 5 посредством этого линейного провода, когда инструмент в виде линейного провода подсоединен к упомянутой верхней части 35 корпуса 19 клапана. Для уплотнения цилиндрического корпус 19 клапана относительно трубчатого элемента 15 вокруг цилиндрического корпуса 19 клапана вблизи его нижнего конца установлены уплотнения 37, а вокруг этого корпуса 19 вблизи от его верхнего конца установлены уплотнения 39, так что когда клапан 25 находится в его закрытом положении, вход 17 для транспортирующего газа уплотнен относительно внутренней части 9.

В течение обычной работы системы согласно чертежу запирающий инструмент (не показан), приводимый в действие линейным проводом, располагается внутри оправочной части 11 с боковым карманом, а затем корпус 19 клапана опускается по внутренней части 9 производственного трубопровода 5 посредством линейного провода и инструмента с линейным проводом, к которому подсоединена верхняя часть 35 корпуса 19. При достижении корпусом 19 клапана оправочной части 11 с боковым карманом запирающий инструмент направляет корпус 19 клапана в трубчатый элемент 15, расположенный в боковом кармане 13, пока корпус 19 клапана не расположится и не будет удерживаться в надлежащем месте установочными средствами. В этом положении корпус 19 клапана, расточка 23 и вход для транспортирующего газа сцентрированы и первичная катушка 29 окружает вторичную катушку 31. Когда во внутренней части 9 производственного трубопровода 5 требуется транспортирующий газ, с тем чтобы стимулировать прохождение через него потока углеводородной жидкости, клапан 25 открывается электрическим способом посредством электроэнергии, передаваемой от оборудования, находящегося на поверхности, через проводник и индуктивный соединитель 27.

Находящийся под давлением транспортирующий газ, присутствующий в канале 10, после этого течет через вход 17 и расточку 23 во внутреннюю часть 9 производственного трубопровода 5. Затем клапан 25 может быть закрыт путем отключения энергии, либо путем передачи соответствующего электрического сигнала через проводник и индуктивный соединитель 27 к корпусу 19 клапана. Когда требуется произвести замеры давления в производственном трубопроводе 5, сигналы давления передаются от датчика давления 33 через индуктивный соединитель 27 и проводник к находящемуся на поверхности электрическому оборудованию.

Когда требуется провести техническое обслуживание корпуса 19 клапана, соответствующий извлекающий инструмент опускается посредством линейного провода через внутреннюю часть 9 производственного трубопровода 5 и подсоединяется к корпусу 19 клапана. После этого корпус 19 клапана может быть вытянут на поверхность посредством линейного провода.

Хотя размеры различных компонентов системы согласно изобретению могут быть выбраны в соответствии с эксплуатационными требованиями, осуществление системы согласно изобретению особенно предпочтительно, если выполнена оправочная часть обычного типа с боковым карманом и при этом камера газлифтного клапана образует боковой карман с номинальным внутренним диаметром 38,1 мм (1,5 дюйма). Наружный диаметр первичной катушки 29 выбирается так, что трубчатый элемент 15 плотно заходил в боковой карман, а внутренний диаметр первичной катушки 29 соответственно выбирается так, чтобы он составлял 23-27 мм, а предпочтительно 25,4 мм (1,0 дюйм). Вторичная катушка 31 имеет наружный диаметр, выбранный так, чтобы эта катушка устанавливалась внутри первичной катушки 29, при этом наружный диаметр вторичной катушки 31 может составлять, например, 22-25 мм, а предпочтительно выбирается таким образом, чтобы обеспечить возможность установки вторичной катушки в стандартный инструмент с линейным проводом, имеющий размер 25,4 мм (1,0 дюйм). Внутренний диаметр вторичной катушки 31 соответственно составляет 13-17 мм, а предпочтительно 15,2 мм (0,6 дюйма), так что внутри цилиндрического корпуса 19 остается достаточное пространство для электрического провода и для расточки. Общая длина индуктивного соединителя может, например, составлять 80-120 мм, а предпочтительно 101,6 мм (4 дюйма), что немного по сравнению с общий длиной 457 мм (18 дюймов) для типичного 1-дюймового инструмента с линейным проводом.

Материалы индуктивного соединителя и взаимосвязанных с ним компонентов должны противостоять давлениям и температурам, имеющим место в нисходящей скважине, при этом относительная магнитная проницаемость материалов сердечников должна быть достаточно высокой, предпочтительно более 50, с тем чтобы передавать достаточную энергию через индуктивный соединитель. Приемлемый материал для трубчатого элемента 15, в который встроена первичная катушка 29, имеет относительную магнитную проницаемость 60-100 и предпочтительно представляет собой сталь L80, имеющую относительную проницаемость порядка 80, а приемлемый материал для цилиндрического корпуса 19 имеет относительную магнитную проницаемость 500-700 и предпочтительно представляет собой нержавеющую сталь 410, имеющую относительную магнитную проницаемость порядка 600. Установлено, что оптимальная передача мощности посредством индуктивного соединителя достигается в том случае, если электрические омические потери в обмотках катушек и потери магнитного потока в сердечниках почти равны. Поэтому при выходном напряжении порядка 5-15 В и полном сопротивлении порядка 8 Ом оптимальный КПД может быть достигнут посредством выбора количества витков вторичной катушки 31, составляющего 250-350, а предпочтительно 290-310, например 300. Количество витков первичной катушки 29 главным образом определяется требованиями в отношении потерь в электрическом проводнике и допускаемого максимального напряжения в поверхностном оборудовании.

При работе клапана в цилиндрическом клапанном корпусе 19 соответственно требуется мощность 8-12 Вт, например 10 Вт. Ввиду таких невысоких требований в отношении мощности КПД индуктивного соединителя может быть относительно низким, например составлять 15-25%. Выходное напряжение индуктивного соединителя соответственно составляет 5-15 В, так что при полном сопротивлении, приблизительно составляющем 10 Ом, выходной ток может составлять 0,5-2,4 А.

Индуктивный соединитель с обеими катушками, имеющими 300 витков, был испытан с целью определения его КПД, как функции нагрузочного сопротивления и частоты при выходном напряжении 5 В. Было установлено, что КПД повышается как функция частоты вплоть до 2 кГц, при которой был достигнут удивительно высокий КПД порядка 60%. Повышение КПД как функции частоты происходит благодаря тому, что при увеличении частоты магнитные потери в сердечнике уменьшаются. Нагрузка, при которой достигается максимальный КПД, с частотой также увеличивается, что ограничивает передачу мощности при частотах, превышающих 2 кГц. Более высокие частоты, вплоть до 20 кГц, могут быть использованы для передачи данных. В случае воздушной окружающей среды мощность более 15 Вт была передана при 500 Гц, что достаточно для большинства приводных устройств. Поскольку теплопередача в жидкой окружающей среде происходит лучше, чем в воздушной среде, при применении в нисходящих скважинах возможна передача более высокой максимальной мощности.

Формула изобретения

1. Система для введения нагнетательной текучей среды в поток углеводородной жидкости, текущей по буровой скважине, образованной в земной формации, содержащая производственный трубопровод (5) для транспортирования упомянутого потока углеводородной жидкости по буровой скважине к земной поверхности, причем упомянутый трубопровод (5) обеспечен по меньшей мере одной клапанной камерой (13), которая предназначена для размещения в ней корпуса (19) клапана с возможностью его извлечения, при этом корпус (19) клапана включает в себя клапан (25), выполненный с возможностью управления им посредством электрической цепи, подсоединенной к находящемуся на поверхности управляющему оборудованию, и обеспечения перемещения клапана между его открытым положением, в котором он обеспечивает сообщение посредством текучей среды между упомянутым потоком и каналом (10) для нагнетания текучей среды, проходящим в скважине, и его закрытым положением, в котором клапан препятствует сообщению посредством текучей среды между потоком и каналом (10) для нагнетания текучей среды, отличающаяся тем, что электрическая цепь содержит индуктивный соединитель (27), включающий в себя первичную катушку (29), установленную в производственном трубопроводе (5), и вторичную катушку (31), обеспеченную на корпусе (19) клапана, при этом корпус (19) клапана снабжен чувствительным средством (33) для восприятия физического параметра потока углеводородной жидкости и это средство электрически подсоединено к находящемуся на поверхности оборудованию через индуктивный соединитель (27).

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что корпус (19) клапана расположен в клапанной камере (13) с возможностью извлечения из нее с помощью средства для размещения/извлечения, подсоединяемого к корпусу (19) клапана и проходящего к поверхности земли.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что средство для размещения/извлечения представляет собой линейный провод.

4. Система по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что клапанная камера (13) размещена таким образом, чтобы корпус (19) клапана был способен устанавливаться в ней и извлекаться из нее с помощью средства для размещения/извлечения через внутреннюю часть производственного трубопровода (5).

5. Система по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что вторичная катушка (31) проходит вокруг продольной оси корпуса (19) клапана, а первичная катушка (29) размещена вокруг вторичной катушки концентрично ей.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что катушки (29, 31) расположены в плоскости, по существу перпендикулярной продольной оси корпуса (19) клапана.

7. Система по любому из пп.5 - 6, отличающаяся тем, что корпус (19) клапана подвижен внутри клапанной камеры (13) в направлении вдоль продольной оси для того, чтобы устанавливать клапан в клапанной камере (13) и извлекать клапан из нее.

8. Система по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что камера (13) образует пространство, ограниченное трубчатым элементом, неподвижно расположенным внутри бокового кармана оправочной части с боковым карманом, образующей часть производственного трубопровода (5), при этом первичная катушка (29) встроена в трубчатый элемент.

9. Система по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что клапанная камера (13) сообщена с каналом для текучей среды через отверстие, образованное в стенке производственного трубопровода (5).

10. Система по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что канал для текучей среды имеет кольцеобразное проходное сечение и образован между производственным трубопроводом и обсадной трубой (1), установленной в буровой скважине.

11. Система по любому из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что производственный трубопровод (5) обеспечен множеством клапанных камер, расположенных на разных глубинах вдоль производственного трубопровода и с выбранными промежутками между ними.

12. Система по любому из пп.1 - 11, отличающаяся тем, что клапан (25) образует газлифтный клапан, а упомянутый канал (10) для текучей среды образует газлифтный канал для подачи находящегося под давлением транспортирующего газа к потоку углеводородной жидкости через газлифтный клапан (25).

13. Система по любому из пп.1 - 12, отличающаяся тем, что чувствительное средство (33) включает в себя датчик давления для измерения давления в потоке углеводородной жидкости, а находящееся на поверхности оборудование включает в себя систему управления, которая выполнена с возможностью управления открытием и закрытием газлифтного клапана (25) в ответ на сигналы давления, передаваемые датчиком давления (33) к находящемуся на поверхности оборудованию.

14. Система по любому из пп.1 - 13, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из упомянутых катушек (29, 31) покрыта защитной оболочкой из нержавеющей стали.

РИСУНКИ

Рисунок 1