Управляющий приводной клапан для использования в скважине, соленоид, примененный в данном клапане, способ управления главным клапаном в скважине с использованием данного клапана и способ изменения скоростей потоков жидкостей в скажине

Настоящее изобретение относится к управляющим клапанам, используемым при завершении скважин, и, в частности, к управляющему клапану, имеющему привод для управления его состоянием, и, посредством этого, состоянием основного клапана, используемый в скважине, в которой состояние управляющего клапана управляется приводом. Техническим результатом является оптимизация показателей потока и регулировки. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к управляющим клапанам, используемым при завершении скважин, и, в частности, к управляющему клапану, имеющему привод для управления его состоянием и, посредством этого, состоянием основного клапана.

Управляющие клапаны используются в газоподъемных трубопроводах. Существующие управляющие клапаны обычно приводятся в действие сильфонами, действующими в ответ на разницу давления, аналогично тем, которые используются в других типах газлифтных клапанов.

Приводные клапаны, такие как соленоидные клапаны, используются, например, в различных промышленных и скважинных применениях. В связи с линейной зависимостью между размером отверстия и создаваемым усилием соленоида, управляющие клапаны использованы во многих клапанах с соленоидным приводом для максимизации давления. Во многих существующих скважинных инструментах используются два сильфона для уплотнения и изолирования жидкости пласта от жидкостей внутри соленоида. Конструкция из двух сильфонов позволяет уравновешивать давление между этими жидкостями. Наиболее предпочтительной конструкцией является использование двух отдельных, т.е. один сильфон для уплотнения и другой сильфон для уравновешивания давления. Тем не менее, из-за пространственных ограничений в скважине наиболее предпочтительным является обеспечение обеих указанных функций с использованием только одной поверхности, контактирующей с жидкостью. В патенте США №2880620 раскрыта система, использующая для этой цели два телескопических сильфона. В патенте США №5662335 раскрыта система, которая достигает той же цели с применением двух сильфонов, соединенных один за другим.

Применение в скважинных операциях известных соленоидов и управляющих приводных клапанов связано с рядом проблем. Например, управляющие приводные клапаны связаны с сильфонными уплотнениями и громоздкими приводными механизмами. При использовании клапанов в скважине пространственные ограничения уменьшают возможности соленоидов обеспечить достаточную приводную силу. Кроме того, обычные управляющие клапаны не обеспечивают требуемой точности контроля потока жидкости.

Целью настоящего изобретения является упрощение и увеличение точности контроля потоков жидкостей в скважине.

Согласно изобретению создан соленоид для использования в управляющем приводном клапане, содержащий корпус, сердечник, расположенный в корпусе, плунжер, подвижно установленный в корпусе, обмотки, намотанные на, по меньшей мере, части сердечника и, по меньшей мере, части плунжера, и кольцо плунжера, расположенное на плунжере. Данное кольцо позволяет увеличить силу, создаваемую соленоидом.

Соленоид может дополнительно содержать возвратное кольцо, установленное на плунжере.

Кольцо плунжера может удерживаться на плече плунжера.

Соленоид может обеспечивать перемещение плунжера, превышающее перемещение кольца плунжера.

Согласно изобретению создан также управляющий приводной клапан для использования в скважине, содержащий корпус, имеющий управляющую камеру, главную камеру, управляющее отверстие инжекции, обеспечивающее жидкостную связь с управляющей камерой, и главное отверстие инжекции, обеспечивающее жидкостную связь с главной камерой, управляющий клапан, имеющий привод, расположенный в управляющей камере, главный клапан, расположенный в главной камере, и управляющий проход для обеспечения жидкостной связи между управляющей камерой и главной камерой.

В данном управляющем клапане использована комбинация управляющего клапана, способного точно приводиться в действие, и главного клапана, обеспечивающая простой и точный контроль потока жидкости в скважине. Привод, расположенный в управляющей камере, обеспечивает точный контроль приведения в действие управляющего клапана, а управляющий проход позволяет осуществить точное сообщение между управляющим клапаном и основным клапаном, что и способствует улучшению контроля потока жидкости в скважине.

Управляющий приводной клапан может дополнительно содержать плунжер, подвижно установленный на приводе и имеющий уплотняющую поверхность на одном его конце для изоляции управляющего прохода от управляющей камеры, и сильфонный узел, уплотненно установленный на привод или корпус и на плунжер. Сильфонный узел может осуществлять уравновешивание давления между управляющей камерой и внутренней частью привода. Сильфонный узел может обеспечивать пружинное усилие на плунжер.

Управляющий приводной клапан может дополнительно содержать управляющее седло, расположенное в одном конце управляющего прохода.

Главный клапан может содержать поршень, имеющий поршневую головку, главное уплотнение и проход через поршень. Поршневая головка может находиться в уплотненном контакте со стенками главной камеры и разделять ее на первую и вторую подкамеры. Главное отверстие инжекции может обеспечивать жидкостную связь со второй подкамерой.

Управляющий приводной клапан может дополнительно содержать пружину для приложения усилия к поршню.

Привод может содержать плунжер, имеющий кольцо плунжера, расположенное на плунжере. Плунжер может иметь плечо, на котором поддерживается кольцо плунжера. Кольцо плунжера может завершать свое перемещение до завершения перемещения плунжера. Кольцо плунжера по завершении своего перемещения может скользить по плунжеру до завершения перемещения плунжера. Привод может дополнительно включать возвратное кольцо, установленное на плунжере.

В управляющем приводном клапане в качестве привода может быть использован вышеописанный соленоид.

Согласно изобретению создан способ управления главным клапаном в скважине, содержащий следующие операции:

обеспечение управляющего клапана в скважине;

активация привода для установления активированного состояния жидкостной связи между главным клапаном и управляющим клапаном и приведение главного клапана в открытое состояние;

отключение привода для установления активированного состояния жидкостной связи между главным клапаном и управляющим клапаном и приведение главного клапана в закрытое состояние.

В данном способе используются вышеописанные управляющий клапан и главный клапан, и для приведения главного клапана в открытое состояние или закрытое состояние осуществляют активацию привода для установления активированного состояния жидкостной связи между указанными клапанами. Избирательная активация или отключение привода для регулирования управляющего клапана, обеспечивающего регулирование основного клапана между его открытым и закрытым состоянием, позволяет осуществить более простой и точный контроль потока жидкости в скважине.

Способ может дополнительно содержать изменение давления инжектируемых жидкостей.

В данном способе управляющий клапан можно использовать для управления потоками в скважине, подъемом газа, инжекцией химикатов или воды.

Согласно изобретению создан также способ изменения скоростей потоков жидкостей в скважине, содержащий использование множества главных клапанов для образования операционной группы, которые управляются управляющим клапаном.

Множества главных клапанов можно использовать для управления потоками в скважине, подъемом газа, инжекцией химикатов или воды.

Далее изобретение будет более подробно описано со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 показывает схематический вид управляющего приводного клапана в соответствии с настоящим изобретением.

фиг.2 - схематический вид управляющего приводного клапана, показанного на фиг.1, изображающий пружину, расположенную в главном клапане;

фиг.3 - схематический вид варианта осуществления соленоида, использованного в контрольном приводном клапане, показанном на фиг.1;

фиг.4 - схематический вид, показывающий группу управляющих приводных клапанов, используемых в скважине.

Фиг.1 показывает управляющий приводной клапан 10, имеющий корпус 12, с расположенным в нем управляющим клапаном 14 и главным клапаном 16. Управляющий клапан 14 содержит привод 18, сильфоны 20, 22 и плунжер 24. Привод 18 может быть одним из различных механических или электромеханических устройств. Например, привод 18 может быть соленоидом, пьезоэлектрическим устройством, устройством запоминания формы, линейным двигателем или стандартным электрическим двигателем. В варианте осуществления, показанном на фиг.1 и в описании, приведенном ниже, в качестве приводного элемента описан соленоид. Тем не менее, вышеуказанные альтернативы могут быть легко приспособлены для замены соленоида и могут служить в качестве приводного элемента.

На фиг.1 соленоид 18 содержит сердечник 26 и обмотки 28, намотанные на сердечник 26. Обмотки 28 по меньшей мере частично окружают по периметру один конец плунжера 24. Противоположный конец плунжера 24 имеет уплотняющую поверхность 30, которая сопрягается с седлом 32 управляющего клапана. Сильфоны 20, 22 установлены внутри полости 34 в корпусе 12 и по меньшей мере частично окружают по периметру плунжер 24. Плунжер 24 проходит в полость 34. Управляющее отверстие 36 инжекции допускает жидкостную связь между полостью 34 и внешним пространством корпуса 12. Внешнее пространство корпуса 12 подвергается воздействию жидкостей вверх по течению от управляющего приводного клапана 10.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, сильфоны 20, 22 расположены в корпусе 12 в телескопическом размещении. Сильфоны 20, 22 обеспечивают изоляцию между жидкостями нисходящей скважины и приводом 18 и уравновешивание давления между жидкостями внутри привода 18 и скважинными жидкостями, контактирующими с сильфонами 20, 22. Кроме того, пружинное усилие сильфонов 20, 22 может быть использовано, как возвратный механизм плунжера 24. Дополнительная пружина или пружины (не показаны) могут также быть использованы для обеспечения этого усилия.

Главный клапан 16 включает поршень 38, расположенный в главной камере 40 в корпусе 12. Поршень 38 имеет на одном конце поршневую головку 42, разделяющую главную камеру 40 на первую и вторую части. Поршневая головка 42 находится в скользящем, изолирующем контакте со стенками главной камеры 40. На конце поршня 38, противоположном поршневой головке 42, расположено главное уплотнение - затвор 44. Главное уплотнение 44 расположено в главном седле 46, когда главный клапан 16 закрыт. Поршень 38 имеет поршневой проход 48, который допускает жидкостную связь между первой частью главной камеры 40 и находящейся вниз по течению стороной главного клапана 16 (обычно эксплуатационный трубопровод). Управляющий проход 50 обеспечивает жидкостную связь между полостью 34 и первой частью главной камеры 40, если запечатывающая поверхность 30 не взаимодействует с управляющим седлом 32. Главное отверстие 52 инжекции обеспечивает жидкостную связь между второй частью главной камеры 40 и внешним пространством корпуса 12 (обычно кольцевое пространство скважины). Дополнительная пружина 54 (фиг.2) может использоваться для улучшения функциональных характеристик главного клапана 16.

В варианте осуществления, показанном на фиг.3, соленоид 18 имеет кольцо 56 плунжера и возвратное кольцо 58. Кольцо 56 плунжера скользит в плунжере 24, но его перемещение ограничено возвратным кольцом 58. Электрический ток, проходящий через обмотки 28, создает магнитные силы в плунжере 24 и кольце 56 плунжера, которые в этом варианте осуществления стремятся тянуть плунжер 24 в верхний зазор 60, при этом толкая кольцо 56 плунжера в нижний зазор 62. Усилие на кольце 56 плунжера первоначально передается на плунжер 24 через плечо 64. Поскольку верхний зазор 60 больше, чем нижний зазор 62, то, по мере того, как плунжер 24 продвигается внутрь и суживает верхний зазор 60, нижний зазор 62 сужается и затем закрывается. По мере перемещения плунжера 24 и дальнейшего сужения верхнего зазора 60 кольцо 56 плунжера скользит по плунжеру 24 до полного закрытия верхнего зазора 60. Поскольку магнитное усилие обратно пропорционально ширине зазора, усилие, созданное в нижнем зазоре 62, значительно увеличивается из-за меньшего размера зазора. Более того, это увеличение усилия в первоначальном положении плунжера 24 не достигается уменьшением передвижения плунжера, поскольку больший верхний зазор является полным расстоянием перемещения плунжера 24.

Имеются различные оперативные состояния управляющего приводного клапана 10, включающие перестановки открытого или закрытого управляющего клапана 14 при давлении инжектируемой жидкости, большем или меньшем, чем давление добываемой жидкости.

В операциях, когда соленоид 18 активирован, сердечник 26 получает магнитный заряд от обмоток 28. В описанной конструкции магнитное поле оказывает толкающее усилие на плунжер 24. Соленоид 18 открывает управляющий клапан 14, выталкивая уплотняющую поверхность 30 из уплотняющего зацепления с управляющим седлом 32. Альтернативный механизм привода может аналогично управлять состоянием управляющего клапана 14.

Если давление инжекции жидкости превышает добываемой жидкости при открытии управляющего клапана 14 общее усилие, приложенное к поршню 38, перемещает его так, что главный клапан 16 удерживается в своем открытом состоянии, и инжектируемая жидкость протекает в скважину. Это происходит, поскольку давление жидкости, входящей через управляющее отверстие 36 инжекции, проходит через управляющий проход 50 и воздействует на поршневую головку 42. Поток жидкости заглушается в поршневом проходе 48. Следовательно, давление жидкости падает от давления инжектируемой жидкости на одном конце поршневого прохода 48 до давления добываемой жидкости на другом его конце. Поскольку давление инжектируемой жидкости превышает давление добываемой жидкости, воздействующее на противоположный конец поршня 38, главное уплотнение 44 выводится из главного седла 46. Инжектируемая жидкость, входящая через главное отверстие 52 инжекции, проходит через открытый главный клапан 16.

Если давление добываемой жидкости превышает давление инжектируемой жидкости при открытии управляющего клапана 14, поршень 38 аналогичным образом перемещается так, что главный клапан 16 удерживается в своем открытом состоянии. Это происходит в связи с тем, что добываемая жидкость с более высоким давлением проходит через поршневой проход 48 в первую часть главной камеры 40, через управляющий проход 50 в управляющую камеру 34 и выходит из управляющего отверстия 36 инжекции. Однако ограничения потока, связанные с этими различными проходами и отверстиями, допускают увеличение давления в первой части главной камеры 40 почти до уровня давления добываемой жидкости, и это давление воздействует на один конец поршневой головки 42. Давление во второй части главной камеры 40 является более низким давлением инжектируемой жидкости, которое воздействует на другой конец поршневой головки 42. Таким образом, силы, приложенные к поршню 38, не уравновешены, и главный клапан 16 удерживается открытым.

При закрытом управляющем клапане 14 давление добываемой жидкости передается через поршневой проход 48 в первую часть главной камеры 40. Если давление инжектируемой жидкости, проходящей через главное отверстие 52 инжекции, превышает давление добываемой жидкости, то общая сила, приложенная к поршню 38, перемещает поршень 38 так, что главный клапан 16 удерживается в своем закрытом состоянии, и поток жидкости не проходит через управляющий приводной клапан 10. Если давление инжектируемой жидкости меньше давления добываемой жидкости, то общая сила, приложенная к поршню 38, перемещает его так, что главный клапан 16 удерживается в своем открытом состоянии, и добываемая жидкость течет через главное отверстие 52 инжекции. Дополнительный управляющий клапан обратного потока (не показан) может быть использован для предотвращения потока от добывающей стороны в сторону инжекции.

При закрытом управляющем клапане 14 и при превышении давления инжектируемой жидкости над давлением добываемой жидкости, давление инжектируемой жидкости, проходящей через управляющее отверстие 36 инжекции, эффективно действует на все поверхности плунжера 24, кроме участка, проходящего в управляющий проход 50, который подвергается воздействию давления добываемой жидкости. Поскольку сильфоны 20, 22 уравновешивают давление с любой стороны сильфонов 20, 22, давление, приложенное к концу плунжера 24 в соленоиде 18, равно давлению инжектируемой жидкости. Таким образом, давление инжектируемой жидкости действует для удержания управляющего клапана 14 в закрытом состоянии. Одна или несколько пружин, также как и жесткость сильфонов 20, 22, могут быть использованы для перемещения плунжера 24 в закрытое положение. Таким образом, усилие, требующееся для открывания или закрывания управляющего клапана 14, может быть скорректировано для различных ситуаций.

Другими признаками настоящего изобретения, хотя и не критическими для функции клапана, являются главное уплотнение 44 и главное седло 46. Изоляция, образованная между нижней стороной главного седла 46 и главным уплотнением 44, может быть сконструирована для оптимизации геометрии потока с целью минимизации утечек жидкости. Например, может быть использована трубка Вентури.

Настоящее изобретение может действовать как механизм открывания или закрывания. Часто желательно иметь в газоподъемной системе изменчивую область потока. Использование множества управляющих приводных клапанов 10, как показано на фиг.4, позволяет оператору достичь этой изменчивости. Управляющие приводные клапаны 10 могут быть установлены на одной и той же глубине или в непосредственной близости друг от друга в подземной скважине 66 для формирования операционной группы 68. Каждый управляющий приводной клапан 10 может открываться или закрываться независимо, чтобы обеспечивать желательную область потока. Управляющие приводные клапаны 10 в операционной группе могут иметь сходные области потока или различные области потока, чтобы оптимизировать показатели потока и регулировку.

Хотя лишь несколько вариантов осуществления изобретения было подробно описано выше, специалисты в данной области техники без труда оценят, что для вариантов осуществления возможно много модификаций, не отходя от существа и преимуществ данного изобретения. Соответственно все такие модификации предназначаются для включения в объем данного изобретения, как определено в последующей формуле изобретения. В формуле изобретения пункты средства-плюс-функции предназначены охватывать структуры, описанные выше, как выполняющие перечисленную функцию не только структурных эквивалентов, но также эквивалентных структур. Таким образом, хотя гвоздь и винт не могут быть структурными эквивалентами в том, что гвоздь использует цилиндрическую поверхность, чтобы скреплять деревянные части вместе, в то время как винт применяет спиральную поверхность, в области крепления деревянных частей гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами.

1. Соленоид для использования в управляющем приводном клапане, содержащий корпус, сердечник, расположенный в корпусе, плунжер, подвижно установленный в корпусе, обмотки, намотанные на, по меньшей мере, части сердечника и, по меньшей мере, части плунжера, и кольцо плунжера, расположенное на плунжере.

2. Соленоид по п.1, дополнительно содержащий возвратное кольцо, установленное на плунжере.

3. Соленоид по п.1, в котором кольцо плунжера способно удерживаться на плече плунжера.

4. Соленоид по п.1, который обеспечивает перемещение плунжера, превышающее перемещение кольца плунжера.

5. Управляющий приводной клапан для использования в скважине, содержащий корпус, имеющий управляющую камеру, главную камеру, управляющее отверстие инжекции, обеспечивающее жидкостную связь с управляющей камерой, и главное отверстие инжекции, обеспечивающее жидкостную связь с главной камерой, управляющий клапан, имеющий привод, расположенный в управляющей камере, главный клапан, расположенный в главной камере, и управляющий проход для обеспечения жидкостной связи между управляющей камерой и главной камерой.

6. Управляющий приводной клапан по п.5, дополнительно содержащий плунжер, подвижно установленный на приводе и имеющий уплотняющую поверхность на одном конце для изоляции управляющего прохода от управляющей камеры, и сильфонный узел, уплотненно установленный на привод или корпус и на плунжер.

7. Управляющий приводной клапан по п.6, в котором сильфонный узел приспособлен для уравновешивания давления между управляющей камерой и внутренностью привода.

8. Управляющий приводной клапан по п.6, в котором сильфонный узел способен создавать пружинное усилие на плунжер.

9. Управляющий приводной клапан по п.5, дополнительно содержащий управляющее седло, расположенное в одном конце управляющего прохода.

10. Управляющий приводной клапан по п.5, в котором главный клапан содержит поршень, имеющий поршневую головку, главное уплотнение и проход через поршень.

11. Управляющий приводной клапан по п.10, в котором поршневая головка находится в уплотненном контакте со стенками главной камеры и разделяет ее на первую и вторую подкамеры.

12. Управляющий приводной клапан по п.11, в котором главное отверстие инжекции обеспечивает жидкостную связь со второй подкамерой.

13. Управляющий приводной клапан по п.5, дополнительно содержащий пружину для приложения усилия к поршню.

14. Управляющий приводной клапан по п.5, в котором привод содержит плунжер, имеющий кольцо плунжера, расположенное на плунжере.

15. Управляющий приводной клапан по п.14, в котором плунжер имеет плечо, на котором поддерживается кольцо плунжера.

16. Управляющий приводной клапан по п.14, в котором кольцо плунжера способно завершать свое перемещение до завершения перемещения плунжера.

17. Управляющий приводной клапан по п.14, в котором кольцо плунжера по завершении своего перемещения способно скользить по плунжеру до завершения перемещения плунжера.

18. Управляющий приводной клапан по п.14, в котором привод дополнительно включает возвратное кольцо, установленное на плунжере.

19. Управляющий приводной клапан по п.5, в котором приводом является соленоид по п.1.

20. Способ управления главным клапаном в скважине, содержащий следующие операции:

обеспечение управляющего клапана в скважине;

активация привода для установления активированного состояния жидкостной связи между главным клапаном и управляющим клапаном и приведение главного клапана в открытое состояние;

отключение привода для установления активированного состояния жидкостной связи между главным клапаном и управляющим клапаном и приведение главного клапана в закрытое состояние.

21. Способ по п.20, дополнительно содержащий изменение давления инжектируемых жидкостей.

22. Способ по п.20, в котором управляющий клапан используют для управления потоками в скважине, подъемом газа, инжекцией химикатов или воды.

23. Способ изменения скоростей потоков жидкостей в скважине, содержащий использование множества главных клапанов для образования операционной группы, которые управляются управляющим клапаном.

24. Способ по п.23, в котором множество главных клапанов используется для управления потоками в скважине, подъемом газа, инжекцией химикатов или воды.