Клапан подземной скважины, приводимый в действие за счет дифференциального давления
Группа изобретений относится к нефтяной промышленности и может быть применена в скважине. Способ приведения в действие клапана в скважине включает накопление энергии за счет дифференциального давления поперек замкнутого запорного устройства клапана и выделение, по меньшей мере, части накопленной энергии при размыкании запорного устройства. Клапан для использования в скважине включает запорное устройство, устройство смещения и привод, который сохраняет энергию в устройстве смещения под действием дифференциального давления поперек запорного устройства. Клапан включает запорное устройство и привод, который, по меньшей мере частично, приводит в действие клапан под воздействием дифференциального давления поперек запорного устройства. Технический результат заключается в повышении эффективности работы скважинного клапана. 2 н. п. и 13 з.п. ф-лы, 22 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
В общем настоящее изобретение касается используемого оборудования и выполняемых операций, относящихся к подземной скважине и, в частности, в описанном ниже примере предлагает клапан подземной скважины, приводимый в действие за счет дифференциального давления.
Уровень техники
Было бы целесообразно получить возможность уменьшения мощности, необходимой для приведения в действие скважинных приборов в забое скважины. Также было бы целесообразно получить возможность уменьшить число узлов, в частности потребляющих мощность узлов и механических элементов, в приводах клапанов.
Однако типовые приводы клапанов имеют высокие требования по потреблению мощности и содержат много узлов. Таким образом, следует признать необходимость усовершенствований в области конструкции скважинного клапана.
Раскрытие изобретения
В приведенном ниже раскрытии предложен клапан и соответствующие способы, которые вносят усовершенствования в области приведения в действие клапанов в подземных скважинах. Ниже описан один пример, в котором привод клапана имеет низкую требуемую мощность и мало электрических и/или механических узлов. Также ниже описан другой пример, в котором приведение в действие клапана является частично или полностью автономным.
В одном из аспектов изобретения предлагается способ приведения в действие клапана в подземной скважине. Способ может включать накопление энергии за счет дифференциального давления поперек, закрытого запорного устройства клапана и высвобождение по меньшей мере части накопленной энергии при открывании запорного устройства.
В другом аспекте изобретения предлагается клапан для использования в подземной скважине. Клапан может включать запорное устройство, устройство смещения и привод, который накапливает энергию в устройстве смещения под действием дифференциального давления поперек запорного устройства.
В еще одном аспекте изобретения система скважины, предлагаемая в приведенном ниже раскрытии предмета изобретения, может включать колонну труб и клапан, который регулирует поток флюида через колонну труб. Клапан может включать запорное устройство и привод, который, по меньшей мере частично, приводит в действие клапан за счет дифференциального давления поперек запорного устройства.
Эти и другие характеристики, преимущества и выгоды станут очевидными для обычного специалиста в данной области техники при тщательном рассмотрении подробного описания приведенных ниже репрезентативных примеров и соответствующих чертежей, на которых аналогичные элементы указаны на различных фигурах с использованием одних и тех же номеров позиций.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 - это схематический частичный поперечный вид системы скважины и связанный с ним способ, который может реализовать принципы настоящего изобретения.
ФИГ.2А-Е - это поперечные виды в увеличенном масштабе последовательных осевых частей клапана, который может использоваться в системе скважины и в способе на ФИГ. 1, причем клапан находится в закрытой конфигурации.
ФИГ.3А-Е - это поперечные виды в увеличенном масштабе последовательных осевых частей клапана в замкнутой конфигурации накопления энергии.
ФИГ.4А-Е - это поперечные виды в увеличенном масштабе последовательных осевых частей клапана в разомкнутой конфигурации.
ФИГ.5А-С - это схематические поперечные виды другой конфигурации клапана.
ФИГ.6 - это схематический поперечный вид еще одной конфигурации клапана.
ФИГ.7А и В - это схематический поперечный вид еще одной конфигурации клапана.
Осуществление изобретения
Система скважины 10 и соответствующий способ, который реализует принципы настоящего изобретения, репрезентативно представлены на ФИГ. 1. В системе скважины 10 клапан 12 присоединен в колонне труб 14, расположенной в стволе скважины 16. В этом примере обсадная колонна 18 окружает ствол скважины 16, но в других примерах ствол скважины вблизи клапана 12 может быть необсаженным.
Клапан 12 включает сборку затвора 20, которая используется для управления потоком через колонну труб 14. В приведенных ниже примерах сборка затвора 20 может избирательно разрешать и прекращать поток в продольном направлении через колонну труб 14, но в других примерах сборка затвора может управлять потоком через боковую стенку колонны труб, между внутренней и наружной частями колонны труб и т.д.
Когда сборка затвора 20 замкнута, может создаваться дифференциальное давление поперек сборки затвора. Как показано на ФИГ. 1, давление флюида 22а под сборкой затвора 20 может быть больше, чем давление флюида 22b над сборкой затвора, когда сборка затвора замкнута. В других примерах давление флюида 22b над сборкой затвора 20 может быть больше, чем давление флюида 22а под сборкой затвора, или же любое из давлений может быть больше, чем другое, или давления могут выравниваться, когда сборка затвора замкнута.
Клапан 12, показанный на ФИГ.1, представляет собой предохранительный клапан, где он используется для предотвращения непредусмотренной потери флюида из скважины в случае аварии. Например, предохранительный клапан может предупредить фонтанирование скважины за счет предотвращения нерегулируемого потока флюида через колонну труб 14.
Однако должно быть совершенно очевидно, что предохранительный клапан - это только один тип клапана, который может включать принципы настоящего изобретения. Ниже описаны примеры других типов клапанов, которые могут использовать принципы настоящего изобретения, но принципы этого изобретения никаким образом не ограничены любыми подробностями, относящимися к описанным здесь конкретным клапанам, поскольку, в соответствии с принципами настоящего изобретения, может использоваться любой тип клапана.
На ФИГ. 1 репрезентативно представлены одна или более линий 24, соединенных с клапаном 12 для его работы. Линии 24 могут представлять собой гидравлические, электрические, оптические или другой тип или сочетание линий, и линии могут использоваться для передачи сигналов (таких как команды или сигналы данных) для подачи электропитания на клапан 12 или для любой другой цели. Однако в других примерах, описанных ниже, линии 24 не используются.
Дополнительно обратимся теперь к ФИГ. 2А-4Е, где пример клапана 12 схематично и репрезентативно представляет поперечные виды последовательных осевых частей клапана в увеличенном масштабе. Клапан 12 может использоваться в системе скважины 10 на ФИГ.1 или клапан может использоваться в любой другой системе скважины. Клапан 12 показан в замкнутой конфигурации на ФИГ.2А-Е, в конфигурации накопления энергии на ФИГ.3А-Е и в разомкнутой конфигурации на ФИГ.4А-Е.
Сборка затвора 20 приведена на ФИГ.2Е, 3Е и 4Е. На этих фигурах можно увидеть, что сборка затвора 20 включает запорное устройство 26 (в этом примере заслонку), пружину 28, которая смещает запорное устройство в его замкнутое положение, и седло 30, которое герметично зацепляет запорное устройство (предотвращая, таким образом, поток через внутренний продольный трубопровод 32), когда запорное устройство находится в своем замкнутом положении.
В разомкнутой конфигурации на ФИГ.4А-Е втулка 34 (иногда упоминаемая как "патрубок" в технике предохранительных клапанов) удерживает запорное устройство 26 в его разомкнутом положении. Для того, чтобы позволить запорному устройству 26 повернуться вверх, в его замкнутое положение, втулка 34 должна быть смещена вверх, в ее положение, показанное на ФИГ.2А-3Е.
В замкнутой конфигурации на ФИГ.2А-Е дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 может создаваться за счет того, что давление во флюиде 22а под запорным устройством оказывается больше, чем давление во флюиде 22b над запорным устройством. В разомкнутой конфигурации на ФИГ.4А-Е давления во флюидах 22а,b практически выровнены.
Клапан 12 уникально использует возможности дифференциального давления поперек запорного устройства 26 в его замкнутом положении для накопления энергии в устройствах смещения 36, 38, расположенных в приводе 40 клапана. Накопленная в устройствах смещения 36, 38 энергия может использоваться для смещения втулки 34 вниз, в ее положение, показанное на ФИГ.4Е, открывая таким образом (или по меньшей мере удерживая открытым) запорное устройство 26.
Устройства смещения 36, 38, показанные на ФИГ.2А-4Е, представляют собой пружины сжатия со спиральной намоткой. Однако в других примерах устройства смещения 36, 38 (или любое из них) могут включать другой тип пружины (такой как пружина растяжения), сжатый газ, сжимаемую жидкость или любой другой тип устройства смещения.
На ФИГ.2А-Е запорное устройство 26 обоснованно закрыто, иначе поперек запорного устройства дифференциальное давление не создается. При этом на ФИГ.3А-Е создается дифференциальное давление поперек запорного устройства 26, и это дифференциальное давление заставляет поршень 42 привода 40 смещаться вниз (см. ФИГ.3В), сжимая, таким образом, устройства смещения 36, 38 (можно сравнить устройства смещения, показанные на ФИГ.2С и D с устройствами смещения, показанными на ФИГ.3С и D).
Энергия, накопленная в устройствах смещения 36, 38, увеличивает усилия смещения, прилагаемые устройствами смещения под действием увеличенного дифференциального давления поперек запорного устройства 26. Таким образом, предпочтительно дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 возрастает до заранее установленного уровня в конфигурации на ФИГ.3А-Е с целью накопления в устройствах смещения 36, 38 требуемого минимального уровня энергии до открывания клапана 12.
Поршень 42 на своей верхней стороне подвергается давлению за счет флюида 22а под запорным устройством 26 через линию 44. Хотя линия 44 и показана как проходящая снаружи относительно клапана 12, линия может быть расположена иначе, без отхода от принципов настоящего изобретения.
Поршень 42 на своей нижней стороне открыт для давления во флюиде 22b над запорным устройством 26. Таким образом, дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 также прилагается поперек поршня 42. В других примерах, описанных ниже, то же самое дифференциальное давление поперек запорного устройства 26, необязательно, также прилагается поперек поршня 42.
Разъединяющий механизм 46 привода 40 включает электромагнит 48, собачку 50 и шток фиксатора 52. Шток 52 присоединен к зубчатой сборке с трубчатым отверстием 54, которая смещается вверх за счет устройства смещения 38. Поршень 42 также присоединен к зубчатой сборке с отверстием 54.
Когда поршень 42 находится в своем нижнем положении (как показано на ФИГ.3В и 4В), можно подать питание на электромагнит 48 для смещения собачки 50 в зацепление с выточкой 56 на штоке фиксатора 52. Таким способом зубчатая сборка с отверстием 54 может удерживаться в своем нижнем положении даже при отсутствии дифференциального давления поперек запорного устройства 26.
Таким образом, на ФИГ. 4А-Е зубчатая сборка с отверстием 54 находится в своем нижнем положении, а втулка 34 удерживает запорное устройство 26 в его разомкнутом положении даже при отсутствии дифференциального давления поперек запорного устройства для смещения поршня 42 вниз. Когда требуется закрыть клапан 12, можно прекратить подачу питания на электромагнит 48, высвобождая, таким образом, собачку 50 из выточки 56, а устройство смещения 38 будет смещать зубчатую сборку с отверстием 54 вверх вдоль втулки 34, позволяя, таким образом, запорному устройству 26 повернуться в свое замкнутое положение, как показано на ФИГ.2А-Е.
На ФИГ.4В линии 24 показаны как присоединенные к электромагниту 48 с целью подачи электроэнергии для управления электромагнитом. Однако должно быть совершенно понятно, что это всего лишь один пример из широкого набора способов, с помощью которых можно управлять разъединяющим механизмом в клапане 12. В других примерах питание для управления разъединяющим механизмом 46 может подаваться в забое скважины (например, за счет генератора в забое скважины, аккумуляторов и т.д.) вместо подачи из удаленного местоположения. В еще других примерах могут использоваться другие виды мощности (такие как механическая, оптическая, гидравлическая и т.д) вместо (или в дополнение к) электрической мощности.
Начиная с конфигурации на ФИГ. 2А-Е, способ управления клапаном 12 может осуществляться следующим образом:
1) Когда запорное устройство 26 находится в своем замкнутом положении и при отсутствии дифференциального давления поперек запорного устройства, поршень 42 находится в своем крайнем верхнем положении и не прикладывает какого-либо усилия к устройствам смещения 36, 38.
2) Дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 возрастает, заставляя, таким образом, поршень 42 смещаться вниз и прикладывать возрастающее усилие к устройствам смещения 36, 38, как показано на ФИГ.3А-Е. Дифференциальное давление может быть результатом заранее существующих условий в скважине (таких как пласт, находящийся под естественным давлением и т.д.) или же дифференциальное давление может быть индуцированным (например, за счет сброса давления от флюида 22а над запорным устройством 26, появления более легкого флюида в канале 32 над запорным устройством и т.д.).
3) Дифференциальное давление возрастает до заранее установленного минимального уровня, накапливая, таким образом, требуемое минимальное количество энергии в устройствах смещения 36, 38.
4) Включается разъединяющий механизм 46, сохраняя, таким образом, накопленную энергию в устройствах смещения 36, 38.
5) Когда необходимо открыть клапан 12, дифференциальное давление уменьшается, позволяя, таким образом, запорному устройству 26 повернуться в его разомкнутое положение, как показано на ФИГ.4А-Е и позволяя накопленной энергии по меньшей мере в устройстве смещения 36 смещать втулку 34 вниз для удерживания запорного устройства в его разомкнутом положении. К трубопроводу над запорным устройством 26 может быть приложено давление для выравнивания дифференциального давления. Предпочтительно, когда дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 полностью выровнено, накопленная энергия в устройстве смещения 36 будет смещать втулку 34 вниз для поворота запорного устройства в его разомкнутое положение.
6) Когда требуется закрыть клапан 12, разъединяющий механизм 46 отключается, позволяя, таким образом, устройству смещения 38 перемещать поршень 42 вверх, в его положение, показанное на ФИГ.2А-Е. Втулка 34 уже не удерживает запорное устройство 26 в его разомкнутом положении, и запорное устройство поворачивается в свое замкнутое положение.
Следует учесть, что этап 6, упомянутый выше, может выполняться преднамеренно (например, при периодическом испытании клапана 12), или же этот этап может выполняться непреднамеренно (например, при возникновении аварийной ситуации, разъединении линий 24 и т.д.). Безопасный режим клапана 12 относится к его закрытой конфигурации, и это имеет место в любое время при отключении разъединяющего механизма 46.
Таким образом, прерывание электрического сигнала, передаваемого через линии 24, используется для того, чтобы заставить клапан 12 переключиться в свою закрытую конфигурацию безопасного режима. Однако это лишь один пример способа, с помощью которого прерванный сигнал может использоваться для приведения в действие разъединяющего механизма. В других примерах прерванный сигнал может быть акустическим, механическим, сигналом давления, оптическим, гидравлическим, электромагнитным или сигналом другого типа и сигнал может передаваться с помощью различных видов телеметрии, а также сигнал может восприниматься датчиком клапана 12.
В дополнение к этому обратимся теперь к ФИГ.5А-С, где репрезентативно и схематически представлена другая конфигурация клапана 12. Клапан 12 показан на ФИГ.5А в закрытой конфигурации, на ФИГ.5В клапан показан в конфигурации с накоплением энергии, а на ФИГ.5С клапан показан в открытой конфигурации. Клапан 12 может использоваться в описанной выше системе 10 или в любой другой системе скважины.
Клапан 12 на ФИГ.5А-С во многих отношениях подобен клапану на ФИГ. 2А-4Е. Однако клапан 12 на ФИГ.5А-С существенно отличается по конфигурации своего разъединяющего механизма 46 и привода 40.
Привод 40 на ФИГ.5А-С включает сборку кольцевого магнита 58, соединенную с поршнем 42 и разъединяющим механизмом 46. Другая сборка кольцевого магнита 60 связана магнитным полем со сборкой магнита 58. Таким образом, сборки магнитов 58, 60 совместно смещаются вверх и вниз на противоположных сторонах изолирующей от давления стенки 62.
Предпочтительно каждая из сборок магнитов 58, 60 выполнена из стопки магнитов кольцевой формы. Таким образом, привод 40 может быть аналогичен приводу, который описан в патенте США №6988556, полное раскрытие которого включено в настоящее описание изобретения путем этой ссылки.
Устройство смещения 36 смещает втулку 34 вниз относительно сборки магнитов 60. Устройство смещения 38 смещает сборку магнитов 58 вверх.
Разъединяющий механизм 46 на ФИГ.5А-С включает втулку 64 с наружной резьбой, гайку 66 с внутренней резьбой и тормоз с электроприводом 68. Гайка 66 соединена со сборкой магнитов 58 таким образом, что, если сборка магнитов смещается вверх или вниз, гайка также смещается вверх или вниз относительно резьбовой втулки 64, заставляя, таким образом, резьбовую втулку вращаться.
При подаче электропитания тормоз 68 может предотвратить вращение резьбовой втулки 64 и, таким образом, может предотвратить смещение гайки 66 и присоединенной сборки магнитов 58. Когда питание тормоза 68 отключено, сборка магнитов 58 может смещаться вверх или вниз за счет поршня 42 и/или устройства смещения 38.
Работа клапана 12, как показано на ФИГ.5А-С, очень похожа на работу клапана на ФИГ.2А-4Е. В замкнутой конфигурации на ФИГ.5А дифференциальное давление может создаваться поперек запорного устройства 26.
В конфигурации накопления энергии на ФИГ.5В дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 заставляет поршень 42 смещаться вниз, накапливая, таким образом, энергию в устройствах смещения 36, 38. Разъединяющий механизм 46 активируется при достижении заранее установленного уровня дифференциального давления, накапливая, таким образом, минимальное требуемое количество энергии в устройствах смещения 36, 38.
В разомкнутой конфигурации на ФИГ.5С дифференциальное давление поперек запорного устройства 26 уменьшается, и устройство смещения 36 смещает втулку 34 вниз для удерживания запорного устройства 26 в его разомкнутом положении. Затем, как показано на ФИГ.5А, для закрывания клапана 12 может быть отключено питание разъединяющего механизма 46.
Как и в конфигурации на ФИГ.2А-4Е, в конфигурации на ФИГ.5А-С можно выполнить много различных модификаций при соблюдении принципов настоящего изобретения. Например: 1) вместо линий 24, проложенных в удаленное местоположение, питание может обеспечиваться локально с помощью аккумуляторов, генератора в забое скважины и т.д.; 2) тормоз 68 может приводиться в действие механически, гидравлически, оптически и т.д. вместо электрического питания (или в дополнение к нему; 3) сигнал для удерживания разъединяющего механизма 46 в положении приведения в действие может передаваться акустически, механически, за счет давления, оптически, гидравлически, электромагнитным способом или любыми другими средствами, и сигнал может определяться датчиком клапана 12.
Следует учесть, что клапан 12 на ФИГ.5А-С подобный клапану на ФИГ.2А-4Е, относится к типу, известному специалистам в этой области техники как предохранительный клапан, хотя клапан может использоваться и для других целей без отклонения от принципов данного изобретения. В связи с этим клапан 12 на ФИГ.5А-С в случае прерывания сигнала, передаваемого на разъединяющий механизм 46, предпочтительно переходит в свою закрытую конфигурацию безопасной работы на ФИГ.5А.
Следует учесть, что другое отличие между конфигурацией клапана 12 на ФИГ.5А-С и конфигурацией клапана на ФИГ.2А-4Е состоит в том, что поршень 42 в конфигурации на ФИГ.5А-С открыт на своей нижней стороне для воздействия давления на наружную поверхность клапана через канал 70. Таким образом, дифференциальное давление, которое смещает поршень 42 вниз, создается между давлением в трубопроводе 32 под запорным устройством 26 и давлением на наружную поверхность клапана 12 (например, в кольце, образованном радиально между колонной труб 14 и обсадной колонной 18).
В дополнение к этому обратимся теперь к ФИГ.6, где репрезентативно и схематически представлена конфигурация клапана 12. Клапан 12 может использоваться в описанной выше системе 10 или в любой другой системе скважины.
Конфигурация клапана 12 на ФИГ.6 во многих отношениях подобна клапану на ФИГ.5А-С. Однако имеется несколько отличий, включая следующие: 1) сборки магнитов 58, 60 и стенка 62 не используются; 2) поршень 42 открыт на своей нижней стороне для воздействия давления в трубопроводе 32 над запорным устройством 26 (как в конфигурации клапана на ФИГ.2А-4Е); и 3) используется другой тип разъединяющего механизма 46.
Разъединяющий механизм 46 на ФИГ.6 включает захват с электромагнитным управлением 72, который захватывает шток 74, когда включается электропитание захвата. Это нечто подобное функции, выполняемой электромагнитом 48 и собачкой 50, которая зацепляет выточку 56 на штоке фиксатора 52 в конфигурации на ФИГ. 2А-4Е.
Шток 74 соединен с зубчатой сборкой с отверстием 54, так же, как и поршень 42. Когда поршень 42 смещает зубчатую сборку с отверстием 54 вниз, обеспечивая, таким образом, накопление энергии в устройствах смещения 36, 38, захват 72 может быть приведен в действие для удерживания штока 74 и предотвращения смещения вверх зубчатой сборки с отверстием 54, обеспечивая, таким образом, сохранение накопленной энергии в устройствах смещения.
Для закрывания клапана 12 питание захвата 72 отключается (внутренним или внешним способом), обеспечивая, таким образом, смещение вверх зубчатой сборки с отверстием 54 за счет устройства смещения 38 и позволяя запорному устройству 26 поворачиваться вверх в свое замкнутое положение.
Система управления 76 с датчиком 78 предусмотрена в конфигурации на ФИГ. 6 для управления работой разъединяющего механизма 46. Система управления 76 может включать аккумуляторы и/или она может обеспечиваться питанием от генератора в забое скважины или из удаленного местоположения и т.д. Система управления 76 и датчик 78 могут быть выполнены как единый цельный блок, как часть разъединяющего механизма 46, или же любой элемент системы управления и/или датчик могут быть предусмотрены в клапане 12 отдельно.
Датчик 78 детектирует сигнал и обеспечивает на систему управления 76 индикацию того, что сигнал обнаружен или же был прерван. Система управления 76 соединена с захватом 72 для избирательного включения и отключения захвата в ответ на индикации, предоставляемые датчиком 78.
Датчик 78 может в различных примерах детектировать сигнал давления, механический, акустический, электромагнитный, оптический или любой другой сигнал. В примере на ФИГ. 6 датчик 78 соединен с трубопроводом 32 для детектирования, например, сигнала давления, передаваемого через трубопровод.
Когда сигнал прерывается, датчик 78 сообщает об этом на систему управления 76, которая отключает питание захвата 72, позволяя, таким образом, устройству смещения 38 смещать зубчатую сборку с отверстием 54 вверх. Запорное устройство 26 замыкается, когда втулка 34 уже не удерживает запорное устройство от поворота вверх в свое замкнутое положение.
В других примерах датчик 78 может детектировать присутствие конструкции (такой как колонна труб, скважинный прибор и т.д.) в трубопроводе и может заставлять клапан 12 закрываться, когда присутствие конструкции больше не детектируется. Таким образом, клапан 12 может относиться к типу, известному как нижний клапан или изолирующий клапан. Когда требуется позволить конструкции опуститься вниз через трубопровод 32, клапан 12 можно открыть за счет приложения повышенного давления к каналу над запорным устройством (или наоборот - уменьшения дифференциального давления поперек запорного устройства).
Следует учесть, что датчик 78 и система управления 76 могут использоваться с любой из других описанных здесь конфигураций клапана 12. Более того, любая из характеристик любой из описанных конфигураций может использоваться с любыми другими описанными здесь конфигурациями клапана 12 при соблюдении принципов настоящего изобретения.
В дополнение к этому обратимся теперь к ФИГ.7А и В, где репрезентативно и схематично представлена еще одна конфигурация клапана 12. Клапан 12 на ФИГ.7А и В может использоваться в описанной выше системе 10 или он может использоваться в любой другой системе скважины.
Одно существенное различие между клапаном 12 на ФИГ.7А и В и другими конфигурациями клапана, описанными выше, состоит в том, что сборка затвора 20 в конфигурации на ФИГ.7А и В включает шаровое запорное устройство 26 вместо запорного устройства типа с заслонкой. Однако клапан 12 на ФИГ.7А и В может включать запорное устройство типа с заслонкой 26, и/или другие конфигурации клапана, описанные здесь, могут включать шаровое запорное устройство при соблюдении принципов настоящего изобретения.
Запорное устройство 26 показано в замкнутом положении на ФИГ.7А и показано в разомкнутом положении на ФИГ.7В. Следует учесть, что узлы клапана 12, как показано на ФИГ.7А и В, находятся в "перевернутом положении" по сравнению с соответствующими узлами других конфигураций клапана, описанных выше.
Клапан 12 на ФИГ.7А и В относится к типу, известному специалистам в этой области техники как клапан контроля потери флюида, поскольку закрывание клапана может использоваться для предотвращения потери флюида в пласте, пересекаемом стволом скважины 16. Клапан 12 на ФИГ.7А и В также может рассматриваться как изолирующий клапан, поскольку, когда запорное устройство 26 замкнуто, поток флюида в обоих направлениях через трубопровод 32 предотвращается.
Работа клапана 12 на ФИГ.7А и В очень похожа на работу клапанов в других конфигурациях, описанных выше, за исключением того, что поршень 42 на своем нижнем конце открыт для воздействия давления в трубопроводе 32 над запорным устройством 26, а на своем верхнем конце поршень открыт для воздействия давления в трубопроводе под запорным устройством. Таким образом, когда запорное устройство 26 находится в своем замкнутом положении, как показано на ФИГ.7А, создается дифференциальное давление в промежутке сверху и снизу относительно запорного устройства, и поршень 42 смещается вверх, накапливая, таким образом, энергию в устройствах смещения 36, 38.
Когда в устройствах смещения 36, 38 накапливается достаточное количество энергии, включается захват 72, предотвращая, таким образом, смещение вниз зубчатой сборки с отверстием 54. Когда захват 72 отключается, запорное устройство 26 под действием смещения втулки 34 вверх поворачивается в свое разомкнутое положение.
Конфигурация клапана 12 на ФИГ.7А и В может быть обеспечена системой управления 76 и датчиком 78, например, для детектирования присутствия в трубопроводе 32 конструкции (такой как колонна труб, скважинный прибор и т.д.). Таким образом, клапан 12 может открываться, когда конструкция проходит через трубопровод 32 вниз к клапану, и клапан может закрываться, когда конструкция проходит через клапан вверх.
Теперь можно в полной мере признать, что приведенное выше изобретение предлагает ряд усовершенствований в технике конструирования клапанов для использования в забое скважины. В приведенных выше примерах работа клапана 12 осуществляется удобно и надежно, без больших требований к электрической мощности. Кроме того, в приведенных выше примерах возможна автономная работа (например, с использованием питания от аккумуляторов или за счет генерируемой в забое скважины мощности, с использованием датчика для детектирования момента, когда необходимо включить клапан и т.д.).
Приведенное выше изобретение предлагает для рассматриваемой области техники способ приведения в действие клапана 12 в подземной скважине. Способ может включать накопление энергии как результат воздействия дифференциального давления поперек закрытого запорного устройства 26 клапана 12 и высвобождение по меньшей мере части накопленной энергии при открывании запорного устройства 26.
Этап выделения энергии может осуществляться в ответ на прерывание сигнала, получаемого системой управления 76 клапана 12. Сигнал может включать по меньшей мере один из следующих сигналов: гидравлический, механический, акустический, сигнал давления, электромагнитный, электрический и оптический.
Сигнал на датчик 78 клапана 12 может передаваться из удаленного местоположения.
Этап накопления энергии этап может включать увеличение усилия смещения, прилагаемого устройством смещения 36 и/или 38 клапана 12.
Этап накопления энергии может включать сжатие устройства смещения 36 и/или 38 с усилием, генерируемым за счет дифференциального давления.
Этап выделения энергии может осуществляться в ответ на снижение дифференциального давления поперек запорного устройства 26.
Также в приведенном выше изобретении предлагается клапан 12 для использования в подземной скважине. Клапан 12 может включать запорное устройство 26, устройство смещения 36 и/или 38 и привод 40, который накапливает энергию в устройствах смещения 36 и/или 38 под действием дифференциального давления поперек запорного устройства 26.
Привод 40 может включать поршень 42, который подвергается воздействию давления на одной из сторон запорного устройства 26. Поршень 42 также может подвергаться воздействию давления на противоположной стороне запорного устройства 26. Поршень 42 может подвергаться воздействию внешнего относительно клапана 12 давления.
Привод 40 может увеличивать усилие смещения, прилагаемое устройством смещения 36 и/или 38 за счет дифференциального давления поперек запорного устройства 26.
Клапан 12 может включать разъединяющий механизм для выделения энергии 46, который высвобождает по меньшей мере часть энергии из устройств смещения 36 и/или 38. Разъединяющий механизм 46 может выделять энергию под действием прерывания по меньшей мере одного из следующих сигналов: гидравлического, механического, акустического, сигнала давления, электромагнитного, электрического и оптического.
Клапан 12 может также включать датчик 78. Разъединяющий механизм 46 может высвобождать энергию под действием прерывания сигнала, полученного датчиком 78.
Также в приведенном выше изобретении предлагается система скважины 10. Система скважины 10 может включать колонну труб 14 и клапан 12, который управляет потоком флюида через колонну труб. Клапан 12 может включать запорное устройство 26 и привод 40, который приводит в действие клапан, по меньшей мере частично, за счет дифференциального давления поперек запорного устройства.
Привод 40 может накапливать энергию за счет дифференциального давления и может высвобождать по меньшей мере часть накопленной энергии, когда запорное устройство 26 открывается. Энергия может высвобождаться под действием прерывания сигнала, получаемого системой управления 76 клапана 12.
Сигнал может представлять собой по меньшей мере один из следующих сигналов: гидравлический, механический, акустический, сигнал давления, электромагнитный, электрический и оптический. Сигнал может передаваться на датчик 78 клапана 12 из удаленного местоположения.
Усилие смещения, прилагаемое устройствами смещения 36 и/или 38 клапана 12, может возрастать под действием дифференциального давления поперек запорного устройства 26. Устройства смещения 36 и/или 38 могут сжиматься за счет усилия, генерируемого за счет дифференциального давления.
Запорное устройство 26 может размыкаться в ответ на уменьшение дифференциального давления поперек запорного устройства.
Должно быть понятно, что различные примеры, описанные выше, могут использоваться при различной ориентации в пространстве, такой как наклонная, перевернутая, горизонтальная, вертикальная и т.д., и в различных конфигурациях без отклонения от принципов настоящего изобретения. Варианты воплощения изобретения, приведенные на чертежах, показаны и описаны всего лишь как примеры полезных применений принципов изобретения, которые не ограничены какими-либо конкретными подробностями этих вариантов воплощения изобретения.
В приведенном выше описании репрезентативных примеров изобретения термины, определяющие направление в пространстве, такие как "над", "под", "выше", "ниже" и т.д., используются для удобства ссылки на соответствующие чертежи. В общем "над", "выше", "вверх" и подобные им термины относятся к направлению к поверхности земли вдоль ствола скважины, а "под", "ниже", "вниз" и подобные им термины относятся к направлению от поверхности земли вдоль ствола скважины.
Разумеется, специалисты в рассматриваемой области техники при детальном рассмотрении приведенного выше описания репрезентативных вариантов воплощения изобретения легко признают, что для этих конкретных вариантов воплощения изобретения могут быть выполнены многочисленные модификации, добавления, замены, удаления и другие изменения, причем такие изменения находятся в пределах объема принципов настоящего изобретения. Соответственно, изложенное выше подробное описание должно четко восприниматься исключительно как приведенное путем иллюстрирования и только как пример, а объем и сущность настоящего изобретения ограничиваются исключительно прилагаемыми пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.
1. Способ приведения в действие клапана в подземной скважине, включающий:
накопление энергии в первом и втором устройствах накопления энергии за счет дифференциального давления поперек замкнутого запорного устройства клапана; и
выделение накопленной энергии из первого устройства накопления энергии при открывании запорного устройства,
причем клапан содержит элемент, который смещают, перемещая запорное устройство между разомкнутым и замкнутым положениями,
при этом указанный элемент прикладывает усилие размыкания к запорному устройству на этапе накопления энергии,
причем дифференциальное давление оказывает сопротивление данному усилию размыкания.
2. Способ по п.1, также включающий этап выделения накопленной энергии из второго устройства накопления энергии при замыкании запорного устройства, причем этот этап выделения накопленной энергии из второго устройства накопления энергии осуществляют в ответ на прерывание сигнала, получаемого системой управления клапана.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что сигнал представляет собой по меньшей мере один из следующих сигналов: гидравлический, механический, акустический, сигнал давления, электромагнитный, электрический и оптический.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что сигнал на датчик клапана передается из удаленного местоположения.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап накопления энергии дополнительно включает увеличение усилия смещения, прилагаемого устройством смещения клапана.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что этап накопления энергии дополнительно включает сжатие устройства смещения с усилием, генерируемым за счет дифференциального давления.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный этап выделения энергии из первого устройства накопления энергии осуществляют за счет уменьшения дифференциального давления поперек запорного устройства.
8. Клапан для использования в подземной скважине, включающий:
запорное устройство;
элемент, выполненный смещаемым с возможностью перемещения запорного устройства между разомкнутым и замкнутым положениями,
зубчатую сборку с трубчатым отверстием, установленную с возможностью смещения внутри указанного элемента,
первое устройство смещения, смещающее указанный элемент в смещенное положение относительно зубчатой сборки с трубчатым отверстием,
поршень, соединенный с указанной зубчатой сборкой с трубчатым отверстием,
причем поршень накапливает энергию в первом устройстве смещения под действием дифференциального давления поперек запорного устройства,
при этом первое устройство смещения вынуждает указанный элемент смещаться, когда дифференциальное давление выравнивается, открывая тем самым клапан.
9. Клапан по п.8, отличающийся тем, что поршень подвергается воздействию давления на первой стороне запорного устройства.
10. Клапан по п.9, отличающийся тем, что поршень дополнительно подвергается воздействию давления на второй стороне запорного устройства, противоположной первой стороне.
11. Клапан по п.9, отличающийся тем, что поршень дополнительно подвергается воздействию внешнего относительно клапана давления.
12. Клапан по п.8, отличающийся тем, что поршень увеличивает усилие смещения, прилагаемое первым устройством смещения за счет дифференциального давления поперек запорного устройства.
13. Клапан по п.8, отличающийся тем, что он дополнительно включает разъединяющий механизм высвобождения энергии, который высвобождает энергию из второго устройства смещения, закрывая тем самым клапан.
14. Клапан по п.13, отличающийся тем, что разъединяющий механизм высвобождает энергию в ответ на прерывание по меньшей мере одного из следующих сигналов: гидравлического, механического, акустического, давления, электромагнитного, электрического и оптического.
15. Клапан по п.13, отличающийся тем, что дополнительно включает датчик, где разъединяющий механизм высвобождает энергию в ответ на прерывание сигнала, принятого датчиком.
