Автономное устройство регулирования потока флюида в горизонтальной скважине

Изобретение относится к области добычи углеводородов и может быть применено для эксплуатации скважин, в частности, для выравнивания профиля притока флюида по длине горизонтальной скважины. Устройство содержит входное и выходное устройства, между которыми последовательно размещены, по меньшей мере, две последовательно размещенных регулирующих ступени, состоящие из нормально открытого клапана и гидравлического сопротивления, и/или отсечная ступень, содержащая один или несколько клапанов, установленных параллельно, с фиксированным положением затвора. Кроме того, устройство содержит наружный кожух, в котором, по меньшей мере, частично размещены указанные элементы устройства. При этом клапаны в регулирующей и/или отсечной ступени содержат средства настройки для удержания и переключения затвора. Гидравлическое сопротивление в регулирующей ступени содержит средства настройки своей величины. Технический результат заключается в автоматизации регулирования притока флюида. 13 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области добычи углеводородов и может быть использовано при эксплуатации скважин, в частности, для выравнивания профиля притока флюида по длине горизонтальной скважины.

В рамках настоящей заявки термин «заканчивание скважины» означает (см. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин: Учеб. для вузов-М.: Недра, 1979, Теория и практика заканчивания скважин: в 5 т/ А.И. Булатов, П.П. Макаренко, В.Ф. Будников и др. - М.: Недра, 1997-1998, Т. 1-5) спуск компоновки из труб, возможно фильтров (через них течет жидкость) или последующей перфорации, пакеров (изолирующие элементы) и подвески (крепежное приспособление (якорь) для того, чтобы вся конструкция фиксировалась в указанном месте).

На данный момент в нефтегазовой индустрии существуют два основных типа систем контроля притока с использованием заканчивания скважин. Часто используемые системы контроля притока представляют собой пассивные устройства, которые монтируются в противопесочные фильтры. Наиболее распространены модификации штуцерных или трубочно-канальных систем. Данные системы за счет гидравлического сопротивления создают определенный перепад давления между пластом и скважиной, тем самым изменяя депрессию на пласт. При этом уровень штуцерования или гидравлического сопротивления (подбор определенного диаметра штуцера или длины и диаметра трубочно-канальной системы) осуществляют на основе данных каротажа после бурения или по данным каротажа во время бурения - LWD и, естественно, этот параметр не может быть изменен после установки оборудования в скважину.

Основным недостатком такой системы является невозможность поменять ее настройку в случае изменения со временем характеристик призабойной зоны пласта, а также невозможность при прорыве воды или газа ограничить приток упомянутых компонентов. В случае неправильной установки системы или ее недоспуска весь дизайн настройки не будет соответствовать притоку жидкости по длине самой горизонтальной скважины, что также отрицательно скажется на дебите последней и выработке месторождения в целом.

Известны также активные системы с гидравлически контролируемыми клапанами, которые спускают на насосно-компрессорной трубе (НКТ) внутрь хвостовика или противопесчанных фильтров. Данные клапана имеют возможность регулировать уровень дросселирования каждой зоны с поверхности. Основными недостатками таких систем являются высокая стоимость оборудования и сервисных работ при установке и эксплуатации, ограничение по глубине спуска и небольшая надежность работы.

Известен (SU, авторское свидетельство 1733625, опубл. 1992) комплекс оборудования для управления устьевой фонтанной арматурой подводных скважин, содержащий основную напорную магистраль, дополнительные напорные магистрали, соединенные с гидравлическими исполнительными механизмами через основные и дополнительные; гидрораспределители, магистрали управления, гидроаккумуляторы, соединенные с основными и дополнительными напорными магистралями, реле давления и обратные клапаны, а также снабженный узлом повышения давления с камерами низкого и высокого давления, при этом магистрали управления соединены с камерами низкого давления и с основной напорной магистралью через дополнительный гидрораспределитель, а дополнительные напорные магистрали соединены с камерами высокого давления и с основной напорной магистралью через обратные клапаны, причем на участке дополнительной, напорной магистрали между обратным клапаном и дополнительным гидроаккумулятором параллельно установлены реле давления, связанные с дополнительным гидрораспределителем.

Основным недостатком известного комплекса следует признать невозможность ее модификации в процессе эксплуатации скважины. Кроме того, к недостаткам известного комплекса следует отнести его относительно низкую надежность, не обеспечивающую необходимого уровня безаварийной эксплуатации нефтяных скважин, вследствие частичного или полного отсутствия необходимого поливариантного дублирования систем, инициирующих быстрое автоматическое отключение подачи добываемого флюида, а также повышающих надежность защиты скважин и предотвращение на ранних стадиях возможных аварийных ситуаций путем управляемого дистанционного или ручного отключения скважин.

Известно (RU, патент 2042788, опубл. 1995) клапанное устройство для насосной скважины, включающее полый корпус с входными отверстиями, управляющий элемент в виде сильфона, установленный в верхней части корпуса и образующий с ним камеру, заполненную сжатым газом и оборудованную узлом зарядки, подпружиненные седла, размещенные в нижней части корпуса, шток, жестко связанный верхним концом с упругим элементом, а нижним под седлами - с затворами. Известное устройство предназначено для регулирования динамического уровня жидкости в насосной скважине. Недостатком устройства является невысокая надежность работы.

Известна также (SU, авторское свидетельство 1781416, опубл. 1992 г.), скважинная установка, включающая спущенный на колонне труб посадочный ниппель со съемным клапаном-регулятором и отсекателем для насосной эксплуатации, состоящий из полого корпуса с пропускными отверстиями, наружными уплотнителями и фиксатором, внутри которого установлен сверху вниз сильфон с ограниченным ходом вверх и вниз, жестко связанный нижним концом со штоком, а верхним торцом с корпусом и образующий с ним камеру зарядки, седло, жестко зафиксированное в корпусе, и под седлом - затвор, связанный со штоком сильфона.

Недостатком известного технического решения является невысокая надежность, обусловленная тем, что клапан - отсекатель установлен по центру труб, из-за чего сужается проходное сечение подъемника и не уравновешиваются его положения в посадочном ниппеле в процессе работы. При этом возникает большая вероятность выброса клапана при высоких перепадах давлений, а также вероятность его забивания механическими примесями при остановке скважины, что затрудняет извлечение клапана из ниппеля. Кроме того, шток сильфона связан с затвором, что увеличивает вероятность обрыва штока от затвора при динамических нагрузках и нарушения герметичности пары “затвор-седло”.

В ходе проведения патентно-информационного поиска не выявлен источник информации, в котором было бы раскрыто автономное устройство регулирования потока флюида в горизонтальной скважине.

Техническая задача, на решение которой направлено разработанное устройство, состоит в обеспечении возможности регулирования притока флюида в горизонтальной скважине.

Технический результат, достигаемый в процессе реализации разработанного устройства, состоит в автоматизации регулирования притока флюида за счет особенностей конструкции разработанного устройства.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное автономное устройство регулирования потока флюида в горизонтальной скважине. Разработанное устройство содержит входное и выходное устройства для протока флюида, между которыми последовательно размещены, по меньшей мере, две последовательно размещенных регулирующих ступени, состоящие из нормально открытого клапана и гидравлического сопротивления, и/или отсечная ступень, содержащая один или несколько клапанов, установленных параллельно, с фиксированным положением затвора, кроме того, устройство содержит наружный кожух, в котором, по меньшей мере, частично размещены указанные элементы устройства, при этом клапаны в регулирующей и/или отсечной ступени содержат средства настройки для удержания и переключения затвора, а гидравлическое сопротивление в регулирующей ступени содержит средства настройки своей величины.

Работа автономного устройства регулирования потока флюида происходит следующим образом. При спуске оборудования в скважину все клапаны открыты. Поток жидкости и/или газа проходит через входное устройство, открытый клапан в регулирующих и отсечной ступенях, выходное устройство и попадает в добывающую трубу.

При превышении определенного (заданного) значения расхода через клапан в регулирующей ступени последний закрывается. При этом изменяется тракт течения флюида, и поток в регулирующей ступени перенаправляется через гидравлическое сопротивление и открытый клапан следующей регулирующей ступени. При этом общее гидравлическое сопротивление устройства возрастает и расход падает. Если расход опять увеличивается, то закроется следующий клапан в другой регулирующей ступени и поток опять пойдет через гидравлическое сопротивление и т.д.

При снижении (ниже заданного значения) расхода флюида затвор клапана регулирующей ступени возвращается в исходное открытое состояние, что приводит к изменению тракта течения жидкости и уменьшению общего гидравлического сопротивления устройства. При этом расход флюида возрастает. Если расход опять уменьшится, то откроется следующий клапан в другой регулирующей ступени и поток минует гидравлическое сопротивление последней, что приведет к возрастанию общего расхода через устройство и т.д.

Таким образом, расход жидкости через автономное устройство регулирования потока будет поддерживаться в заданном диапазоне при изменении характеристик притока.

Кроме того, с использованием отсечной ступени можно автономно (при превышении заданного значения расхода) либо принудительно изолировать отдельные интервалы скважины с повышенным газо- и/или водопроявлением. Принудительное закрытие любой зоны скважины может достигаться путем селективного повышения депрессии и, как следствие, увеличения расхода флюида, или иным другим способом, зависящим от физического принципа удержания затвора клапана. При этом исключается самопроизвольное открытие отсечной ступени без подачи внешнего давления или расхода жидкости.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства регулирующая ступень может содержать нормально открытый клапан и дроссель в качестве гидравлического сопротивления, соединенные последовательно или параллельно. В принципе это равнозначные варианты и используют тот, который более подходит под используемое при заканчивании скважины оборудование. Параллельное соединение по сравнению с последовательным дает все же некоторое упрощение и соответственно удешевление конструкции при сохранении функциональных возможностей.

В различных вариантах реализации разработанного устройства в зависимости от используемого при заканчивании скважины оборудования дроссель представляет собой, в том числе, и известные средства поворота и/или разворота потока, слияния и/или разделения потока, сужения и/или расширения потока и их взаимосочетаний. Выбор конкретного типа гидравлического сопротивления зависит от условий использования разработанного устройства.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства регулирующая ступень может содержать нормально открытый клапан и штуцер в качестве гидравлического сопротивления, соединенные последовательно или параллельно. Тип соединения клапана и штуцера зависит от используемого в заканчивании скважины оборудования.

В частности, штуцер может быть выполнен в виде средства увеличения скорости потока в отверстии (сопло, труба и т.д.).

Отсечная ступень может содержать один или несколько клапанов, установленных параллельно, с фиксированным положением затвора в открытом или закрытом состоянии. Это позволяет уменьшить риск закупорки и увеличить расход срабатывания на отсечение или открытие устройства.

Затвор клапана в регулирующей и/или отсечной ступени может быть выполнен с возможностью быть в открытом или закрытом состоянии под действием потока жидкости и/или газа, магнитного или электромагнитного поля, упругого элемента. Выбор положения затвора клапана зависит от условий эксплуатации разработанного устройства.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в зависимости от условий его эксплуатации затвор, по меньшей мере, одного из клапанов в регулирующей и/или отсечной ступени может быть выполнен с возможностью переключения под действием потока жидкости и/или газа, магнитного или электромагнитного поля, упругого элемента. Выбор конструкции клапана зависит от условий его эксплуатации.

Затвор, по меньшей мере, одного из клапанов в регулирующей и/или отсечной ступени может быть выполнен полностью из магнитного материала. Это позволит использовать для управления клапаном магнитное и/или электромагнитные поля.

В некоторых вариантах реализации, по меньшей мере, один из клапанов в регулирующей и/или отсечной ступени может содержать средства настройки для удержания и переключения затвора. Это позволит перенастроить работу разработанного устройства в случае изменения со временем характеристик призабойной зоны пласта.

В некоторых вариантах реализации гидравлическое сопротивление в регулирующей ступени также может содержать средства настройки своей величины, что позволяет перенастроить работу разработанного устройства в случае настройки системы перед спуском и/или изменения характеристик призабойной зоны пласта и/или целевого дебита скважины.

Кожух устройства может быть выполнен с возможностью размещения в нем, по меньшей мере, одной регулирующей и/или отсечной ступеней, а также с возможностью крепления к входному и выходному устройствам. Это позволит уменьшит размеры кожуха (и упростить проблему его размещения) с изолированием только части разработанного устройства.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства в кожухе может быть дополнительно выполнено одно или несколько заглушаемых отверстий с возможностью определения и изменения характеристик устройства, которое необходимо для проверки герметичности, функционирования и контроля качества последнего на стадии производства, а также, при необходимости, изменения характеристик устройства перед спуском.

В различных вариантах реализации разработанного устройства крепление между собой входного устройства, регулирующей ступени, отсечной ступени и выходного устройства может быть выполнено одинаковым или различным способами.

В различных вариантах реализации разработанного устройства регулирующая и отсечная ступени могут быть смещены друг относительно друга по оси устройства. Это позволяет избежать прямого прохождения потока и, соответственно, динамического воздействия на затвор клапана.

Разработанное устройство в различных вариантах реализации может содержать как регулируемое гидравлическое сопротивление, а также средства регулировки гидравлического сопротивления, так и регулируемый клапан, а также средства регулировки клапана. Это позволяет перенастроить работу разработанного устройства в случае настройки системы перед спуском и/или изменения характеристик призабойной зоны пласта и/или целевого дебита скважины.

Одним из, важнейших преимуществ автономного устройства регулирования потока является гарантированное нахождение последнего в известном положении. Открытие всех клапанов можно обеспечить, например, повышением давления в стволе скважины. После чего происходит перенастройка всей системы заканчивания под изменившиеся условия притока. Так же возможно закрытие любой зоны скважины тем или иным способом, обозначенным выше.

Предложенное автономное устройство регулирования потока может использоваться для решения широкого круга задач разработки месторождений: выравнивание профиля притока в горизонтальных скважинах, решение проблемы конусообразования в районе пятки скважины, ограничение притока из суперколлектора или зон с повышенной проницаемостью и трещиноватостью, для ограничения водопритока и снижения дебита газа и/или воды из зон прорыва. Предложенная система может применяться для заканчивания скважин, как в терригенных, так и в карбонатных месторождениях.

Использование разработанного устройства позволит автоматизировать регулирование притока флюида в горизонтальной скважине за счет особенностей конструкции разработанного устройства.

1. Автономное устройство регулирования потока флюида в горизонтальной скважине, характеризуемое тем, что оно содержит входное и выходное устройства, между которыми последовательно размещены, по меньшей мере, две последовательно размещенных регулирующих ступени, состоящие из нормально открытого клапана и гидравлического сопротивления, и/или отсечная ступень, содержащая один или несколько клапанов, установленных параллельно, с фиксированным положением затвора, кроме того, устройство содержит наружный кожух, в котором, по меньшей мере, частично размещены указанные элементы устройства, при этом клапаны в регулирующей и/или отсечной ступени содержат средства настройки для удержания и переключения затвора, а гидравлическое сопротивление в регулирующей ступени содержит средства настройки своей величины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулирующая ступень содержит нормально открытый клапан и дроссель в качестве гидравлического сопротивления, соединенные последовательно или параллельно.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дроссель представляет собой известные средства поворота и/или разворота потока, слияния и/или разделения потока, сужения и/или расширения потока и их взаимосочетаний.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулирующая ступень содержит нормально открытый клапан и штуцер в качестве гидравлического сопротивления, соединенные последовательно или параллельно.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что штуцер выполнен в виде средства увеличения скорости потока в отверстии.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затвор клапана в регулирующей и/или отсечной ступени выполнен с возможностью быть в открытом или закрытом состоянии под действием потока жидкости и/или газа, магнитного или электромагнитного поля, упругого элемента.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затвор клапана в регулирующей и/или отсечной ступени выполнен с возможностью переключения под действием потока жидкости и/или газа, магнитного или электромагнитного поля, упругого элемента.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что затвор клапана в регулирующей и/или отсечной ступени может быть выполнен полностью из магнитного материала.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кожух выполнен с возможностью размещения в нем, по меньшей мере, одной регулирующей и/или отсечной ступеней, а также с возможностью крепления к входному и выходному устройствам.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в кожухе дополнительно выполнено одно или несколько заглушаемых отверстий с возможностью определения и изменения характеристик устройства.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепление между собой входного устройства, регулирующей ступени, отсечной ступени и выходного устройства может быть выполнено одинаковым или различным способами.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулирующая и отсечная ступени могут быть смещены друг относительно друга по оси устройства.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит регулируемое гидравлическое сопротивление, а также средства регулировки гидравлического сопротивления.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит регулируемый клапан, а также средства регулировки клапана.