Устройство для автоматизированной очистки внутрискважинного оборудования
Владельцы патента RU 2657563:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть применено для промывки приема и полости электроцентробежных насосов от твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых веществ и солей. Устройство содержит корпус с выходными отверстиями по обеим его торцам. Внутри корпуса коаксиально расположены шток клапана, пружины, сепаратор с шариками, опорная шайба, седло, а также втулка. Основным элементом аналогового механизма выступает седло, которое представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев. Последовательность чередования пазов различной длины в седле определяет программу работы всего клапана. Устройство позволяет: осуществить обратное открывание клапана при промывке без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб; увеличить количество режимов направления потоков при внутрискважинных операциях; реализовать постоянное циклическое чередование гидромеханических и химических способов очистки; совместить сервисные операции с оборудованием выше клапана и одновременную очистку оборудования ниже клапана; автоматизировать процесс очистки без подъема погружного оборудования. Используемый в предлагаемой конструкции клапана принцип разделения потоков в пространстве и во времени может быть использован для автоматизации многих внутритрубных и внутрискважинных операциях. 8 ил.
Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть применено для промывки приема и полости электроцентробежных насосов от твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых веществ и солей.
Аналогом изобретения является клапан скважинного центробежного насоса (патент RU 72268 U1, заявл. 26.12.2007, опубл. 10.04.2008), содержащий корпус с внутренней и внешней присоединительными резьбами и закрепленным в нем седлом и размещенный в канале ограничителя осевого перемещения шариковый запорный элемент. Седло клапана снабжено посадочной проточкой под уплотнительное кольцо и зафиксировано относительно корпуса цилиндрической втулкой и шайбой с отверстиями для прохода пластовой жидкости. В верхней части корпуса клапана установлен патрубок с ввинченной в него трубой шламоуловителя, снабженной радиальными отверстиями для прохода пластовой жидкости. Шайба с отверстиями для прохода пластовой жидкости зафиксирована от осевого перемещения относительно корпуса клапана посредством пружинного кольца, а патрубок монтируется в корпусе посредством шпонки с пружинным кольцом. Недостатком устройства является невозможность промывки электрического центробежного насоса при засорении приемной части, а также закачки различных химических реагентов через насос в скважину.
Также известен являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому техническому решению модернизированный обратный клапан (Патент РФ на изобретение №2544930, МПК Е21В 34/06, 2015). В штатном режиме клапан предупреждает излив жидкости из насосно-компрессорной трубы в скважину и раскручивание вала насоса вследствие гидроудара. Предлагаемая модернизация заключается в возможности его плавного открывания в обратном направлении, а так же промывки приема и полости электроцентробежных насосов от твердых взвешенных частиц песка, асфальтосмолистых веществ и солей путем подачи очистного раствора со стороны устья. При этом обратное открывание клапана для промывки осуществляется опусканием груза без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб, которое могло бы привести к аварийной ситуации. Однако данный механизм открывания не позволяет вести очистку эффективных наклонных и горизонтальных скважин.
Технической проблемой является обеспечение очистки фильтра без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб в горизонтальных и наклонных скважинах.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для автоматизированной очистки внутрискважинного оборудования, включающее корпус с присоединительными резьбами, седло для клапана, закрепленное неподвижно внутри корпуса, шайбу и клапан, выполненный полым с отверстиями, соединяющими доклапанную область насосно-компрессорной трубы с заклапанной, проходящий через центральное отверстие шайбы, пружину и подвижную втулку, которая образует с наружной поверхностью полого штока клапана скользящую пару трения, причем на поверхности штока клапана снаружи установлены уплотнительные кольца из эластичного материала, расположенные по обе стороны отверстий штока клапана, согласно изобретению, отверстия, перпендикулярные оси корпуса штока, продублированы на некотором расстоянии, причем шток размещается коаксиально седлу, проходя через оба его торца, а седло представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев различной длины, напротив которых располагается втулка, имеющая скошенные зубья одинаковой длины, в которые упирается сепаратор с шариками, придавливаемый пружиной, при этом другая сторона втулки так же прижата пружиной, работающей на сжатие в полости, образуемой подвижной втулкой и стенкой корпуса.
На фиг. 1 представлена схема трехрежимного клапана в режиме нейтрального положения; на фиг. 2 - рабочий режим; на фиг. 3 - режим очистки; на фиг. 4 - развертка направляющей втулки; на фиг. 5 - седло (фото); на фиг. 6 - седло четырехрежимного очистного аналогового клапана; на фиг. 7 - система автоматической очистки скважины с применением трехрежимного очистного аналогового клапана; на фиг. 8 - алгоритм автоматического регулирования трехрежимного клапана.
Клапан содержит корпус 2 с выходными отверстиями. Внутри корпуса 2 коаксиально расположены шток клапана 3, с уплотнительными кольцами 10 из эластичного материала, пружины 4, 8, сепаратор 6 с шариками 12, опорная шайба 7, седло 9, а также втулка 5. В качестве основного элемента аналогового механизма выступает седло (фиг. 4, 5), которое представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев. Последовательность чередования пазов различной длины в седле определяет программу работы всего клапана.
Устройство работает следующим образом. Очистка фильтра 11 на приеме насоса ведется без подъема погружного оборудования на поверхность путем обратной промывки фильтрующего элемента 11 жидкостью из колонны насосно-компрессорных труб. Переход на режим промывки связан с изменением положения штока клапана 3, что достигается путем сброса давления за счет остановки насоса. При этом шток клапана 3 занимает нейтральное положение (фиг. 1), когда его выходные отверстия и отверстия корпуса 2 не совпадают, т.е. течение жидкости заперто. За счет гидростатического давления столба жидкости в скважине шток клапана 3, связанный с ним сепаратором 6 и с шариками 12, упирается в короткие пазы С седла 9 (фиг. 4). В этом положении устройство работает аналогично стандартному обратному клапану.
Далее, для перехода в следующий режим, связанный с обратным открытием клапана, нужно либо на короткое время включить погружной центробежный насос, либо произвести опорожнение запертой части жидкости в колонне насосно-компрессорных труб над клапаном, например наземными насосами. В последнем случае взамен откачанной жидкости при необходимости подается очистной состав. Далее, при подаче на шток клапана давления газожидкостной смеси со стороны устья скважины, он, связанный с ним сепаратором 6 с шариками 12, упирается в длинные пазы А седла 9 (фиг. 4), тем самым соединяя выходные отверстия корпуса 2 клапана с выходными отверстиями штока клапана 3 (фиг. 3). В результате начинается переток жидкости под давлением из колонны насосно-компрессорных труб в скважину через полость насоса в фильтр 11. После окончания промывки фильтра 11 производят очередной цикл сброса и подачи давления со стороны вновь включенного погружного насоса. При этом шток клапана 3, под действием напора жидкости упирается во втулку 5 и сжимает пружину 4, тем самым совмещая свои выходные отверстия с отверстиями корпуса (фиг. 2), по которым жидкость течет к устью скважины.
На основе описанного выше принципа работы трехрежимного клапана можно разработать множество устройств для решения разнообразных задач нефтегазовой отрасли. Четырехрежимный клапан, приспособленный для подачи потока в обратную строну, способен создавать эффект гидравлической очистки. Его конструктивное отличие от трехрежимного клапана заключается в использовании седла, у которого пазы нарезаны по обоим торцам (фиг. 6). Данное отличие позволяет вести переключение между режимами без специального создания противодавления перед торцами штока клапана за счет короткого включения и выключения насоса, а также увеличить количество режимов направления потоков.
При проектировании длины и очередности размещения пазов на седле следует учитывать особенности эксплуатации скважины, в которой будет установлен клапан с аналоговым механизмом, в том числе аварийные ситуации. Кроме того, для достижения особого эффекта при планировании периодичности режимов очистки и работы оба вида клапанов могут устанавливаться в скважине одновременно в определенной последовательности и количестве. С учетом этого, организацию работы клапанов целесообразно вести с использованием программируемого аппаратного комплекса, предназначенного для периодического включения и выключения наземных и погружных насосов по определенному алгоритму.
Пример применения трехрежимного аналогового клапана в системе автоматической очистки скважины представлен на фиг. 7, где блок центробежных секционных насосов 9, подключенных к микропроцессору 15, обеспечивает закачку очистного состава в скважину. Связь наземных насосов 9 с устьем скважины осуществляется посредством задвижки с электроприводом 10, которая также имеет подключение к микропроцессору 15, координирующему действие всей системы. Согласно фиг. 7, система автоматической очистки скважины включает в себя так же фильтр 7, затрубный пакер 2 с датчиком расхода, опору 3 подвески хвостовика, пакер 4 подвесного устройства хвостовика, электродвигатель 5 с гидрозащитой, насос 6, колонну насосно-компрессорных труб 7, обратный клапан 8, задвижку с электроприводом 10, регулируемый штуцер 11, выкидную линию 12, силовой токопроводящий кабель 13, силовой трансформатор 14 и станцию управления 16.
Процесс регулирования приведен на фиг. 8, где 1-12 - порядковые номера, соответствующие очередности выполнения технологических операций; i - текущее значение числа отключений погружного центробежного насоса; Q - текущая производительность центробежного насоса; Qн - номинальная производительность центробежного насоса. Микропроцессор выдает команды на устьевой регулируемый штуцер для его открытия и на погружной центробежный насос для его включения. Микропроцессор в ходе работы насоса ведет сравнение его текущей производительности с номинальной, фиксация которой осуществляется датчиком. При изменении текущего значения в меньшую сторону насос выключается, так как микропроцессор интерпретирует это как загрязнение фильтра. При этом микропроцессор фиксирует количество отключений насосного оборудования, приравнивая единице каждое четвертое измерение, в соответствии с количеством режимов аналогового клапана (фиг. 1). В зависимости от того, чему равно число отключений насоса на момент сравнения, микропроцессор принимает решение, либо сколько раз необходимо включить и выключить центробежный насос перед подачей очистного состава по насосно-компрессорной трубе к клапану, либо сразу начать подачу очистного состава. В ходе очистки датчик фиксирует подачу промывочной смеси и сравнивает ее с номинальным значением, соответствующим очищенному фильтру. При восстановлении подачи погружной насос вновь включается и цикл повторяется.
Техническим результатом изобретения является возможность
- осуществить обратное открывание клапана при промывке без дополнительного подъема давления в колонне насосно-компрессорных труб;
- увеличить количество режимов направления потоков при внутрискважинных операциях;
- реализовать постоянное циклическое чередование гидромеханических и химических способов очистки;
- совместить сервисные операции с оборудованием выше клапана и одновременную очистку оборудования ниже клапана;
- автоматизировать процесс очистки без подъема погружного оборудования.
Используемый в предлагаемой конструкции клапана принцип разделения потоков в пространстве и во времени может быть использован для автоматизации многих внутритрубных и внутрискважинных операций.
Устройство для автоматизированной очистки внутрискважинного оборудования, включающее корпус с присоединительными резьбами, седло для клапана, закрепленное неподвижно внутри корпуса, шайбу и клапан, выполненный полым с отверстиями, соединяющими доклапанную область насосно-компрессорной трубы с заклапанной, проходящий через центральное отверстие шайбы, пружину и подвижную втулку, которая образует с наружной поверхностью полого штока клапана скользящую пару трения, причем на поверхности штока клапана снаружи установлены уплотнительные кольца из эластичного материала, расположенные по обе стороны отверстий штока клапана, отличающееся тем, что отверстия, перпендикулярные оси корпуса штока, продублированы на некотором расстоянии, причем шток размещается коаксиально седлу, проходя через оба его торца, а седло представляет собой обечайку с нарезанными на торце пазами в виде скошенных зубьев различной длины, напротив которых располагается втулка, имеющая скошенные зубья одинаковой длины, в которые упирается сепаратор с шариками, придавливаемый пружиной, при этом другая сторона втулки так же прижата пружиной, работающей на сжатие в полости, образуемой подвижной втулкой и стенкой корпуса.
