Узел сетчатого фильтра в заборной части погружного скважинного насоса
Группа изобретений относится к противопесочным фильтрам в скважинах для добычи углеводородов. Узел сетчатого фильтра содержит основную трубу, имеющую ось, закрытый нижний конец и открытый верхний конец для присоединения к заборной конструкции скважинного насоса, при этом основная труба содержит первый сегмент и второй сегмент, первое и второе множества перфорационных отверстий в боковых стенках первого и второго сегментов, первый и второй сетчатые фильтры, установленные вокруг первого и второго сегментов трубы для отфильтровывания частиц в скважинном флюиде, клапан второго сегмента трубы, установленный на втором сегменте и находящийся в закрытом положении, перекрывающем протекание потока флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы. Клапан второго сегмента выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее протекание потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы. Клапан второго сегмента трубы имеет зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью второго сегмента трубы в ответ на всасывание скважинного насоса, поддерживаемого опорной конструкцией и при достижении выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, перепад давления вызывает перемещение клапана второго сегмента трубы из закрытого положения в открытое. Держатель клапана второго сегмента удерживает клапан в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления не достигнет выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, что указывает на то, что поток, протекающий через первый сетчатый фильтр и первое множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за засорения первого сетчатого фильтра. Повышается эффективность и надежность фильтрации. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в целом к противопесочным сетчатым фильтрам, используемым в скважинах, предназначенных для добычи углеводородов, и, в частности, к сетчатому фильтру в заборной части погружного скважинного насоса для отфильтровывания проппантов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электрические погружные насосы («ЭПН») обычно используют для перекачки скважинного флюида из скважин, предназначенных для добычи углеводородов, в которых нет достаточного пластового давления для фонтанирования естественным путем. Типичный ЭПН содержит электрический двигатель, который приводит в движение роторный насос. Данный насос может быть либо центробежным насосом, либо насосом другого типа, например, винтовым насосом кавитационного типа.
Некоторые скважины дают наряду со скважинным флюидом значительное количество песка. Кроме того, скважины, в которых был произведен гидроразрыв («гидравлический разрыв пласта»), могут давать проппанты наряду со скважинным флюидом. Проппанты содержат керамические или песчаные частицы, предварительно закачанные в трещины в геологическом пласте под высоким давлением.
Песок и/или проппанты могут вызывать абразивный износ компонентов насоса. Используют различные методы для уменьшения износа, например, использование компонентов из карбида вольфрама вдоль путей прохождения потоков через насос. Кроме того, если большое количество проппанта попадает в заборную часть насоса в заданный момент, насос может заклинить. В скважинах, выдающих газовые пробки, в газовые пробки также могут захватываться большие количества проппантов.
Известно использование сетчатых фильтров для фильтрации проппантов, поступающих с заборной части насоса. Однако проппанты могут скапливаться на сетчатом фильтре и закупоривать сетчатый фильтр, из-за чего оператору приходится извлекать ЭПН и сетчатый фильтр из скважины для очистки или замены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Узел сетчатого фильтра для отфильтровывания частиц скважинного флюида содержит основную трубу, имеющую ось, закрытый нижний конец и открытый верхний конец для крепления к конструкции заборной части скважинного насоса внутри скважины. Основная труба имеет первый сегмент трубы и второй сегмент трубы. Первое и второе множества перфорационных отверстий находятся в боковых стенках, соответственно, первого и второго сегментов трубы. Первый и второй сетчатые фильтры установлены, соответственно, вокруг первого и второго сегментов трубы для отфильтровывания частиц из скважинного флюида, текущего к первому и второму множествам перфорационных отверстий. Клапан второго сегмента трубы установлен на втором сегменте трубы и имеет закрытое положение, перекрывающее движение потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы. Клапан второго сегмента трубы выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее скважинному флюиду протекать через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы. Клапан второго сегмента трубы имеет область давления, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью второго сегмента трубы в ответ на всасывание скважинного насоса. При достижении выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы перепад давления вызывает перемещение клапана второго сегмента трубы из закрытого положения в открытое положение. Держатель клапана второго сегмента трубы удерживает клапан второго сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления не достигнет выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, что указывает на то, что поток, протекающий через первый сетчатый фильтр и первое множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за забивания первого сетчатого фильтра.
В проиллюстрированном варианте реализации изобретения держатель клапана второго сегмента трубы содержит средство для срезания в ответ на достижение перепадом давления выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы. Например, держатель клапана второго сегмента трубы может содержать по меньшей мере один срезной штифт.
Клапан второго сегмента трубы может содержать втулку, расположенную между вторым сетчатым фильтром и множеством перфорационных отверстий, причем втулка может скользить по оси, перемещаясь из закрытого в открытое положение.
Третий сегмент трубы может быть соединен со вторым сегментом трубы. Третий сегмент трубы имеет третье множество перфорационных отверстий и третий сетчатый фильтр. Клапан третьего сегмента трубы, установленный на третьем сегменте трубы, находится в закрытом положении, перекрывающем движение потока скважинного флюида через третье множество перфорационных отверстий. Клапан третьего сегмента трубы выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее скважинному флюиду протекать через третье множество перфорационных отверстий. Клапан третьего сегмента трубы имеет зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью третьего сегмента трубы, который вызывает перемещение клапана третьего сегмента трубы из закрытого положения в открытое положение. Держатель клапана третьего сегмента трубы удерживает клапан третьего сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления, воздействующий на клапан третьего сегмента трубы, не достигнет выбранного нижнего предела клапана третьего сегмента трубы, который больше, чем выбранный нижний предел клапана второго сегмента трубы. Достижение третьего нижнего предела указывает на то, что поток, проходящий через второй сетчатый фильтр и второе множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за забивания второго сетчатого фильтра.
Каждый из держателей клапана первого и второго сегментов трубы может содержать компоновку элементов, работающих на срез. Компоновка элементов, работающих на срез, держателя клапана второго сегмента трубы выполнена с возможностью среза при меньшем усилии, чем компоновка элементов, работающих на срез, держателя клапана первого сегмента трубы.
Первый сегмент трубы может быть выполнен таким образом, что первое множество перфорационных отверстий постоянно открыто для потока скважинного флюида, протекающего во внутреннюю часть первого сегмента трубы. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения первое множество перфорационных отверстий расположено ближе к верхнему концу первого сегмента трубы, чем к нижнему концу. Боковая стенка первого сегмента трубы не имеет перфорационных отверстий от нижнего конца первого сегмента трубы до первого множества перфорационных отверстий.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1А и 1В проиллюстрирован схематический вид в разрезе узла насоса для перекачивания скважинного флюида в соответствии с данным изобретением.
На Фиг. 2 проиллюстрирован увеличенный вид в разрезе второго сетчатого фильтра узла в соответствии с Фиг. 1А и 1В, показывающий золотниковый клапан в закрытом положении.
На Фиг. 3 проиллюстрирован вид в разрезе второго сетчатого фильтра в соответствии с Фиг. 2, но показывающий золотниковый клапан в открытом положении.
На Фиг. 4 проиллюстрирован схематический вид части второго сетчатого фильтра в соответствии с Фиг. 2.
Хотя изобретение будет описано в связи с предпочтительными вариантами реализации изобретения, следует понимать, что оно не предназначено для ограничения изобретения этим вариантом реализации изобретения. Напротив, оно предназначено для охвата всех альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые могут быть включены в сущность и объем изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее более полно будут описаны способ и система по данному изобретению со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых проиллюстрированы варианты реализации изобретения. Способ и система по данному изобретению могут быть реализованы во многих различных формах и не должны рассматриваться как ограниченные проиллюстрированными вариантами реализации изобретения, изложенными в данном документе; скорее, эти варианты реализации изобретения предоставлены таким образом, чтобы данное изобретение было полным и завершенным и полностью давало специалистам в данной области техники представление о его объеме. Одинаковые числа относятся к одинаковым элементам по всему документу.
Кроме того, следует понимать, что объем данного изобретения не ограничен точными элементами конструкции, работы, точными материалами или проиллюстрированными и описанными вариантами реализации изобретения, поскольку модификации и эквиваленты будут очевидны для специалистов в данной области техники. В графических материалах и в описании раскрыты иллюстративные варианты реализации изобретения, и, хотя упоминаются конкретные термины, они используются только в общем и описательном смысле, а не с целью ограничения.
На Фиг. 1А и 1В проиллюстрирована вертикальная часть скважины, содержащая зацементированную в стволе скважины обсадную колонну 11. Обсадная колонна 11 может проходить возле изгиба в горизонтальную или сильно наклонную часть (не проиллюстрирована) скважины. Наклонная часть обсадной колонны 11 имеет отверстия или перфорационные отверстие (не проиллюстрированы) для впуска скважинного флюида из геологического пласта. В данном примере геологический пласт или геологические пласты подвергались процессу гидроразрыва («гидравлического разрыва пласта»), в котором большое количество проппантов закачивали в трещины, возникающие под воздействием высокого давления, создаваемого в процессе гидравлического разрыва пласта. Проппанты, также упоминаемые как песок, содержат небольшие керамические частицы. В начале добычи из скважины значительные количества проппантов могут поступать в обсадную колонну 11 вместе со скважинным флюидом.
В данном примере оператор установил пакер 13 в вертикальной части обсадной колонны 11. Затем устанавливают узел 15 электропогружного насоса («ЭПН») с эксплуатационной насосно-компрессорной колонной 17 над пакером 13. ЭПН 15 содержит насос 19, который может быть центробежным насосом, имеющим большое количество ступеней, причем каждая ступень содержит вращающееся рабочее колесо и неподвижный диффузор. В альтернативном варианте насос 19 мог бы быть другого типа, например винтовым насосом кавитационного типа или линейным поршневым насосом. Насос 19 имеет заборную часть 21 на своем нижнем конце. Секция 23 гидрозащиты погружного электродвигателя соединяется с нижним концом заборной части 21. Двигатель 25 соединяется с нижним концом секции 23 гидрозащиты погружного электродвигателя.
Двигатель 25 обычно является трехфазным электродвигателем, заполненным диэлектрической смазкой. Двигатель 25 содержит вал (не проиллюстрирован), который соединяется с валом (не проиллюстрирован) в секции 23 гидрозащиты погружного электродвигателя. Вал в секции 23 гидрозащиты погружного электродвигателя соединен с валом в насосе 19 для приведения в движение насоса 19. Секция 23 гидрозащиты погружного электродвигателя содержит уплотнение вала для герметичного перекрытия поступления скважинного флюида в двигатель 25. Секция 23 гидрозащиты погружного электродвигателя также может содержать упорный подшипник скольжения для уменьшения осевой нагрузки, прикладываемой к валу насоса 19. Как правило, упорный подшипник скольжения сообщается по текучей среде со смазкой в двигателе 25. Выравниватель давления уменьшает перепад давления между гидростатическим давлением скважинного флюида в обсадной колонне 11 и смазки в двигателе 25. Выравниватель давления может быть частью секции 23 гидрозащиты погружного электродвигателя или может располагаться под двигателем 25.
В данном примере в защитном кожухе 27 размещены двигатель 25, секция 23 гидрозащиты погружного электродвигателя и по меньшей мере заборная часть 21 насоса 19. Верхний конец защитного кожуха 27 герметично перекрывает насос 19 над заборной частью 21. Силовой кабель (не проиллюстрирован) проходит вниз вдоль эксплуатационной насосно-компрессорной колонны 17 через герметичное отверстие в защитном кожухе 27 к двигателю 25 для подачи электропитания на двигатель 25. Заборная труба или хвостовик 27 меньшего диаметра, чем верхняя часть защитного кожуха 27, проходит вниз от защитного кожуха 27 и герметично заводит конец трубы в приемное гнездо полированного штока пакера 13. Защитный кожух 27 спускают на эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 17 вместе с насосом 19, секцией 23 гидрозащиты погружного электродвигателя и двигателем 25. Пакер 13 содержит опорную конструкцию для узла 15 ЭПН и может рассматриваться как часть узла заборной части для узла 15 ЭПН.
Пакер 13 также поддерживает узел 31 сетчатого фильтра для отфильтровывания скважинного флюида, поступающего в хвостовик 27. Возможны и другие компоновки, в том числе спуск узла 31 сетчатого фильтра с узлом 15 ЭПН вместо установки пакера 13 до спуска узла 15 ЭПН. В этом варианте реализации изобретения узел 31 сетчатого фильтра содержит основную трубу 33, которая крепится к нижней стороне пакера 13 и поддерживается пакером 13. Основная труба 33 состоит из более чем одного сегмента трубы, и в этом варианте реализации изобретения показаны три сегмента, первый или верхний сегмент 33а трубы, второй или промежуточный сегмент 33b трубы и нижний или третий сегмент 33с трубы. Сегменты 33а, 33b и 33с трубы могут быть соединены друг с другом различными способами, например резьбовыми соединениями. Каждый сегмент 33а, 33b и 33с трубы может варьироваться по длине, например, составлять вплоть до примерно 12 метров (40 футов). Основная труба 33 может иметь больше или меньше трех сегментов трубы.
Первый сегмент 33а трубы имеет первое множество перфорационных отверстий 35, проходящих через его боковую стенку. Второй сегмент 33b трубы имеет второе множество перфорационных отверстий 37, проходящих через его боковую стенку. Третий сегмент 33c трубы имеет третье множество перфорационных отверстий 39, проходящих через его боковую стенку. Каждое множество перфорационных отверстий 35, 37 и 39 может включать один или более расположенных по окружности рядов отверстий.
В этом варианте реализации изобретения первые перфорационные отверстия 35 расположены рядом с верхним концом первого сегмента 33а трубы, и все первые перфорационные отверстия 35 намного ближе к верхнему концу, чем к нижнему концу первого сегмента 33а трубы. Часть первого сегмента 33а трубы, которая проходит от нижнего конца до первых перфорационных отверстий 35, не имеет перфорационных отверстий или отверстий в боковой стенке. Например, первые перфорационные отверстия 35 могут находиться на расстоянии всего лишь 60 см (пары футов) или меньше от верхнего конца первого сегмента 33а трубы, в то время как нижняя часть, не имеющая перфорационных отверстий, может составлять около 11 м (35 футов) или более. Точно так же вторые перфорационные отверстия 37 расположены рядом с верхним концом второго сегмента 33b трубы, и все перфорационные отверстия во втором сегменте 33b трубы намного ближе к верхнему концу, чем к нижнему концу второго сегмента 33b трубы. Часть второго сегмента 33b трубы, которая проходит от нижнего конца ко вторым перфорационным отверстиям 37, не имеет перфорационных отверстий или отверстий в боковой стенке. Таким же образом третьи перфорационные отверстия 39 расположены рядом с верхним концом третьего сегмента 33c трубы, и все перфорационные отверстия в третьем сегменте 33c трубы намного ближе к верхнему концу, чем к нижнему концу третьего сегмента 33c трубы. Часть третьего сегмента 33c трубы, которая проходит от нижнего конца до третьих перфорационных отверстий 39, не имеет перфорационных отверстий или отверстий в боковой стенке.
Первый сетчатый фильтр 41 расположен вокруг первого сегмента 33а трубы и прикреплен к нему с помощью верхнего и нижнего соединителей. Первый сетчатый фильтр 41 представляет собой цилиндрический сетчатый фильтр, который является концентрическим с первым сегментом 33а трубы и расположен на определенном расстоянии от него в радиальном направлении наружу, определяя первое кольцевое пространство 43 между ними. Верхний соединитель соединяет первый сетчатый фильтр 41 с боковой стенкой первого сегмента 33а трубы над первыми перфорационными отверстиями 35, определяя верхний конец первого кольцевого пространства 43. Нижний соединитель соединяет первый сетчатый фильтр 41 с боковой стенкой первого сегмента 33а трубы рядом с нижним концом первого сегмента 33а трубы, определяя нижний конец первого кольцевого пространства 43. Первый сетчатый фильтр 41 может проходить большую часть длины первого сегмента 33а трубы.
Второй сетчатый фильтр 45 расположен вокруг второго сегмента 33b трубы и прикреплен к нему верхним и нижним соединителями. Второй сетчатый фильтр 45 является цилиндрическим сетчатым фильтром, который является концентрическим со вторым сегментом 33b трубы и расположен на определенном расстоянии от него в радиальном направлении наружу, определяя второе кольцевое пространство 47 между ними. Верхний соединитель соединяет второй сетчатый фильтр 45 с боковой стенкой второго сегмента 33а трубы над вторыми перфорационными отверстиями 37, определяя верхний конец второго кольцевого пространства 47. Нижний соединитель соединяет второй сетчатый фильтр 45 с боковой стенкой второго сегмента 33b трубы рядом с нижним концом второго сегмента 33b трубы, определяя нижний конец второго кольцевого пространства 47. Второй сетчатый фильтр 45 может проходить вдоль большей части длины второго сегмента 33b трубы.
Третий сетчатый фильтр 49 расположен вокруг третьего сегмента 33с трубы и прикреплен к нему с помощью верхнего и нижнего соединителей. Третий сетчатый фильтр 49 является цилиндрическим сетчатым фильтром, который является концентрическим с третьим сегментом 33с трубы и расположен на определенном расстоянии от него в радиальном направлении наружу, определяя третье кольцевое пространство 51 между ними. Верхний соединитель соединяет третий сетчатый фильтр 49 с боковой стенкой третьего сегмента 33с трубы над третьими перфорационными отверстиями 39, определяя верхний конец третьего кольцевого пространства 51. Нижний соединитель соединяет третий сетчатый фильтр 49 с боковой стенкой третьего сегмента 33с трубы рядом с нижним концом третьего сегмента 33с трубы, определяя нижний конец третьего кольцевого пространства 51. Третий сетчатый фильтр 49 может проходить вдоль большей части длины третьего сегмента 33c трубы.
Второй сетчатый фильтр 45 содержит клапан 53 второго сегмента трубы, который закрывает и открывает путь потока от второго кольцевого пространства 47 ко вторым перфорационным отверстиям 37. В этом примере клапан 53 второго сегмента трубы расположен в верхней части второго кольцевого пространства 47. Находясь в закрытом положении, которое проиллюстрировано на Фиг. 1А, клапан 53 второго сегмента трубы расположен ниже вторых перфорационных отверстий 37, блокируя проход всего потока через второй сетчатый фильтр 45. Находясь в открытом положении в соответствии с Фиг. 3, клапан 53 второго сегмента трубы расположен над вторыми перфорационными отверстиями 37, пропуская поток через второй сетчатый фильтр 45 и вторые перфорационные отверстия 37.
Третий сетчатый фильтр 49 может быть идентичен второму сетчатому фильтру 45, содержащему клапан 55 третьего сегмента трубы для закрытия и открытия пути потока от третьего кольцевого пространства 51 к третьим перфорационным отверстиям 39. Клапан 55 третьего сегмента трубы расположен в верхней части третьего кольцевого пространства 51. Находясь в закрытом положении, проиллюстрированном на Фиг. 1В, клапан 55 третьего сегмента трубы расположен ниже третьих перфорационных отверстий 39, блокируя проход всего потока через третий сетчатый фильтр 49. Находясь в открытом положении (не проиллюстрировано), клапан 55 третьего сегмента трубы расположен над третьими перфорационными отверстиями 39, пропуская поток через третий сетчатый фильтр 49 и третьи перфорационные отверстия 39.
Как будет объяснено более подробно ниже, клапаны 53, 55 второго и третьего сегментов трубы выполнены с возможностью перемещения из нижнего закрытого положения в верхнее открытое положение в ответ на перепад давления между давлением скважинного флюида на наружной стороне второго и третьего сетчатых фильтров 45, 49 и давлением флюида в проточном канале 57 основной трубы. Кроме того, клапаны 53, 55 второго и третьего сегментов трубы удерживаются таким образом, что клапан 53 второго сегмента трубы перемещается в открытое положение только после значительного засорения первого сетчатого фильтра 41. Держатель для клапана 55 третьего сегмента трубы остается закрытым и перемещается в открытое положение только после значительного засорения второго сетчатого фильтра 45.
[0001] В этом варианте реализации изобретения первый сетчатый фильтр 41 не задействует клапан между первым сетчатым фильтром 41 и первыми перфорационными отверстиями 35. Напротив, путь потока от первого кольцевого пространства 43 через первые перфорационные отверстия 35 постоянно открыт. Первые, вторые и третьи перфорационные отверстия 35, 37 и 39 ведут к проточному каналу 57, проходящему вверх от третьего сегмента 33с трубы, второго сегмента 33b трубы и первого сегмента 33а трубы до хвостовика 29 защитного кожуха.
Эксплуатационная насосно-компрессорная колонна 17 необязательно может содержать верхний клапан 59, расположенный над нагнетательным патрубком насоса 19. Клапан 59 закрывается, когда насос 19 отключается, чтобы предотвратить попадание проппантов и других частиц, захваченных скважинным флюидом в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 17, обратно в расположенный ниже насос 19. Клапан 59 может быть имеющимся в продаже типом клапана и может иметь другие признаки, такие как доступная для оператора возможность закачивать захваченные проппанты обратно вверх в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 17, пока насос 19 отключен. Например, данная процедура может быть осуществлена путем закачки флюида вниз по кольцевому пространству в обсадной колонне, окружающей эксплуатационную насосно-компрессорную колонну 17, через отверстие в верхнем клапане 59.
Нижний конец основной трубы 33 закрыт, как проиллюстрировано на Фиг. 1B. Перепускной клапан 61 может быть расположен на закрытом нижнем конце для открытия в том случае, когда все три сетчатых фильтра 41, 45 и 49 значительно забиты. Перепускной клапан 61 может быть клапаном с подпружиненным клапанным элементом (не проиллюстрирован), который перемещается вверх, чтобы открываться в случае достаточно высокого перепада давления между нижней и верхней сторонами клапанного элемента. Это событие произойдет, если все три сетчатых фильтра 41, 45 и 49 будут значительно забиты, что позволит скважинному флюиду течь непосредственно вверх по проточному каналу 57 к заборной части 21 насоса, минуя сетчатые фильтры 41, 45 и 49.
В соответствии с Фиг. 2 и 3, соединитель 63 второго сегмента трубы имеет резьбовой верхний конец, который крепится к первому сегменту 33а основной трубы (Фиг. 1А). Соединитель 63 второго сегмента трубы имеет нижний конец, который крепится к верхнему концу второго сетчатого фильтра 49, например, сваркой. Для однородности первый сегмент 33а трубы мог бы иметь такой же соединитель, как и соединитель 63, за исключением того, что не использовалась бы втулка золотникового клапана.
Соединитель 63 второго сегмента трубы имеет цилиндрическую стенку 65, концентрическую со вторым сегментом 33b трубы и расположенную на определенном расстоянии в радиальном направлении наружу относительно оси 64. Цилиндрическая стенка 65 и второй сегмент 33b трубы определяют камеру 67 клапана второго сегмента трубы, которая сверху закрыта соединителем 63 и снизу открыта для второго кольцевого пространства 47. Верхний конец камеры 67 клапана второго сегмента трубы находится над вторыми перфорационными отверстиями 37, а нижний конец находится под вторыми перфорационными отверстиями 37.
Клапан 53 второго сегмента трубы является втулкой, которая с возможностью скольжения и герметично удерживается в камере 67 клапана. Клапан 53 второго сегмента трубы содержит одно или более уплотнительных колец 69 (проиллюстрированы два), которые герметизируют его наружный диаметр по отношению к внутренней поверхности стенки 65 камеры нагнетания. Клапан 53 второго сегмента трубы содержит по меньшей мере одно уплотнительное кольцо 71 на своем внутреннем диаметре, который герметизирует его внутренний диаметр по отношению к наружной поверхности второго сегмента 33b трубы. Клапан 53 второго сегмента трубы имеет зону нагнетания на своем нижнем конце, которая проходит от уплотнительного кольца 71 внутреннего диаметра до уплотнительного кольца 69 наружного диаметра. Клапан 53 второго сегмента трубы необязательно может иметь зону 73 стравливания давления меньшей радиальной толщины в своей верхней части. В закрытом положении, проиллюстрированном на Фиг. 2, зона 73 стравливания давления расположена в радиальном направлении наружу от вторых перфорационных отверстий 37.
Держатель, который в этом примере содержит один или более срезных штифтов 75, удерживает клапан 53 второго сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления между давлением во втором кольцевом пространстве 47 и в канале 57 для потока не увеличится до нижнего предела. Как только будет достигнут нижний предел, срезные штифты 75 срезаются, что позволяет перепаду давления толкать клапан 53 второго сегмента трубы в верхнее открытое положение, проиллюстрированное на Фиг. 3. Возможны другие типы держателей, такие как выступающий фиксатор или подпружиненный клапан 53 второго сегмента трубы в направлении вниз.
Клапан 55 третьего сегмента трубы (Фиг. 1B) может быть выполнен таким же образом, как клапан 53 второго сегмента трубы. Однако держатель будет выполнен с возможностью удержания клапана 55 третьего сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока он не испытает перепада давления, превышающего перепад давления, который перемещает клапан 53 второго сегмента трубы в открытое положение. Например, больше срезных штифтов 75 того же размера можно было бы использовать для клапана 55 третьего сегмента трубы, чем для клапана 53 второго сегмента трубы. В качестве альтернативного варианта, срезные штифты 75, имеющие большее сопротивление среза, можно было бы использовать для клапана 55 третьего сегмента трубы.
Второй сетчатый фильтр 45 в данном варианте реализации изобретения содержит цилиндрическую наружную трубу 77 сетчатого фильтра и цилиндрическую внутреннюю трубу 79 сетчатого фильтра. Внутренняя труба 79 сетчатого фильтра может иметь углубления 81, выступающие в радиальном направлении внутрь, которые контактируют с наружной поверхностью второго сегмента 33b трубы, чтобы поддерживать требуемую радиальную ширину второго кольцевого пространства 47. Наружная труба 77 сетчатого фильтра имеет большое количество отверстий 83, которые обычно являются круглыми на всей ее поверхности. Внутренняя труба 79 сетчатого фильтра имеет аналогичные отверстия 84.
Два или более листов тканого полотна 85, обычно металлических, расположены между наружным и внутренним сетчатыми фильтрами 77, 79. Могут быть включены и другие слои сетчатого фильтра, и обычно слои 85 тканого полотна будут отделены в радиальном направлении коротким расстоянием друг от друга, а также от наружной и внутренней труб 77, 79. В соответствии с Фиг. 4, переплетение каждого слоя 85 тканого полотна создает отверстия 87, которые обычно не будут круглыми. В данном варианте реализации изобретения отверстия 83, 84 в наружной и внутренней трубах 77, 79 имеют размер, превышающий средний диаметр частиц проппантов 89, которые обычно являются сферическими керамическими частицами. Типичные проппанты 89 могут иметь размер около 100 меш, что соответствует диаметру около 0,00059 дюйма или 149 микрон. Площади отверстий 87 в полотне имеют размеры, позволяющие проппанту 89 с частицами среднего размера проходить через них. Например, могут быть использованы слои 85 полотна размером 280 микрон, или микрометров. Однако из-за конструкции второго сетчатого фильтра 45 многие отверстия 83, 84 и 87 не будут выровнены друг с другом в радиальном направлении. Многие из частично выровненных отверстий 83, 84 и 87 будут иметь меньшую эффективную размерность пути потока, чем средний размер диаметра частиц проппантов 89. Как показано изогнутой стрелкой, путь для проппанта 89 из отверстия 83 наружной трубы через отверстия 87 в тканом полотне и из отверстия 84 внутренней трубы часто будет извилистым. Извилистый путь препятствует продвижению проппантов 89, замедляя и дозируя миллионы частиц проппантов 89, которые могут протекать в основную трубу 87.
Снова со ссылкой на Фиг. 1A и 1B, во время начальной работы клапаны 53, 55 второго и третьего сегментов трубы закрыты. Подача электропитания на двигатель 25 приводит в действие насос 19, который создает всасывание в проточном канале 57. Всасывание может варьироваться и, например, могло бы создавать в проточном канале 57 давление примерно на 0,14–0,17 МПа (20–25 фунтов на квадратный дюйм) меньше, чем в обсадной колонне 11, окружающей первый, второй и третий сетчатые фильтры 41, 45 и 49. Давление всасывания вызывает протекание скважинного флюида через первый сетчатый фильтр 41 и первые перфорационные отверстия 35 в проточный канал 57, но не через второе и третье сетчатого фильтра 45, 49 из-за закрытых клапанов 53, 55. Скважинный флюид поступает в заборную часть 21 насоса, и насос 19 повышает давление и выпускает скважинный флюид вверх по эксплуатационной насосно-компрессорной колонне 17. Поскольку первый сетчатый фильтр 41 сначала будет чистым, перепад давления, создаваемый насосом 19, будет недостаточным для того, чтобы привести к открытию клапанов 53, 55 второго и третьего сегментов трубы.
Некоторые проппанты 89 (Фиг. 4), вероятно, будут находиться в скважинном флюиде, и первый сетчатый фильтр 41 будет перекрывать движение или по меньшей мере препятствовать движению потока проппантов 89 в проточный канал 57. Насос 19 выполнен с возможностью перекачивания дозированного количества проппантов 89, но если это количество сильно увеличится в определенный момент, насос 19 может заклинить. В случае, когда скважина выдает газ в виде периодических пробок, в этих газовых пробках может присутствовать большее количество проппантов 89. Первый сетчатый фильтр 41 будет дозировать поток проппантов 89, поступающий в проточный канал 57, даже во время появления газовых пробок.
[0002] Однако со временем проппанты 89 начнут захватываться внутрь пробок на наружной стороне первого сетчатого фильтра 41. Забивание первого сетчатого фильтра 41 в основном проявляется сначала на верхнем конце, возле первых перфорационных отверстий 35, что приводит к накоплению на наружной стороне первого сетчатого фильтра, возрастающему по направлению к обсадной колонне 11. Накопление уменьшает площадь сечения потока между первым сетчатым фильтром 41 и обсадной колонной 11. Наличие первых перфорационных отверстий 35 только на верхнем конце длинного первого кольцевого пространства 43 снижает вероятность накопления проппантов в первую очередь на наружной стороне нижней или средней секций первого сетчатого фильтра 41.
В конечном счете, проппанты 89 и другая выбуренная порода могут накапливаться на или в большей части протяженности первого сетчатого фильтра 41. Такое засорение первого сетчатого фильтра 41 увеличивает перепад давления на клапанах 53, 55 второго и третьего сегментов трубы. Перепад давления вызовет срезание срезных штифтов 75 второго клапана 53, толкая клапан 53 второго сегмента трубы вверх в открытое положение в соответствии с Фиг. 3. Перепад давления, действующий на клапан 55 третьего сегмента трубы, еще не будет достаточно высоким, чтобы привести к срезанию его срезных штифтов 75, потому что их больше.
Насос 19 продолжает закачивать скважинный флюид таким же образом, причем второй сетчатый фильтр 45 дозирует поток проппантов 89 таким же образом, как это ранее выполнялось первым сетчатым фильтром 41. Уменьшенное количество скважинного флюида может продолжать течь через первый сетчатый фильтр 41. В конце концов, проппанты 89 и другая выбуренная порода могут в достаточной мере накапливаться на втором сетчатом фильтре 45 для того, чтобы перепад давления на клапане 55 третьего сегмента трубы переместил клапан 55 в открытое положение. Затем третий сетчатый фильтр 49 будет отфильтровывать проппанты таким же образом, как это ранее выполняли первый и второй сетчатые фильтры 41, 45. Клапан 53 второго сегмента трубы останется открытым, что позволит уменьшить поток скважинного флюида, протекающий через второй сетчатый фильтр 45.
Поэтому настоящее изобретение, описанное в данном документе, хорошо приспособлено для выполнения задач и достижения упомянутых целей и преимуществ, а также других целей и преимуществ, присущих данному изобретению. Хотя для целей данного изобретения были представлены всего лишь несколько вариантов реализации изобретения, существуют многочисленные изменения в деталях процедур для достижения требуемых результатов. Эти и другие аналогичные модификации смогут легко понять специалисты в данной области техники, и предполагают, что они охвачены сущностью настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, и объемом прилагаемой формулы изобретения.
1. Узел сетчатого фильтра для отфильтровывания скважинных частиц, содержащий:
основную трубу, имеющую ось, закрытый нижний конец и открытый верхний конец для присоединения к заборной конструкции скважинного насоса внутри скважины;
основную трубу, содержащую первый сегмент трубы и второй сегмент трубы;
первое и второе множества перфорационных отверстий в боковых стенках, соответственно, первого и второго сегментов трубы;
первый и второй сетчатые фильтры, установленные, соответственно, вокруг первого и второго сегментов трубы для отфильтровывания частиц в скважинном флюиде, поступающем, соответственно, в первое и второе множества перфорационных отверстий;
клапан второго сегмента трубы, установленный на втором сегменте трубы и находящийся в закрытом положении, перекрывающем протекание потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы, причем клапан второго сегмента трубы выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее протекание потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий из второго сегмента трубы в первый сегмент трубы;
клапан второго сегмента трубы, имеющий зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью второго сегмента трубы в ответ на всасывание скважинного насоса, поддерживаемого опорной конструкцией скважинного насоса, и, при достижении выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, перепад давления вызывает перемещение клапана второго сегмента трубы из закрытого положения в открытое положение; и
держатель клапана второго сегмента трубы, который удерживает клапан второго сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления не достигнет выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы, что указывает на то, что поток, протекающий через первый сетчатый фильтр и первое множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за засорения первого сетчатого фильтра.
2. Узел по п. 1, отличающийся тем, что держатель клапана второго сегмента трубы содержит средство для срезания в ответ на достижение перепадом давления выбранного нижнего предела клапана второго сегмента трубы.
3. Узел по п. 1, отличающийся тем, что держатель клапана второго сегмента трубы содержит по меньшей мере один срезной штифт.
4. Узел по п. 1, отличающийся тем, что клапан второго сегмента трубы содержит втулку, расположенную между вторым сетчатым фильтром и вторым множеством перфорационных отверстий, причем втулка может скользить по оси, перемещаясь из закрытого в открытое положение.
5. Узел по п. 1, дополнительно содержащий:
третий сегмент трубы, соединенный со вторым сегментом трубы;
третье множество перфорационных отверстий в боковой стенке третьего сегмента трубы;
третий сетчатый фильтр, установленный вокруг третьего сегмента трубы;
клапан третьего сегмента трубы, установленный на третьем сегменте трубы и находящийся в закрытом положении, перекрывающем протекание потока скважинного флюида через третье множество перфорационных отверстий из третьего сегмента трубы во второй сегмент трубы, причем клапан третьего сегмента трубы выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, позволяющее потоку скважинного флюида протекать через третье множество перфорационных отверстий из третьего сегмента трубы во второй сегмент трубы;
клапан третьего сегмента трубы, имеющий зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между внутренней частью и наружной частью третьего сегмента трубы, который вызывает перемещение клапана третьего сегмента трубы из закрытого положения в открытое положение; и
держатель клапана третьего сегмента трубы, который удерживает клапан третьего сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления, действующий на клапан третьего сегмента трубы, не достигнет выбранного нижнего предела клапана третьего сегмента трубы, который больше, чем выбранный нижний предел клапана второго сегмента трубы, что указывает на то, что поток, протекающий через второй сетчатый фильтр и второе множество перфорационных отверстий, уменьшился из-за засорения второго сетчатого фильтра.
6. Узел по п. 5, отличающийся тем, что:
каждый из держателей клапана второго и третьего сегмента трубы содержит компоновку элементов, работающих на срез; и
компоновка элементов, работающих на срез, держателя клапана второго сегмента трубы выполнена с возможностью срезания при меньшем усилии, чем компоновка элементов, работающих на срез, держателя клапана третьего сегмента трубы.
7. Узел по п. 1, отличающийся тем, что первый сегмент трубы выполнен таким образом, что первое множество перфорационных отверстий постоянно открыто для потока скважинного флюида, протекающего во внутреннюю часть первого сегмента трубы.
8. Узел по п. 1, отличающийся тем, что:
первый набор перфорационных отверстий расположен ближе к верхнему концу, чем к нижнему концу первого сегмента трубы; и
боковая стенка первого сегмента трубы не имеет перфорационных отверстий от нижнего конца первого сегмента трубы до первого множества перфорационных отверстий.
9. Узел сетчатого фильтра для отфильтровывания скважинных частиц, содержащий:
основную трубу, имеющую ось, первый сегмент трубы и второй сегмент трубы, причем основная труба имеет открытый верхний конец для прикрепления к опорной конструкции внутри скважины и закрытый нижний конец;
множество первых перфорационных отверстий в боковой стенке первого сегмента трубы;
первый сетчатый фильтр, установленный вокруг первого сегмента трубы в радиальном направлении наружу от боковой стенки первого сегмента трубы, определяющей первое кольцевое пространство между первым сетчатым фильтром и боковой стенкой первого сегмента трубы для приема скважинного флюида, протекающего через первый сетчатый фильтр, и подачи скважинного флюида вдоль первого пути потока через первые перфорационные отверстия в первый сегмент трубы;
множество вторых перфорационных отверстий в боковой стенке второго сегмента трубы;
второй сетчатый фильтр, установленный вокруг второго сегмента трубы в радиальном направлении наружу от боковой стенки второго сегмента трубы, определяющей второе кольцевое пространство между вторым сетчатым фильтром и боковой стенкой второго сегмента трубы;
стенку камеры клапана второго сегмента трубы на одном конце второго сетчатого фильтра, причем стенка камеры второго сегмента трубы является концентрической со вторым сегментом трубы и расположена в радиальном направлении наружу от второго сегмента трубы, определяя камеру клапана второго сегмента трубы, причем нижний конец стенки камеры второго сегмента трубы находится ниже вторых перфорационных отверстий, а верхний конец находится выше вторых перфорационных отверстий;
золотниковый клапан второго сегмента трубы в камере клапана второго сегмента трубы, причем золотниковый клапан второго сегмента трубы находится в закрытом положении, перекрывающем движение потока скважинного флюида из второго кольцевого пространства во вторые перфорационные отверстия, и выполнен с возможностью скольжения мимо вторых перфорационных отверстий в открытое положение, позволяющее потоку протекать из второго кольцевого пространства через вторые перфорационные отверстия;
при этом золотниковый клапан второго сегмента трубы имеет зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между давлением во втором кольцевом пространстве и давлением во втором сегменте трубы; и
держатель золотникового клапана второго сегмента трубы, который удерживает золотниковый клапан второго сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления не достигнет выбранного порогового значения в ответ на протекание потока через первый сетчатый фильтр в первое кольцевое пространство, уменьшающегося до выбранного уровня.
10. Узел по п. 9, отличающийся тем, что первые перфорационные отверстия расположены ближе к верхнему концу первого сегмента трубы, чем к нижнему концу первого сегмента трубы, причем боковая стенка первого сегмента трубы не имеет перфорационных отверстий от первых перфорационных отверстий до нижнего конца первого сегмента трубы.
11. Узел по п. 9, отличающийся тем, что вторые перфорационные отверстия расположены ближе к верхнему концу второго сегмента трубы, чем к нижнему концу второго сегмента трубы, причем боковая стенка второго сегмента трубы не имеет перфорационных отверстий от вторых перфорационных отверстий до нижнего конца сегмента трубы.
12. Узел по п. 11, отличающийся тем, что верхний конец второго сетчатого фильтра расположен ниже всех вторых перфорационных отверстий.
13. Узел по п. 9, отличающийся тем, что первый путь потока постоянно открыт.
14. Узел по п. 9, отличающийся тем, что первый сегмент трубы расположен выше второго сегмента трубы.
15. Узел по п. 9, отличающийся тем, что держатель содержит по меньшей мере один срезной штифт.
16. Узел по п. 9, дополнительно содержащий:
третий сегмент трубы, соединенный со вторым сегментом трубы;
множество третьих перфорационных отверстий в боковой стенке третьего сегмента трубы;
третий сетчатый фильтр, установленный вокруг третьего сегмента трубы в радиальном направлении наружу от боковой стенки третьего сегмента трубы, определяющей третье кольцевое пространство между третьим сетчатым фильтром и боковой стенкой третьего сегмента трубы;
стенку камеры клапана третьего сегмента трубы на одном конце третьего сетчатого фильтра, причем стенка камеры третьего сегмента трубы является концентрической с третьим сегментом трубы и расположена в радиальном направлении наружу от третьего сегмента трубы, определяя камеру клапана третьего сегмента трубы, причем нижний конец стенки камеры третьего сегмента трубы находится ниже третьих перфорационных отверстий, а верхний конец находится выше третьих перфорационных отверстий;
золотниковый клапан третьего сегмента трубы в камере клапана третьего сегмента трубы, причем золотниковый клапан третьего сегмента трубы находится в закрытом положении, перекрывающем движение потока скважинного флюида из третьего кольцевого пространства в третьи перфорационные отверстия, и выполнен с возможностью скольжения мимо третьих перфорационных отверстий в открытое положение, позволяющее потоку протекать из третьего кольцевого пространства через третьи перфорационные отверстия;
при этом золотниковый клапан третьего сегмента трубы имеет зону нагнетания, на которую воздействует перепад давления между давлением в третьем кольцевом пространстве и давлением в третьем сегменте трубы; и
держатель золотникового клапана третьего сегмента трубы, который удерживает золотниковый клапан третьего сегмента трубы в закрытом положении до тех пор, пока перепад давления, воздействующий на золотниковый клапан третьего сегмента трубы, не достигнет выбранного порогового значения в ответ на протекание потока через второй сетчатый фильтр во второе кольцевое пространство, уменьшающегося до выбранного уровня, причем выбранное пороговое значение для золотникового клапана третьего сегмента трубы больше, чем выбранное пороговое значение для золотникового клапана второго сегмента трубы.
17. Способ откачки скважинного флюида из скважины, включающий:
крепление основной трубы к конструкции заборной части скважинного насоса в составе скважинного насоса внутри скважины, причем основная труба имеет первый сегмент трубы и второй сегмент трубы, которые не перемещаются относительно друг друга, причем основная труба имеет первое и второе множества перфорационных отверстий в боковых стенках, соответственно, первого и второго сегментов трубы, причем основная труба содержит первый и второй сетчатые фильтры, установленные, соответственно, вокруг первого и второго сегментов трубы, причем второй сегмент трубы содержит клапан второго сегмента трубы;
эксплуатацию насоса и протекание скважинного флюида в основную трубу по первому пути потока через первый сетчатый фильтр и первое множество перфорационных отверстий и перекрытие посредством клапана второго сегмента трубы потока скважинного флюида, протекающего через второе множество перфорационных отверстий с помощью клапана второго сегмента трубы; а также последующее
открытие клапана второго сегмента трубы и протекание скважинного флюида по второму пути потока через второе множество перфорационных отверстий; при этом
открытие клапана второго сегмента трубы происходит в ответ на перепад давления, действующий на клапан второго сегмента трубы между наружной частью и внутренней частью второго сегмента трубы.
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что скважинный флюид содержит проппанты, используемые для гидроразрыва пласта, причем способ дополнительно включает:
выполнение каждого из первого и второго сетчатых фильтров с минимальным размером отверстия, выбранным таким образом, чтобы он превышал среднюю площадь поперечного сечения потока проппантов; и
при этом протекание флюида через первый и второй сетчатые фильтры включает дозирование потока проппантов, протекающего через первый и второй сетчатые фильтры в основную трубу.
19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что:
второе множество перфорационных отверстий расположено над вторым сетчатым фильтром, и часть второго сегмента трубы от второго множества перфорационных отверстий до нижнего конца второго сегмента трубы не имеет перфорационных отверстий; и
этап протекания потока скважинного флюида по второму пути потока включает протекание скважинного флюида в направлении вверх после того, как он проходит через второй сетчатый фильтр, пока не достигнет второго множества перфорационных отверстий.
20. Способ по п. 17, отличающийся тем, что:
основная труба содержит третий сегмент трубы, содержащий третье множество перфорационных отверстий и третий сетчатый фильтр, установленный вокруг третьего сегмента трубы, причем третий сегмент трубы содержит клапан третьего сегмента трубы;
при этом протекание скважинного флюида в основную трубу по первому пути потока при перекрытии движения потока скважинного флюида через второе множество перфорационных отверстий посредством клапана второго сегмента трубы также включает перекрытие движения потока скважинного флюида через третье множество перфорационных отверстий посредством клапана третьего сегмента трубы;
при этом открытие клапана второго сегмента трубы включает продолжение перекрытия движения потока скважинного флюида через третье множество перфорационных отверстий посредством клапана третьего сегмента трубы; причем способ дополнительно включает:
открытие клапана третьего сегмента трубы в ответ на перепад давления, воздействующий на клапан третьего сегмента трубы, между наружной частью и внутренней частью третьего сегмента трубы, который превышает перепад давления, который вызывает открытие клапана второго сегмента трубы.
