Система для применения в скважине, способ управления полностью электрическим, полнопроходным клапаном регулирования потока и полностью электрический, полнопроходный клапан регулирования потока
Группа изобретений относится к нефтегазовой промышленности, в частности к электрическим клапанным устройствам. Система для регулирования потока в скважине содержит полностью электрический, полнопроходный клапан регулирования потока, содержащий корпус штуцера, муфту, расположенную внутри корпуса штуцера, и внутренний поршень, расположенный внутри муфты. Питаемый электричеством привод установлен снаружи клапана регулирования потока и соединен с внутренним поршнем через соединительное устройство. Питаемый электричеством привод реагирует на электрические входные сигналы перемещением внутреннего поршня относительно муфты в требуемые положения потока для закрытия и/или открытия каналов муфты. Заявлены способ управления полнопроходным клапаном регулирования потока и полностью электрический, полнопроходный клапан регулирования потока. Достигается технический результат – обеспечение возможности регулирования потока в скважине при сохранении проходного сечения колонны труб. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 23 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета по предварительной заявке на патент США № 62/688 843, поданной 22 июня 2018 г., которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки и должна рассматриваться как часть настоящего описания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] Нефтяная скважина может иметь несколько эксплуатационных зон или продуктивных интервалов. Оператор заинтересован в том, чтобы иметь возможность осуществлять совместную добычу из этих зон (одновременную добычу), чтобы максимально увеличить добычу и окупаемость инвестиций в такую скважину. Различные эксплуатационные зоны могут иметь разное давление и могут истощаться с разной скоростью. Чтобы оптимизировать добычу или даже перекрыть водоносную зону, оператор полагается на скважинные клапаны регулирования потока (FCV; flow control valve), которые регулируют поток углеводородов из каждого продуктивного интервала в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну. То же самое применимо к нагнетательной скважине, причем выборочная и регулируемая закачка в различные интервалы включает в себя регулирование потока флюида в каждом интервале.
[3] FCV, как правило, управляются гидравлическим способом с поверхности с помощью линий гидравлической системы управления, проходящих в скважине, и обеспечиваются через устье скважины и пакеры (см. например, WO 2017058258 A1, 06.04.2017). Поскольку количество пенетраторов или допустимых линий управления ограничено, это может ограничить количество клапанов, которые могут быть установлены в скважине. Кроме того, такая скважина часто содержит линии для закачки химических реагентов и электрический кабель для связи со скважинными датчиками и их питания, тем самым еще больше ограничивая количество оставшихся гидравлических проходок в устье скважины или пакере.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[4] В целом, предложены система и методология для облегчения регулирования потока в скважине. Согласно одному варианту осуществления клапан регулирования потока содержит внутренний поршень. Кроме того, питаемый электричеством привод установлен снаружи клапана регулирования потока и соединен с внутренним поршнем через соединительное устройство. Питаемый электричеством привод реагирует на электрические входные сигналы с перемещением внутреннего поршня в требуемое положение потока клапана регулирования потока.
[5] Клапан регулирования потока может содержать корпус, причем внутренний поршень расположен с возможностью перемещения внутри корпуса. Привод может удерживаться на месте вдоль наружной поверхности корпуса с помощью одного или более зажимов или предохранительных устройств. Наружная поверхность корпуса может содержать одну или более канавок. Привод может быть расположен в одной из одной или более канавок. Наружная поверхность корпуса может содержать первую канавку, в которой размещен привод, и вторую канавку, в которой размещены электронные устройства и/или датчики.
[6] Привод может представлять собой электромеханический привод (EMA; electro-mechanical actuator) или электрогидравлический привод (EHA; electro-hydraulic actuator).
[7] Система, содержащая клапан регулирования потока и привод, может дополнительно содержать насосную систему и манифольд. Насосная система содержит двигатель и насос. Манифольд содержит гидравлический контур, который соединяет насосную систему с приводом. Насосная система выполнена с возможностью закачки жидкости для гидравлического регулирования из резервуара через манифольд в привод. Манифольд может содержать по меньшей мере один клапан с электромагнитным приводом (SOV; solenoid operated valve).
[8] Механическое воздействие для механического переключения клапана регулирования потока можно выполнять, когда привод соединен с внутренним поршнем клапана регулирования потока. В некоторых конфигурациях соединительное устройство может быть отсоединено, чтобы обеспечить механическое воздействие для механического переключения клапана регулирования потока.
[9] Клапан регулирования потока может быть установлен на скважинной насосно-компрессорной трубе. Клапан регулирования потока может иметь проходное сечение, эквивалентное площади внутреннего поперечного сечения скважинной насосно-компрессорной трубы.
[10] В некоторых вариантах осуществления способ управления клапаном регулирования потока включает в себя подачу питания на насосную систему, выполненную с возможностью закачки жидкости гидравлического регулирования из резервуара; приведение в действие выбранного клапана с электромагнитным приводом (SOV) в манифольде, содержащем гидравлический контур, соединяющий насосную систему с электрогидравлическим приводом, установленным снаружи клапана регулирования потока; протекание жидкости гидравлического регулирования из резервуара через манифольд в камеру привода таким образом, что поршень привода перемещается в направлении открытия или закрытия; и перемещение поршня клапана регулирования потока путем перемещения поршня привода.
[11] SOV может представлять собой 3-ходовой, 2-позиционный, нормально закрытый клапан. SOV может представлять собой 2-ходовой, 2-позиционный, нормально открытый клапан. SOV может действовать как переключатель направления.
[12] Способ может дополнительно включать в себя механическое воздействие на привод путем использования переключающего инструмента для механического перемещения поршня привода.
[13] В некоторых вариантах осуществления клапан регулирования потока содержит корпус; поршень, расположенный с возможностью перемещения внутри корпуса для регулирования потока через клапан регулирования потока; по меньшей мере одну канавку, образованную в наружной поверхности корпуса, причем по меньшей мере в одной канавке размещен питаемый электричеством привод; и соединительное устройство, соединяющее привод с поршнем таким образом, что перемещение привода вызывает перемещение поршня.
[14] По меньшей мере одна канавка может содержать первую канавку, в которой размещен привод, и вторую канавку, в которой размещены электронные устройства. Привод может представлять собой электрогидравлический привод. Электрогидравлический привод может содержать внутренний поршень. При использовании перемещение внутреннего поршня привода вызывает перемещение поршня клапана регулирования потока для регулирования потока, проходящего через клапан регулирования потока.
[15] Тем не менее, возможны многие модификации без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[16] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения далее в данном документе будут описаны со ссылкой на сопровождающие графические материалы, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы. Однако следует понимать, что сопровождающие фигуры иллюстрируют различные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, и не предназначены для ограничения объема различных технологий, описанных в настоящем документе.
[17] На фиг. 1 представлен вид в поперечном разрезе примера клапана регулирования потока, содержащего корпус, поршень, штуцер и штуцерные уплотнения, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[18] На фиг. 2 представлена конфигурация клапана регулирования потока с приводом, вставленным в основном корпусе, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[19] На фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе клапана регулирования потока, показывающий корпус, содержащий приводы, электронные устройства и датчики, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[20] На фиг. 4 представлен пример клапана регулирования потока с электронными устройствами и датчиками, расположенными в канавках основного корпуса, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[21] На фиг. 5 представлен пример электромеханического привода для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[22] На фиг. 6 представлена встроенная поступательно перемещающаяся ось, которую можно использовать с электромеханическим приводом, показанным на фиг. 5, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[23] На фиг. 7 представлен пример электрогидравлического привода для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[24] На фиг. 8 представлен другой пример электрогидравлического привода для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[25] На фиг. 9 схематически представлен пример электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[26] На фиг. 10A-10D схематически представлены примеры электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура, показанных на фиг. 9, в различных режимах работы, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[27] На фиг. 11 схематически представлен другой пример электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[28] На фиг. 12A-12D схематически представлены примеры электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура, показанных на фиг. 11, в различных режимах работы, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[29] На фиг. 13 схематически представлен другой пример электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура для использования с клапаном регулирования потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[30] На фиг. 14A-14D схематически представлены примеры электрогидравлического привода и связанного с ним гидравлического контура, показанных на фиг. 13, в различных режимах работы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[31] В последующем описании изложены многочисленные подробности, чтобы обеспечить понимание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что указанная система и/или методология могут быть реализованы на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.
[32] Настоящее изобретение, описанное в данном документе, в целом включает систему и методологию для облегчения регулирования потока в скважине. В соответствии с вариантами осуществления система и методология обеспечивают механические конфигурационные элементы для конструирования скважинного клапана регулирования потока (FCV) с электрическим приводом. Конструкция типа цельной оправки манометра для FCV может ограничивать максимально допустимую скорость потока добываемой продукции через клапан. Напротив, FCV согласно настоящему изобретению могут иметь проходное сечение, которое может быть эквивалентным внутреннему поперечному сечению насосно-компрессорной трубы.
[33] Различные варианты осуществления, описанные в данном документе, охватывают варианты для интеграции электромеханического привода (EMA), установленного снаружи клапана, и соединения его с внутренним поршнем FCV. Это позволяет использовать штуцер традиционной конструкции FCV с внутренним поршнем, жесткой устойчивой к эрозии муфтой для отверстий для потока и существующими уплотнительными элементами штуцера. Варианты осуществления также охватывают реализацию электрогидравлического привода (EHA) вместо EMA. Поскольку доступный источник питания для привода является электрическим, EHA также может содержать резервуар для гидравлической жидкости и насос с электрическим приводом для подачи гидравлической жидкости под давлением. Кроме того, в настоящем изобретении предложено несколько вариантов для регулирования положения FCV при приведении в действие с помощью EHA или EMA. Различные варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к соединительному устройству между приводом и внутренним поршнем FCV в случае привода EMA. Соединительная система может включать варианты для возможности отсоединения в случае, если требуется механическое воздействие и управление клапаном посредством троса или других способов механического воздействия.
[34] В морских месторождениях в клапанах гидравлического регулирования потока используют инфраструктуру на морском дне для обращения с гидравлической жидкостью и ее распределения под давлением в каждом устье скважины и каждой линии гидравлического регулирования. В обычных системах эта функциональная возможность связана со значительными затратами и сложностью для подводной инфраструктуры, гибкого подводного кабеля и поверхностной платформы или плавучей нефтепромысловой платформы (FPSO; floating production, storage and offloading system). Устранение необходимости работать с гидравлической жидкостью под давлением может привести к существенному снижению стоимости подводной инфраструктуры.
[35] Полностью электрическая скважинная система регулирования потока помогает преодолеть оба этих ограничения, особенно когда другое оборудование (как правило, с гидравлическим управлением) в скважине также переводят на полностью электрическое (например, предохранительный клапан). К одному электрическому кабелю можно подсоединить большое количество устройств регулирования потока с электрическим приводом, что позволяет использовать только один пенетратор в устье скважины. Для управления такой системой заканчивания используют электроэнергию, что значительно упрощает систему на морском дне, а также потенциально упрощает подводный кабель, проходящий к эксплуатационному объекту.
[36] Клапан, обеспечивающий проходное сечение, эквивалентное площади внутреннего поперечного сечения насосно-компрессорной трубы, называется «полнопроходным» клапаном. Традиционные гидравлические полнопроходные клапаны содержат внутренний поршень для регулирования степени открытия и потока, проходящего через штуцер. С учетом размера поршня, уплотнительных систем и подшипников вокруг поршня для управления таким клапаном можно использовать значительные нагрузки за счет преодоления величины трения, создаваемого динамическими и штуцерными уплотнениями. Клапаны с гидравлическим управлением могут легко обеспечивать требуемую нагрузку посредством высокого гидравлического давления питания и большой площади поршня. Преобразование таких клапанов в электрический привод создает некоторые проблемы, поскольку нагрузка, создаваемая электромеханическим приводом, обычно ниже, чем нагрузка, которую могут обеспечить традиционные гидравлические FCV.
[37] Одним из способов решения этой проблемы является применение электрического привода в клапане меньшего размера, таком как клапан с оправкой с боковым карманом. В такой конфигурации штуцер, поршень и уплотнительные системы имеют гораздо меньшие размеры и используют значительно меньшее усилие за счет уменьшения проходного сечения и ограничения максимально допустимой скорости потока через клапан. Для областей применения, связанных с высокими скоростями потока, проблема состоит в том, чтобы определить подходящий способ интегрирования питаемого электричеством привода, выполненного с возможностью создания достаточного усилия для управления полнопроходным клапаном.
[38] Со ссылкой сначала на фиг. 1, варианты осуществления, описанные в данном документе, включают варианты конфигурации для конструирования FCV с электрическим приводом. В конструкциях согласно настоящему изобретению преимущественно используют конфигурацию традиционных FCV, содержащих внутренний поршень, но также максимально увеличивается их проходное сечение и осуществляется их электрическое управление. Использование конфигурации традиционных FCV позволяет свести к минимуму усилия по разработке и использовать преимущества надежной конструкции штуцера, уже разработанной для гидравлических полнопроходных FCV.
[39] Полнопроходные FCV могут быть основаны на внутреннем поршне, перемещающемся вперед и назад, например вверх или вниз, чтобы открывать или закрывать гидравлические каналы потока, по которым выборочно сообщаются по текучей среде кольцевое пространство и насосно-компрессорная труба. В то время как верхняя секция FCV предназначена для механизма срабатывания и индексации позиционирования, функции дросселирования (или регулирования потока) и уплотнения клапана выполняются в секции штуцера. Как показано на фиг. 1, штуцер 100 может содержать муфту 102, которая может быть изготовлена из твердого материала или содержать твердый материал для обеспечения устойчивости к эрозии, и внутренний поршень 104, который во время работы закрывает и/или открывает каналы 106 муфты 102. Поршень 104 и муфта 102 расположены в корпусе 108 штуцера. Штуцер также содержит уплотнительный пакет 110, изолирующий клапан, когда поршень 104 находится в закрытом положении.
[40] В FCV согласно настоящему изобретению секция, например верхняя секция, при развертывании в горизонтальной части скважины клапана регулирования потока может быть модифицирована для размещения электрического привода 200, например, как показано на фиг. 2. Как описано в настоящем документе, привод 200 может представлять собой электромеханический привод (EMA) или электрогидравлический привод (EHA). В некоторых конфигурациях электрический привод 200 размещен в канавке, прорезанной через весь основной корпус 118 FCV, например, вдоль и/или в наружной поверхности основного корпуса 118 FCV. Внутренний поршень 104 клапана выполнен с возможностью удержания давления при закрытом клапане, например, благодаря двум уплотняющим элементам в виде штуцерного уплотнения (штуцерных уплотнений) или уплотнительного пакета 110 в корпусе 108 штуцера и динамического уплотнения 120 в верхней части основного корпуса 118. Такой вариант осуществления обеспечивает соединение привода 200, установленного снаружи, с внутренним поршнем 104 клапана через соединительное устройство 300, и в то же время он размещен в самом основном корпусе 118 и защищен им, как показано на фиг. 2. Техническое обслуживание привода 200 можно проводить на месте с помощью дополнительных зажимов и/или предохранительных устройств 128, как проиллюстрировано. Электронные устройства, управляющие приводом 200, и/или электронные устройства для телеметрии с поверхностной панелью управления могут быть размещены параллельно в отдельной канавке (канавках) в корпусе 118 FCV для уменьшения общей длины системы.
[41] Как дополнительно проиллюстрировано на фиг. 3, эта конфигурация также преимущественно обеспечивает сборку нескольких приводов 200 на FCV. Это может иметь особенное преимущество для решений с электрогидравлическим приводом (EHA), как описано ниже, в которых один узел, содержащий двигатель, насос и распределительный манифольд, распределяет гидравлическую жидкость под давлением между несколькими приводами 200, таким образом увеличивая нагрузку срабатывания. В некоторых конфигурациях несколько EMA могут быть соединены с одним поршнем 104.
[42] Как описано, на фиг. 3 проиллюстрировано интегрирование различных элементов, включая несколько приводов 200 и различные электронные устройства, в основном корпусе 118 FCV, причем каждый элемент расположен в отдельной канавке. На этой схеме показан корпус 118, содержащий два привода 200, электронные устройства 230 для управления одним или обоими приводами 200, а также электронные устройства и/или датчики 240 (например, для телеметрии с контролем поверхности и/или положения). Как показано, корпус 118 также может содержать один или более датчиков 250 (таких как датчики положения, давления, температуры и/или другие датчики или измерительные приборы) и/или одну или более перепускных линий 260. Основной корпус 118 FCV выполнен с возможностью противодействия растягивающим и сжимающим нагрузкам, поскольку лишь поршень 104 принимает на себя перепад давления на клапане в закрытом положении. Это дает возможность механически обрабатывать корпус 118 для размещения и других датчиков, таких как датчики 250 давления и температуры, как проиллюстрировано также на фиг. 4. Таким образом, корпус 118 FCV может заменить традиционную оправку держателя манометра, уменьшая общую длину интеллектуальных компоновок для заканчивания (содержащих FCV и один или более датчиков или измерительных приборов).
[43] В различных вариантах осуществления питаемый электричеством привод 200, приводящий в действие FCV, может представлять собой электромеханический привод (EMA), который получает электроэнергию на входе, например, от одного или более электрических кабелей 270, как показано на фиг. 4, и преобразует электроэнергию в поступательное движение. EMA содержит, например, электродвигатель 202, зубчатый редуктор или редуктор 204, винт 206 (например, шариковый винт или роликовый ходовой винт) и один или более подшипников 208, как показано в иллюстративной конфигурации на фиг. 5. Эти внутренние компоненты или элементы выполнены с возможностью преобразования электроэнергии в поступательное движение. Эти элементы могут быть погружены в диэлектрическую жидкость, обеспечивающую электрическую изоляцию и смазку. Давление этого масла можно компенсировать с помощью внешней среды посредством сильфона.
[44] Со ссылкой в целом на фиг. 5 пример EMA проиллюстрирован как содержащий два выходных штыревых контакта 210 на стороне привода 200, которые могут быть соединены с поршнем 104 FCV с помощью соединительного устройства 300. В другом варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 6, поступательное движение выводится в соответствии с работой привода. На фиг. 6 показан EMA с встроенной поступательно перемещающейся осью 212.
[45] Другой вариант для приведения в действие поршня 104 FCV представляет собой электрогидравлический привод (EHA) (например, как показано в иллюстративном варианте осуществления на фиг. 7), соединенный с насосной системой и резервуаром для жидкости. Как показано, EHA содержит поршень 280, расположенный в корпусе 218 таким образом, что первая гидравлическая камера 280 образуется между одним концом поршня 280 и внутренней поверхностью корпуса 218, а вторая гидравлическая камера 282 образуется между противоположным концом поршня 280 и внутренней поверхностью корпуса 218. Таким образом, поршень 280 изолирует друг от друга и герметизирует гидравлические камеры 282, 284. Первый гидравлический канал 283 проходит через корпус 218 в первую камеру 282, а второй гидравлический канал 285 проходит через корпус 218 во вторую камеру 284. При использовании гидравлическую жидкость закачивают из резервуара через первый и/или второй канал 283, 285 в соответствующую камеру 282, 284. Поршень 280 соединен с поршнем 104 FCV через соединительное устройство 300. Уплотнение 286 поршня расположено вокруг поршня 280 рядом с каждым концом поршня 280.
[46] При использовании насос подает гидравлическую жидкость под давлением для управления EHA. Манифольд может распределять гидравлическую жидкость под давлением в одну или другую гидравлическую камеру 282, 284 привода. Одну камеру используют для перемещения FCV в открытое положение, а другую - для перемещения FCV в закрытое положение. Другими словами, поток гидравлической жидкости из резервуара через один из каналов 283, 285 в одну из гидравлических камер 282, 284 перемещает поршень 280 в определенном направлении, тем самым перемещая поршень 104 FCV в направлении открытия FCV, и поток гидравлической жидкости из резервуара через другой канал 283, 285 в другую гидравлическую камеру 282, 284 перемещает поршень 280 в противоположном направлении, тем самым перемещая поршень 104 FCV в противоположном направлении для закрытия FCV.
[47] Как показано на фиг. 7, поршень 280 может быть оснащен двумя соединительными штоками 281, которые используют для соединения с поршнем 104 FCV. В качестве альтернативы, соединительные штоки 281 могут быть присоединены к основному корпусу 118 FCV или закреплены в нем, причем гидравлический привод 200 соединен с поршнем 104 FCV. В этом варианте осуществления чистое гидравлическое масло присутствует с обеих сторон уплотнений 286 гидравлического поршня во избежание потери гидравлической жидкости (или попадания скважинных флюидов) из-за утечек вокруг динамических уплотнений. Комплект сильфонов 288 изолирует чистую гидравлическую жидкость от скважинных флюидов, позволяя при этом перемещать поршень 280. Жидкость, находящаяся внутри относительно сильфонов 288, находится под тем же давлением, что и в кольцевом пространстве, поскольку сильфоны 288 могут не выдерживать значительного перепада давления. Этот объем масла соединен с масляным резервуаром насосной системы (см. гидравлические схемы, более подробно рассмотренные ниже) через третий канал 287.
[48] В некоторых конфигурациях, чтобы уменьшить количество каналов и/или обеспечить постоянную связь объема масла, находящегося внутри относительно сильфонов 288, с самым низким давлением обеих гидравлических камер 282, 284, третий канал 287 может быть заменен обратным селективным клапаном 290, как проиллюстрировано на фиг. 8. Обратный селективный клапан 290 действует как логическая гидравлическая функция, обеспечивая сообщение выпускного канала (третьего канала 287) с каналом самого низкого давления между камерами 282, 284.
[49] Для конфигураций, проиллюстрированных на фиг. 7 и 8, насосную систему 350, оснащенную или соединенную с манифольдом (как показано на фиг. 9-14 и описано в настоящем документе), используют для подачи гидравлической жидкости под давлением с одной или другой стороны поршня EHA (т. е. в первую камеру 282 или во вторую камеру 284). Насосная система 350 содержит двигатель и насос. Манифольд содержит гидравлический контур, связывающий насосную систему 350 (например, насос) с приводом 200. Согласно некоторым вариантам осуществления насосная система может быть рассчитана исключительно на электроэнергию. Примеры включают электродвигатель, соединенный с зубчатым редуктором, и гидравлический насос, такой как поршень или насос с наклонной шайбой. Манифольд также может содержать компенсационную систему 360 (показанную на фиг. 9-14) для выравнивания давления в нефтяном пласте с давлением в кольцевом пространстве. Эта компенсационная система может представлять собой поршень или сильфон, так как это может обеспечить полностью герметичную систему.
[50] На фиг. 9-14 в целом представлены три примера манифольдов или гидравлического контура, в которых используют клапаны с электромагнитным приводом (SOV) и другие микрогидравлические компоненты. Первый пример, проиллюстрированный на фиг. 9-10, содержит контур с двумя 3-ходовыми 2-позиционными нормально закрытыми клапанами с электромагнитным приводом. Второй пример, проиллюстрированный на фиг. 11-12, содержит контур с двумя 2-ходовыми 2-позиционными нормально открытыми клапанами с электромагнитным приводом. Третий пример, проиллюстрированный на фиг. 13-14, содержит контур с одним 3-ходовым направленным клапаном с электромагнитным приводом.
[51] В первом иллюстративном варианте осуществления манифольда, проиллюстрированном на фиг. 9, насосная система 350, содержащая двигатель и насос, подает жидкость под давлением из резервуара 351. Клапан 352 сброса давления защищает гидравлические компоненты от избыточного давления. Избыточное давление приводит к открытию клапана 352 сброса давления и позволяет жидкости вернуться прямо в резервуар. Проиллюстрированная конфигурация содержит необязательный регулятор 354 потока, который можно использовать для оценки перемещения гидравлического привода 200 с помощью временной оси. Регулятор 354 потока выдает постоянную скорость потока независимо от перепада давления на нем. Это позволяет регулировать перемещение EHA, опираясь на продолжительность срабатывания. Если измерение положения осуществляется с помощью датчика положения, в регуляторе 354 потока нет необходимости, и его можно убрать. Два нормально закрытых (как показано на фиг. 9) клапана с электромагнитным приводом (SOV) 356a, 356b приводят в действие EHA в одном или другом направлении. Компенсационная линия 358 представлена пунктирной линией от EHA, с учетом объема масла, защищенного сильфоном (сильфонами) 288 (см. третий канал 287 на фиг. 7).
[52] На фиг. 10A-10B проиллюстрированы четыре режима работы для варианта осуществления манифольда, показанного на фиг. 9. В частности, на фиг. 10A проиллюстрировано приведение в действие EHA в направлении открытия (например, перемещение поршня 280 EHA вверх). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, и она перекачивает гидравлическую жидкость из резервуара через манифольд. Как показано, SOV 356a закрыт, а SOV 356b приводится в действие для открытия, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 356b в нижнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 10A) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вверх. Как описано в данном документе, привод 200 соединен с поршнем 104 FCV посредством соединительного устройства 300 таким образом, что перемещение поршня 280 EHA тем самым приводит к соответствующему перемещению поршня 104 FCV. На фиг. 10B проиллюстрировано приведение в действие EHA в направлении закрытия (например, перемещение поршня 280 EHA вниз). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, SOV 356b закрыт, а SOV 356a приведен в действие для открытия, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 356a в верхнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 10B) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вниз.
[53] На фиг. 10C и 10D проиллюстрированы режимы механического воздействия. Как показано, для механического воздействия можно использовать переключающий инструмент 400. На фиг. 10C проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для открытия FCV (например, перемещение поршня 280 вверх посредством перемещения вверх переключающего инструмента 400). На фиг. 10D проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для закрытия FCV (например, перемещение поршня 280 вниз посредством перемещения вниз переключающего инструмента 400). В обоих режимах механического воздействия насосная система 350 выключена или на нее не подается питание, и оба SOV 356a, 356b закрыты. Механическое перемещение поршня 280 с помощью переключающего инструмента 400 запускает циркуляцию гидравлической жидкости через SOV 356a, 356b из одной камеры EHA в другую.
[54] Пример последовательности или способа приведения в действие FCV включает в себя этапы: 1) подачи питания на двигатель насосной системы 350 таким образом, что насос нагнетает давление в гидравлическом контуре до максимального значения Pr (давление открытия клапана сброса давления); 2) приведения в действие требуемых SOV 356a, 356b, чтобы EHA 200 начал перемещаться; 3) отключения приведенного в действие SOV для остановки перемещения EHA 200; и 4) остановки двигателя и насоса (или насосной системы 350). Этот контур совместим с механическим воздействием, поскольку обе гидравлические камеры 282, 284 EHA находятся в прямом сообщении, когда SOV 356a, 356b не приведены в действие, что обеспечивает перемещение поршня 280 EHA без гидравлического замка.
[55] Во втором иллюстративном варианте осуществления манифольда, проиллюстрированном на фиг. 11, гидравлический контур представляет собой небольшое изменение контура, проиллюстрированного на фиг. 9. Вместо 3-ходовых, 2-позиционных, нормально закрытых SOV (которые включены в манифольд, показанный на фиг. 9-10) манифольд на фиг. 11 содержит 2-ходовые, 2-позиционные, нормально открытые (как показано на фиг. 11) SOV 366a, 366b, а также дополнительный обратный селективный клапан 290 для выпуска стороны низкого давления гидравлического поршня 280 EHA в резервуар, и компенсатор давления или компенсационный сильфон 360. Данный контур совместим с механическим воздействием, поскольку обе стороны поршня 280 EHA находятся в сообщении, когда SOV 366a, 366b не приведены в действие. В этом варианте осуществления используют один дополнительный гидравлический компонент (обратный селективный клапан 290), но он обладает преимуществом использования более простых и потенциально более надежных SOV 366a, 366b.
[56] На фиг. 12A-12D проиллюстрированы четыре режима работы манифольда, показанного на фиг. 11. На фиг. 12A проиллюстрировано приведение в действие поршня 280 EHA в направлении открытия (например, перемещение поршня 280 EHA вверх). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, и она перекачивает гидравлическую жидкость из резервуара через манифольд. Как показано, SOV 366b находится в открытом положении по умолчанию, а SOV 366a приведен в действие для закрытия, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 366b в нижнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 12A) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вверх. Как описано в данном документе, привод 200 соединен с поршнем 104 FCV посредством соединительного устройства 300 таким образом, что перемещение поршня 280 EHA тем самым приводит к соответствующему перемещению поршня 104 FCV. На фиг. 12B проиллюстрировано приведение в действие EHA 200 в направлении закрытия (например, перемещение поршня 280 EHA вниз). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, SOV 366a находится в открытом положении по умолчанию, а SOV 366b приведен в действие для закрытия, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 366a в верхнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 12B) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вниз.
[57] На фиг. 12C и 12D проиллюстрированы режимы механического воздействия. Как показано, для механического воздействия можно использовать переключающий инструмент 400. На фиг. 12C проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для открытия FCV (например, перемещение поршня 280 вверх посредством перемещения вверх переключающего инструмента 400). На фиг. 12D проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для закрытия FCV (например, перемещение поршня 280 вниз посредством перемещения вниз переключающего инструмента 400). В обоих режимах механического воздействия насосная система 350 выключена или на нее не подается питание, и оба SOV 366a, 366b открыты. Механическое перемещение поршня 280 с помощью переключающего инструмента 400 запускает циркуляцию гидравлической жидкости через SOV 366a, 366b из одной камеры EHA в другую.
[58] Пример последовательности или способа приведения в действие FCV варианта осуществления, показанного на фиг. 11-12, включает в себя этапы: 1) приведения в действие сначала требуемого SOV 366a, 366b. На этом этапе отсутствует перемещение EHA 200, поскольку в системе отсутствует давление; 2) подачи питания на двигатель насосной системы 350 таким образом, что насос создает давление, которое начинает приводить в действие EHA 200 и связанный с ним поршень 104 FCV; 3) остановки двигателя и насоса таким образом, чтобы остановился EHA 200, а также связанный с ним FCV 104; и 4) отключения SOV.
[59] В третьем иллюстративном варианте осуществления манифольда, проиллюстрированном на фиг. 13, представлен гидравлический контур, в котором используют один SOV 376 в качестве переключателя направления. Если на SOV 376 не подается питание, система переместит EHA 200 в открытое положение, как только будет приведена в действие насосная система 350. Для приведения в действие EHA 200 в другом направлении (закрытия) на SOV 376 подается питание. Вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 13, может быть изменен таким образом, что перемещение EHA 200 предназначено для закрытия, когда SOV 376 не приведен в действие.
[60] Для совместимости с механическим воздействием используют дополнительный клапан 372 сброса давления, как проиллюстрировано на фиг. 13-14. Для механического управления FCV с помощью переключающего инструмента 400 оператор прикладывает величину силы, которая создает давление в гидравлической системе, достаточно высокое для открытия клапанов 352, 372 сброса давления. Клапаны 352, 372 сброса давления и область поршня 280 EHA могут иметь такие размеры, чтобы усилие для механического управления клапаном было совместимо с другим используемым способом переключения (например, трос или скважинный трактор). Для сведения: скважинный трактор ReSOLVE® от компании Schlumberger может линейно прилагать до 40 000 фунтов-силы. Это должно намного превышать нагрузку, необходимую для ручного управления поршнем 104 FCV.
[61] На фиг. 14A-14D проиллюстрированы четыре режима работы манифольда, показанного на фиг. 13. На фиг. 14A проиллюстрировано приведение в действие поршня 280 EHA в направлении открытия (например, перемещение поршня 280 EHA вверх). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, и она перекачивает гидравлическую жидкость из резервуара через манифольд. Как показано, SOV 376 находится в своем положении по умолчанию, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 376 в нижнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 14A) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вверх. Как описано в данном документе, привод 200 соединен с поршнем 104 FCV посредством соединительного устройства 300 таким образом, что перемещение поршня 280 EHA тем самым приводит к соответствующему перемещению поршня 104 FCV. На фиг. 14B проиллюстрировано приведение в действие EHA 200 в направлении закрытия (например, перемещение поршня 280 EHA вниз). Насосная система 350 включена или на нее подается питание, SOV 376 приведен в действие, так что гидравлическая жидкость течет через SOV 376 в верхнюю камеру (в ориентации, показанной на фиг. 14B) EHA 200, тем самым перемещая поршень 280 EHA вниз.
[62] На фиг. 14C и 14D проиллюстрированы режимы механического воздействия. Как показано, для механического воздействия можно использовать переключающий инструмент 400. На фиг. 14C проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для открытия FCV (например, перемещение поршня 280 вверх посредством перемещения вверх переключающего инструмента 400). На фиг. 14D проиллюстрировано механическое воздействие или переопределение для закрытия FCV (например, перемещение поршня 280 вниз посредством перемещения вниз переключающего инструмента 400). В обоих режимах механического воздействия насосная система 350 выключена или на нее не подается питание, и SOV 376 находится в состоянии по умолчанию. Как описано, оператор прикладывает достаточную силу к переключающему инструменту 400 для создания в манифольде давления, достаточно высокого для открытия клапанов 352, 372 сброса давления таким образом, что гидравлическая жидкость течет через контур из одной камеры EHA в другую.
[63] Пример последовательности или способа приведения в действие FCV для открытия клапана согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 13-14, включает в себя этапы: 1) подачи питания на двигатель насосной системы 350 таким образом, что насос создает давление, которое начинает приводить в действие EHA 200 и связанный с ним поршень 104 FCV в направлении открытия; 2) остановки двигателя и насоса; причем останавливается EHA 200, а также связанный с ним FCV. Пример последовательности или способа приведения в действие FCV для закрытия клапана включает в себя этапы: 1) приведения в действие сначала SOV 376. На этом этапе не происходит перемещение EHA, поскольку в системе отсутствует давление; 2) подачи питания на двигатель насосной системы 350 таким образом, что насос создает давление, которое начинает приводить в действие EHA и связанный с ним поршень FCV в направлении закрытого положения; 3) остановки двигателя и насоса; причем останавливается EHA, а также связанный с ним FCV; и 4) отключения SOV 376.
[64] Что касается измерения положения, измерение смещения поршня может быть выполнено несколькими способами. Первый способ заключается в непосредственном измерении положения поршня 104 FCV с помощью датчика положения (например, датчика перемещения на основе дифференциального трансформатора (LVDT; linear voltage differential transformer), резистивного датчика, анизатропного магниторезистивного датчика (AMR), акустического или другого подходящего датчика). Датчик положения, например датчик 240, может быть расположен в своей собственной канавке в основном корпусе 118 FCV параллельно приводу 200 и другим электронным устройствам 230, как показано на фиг. 3.
[65] Также можно использовать другие способы измерения положения, такие как обеспечение измерительных элементов внутри привода 200. Примеры включают в себя: 1) фазовый датчик положения, подсчитывающий обороты двигателя в EMA, который может предоставить информацию о смещении механического привода. Он может быть переведен непосредственно в положение поршня 104 FCV сразу после калибровки измерения положения (например, записи положения полного закрытия); 2) контролируемое по времени приведение в действие электрогидравлического привода: каждый из трех проиллюстрированных вариантов осуществления гидравлического контура содержит регулятор 354 потока, который выдает постоянный расход независимо от перепада давления на нем. Имея информацию о расходе гидравлической жидкости, протекающей в камеру поршня EHA, несложно определить смещение привода в зависимости от продолжительности срабатывания. После калибровки системы можно легко вычислить фактическое положение FCV.
[66] В зависимости от варианта осуществления между поршнем 104 FCV и питаемым электричеством приводом 200 можно использовать различные типы соединительных устройств 300. Например, при наличии электрогидравлического привода 200 соединительное устройство 300 между поршнем 104 FCV и самим приводом 200 может представлять собой прямую привязку оборудования. Это обеспечит простое техническое решение для передачи нагрузки и смещения от привода 200 на поршень 104.
[67] Поскольку варианты осуществления гидравлического контура, описанные в данном документе, совместимы с механическим воздействием, поршнем 104 FCV можно управлять с помощью переключающего инструмента 400, все еще соединенного с приводом 200. Привод 200 не будет создавать гидравлический замок, который в ином случае мог бы предотвратить механическое переопределение FCV. В варианте осуществления гидравлического контура, показанном на фиг. 13-14 (конструкция с одним SOV 376), могут использовать дополнительную силу для смещения поршня из-за давления открытия клапанов 352, 372 сброса давления.
[68] Когда FCV оснащен электромеханическим приводом 200, может возникнуть необходимость разъединить привод 200 с поршнем 104. Разъединение позволяет механически переопределить положение клапана без повреждения привода 200 в случае, если приводной винт не является реверсивным (т. е. узел винта, зубчатого редуктора и двигателя не будет вращаться обратно независимо от нагрузки, прилагаемой к осям привода). В этом конкретном случае соединительное устройство 300 должно содержать съемную фиксирующую систему, такую как цанга или расцепляющая система. Примеры двух вариантов осуществления включают: 1) систему сдвига. Часть соединительного устройства 300 разрушается при контролируемой нагрузке, превышающей номинальную рабочую нагрузку привода 200, тем самым высвобождая поршень 104 из привода 200. Примером такой системы сдвига является срезной штифт, используемый в пакерах, разрушающийся при заданном усилии; и 2) упругую систему фиксации, которая расцепляется, когда осевая нагрузка превышает силу фиксации. Устройство фиксации может быть повторно задействовано путем перемещения поршня вручную или управления приводом, если его функция не утрачена.
[69] Несмотря на то, что несколько вариантов осуществления настоящего изобретения подробно описаны выше, специалисты в данной области техники легко поймут, что возможно множество модификаций без существенного отступления от идей настоящего изобретения. Соответственно, такие модификации входят в объем настоящего изобретения, определенный в формуле изобретения.
1. Система для регулирования потока в скважине, содержащая
полностью электрический, полнопроходный клапан регулирования потока, содержащий корпус штуцера, муфту, расположенную внутри корпуса штуцера, и внутренний поршень, расположенный внутри муфты; и
питаемый электричеством привод, установленный снаружи клапана регулирования потока и соединенный с внутренним поршнем через соединительное устройство, причем питаемый электричеством привод реагирует на электрические входные сигналы перемещением внутреннего поршня относительно муфты в требуемые положения потока для закрытия и/или открытия каналов муфты.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что привод удерживается на месте вдоль наружной поверхности корпуса клапана регулирования потока одним или более зажимами или предохранительными устройствами.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что привод расположен в канавке, образованной в наружной поверхности корпуса клапана регулирования потока.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что наружная поверхность корпуса содержит одну или более канавок, образованных в ней.
5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что наружная поверхность корпуса содержит первую канавку, в которой размещен привод, и вторую канавку, в которой размещены электронные устройства и/или один или более датчиков.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что питаемый электричеством привод содержит электромеханический привод (EMA).
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что питаемый электричеством привод содержит электрогидравлический привод (EHA).
8. Система по п. 7, дополнительно содержащая манифольд и насосную систему, содержащую двигатель и насос, причем манифольд содержит гидравлический контур, соединяющий насосную систему с питаемым электричеством приводом, а насосная система выполнена с возможностью закачки жидкости гидравлического регулирования из резервуара через манифольд в привод.
9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что манифольд содержит по меньшей мере один клапан с электромагнитным приводом (SOV).
10. Система по п. 7, отличающаяся тем, что механическое воздействие для механического переключения клапана регулирования потока можно выполнять, когда питаемый электричеством привод соединен с внутренним поршнем.
11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что клапан регулирования потока установлен на скважинной насосно-компрессорной трубе, причем клапан регулирования потока имеет проходное сечение, эквивалентное площади внутреннего поперечного сечения скважинной насосно-компрессорной трубы.
12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что соединительное устройство может быть отсоединено, чтобы обеспечить механическое воздействие для механического переключения клапана регулирования потока.
13. Способ управления полнопроходным клапаном регулирования потока, включающий в себя этапы, на которых
подают питание на насосную систему, выполненную с возможностью закачки жидкости гидравлического регулирования из резервуара;
приводят в действие выбранный клапан с электромагнитным приводом (SOV) в манифольде, содержащем гидравлический контур, соединяющий насосную систему с электрогидравлическим приводом, установленным снаружи клапана регулирования потока;
обеспечивают протекание жидкости гидравлического регулирования из резервуара через манифольд в камеру привода таким образом, что поршень привода перемещается в направлении открытия или закрытия; и
перемещают поршень клапана регулирования потока путем перемещения поршня привода, при этом поршень клапана регулирования потока расположен в муфте штуцера, расположенной в корпусе штуцера, причем поршень привода соединен с поршнем клапана регулирования потока через соединительное устройство.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что SOV представляет собой 3-ходовой 2-позиционный нормально закрытый клапан.
15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что SOV представляет собой 2-ходовой 2-позиционный нормально открытый клапан.
16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что SOV действует как переключатель направления.
17. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя этап, на котором осуществляют механическое воздействие на привод посредством применения переключающего инструмента для механического перемещения поршня привода.
18. Способ по п. 13, отличающийся тем, что поршень привода расположен в корпусе таким образом, что первая гидравлическая камера образуется между одним концом поршня и внутренней поверхностью корпуса, а вторая гидравлическая камера образуется между противоположным концом поршня и внутренней поверхностью корпуса, при этом протекание жидкости гидравлического регулирования из резервуара через манифольд в камеру привода включает прокачивание жидкости гидравлического регулирования в первую или вторую гидравлическую камеру для перемещения поршня клапана регулирования потока в направлении открытия или закрытия соответственно.
19. Полностью электрический, полнопроходный клапан регулирования потока, содержащий
корпус;
муфту, расположенную в корпусе;
поршень, расположенный с возможностью перемещения внутри муфты для регулирования потока через клапан регулирования потока;
по меньшей мере одну канавку, образованную в наружной поверхности корпуса, причем по меньшей мере в одной канавке размещен питаемый электричеством привод; и
соединительное устройство, соединяющее привод с поршнем таким образом, что перемещение привода вызывает перемещение поршня относительно муфты.
20. Клапан регулирования потока по п. 19, отличающийся тем, что по меньшей мере одна канавка содержит первую канавку, в которой размещен привод, и вторую канавку, в которой размещены электронные устройства.
21. Клапан регулирования потока по п. 19, отличающийся тем, что привод содержит электрогидравлический привод, содержащий внутренний поршень, причем перемещение внутреннего поршня привода вызывает перемещение поршня клапана регулирования потока для регулирования потока через клапан регулирования потока.
