СИСТЕМА И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2010 года по МПК E21B43/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится, в общем, к применяемому оборудованию и выполняемым операциям в подземных скважинах и, более конкретно, к способу и системе для регулирования потока текучей среды в скважине с модуляцией продолжительности импульсов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Типичные устройства для регулирования потока текучей среды в скважине предназначены для обеспечения по существу постоянных расходов текучей среды. Например, золотниковый клапан может устанавливаться в открытое и закрытое положения для обеспечения соответственно максимального и минимального расхода потока текучей среды через клапан. Скважинный штуцер может быть установлен в положение между полностью открытым и полностью закрытым для обеспечения постоянного расхода текучей среды (при условии, что некоторые параметры, такие как плотность текучей среды, температура и т.п., не меняются), который находится между соответственно максимальным и минимальным расходами.

Вместе с тем, при некоторых условиях может быть выгодным (например, чтобы улучшить продуктивность, отдачу и т.п.) иметь возможность регулировать расход текучей среды через устройство для регулирования потока внутри скважины. Это не может быть выполнено обычным образом с использованием типичных устройств для регулирования потока, поскольку они требуют проведения скважинных мероприятий, приложения давления через протяженные линии дроссельного регулирования и/или операций со сложными системами управления и т.д. Поэтому нужны усовершенствования в устройствах для регулирования потока внутри скважины для обеспечения переменного регулирования потока через устройства.

Устройство для регулирования потока, приводимое в действие электричеством, может быть подходящим для регулирования потока. Наиболее обычными способами подачи электропитания к скважинному инструменту являются использование батарей и электролиний, проходящих к удаленным местам, таким как земная поверхность.

К сожалению, некоторые батареи не могут работать продолжительное время при температурах внутри скважины, а те, которые могут работать, должны периодически заменяться. Электролинии, проходящие на большие расстояния, могут создавать помехи потоку или доступу, если они размещены внутри колонны насосно-компрессорной трубы, и они могут повреждаться при размещении внутри или снаружи колонны насосно-компрессорной трубы.

Предпочтительно иметь возможность вырабатывать электроэнергию внутри скважины, т.е. в относительной близости к устройству для регулирования потока, которое потребляет электроэнергию. Это могло бы устранить потребность в батареях или, по меньшей мере, создать средство для зарядки батарей внутри скважины и предпочтительно устранить необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению создана система регулирования потока текучей среды в скважине, содержащая устройство для регулирования потока, включающее в себя дроссель, способный переменно ограничивать поток через устройство для регулирования потока, и исполнительный механизм, способный изменять колебательное движение дросселя для переменного регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Исполнительный механизм может быть приводимым в действие электричеством. Электричество для привода в действие исполнительного механизма может вырабатываться под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока.

Дроссель может колебаться под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока, тем самым вырабатывая электричество.

Длительность импульса колебаний расхода текучей среды может модулироваться для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Перерыв в колебаниях расхода текучей среды может модулироваться для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Амплитуда колебаний расхода текучей среды может модулироваться для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Частота колебаний расхода текучей среды может модулироваться для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Исполнительный механизм может быть приспособлен попеременно способствовать и препятствовать колебательному смещению дросселя для переменного регулирования расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Система может дополнительно содержать систему управления для управления исполнительным механизмом с обеспечением поддержания исполнительным механизмом выбранного среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

Система управления может поддерживать выбранный средний расход потока текучей среды при изменении, по меньшей мере, одного из следующих параметров текучей среды: плотности, вязкости, температуры и соотношения газ/жидкость.

Система может дополнительно содержать наземную систему управления, соединенную со скважинной системой управления, для выбора и изменения среднего расхода текучей среды.

Исполнительный механизм может включать в себя, по меньшей мере, одну индукционную катушку, которая при подключении к источнику питания прилагает силу к дросселю, или, по меньшей мере, одну индукционную катушку, которая при закорачивании противодействует смещению дросселя.

Дроссель может включать в себя выступ, создающий перепад давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие.

Система может быть выполнена так, что поток текучей среды через устройство для регулирования потока может создавать перепад давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие, и дополнительно имеется отклоняющее устройство для отклонения дросселя в направлении уменьшающегося ограничения потока через отверстие.

Система может быть выполнена так, что отклоняющая сила, приложенная к дросселю отклоняющим устройством, может быть регулируемой внутри скважины.

Согласно изобретению создан способ регулирования потока текучей среды в скважине, содержащий следующие этапы:

установка в скважине устройства для регулирования потока, содержащего дроссель для переменного ограничения потока через устройство для регулирования потока; и

смещение дросселя для создания импульсов расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, содержащее приведение в действие исполнительного механизма для переменного регулирования колебательного смещения дросселя.

Способ может дополнительно содержать этап выработки электричества под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока и использования электричества для приведения в действие исполнительного механизма на этапе выполнения операций.

Способ может дополнительно содержать этап создания колебаний дросселя под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока, при этом вырабатывая электричество.

Этап смещения дросселя может дополнительно содержать модулирование длительности импульсов колебаний расхода потока для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, модулирование перерыва колебаний расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, модулирование амплитуды колебаний расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, модулирование частоты импульсов расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, попеременное способствование и препятствование колебательному смещению дросселя для переменного регулирования расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, подключение к источнику питания, по меньшей мере, одной индукционной катушки для приложения силы к дросселю, закорачивание, по меньшей мере, одной индукционной катушки для предотвращения смещения дросселя.

Способ может дополнительно содержать этап создания перепада давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие, этап использования отклоняющего устройства для смещения дросселя в направлении уменьшающегося ограничения потока через отверстие, этап регулирования в скважине смещающей силы, приложенной к дросселю отклоняющим устройством, этап управления приведением в действие исполнительного механизма с использованием скважинной системы управления с обеспечением поддержания исполнительным механизмом выбранного среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока. Этап управления может дополнительно содержать поддержание выбранного среднего расхода текучей среды при изменении, по меньшей мере, одного из следующих параметров текучей среды: плотности, вязкости, температуры и соотношения газ/жидкость.

Способ может дополнительно содержать этап осуществления связи со скважинной системой управления через наземную систему управления для выбора среднего расхода текучей среды и его изменения.

Эти и другие признаки, преимущества и задачи настоящего изобретения будут более понятны при тщательном рассмотрении подробного нижеследующего описания представленных вариантов осуществления изобретения и прилагаемых чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет схематичный вид с частичным поперечным разрезом системы регулирования потока внутри скважины, согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - схематичный вид в увеличенном масштабе поперечного сечения устройства для регулирования потока, которое может быть использовано в системе фиг.1.

Фиг.3 - частичный вид в увеличенном масштабе поперечного сечения альтернативной конструкции устройства для регулирования потока фиг.2.

Фиг.4 - график расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, в котором вертикальная ось представляет расход, а горизонтальная ось представляет время.

Фиг.5 - схематичный вид системы управления для поддержания и изменения выбранного среднего расхода потока через устройство для регулирования потока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 представлена система 10 регулирования потока в скважине, которая реализует принципы настоящего изобретения. В следующем описании термины направления, такие как «над», «под», «выше», «ниже» и т.п., используются для удобства в ссылках на прилагаемые чертежи. Следует также понимать, что различные варианты осуществления настоящего изобретения, описанные в этом документе, могут применяться в разной ориентации, то есть наклонными, развернутыми, горизонтальными, вертикальными и т.п. и в различных конфигурациях без отхода от принципов настоящего изобретения. Варианты осуществления изобретения описываются только как примеры полезного практического применения принципов изобретения, которые не ограничиваются какими-либо конкретными деталями этих вариантов осуществления изобретения.

Как показано на фиг.1, трубная колонна 12 (такая колонна, как эксплуатационная, нагнетательная, бурильная, испытательная или гибкой насосно-компрессорной трубы) установлена в стволе 14 скважины. Устройство 28 для регулирования потока встроено в трубную колонну 12. Устройство 28 вырабатывает электроэнергию с помощью потока текучей среды (показан стрелкой 18) через устройство во внутренний проход 20 потока трубной колонны 12.

Текучая среда 18 показана на фиг.1 протекающей вверх через трубную колонну 12 (как если бы текучая среда добывалась), но следует ясно понимать, что конкретное направление потока текучей среды необязательно соответствует принципам изобретения. Текучая среда 18 может течь вниз (как если нагнетается) или в любом другом направлении. Более того, текучая среда 18 может течь через другие проходы (такие как кольцевое пространство между трубной колонной 12 и стволом 14 скважины) для выработки электроэнергии, если необходимо.

Устройство 28 для регулирования потока показано на фиг.1 электрически соединенным с различными скважинными инструментами 16, 24, 26 посредством линий 30, наружных по отношению к трубной колонне 12. Линии 30 могут также размещаться внутри трубной колонны 12 или на боковой стенке трубной колонны. Как еще одна альтернатива скважинные инструменты 16, 24, 26 (или любая их комбинация) могут образовывать единое целое с устройством 28, например, так, чтобы линии 30 вообще не использовались, или линии могут быть встроенными в конструкцию устройства и скважинного инструмента (инструментов).

Скважинный инструмент 24 изображен на фиг.1 в виде устанавливающегося электрически пакера. Например, электрический пакер, питающийся по линиям 30, может использоваться для воспламенения горючего для создания давления, чтобы установить пакер, или электроэнергия может быть использована для управления задвижкой с целью контроля приложения давления к устанавливающему механизму и т.п.

Скважинные инструменты 16, 26 могут быть скважинными инструментами любого типа, такими как датчики, устройства управления потоком, пробоотборники, устройства телеметрии и т.п. или любой комбинацией скважинных инструментов. Скважинный инструмент 26 может быть также представителем контрольно-измерительных приборов для другого скважинного инструмента, таким как блок управления, исполнительный механизм и т.п. для управления скважинным инструментом 16. Как другая альтернатива скважинный инструмент 26 может быть одной или несколькими батареями, используемыми для хранения электроэнергии для приведения в действие скважинного инструмента 16.

Устройство 28 для регулирования потока используется в системе 10 и для выработки электроэнергии, и для регулирования потока между проходом 20 и кольцевым пространством 22. Альтернативно, устройство 28 может быть устройством, которое регулирует поток в проходе 20, таким как предохранительный клапан. Заметим, что не является обязательным, чтобы устройство 28 вырабатывало электроэнергию, поскольку электроэнергия может обеспечиваться другим средством (таким как скважинные батареи или другой источник электричества) и источником энергии, отличающейся от электрической (такой как гидравлическая, механическая, оптическая, тепловая и т.п.), которая может использоваться.

Хотя некоторые типы скважинных инструментов 16, 24, 26 описываются выше как управляющиеся с использованием электроэнергии, вырабатываемой устройством 28, понятно, что изобретение не ограничивается использованием с каким-либо конкретным типом скважинного инструмента. Изобретение также не ограничивается каким-либо конкретным типом установки в скважине или конфигурации.

На фиг.2 представлено поперечное сечение устройства 28 для регулирования потока. Устройство 28 показано отдельно от оставшейся части системы 10, но понятно, что при использовании устройства является предпочтительным его объединение в трубной колонне 12 соединениями 32, 34 у верхнего и нижнего концов, так чтобы проход 20 проходил через устройство.

Соответственно, в системе 10 текучая среда 18 течет вверх через проход 20 в устройстве 28. Текучая среда 18 может течь в другом направлении (таком как направление вниз через проход 20 и т.п.), если устройство используется в другой системе.

Проход 20 проходит сквозь, в общем, трубный корпус 36 устройства 28. Корпус 36 может быть единой трубной деталью или может быть компоновкой отдельных составляющих элементов.

Корпус 36 имеет отверстия 40, образованные в его боковой стенке. Текучая среда 18 течет из кольцевого пространства 22 в проход 20 через отверстия 40.

Дроссель 48 смонтирован с возможностью возвратно-поступательного перемещения на корпусе 36. Дроссель 48 приводится в действие для переменного ограничения потока через отверстия 40, например, с помощью варьирования незакрытой площади потока через отверстия. Дроссель 48 показан как втулка, но могут использоваться другие конфигурации, такие как иглы, клетки, пробки и т.п., находящиеся в соответствии с принципами настоящего изобретения.

Как изображено на фиг.2, отверстия 40 являются полностью открытыми, допуская сравнительно беспрепятственный поток через отверстия. Если, однако, дроссель 48 смещается вверх, площадь потока через отверстия 40 будет постепенно перекрываться, таким образом постепенно ограничивая поток через отверстия.

Дроссель 48 имеет выступающий наружу кольцевой выступ 50, ограничивающий поток через кольцевое пространство 22. Из-за этого ограничения создается перепад давления в кольцевом пространстве 22 между сторонами выступа 50, находящимися вверх и вниз по течению. Когда текучая среда 18 течет через кольцевое пространство 22, перепад давления на выступе 50 отклоняет дроссель 48 в направлении вверх, то есть в направлении, в котором он работает, для увеличивающегося ограничения потока через отверстия 40.

Перепад давления может вызываться другими типами нарушения потока. Для соответствия принципам изобретения нет необходимости использовать ограничение потока 18 текучей среды или использовать выступ 50.

Смещению в направлении вверх дросселя 48 противодействует отклоняющее устройство 52, такое как спиральная пружина, заряд газового заполнения и т.п. Отклоняющее устройство 52 прилагает к дросселю 48 отклоняющую силу, направленную вниз, то есть в направлении уменьшающегося ограничения потока через отверстия 40.

Если приложенная к дросселю 48 сила вследствие перепада давления на выступ 50 превосходит отклоняющую силу, приложенную отклоняющим устройством 52, дроссель будет смещаться вверх и еще более ограничивать поток через отверстия 40. Если отклоняющая сила, приложенная отклоняющим устройством 52 к дросселю 48, превосходит силу, возникающую вследствие перепада давления на выступ 50, дроссель будет смещаться вниз и все меньше ограничивать поток через отверстия 40.

Если поток через отверстия 40 будет все больше ограничиваться, то перепад давления на выступе 50 должен понизиться, и уменьшенная сила, направленная вверх, будет прикладываться к дросселю 48. Если поток через отверстия 40 ограничивается меньше, то разница давления на выступе 50 должна повыситься и большая сила, направленная вверх, будет прикладываться к дросселю 48.

Таким образом, по мере смещения дросселя 48 вверх поток через отверстия 40 дополнительно ограничивается, но меньшая сила, направленная вверх, прикладывается к дросселю. По мере смещения дросселя вниз поток через отверстия 40 ограничивается меньше, но к дросселю прикладывается большая сила в направлении вверх. Предпочтительно, чтобы это чередование уменьшения и увеличения сил, приложенных к дросселю 48, вызывало колебательное смещение дросселя вверх и вниз относительно корпуса 36.

Средний расход текучей среды 18 через отверстия 40 может иметь возможность переменного регулирования, например, для компенсации изменения параметров, таких как плотность, температура, вязкость, соотношение газ/жидкость в текучей среде и т.п. (то есть чтобы поддерживать выбранный, сравнительно постоянный расход текучей среды и т.п.). Несколько способов и систем для управления с возможностью переменного регулирования среднего расхода потока через аналогичное устройство для регулирования потока описаны в международной патентной заявке под названием "Регулятор потока для использования в подземной скважине", поданной 8 февраля 2005 г. Полное описание этой предшествующей заявки включено в данный документ путем ссылки.

Среди способов, описанных в этой предшествующей заявке, раскрыто изменение отклоняющих сил, приложенных к дросселю, с помощью отклоняющего устройства (переменное смещение дросселя в направлении увеличения потока) и с помощью перепада давления (переменное смещение дросселя в направлении уменьшения потока). В настоящем устройстве 28 для регулирования потока отклоняющие силы, воздействующие на дроссель 48 и создаваемые отклоняющим устройством 52 и перепадом давления на выступе 50, могут аналогично управляться для регулирования среднего расхода потока через отверстия 40.

Электрический генератор 54 использует колебательное смещение дросселя 48 для выработки электроэнергии. Как показано на фиг.2, генератор 54 включает в себя узел постоянных магнитов 56 кольцевой формы, расположенных на дросселе 48, и индукционную катушку 58, расположенную на корпусе 36.

Конечно, эти положения магнитов 56 и индукционной катушки 58 можно поменять местами, и могут использоваться другие типы генераторов в соответствии с принципами изобретения. Например, любой из генераторов, описанных в патенте США №6504258 и в опубликованных заявках США №2002/0096887, 10/826952, 10/825350, 10/658899, может использоваться вместо генератора 54. Полные описания указанных патента и заявок включены в данный документ путем ссылки.

При смещении магнитов 56 относительно индукционной катушки 58 в индукционной катушке вырабатывается электроэнергия. Поскольку дроссель 48 смещается попеременно вверх и вниз относительно корпуса 36, электроэнергия переменной полярности вырабатывается в индукционной катушке 58, и, таким образом, генератор 54 вырабатывает переменный ток. Этот переменный ток может быть преобразован в постоянный ток, если необходимо, с использованием хорошо известных технологий.

Генератор 54 может быть использован для выработки электроэнергии, даже если текучая среда протекает вниз через проход 20, например, при развороте устройства 28 в трубной колонне 12 и расположении дросселя 48 в проходе 20 и т.п. Таким образом, изобретение не ограничивается конкретной конфигурацией устройства 28 и его генератора 54, как описывается выше.

Может быть необходимым переменное регулирование колебаний дросселя 48. Например, может быть предотвращено повреждение генератора 54 или увеличен его срок службы с помощью ограничения амплитуды и/или частоты колебательного смещения дросселя 48. Необходимый средний расход текучей среды через устройство 28 может поддерживаться при уменьшении различных параметров текучей среды (таких как плотность, вязкость, температура, отношение газ/жидкость и т.п.) путем переменного управления колебательным смещением дросселя 48. Более того, средний расход текучей среды 18 через отверстия 40 может варьироваться (то есть меняться на разные уровни по необходимой схеме, такой как попеременное увеличение и уменьшение среднего расхода, повторяющееся изменение среднего расхода на заданные уровни и т.п.), чтобы, например, увеличить продуктивность коллектора, дренируемого скважиной, улучшить охват в операции нагнетания и т.п.

Для этих целей, среди прочего, устройство 28 может включать в себя электрический исполнительный механизм 44 с одной или несколькими дополнительными индукционными катушками 60, 62, которые могут питаться электроэнергией или закрываться, чтобы варьировать амплитуду, частоту, длительность импульса и/или временную задержку колебательного смещения дросселя 48.

Если используется электроэнергия для питания катушек 60, 62, электроэнергия может сначала вырабатываться генератором 54 и сохраняться в батареях или другом устройстве хранения (не показано на фиг.2), в скважинном инструменте 26, как описано выше. При питании электроэнергией магнитные поля, создаваемые индукционными катушками 60, 62, могут гасить колебательное смещение дросселя 48 или содействовать смещению дросселя в некотором направлении и/или препятствовать смещению дросселя в некотором направлении. При закорачивании катушки 60, 62 могут гасить колебательное смещение дросселя 48 или и/или препятствовать смещению дросселя в некотором направлении.

Когда текучая среда 18 течет через отверстия 40 пульсирующим образом (вследствие колебательного перемещения дросселя 48), индукционные катушки 60, 62 могут попеременно заряжаться электроэнергией и расходовать заряд электроэнергии, заряжаться на различных уровнях или закорачиваться по заданной программе для тем самым препятствования или содействия колебательному смещению дросселя, тем самым поддерживая средний расход потока на выбранном уровне или обеспечивая изменение на различные выбранные уровни. Продолжительность времени или длительность импульсов потока может варьироваться соответствующим варьированием времени питания электроэнергией и/или закорачивания индукционных катушек 60, 62.

Чем больше время, в течение которого заряжаются индукционные катушки 60, 62 на уровень, который разрешает повышенный поток через отверстия 40, тем больше будет средний расход текучей среды 18 через отверстия. Следовательно, расход текучей среды через устройство 28 может регулироваться модулированием длительности промежутка времени импульса пульсирующего потока. Этот аспект изобретения описывается с дополнительными подробностями ниже.

На фиг.3 представлена альтернативная конструкция устройства 28 для регулирования потока. Увеличенное изображение только части устройства 28 иллюстрируется на фиг.3, и понятно, что оставшаяся часть устройства предпочтительно конструируется, как показано на фиг.2.

В этой альтернативной конструкции устройства 28 используется другой исполнительный механизм 66 для изменения отклоняющей силы, прилагаемой к дросселю 48 отклоняющим устройством 52. Исполнительный механизм 66 включает в себя индукционную катушку 68 и магнит 70, размещенные во втулке 12, которая смонтирована с возможностью возвратно-поступательного перемещения на корпусе 36 над отклоняющим устройством 52. Конечно, может использоваться различное число индукционных катушек и магнитов и различное размещение этих элементов, соответствующее принципам изобретения.

Как должно быть ясно специалистам в области техники, исполнительный механизм 66 может использоваться для увеличения отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48 (то есть увеличения направленной вниз отклоняющей силы, приложенной к втулке 72, в результате магнитного взаимодействия между индукционной катушкой 68 и магнитом 70), и уменьшения направленной вниз отклоняющей силы, приложенной ко втулке в результате магнитного взаимодействия между индукционной катушкой и магнитом. Более того, как обсуждалось выше, такая увеличенная отклоняющая сила должна повышать средний расход текучей среды 18 через устройство 28 и такая уменьшенная отклоняющая сила должна уменьшать средний расход текучей среды через устройство 28.

Электроэнергия для питания индукционной катушки 68 может вырабатываться в результате колебательного смещения дросселя 48, как описывается выше. Альтернативно, катушка 68 может питаться электроэнергией, вырабатываемой и/или сохраняющейся в любом другом месте.

На фиг.4 представлен график мгновенных значений расхода текучей среды через устройство 28 в зависимости от времени. Вертикальная ось 74 представляет расход через устройство 28, а горизонтальная ось 76 на графике представляет время.

На графике показаны три различные кривые 78, 80, 82. Кривая 78 представляет исходный пульсирующий расход текучей среды 18 через устройство 28. Заметим, что расход, показанный кривой 78, варьируется приблизительно синусоидально между минимальной амплитудой 84 и максимальной амплитудой 86.

Кривая 78 показывает, что расход текучей среды через устройство 28 пульсирует (то есть попеременно увеличивается и уменьшается) вследствие колебательного смещения дросселя 48. Когда дроссель 48 смещается вверх, расход уменьшается, а когда дроссель смещается вниз, расход увеличивается.

Средний расход, как показано кривой 78, может определяться математически, и он имеет амплитуду между минимумом и максимумом амплитуд 84, 86. Заметим, что кривая 78 может не быть правильной синусоидой, вследствие, например, эффекта трения.

Кривая 80 представляет один путь изменения расхода через устройство 28 с использованием принципов изобретения. Расход, как показывается кривой 80, имеет ту же максимальную амплитуду 86, увеличенную минимальную амплитуду 88 и увеличенную частоту (импульсы за единицу времени) и пониженную длительность импульса (длину волны). Также специалистам в данной области техники должно быть ясно, что средний расход, показанный кривой 80, является большим, чем средний расход, показанный кривой 78.

Различные способы или комбинации способов могут использоваться для модификации кривой 78 в кривую 80. Например, исполнительный механизм 66, описанный выше, может использоваться для увеличения отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48 через смещающее устройство 52. Другие способы увеличения отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48, также могут использоваться, например способы, раскрытые в патентной заявке, ссылка на которую дается выше.

Другой способ осуществления изменений в амплитуде, частоте, длительности импульса и среднем расходе от кривой 78 к кривой 80 заключается в использовании исполнительного механизма 44 для препятствования и/или способствования смещению дросселя 48. Например, одна или обе индукционные катушки могут питаться электроэнергией для увеличения направленной вниз отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48, или одна или обе катушки могут быть закорочены, когда дроссель смещается вверх для тем самым предотвращения смещения вверх дросселя.

Аналогичным способом, средний расход может быть уменьшен, максимальная амплитуда может быть уменьшена, длительность импульса может быть уменьшена и частота импульсов может быть уменьшена снижением направленной вниз результирующей отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48. Например, исполнительный механизм 66 может использоваться для уменьшения отклоняющей силы, приложенной к дросселю 48 через отклоняющее устройство 52, одна или обе индукционные катушки 60, 62 могут питаться электроэнергией, чтобы уменьшить результирующую отклоняющую силу, прилагаемую к дросселю, и/или одна или обе индукционные катушки могут закорачиваться при смещении дросселя вниз для предотвращения смещения дросселя вниз.

Кривая 82 на фиг.4 показывает, что перерыв 90 в колебаниях может использоваться для изменения среднего расхода через устройство 28. При осуществлении перерыва 90 в колебаниях на максимальном расходе кривой 82 длительность импульса увеличивается, частота сокращается и средний расход повышается относительно кривой 78. Максимальная амплитуда кривой 82 может быть увеличена или уменьшена относительно кривой 78, как необходимо.

Перерыв 90 в колебаниях может осуществляться любым способом. Например, отклоняющая сила, направленная вниз, приложенная к дросселю 48 через отклоняющее устройство 52, может увеличиваться исполнительным механизмом 66, когда дроссель смещен в самое нижнее положение, а затем отклоняющая сила, направленная вниз, может уменьшаться, когда дроссель начинает смещаться вверх. Альтернативно или дополнительно, одна или обе индукционные катушки 60, 62 могут закорачиваться, когда дроссель достигает или приближается к своему крайнему нижнему положению, чтобы тем самым препятствовать дополнительному смещению дросселя, и затем закорачивание катушек может быть прекращено, когда дроссель начинает смещаться вверх. Как еще одна альтернатива одна или обе индукционные катушки 60, 62 могут питаться электроэнергией, когда дроссель 48 приближается к крайнему нижнему положению, чтобы тем самым увеличить результирующую отклоняющую силу, направленную вниз, приложенную к дросселю, а затем питание индукционных катушек может быть отключено, когда дроссель начинает смещаться вверх.

Как изображено на фиг.4, максимальная амплитуда кривой 82 на перерыве 90 в колебаниях меньше, чем максимальная амплитуда 86 кривой 78, но ясно, что максимальная амплитуда кривой 82 может быть больше или равна максимальной амплитуде кривой 78. Например, время и степень, в которой увеличенная отклоняющая сила, направленная вниз, или препятствование смещению прикладывается к дросселю 48, может использоваться для определения, является ли максимальная амплитуда кривой 82 меньшей, большей или равной максимальной амплитуде кривой 78.

Аналогичным способом перерыв в колебаниях может осуществляться при минимальной амплитуде кривой 82. Результатом перерыва в колебаниях при минимальной амплитуде кривой 82 может быть уменьшенная частота, уменьшенный средний расход и увеличенная длительность импульса. Такой перерыв в колебаниях при минимальной амплитуде кривой 82 может осуществляться уменьшением результирующей отклоняющей силы, направленной вниз, приложенной к дросселю 48, когда он приближается к своему крайнему верхнему положению, и/или препятствованием смещению дросселя у его крайнего верхнего положения.

Изменения в амплитуде расхода, частоте, длительности импульса, перерыве в колебаниях и среднем расходе могут осуществляться изменением смещающей силы, направленной вверх, приложенной к дросселю 48 вследствие перепада давления, созданного выступом 50. Как описывается в патентной заявке, которая приводится в виде ссылки выше, перепад давления может изменяться варьированием ограничения потока, представленным выступом 50.

Увеличением ограничения потока отклоняющая сила, направленная вверх, приложенная к дросселю 48, может быть увеличена, таким образом, уменьшая средний расход, понижая амплитуду расхода, уменьшая частоту и увеличивая длительность импульса. Уменьшением ограничения потока смещающая сила, направленная вверх, приложенная к дросселю 48, может быть уменьшена, таким образом, увеличивая средний расход, повышая амплитуду расхода, увеличивая частоту и уменьшая длительность импульса колебаний.

Ограничение потока может увеличиваться, когда дроссель 48 находится в своем крайнем верхнем положении, чтобы произвести перерыв в колебаниях при минимальной амплитуде кривой расхода, чтобы при этом уменьшить средний расход, уменьшить частоту и увеличить длительность импульса. Ограничение потока может уменьшаться, когда дроссель 48 находится в своем крайнем нижнем положении, чтобы произвести перерыв в колебаниях при минимальной амплитуде кривой расхода, чтобы при этом увеличить средний расход, уменьшить частоту и увеличить длительность импульса.

Следовательно, понятно, что необходимая частота расхода, длительность импульса, перерыв в колебаниях и средний расход могут осуществляться с использованием устройства 28 и описанных выше способов. Каждый из этих параметров может также варьироваться, если необходимо. Вышеупомянутые способы также могут использоваться, чтобы варьировать один или несколько параметров, в то время как другой один или несколько параметров остаются по существу неизменными.

Любые из параметров или любая комбинация параметров могут регистрироваться в удаленном месте (таком как наземное или другое место в скважине) как показатель потока через устройство 28. Например, изменение длительности импульса может регистрироваться скважинным или наземным датчиком и использоваться как показатель изменения среднего расхода через устройство 28.

Система 92 управления для поддержания и управления параметрами потока через устройство 28 изображена в виде схемы на фиг.5. Электроэнергия для скважинной системы 94 управления может обеспечиваться генератором 54 и/или другим источником электроэнергии, таким как скважинные батареи, электролинии и т.п. Скважинная система 94 управления соединяется с исполнительными механизмами 44, 66 и/или любыми другими исполнительными механизмами или устройствами, которые могут использоваться для поддержания или изменения любого из параметров потока через устройство 28 для регулирования потока.

Наземная система 96 управления может использоваться, чтобы осуществлять связь со скважинной системой 94 управления. Например, если принимается решение изменить средний расход потока через устройство 28, сигнал управления может посылаться от наземной системы 96 управления на скважинную систему 94 управления, чтобы система 94 вызвала изменения в частоте, длительности импульса, амплитуде, перерыве в колебаниях и т.п. для осуществления необходимого изменения среднего расхода. Связь между скважинной и наземной системами 94, 96 управления может осуществляться любым средством, таким как электролиния, оптическая линия и/или акустической, гидроимпульсной или электромагнитной телеметрии и т.п.

Предпочтительно, чтобы скважинная система 94 управления обычно работала в режиме регулирования с обратной связью, при котором она поддерживает один или несколько параметров потока через устройство 28 на выбранном уровне. Скважинная система 94 управления может включать в себя один или несколько датчиков для регистрации одного или нескольких параметров и/или определения, существует ли вариантность относительно выбранного уровня. Например, скважинная система 94 управления может включать в себя датчик, который регистрирует длительность импульса расхода как показатель среднего расхода через устройство 28. Если есть вариантность относительно выбранного уровня среднего расхода, то скважинная система 94 управления может применить исполнительные механизмы 44, 66 для регулирования длительности импульса расхода, как это необходимо, чтобы создать выбранный уровень среднего расхода.

Показания скважинных датчиков могут подаваться на наземную систему 96 управления. Например, датчик может зарегистрировать частоту или длительность импульса потока через устройство 28. Выходной сигнал датчика может передаваться со скважинной системы 94 управления на наземную систему 96 управления как показатель среднего расхода потока через устройство 28.

Альтернативно или дополнительно, выходные сигналы одного или нескольких наземных датчиков могут передаваться на скважинную систему 94 управления. Например, датчик расхода может быть размещен на поверхности для регистрации среднего расхода текучей среды из скважины (или в скважину). Выходной сигнал датчика может передаваться на скважинную систему 94 управления, чтобы она могла отрегулировать один или несколько параметров потока, необходимых для создания расхода выбранного уровня, или произвести необходимые изменения в среднем расходе.

Как другой пример, один или несколько скважинных или наземных датчиков могут использоваться для регистрации параметров, таких как плотность, вязкость, температура и соотношение газ/жидкость текучей среды 18. Выходной сигнал этих датчиков 98 может быть передан на одну или обе системы 94, 96 управления.

Скважинная система 94 регулирования может поддерживать выбранный средний расход текучей среды через устройство 28 (например, выполнением надлежащей регулировки частоты колебаний расхода потока, длительности импульсов, амплитуды, перерыва в работе и т.п., как описывается выше), когда меняется один или несколько параметров из следующих: плотность, вязкость, температура и соотношение газ/жидкость текучей среды 18. Датчики 98 могут также или альтернативно регистрировать один или несколько параметров потока (например, частоту колебаний расхода потока, длительность импульса, амплитуду, перерыв в работе, средний расход и т.п.), как описывается выше. Хотя устройство 28 для регулирования потока уже описано выше как применяемое для управления потоком между кольцевым пространством 22 и проходом 20 посредством относительного смещения между дросселем 48 в форме трубы и корпусом 36, следует ясно понимать, что данное устройство любого типа может использоваться для регулирования потока между любыми другими зонами скважинной установки посредством элементов, имеющих форму любого типа, в соответствие с принципами изобретения. Например, дроссель может быть игольчатого или штуцерного типа и т.п.

Конечно, после тщательного рассмотрения вариантов осуществления изобретения, описанных выше, специалист в в данной области техники может легко уяснить, что в конкретных вариантах осуществления изобретения могут выполняться видоизменения, дополнения, замены, удаления и другие изменения, и такие изменения предполагаются принципами настоящего изобретения. Соответственно, следует ясно понимать, что приведенное выше подробное описание дается только в виде иллюстрации и примера, при этом сущность и объем настоящего изобретения ограничиваются исключительно прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Группа изобретений относится к скважинной системе регулирования потока текучей среды. Обеспечивает повышение эффективности изобретения за счет возможности регулирования потока текучей среды в скважине с модуляцией продолжительности импульсов. Сущность изобретения: система включает в себя устройство регулирования потока с дросселем, обеспечивающим переменное ограничение потока через устройство для регулирования потока. Исполнительный механизм изменяет колебательное движение дросселя для переменного регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока и исполнительный механизм, способный изменять колебательное движение дросселя для переменного регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока. Способ регулирования потока в скважине содержит этапы установки в скважине устройства для регулирования потока, которое включает в себя дроссель, переменно ограничивающий поток через данное устройство для регулирования потока, смещение дросселя для создания импульсов расхода текучей среды через устройство для регулирования потока с приведением в действие исполнительного механизма для переменного регулирования колебательного смещения дросселя. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система регулирования потока текучей среды в скважине, содержащая устройство для регулирования потока, включающее в себя дроссель, способный переменно ограничивать поток через устройство для регулирования потока, и исполнительный механизм, способный изменять колебательное движение дросселя для переменного регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

2. Система по п.1, в которой исполнительный механизм является приводимым в действие электричеством.

3. Система по п.2, в которой обеспечена выработка электричества для привода в действие исполнительного механизма под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока.

4. Система по п.2, в которой дроссель способен колебаться под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока, тем самым вырабатывая электричество.

5. Система по п.1, в которой длительность импульса колебаний расхода текучей среды обеспечена с модулированием для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

6. Система по п.1, в которой перерыв в колебаниях расхода текучей среды обеспечен с модулированием для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

7. Система по п.1, в которой амплитуда колебаний расхода текучей среды обеспечена с модулированием для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

8. Система по п.1, в которой частота колебаний расхода текучей среды обеспечена с модулированием для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

9. Система по п.1, в которой исполнительный механизм приспособлен попеременно способствовать и препятствовать колебательному смещению дросселя для переменного регулирования расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

10. Система по п.1, которая дополнительно содержит систему управления для управления исполнительным механизмом с обеспечением поддержания исполнительным механизмом выбранного среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

11. Система по п.10, в которой система управления способна поддерживать выбранный средний расход потока текучей среды при изменении, по меньшей мере, одного из следующих параметров текучей среды: плотности, вязкости, температуры и соотношения газ/жидкость.

12. Система по п.10, которая дополнительно содержит наземную систему управления, соединенную со скважинной системой управления, для выбора и изменения среднего расхода текучей среды.

13. Система по п.1, в которой исполнительный механизм включает в себя, по меньшей мере, одну индукционную катушку, которая при подключении к источнику питания прилагает силу к дросселю.

14. Система по п.1, в которой исполнительный механизм включает в себя, по меньшей мере, одну индукционную катушку, которая при закорачивании противодействует смещению дросселя.

15. Система по п.1, в которой дроссель включает в себя выступ, создающий перепад давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие.

16. Система по п.1, выполненная так, что поток текучей среды через устройство для регулирования потока создает перепад давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие, и дополнительно имеется отклоняющее устройство для отклонения дросселя в направлении уменьшающегося ограничения потока через отверстие.

17. Система по п.16, в которой отклоняющая сила, приложенная к дросселю отклоняющим устройством, является регулируемой внутри скважины.

18. Способ регулирования потока текучей среды в скважине, содержащий следующие этапы:
установки в скважине устройства для регулирования потока, содержащего дроссель для переменного ограничения потока через устройство для регулирования потока; и
смещения дросселя для создания импульсов расхода текучей среды через устройство для регулирования потока, содержащее приведение в действие исполнительного механизма для переменного регулирования колебательного смещения дросселя.

19. Способ по п.18, который дополнительно содержит этап выработки электричества под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока и использования электричества для приведения в действие исполнительного механизма на этапе выполнения операций.

20. Способ по п.18, который дополнительно содержит этап создания колебаний дросселя под действием потока текучей среды через устройство для регулирования потока, при этом вырабатывая электричество.

21. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит модулирование длительности импульсов колебаний расхода потока для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

22. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит модулирование перерыва колебаний расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

23. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит модулирование амплитуды колебаний расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

24. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит модулирование частоты импульсов расхода для регулирования среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

25. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит попеременное способствование и препятствование колебательному смещению дросселя для переменного регулирования расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

26. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит подключение к источнику питания, по меньшей мере, одной индукционной катушки для приложения силы к дросселю.

27. Способ по п.18, в котором этап смещения дросселя дополнительно содержит закорачивание, по меньшей мере, одной индукционной катушки для предотвращения смещения дросселя.

28. Способ по п.18, который дополнительно содержит этап создания перепада давления вверх по потоку от отверстия для смещения дросселя в направлении увеличивающегося ограничения потока через отверстие.

29. Способ по п.28, который дополнительно содержит этап использования отклоняющего устройства для смещения дросселя в направлении уменьшающегося ограничения потока через отверстие.

30. Способ по п.29, который дополнительно содержит этап регулирования в скважине смещающей силы, приложенной к дросселю отклоняющим устройством.

31. Способ по п.18, который дополнительно содержит этап управления приведением в действие исполнительного механизма с использованием скважинной системы управления с обеспечением поддержания исполнительным механизмом выбранного среднего расхода текучей среды через устройство для регулирования потока.

32. Способ по п.31, в котором этап управления дополнительно содержит поддержание выбранного среднего расхода текучей среды при изменении, по меньшей мере, одного из следующих параметров текучей среды: плотности, вязкости, температуры и соотношения газ/жидкость.

33. Способ по п.31, который дополнительно содержит этап осуществления связи со скважинной системой управления через наземную систему управления для выбора среднего расхода текучей среды и его изменения.