УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПОМОЩИ ПОДВИЖНОГО МЕХАНИЗМА ОТКЛОНЕНИЯ ПОТОКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК E21B43/12 E21B34/14 F16K31/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается устройств и способов, предназначенных для управления потоком текучей среды в подземной скважине при помощи подвижного механизма управления потоком, который активируется под воздействием изменения одного из параметров потока текучей среды.

Уровень техники

В процессе заканчивания скважины, пересекающей подземный пласт, в скважину устанавливаются насосно-компрессорные трубы и различное оборудование, предназначенные для безопасной и эффективной добычи пластовых текучих сред. Например, для управления скоростью подачи добываемых текучих сред в насосно-компрессорную трубу внутрь колонны насосно-компрессорных труб обычно устанавливают один или несколько регуляторов притока.

В пластах часто содержатся множество составляющих, поступающих в общий поток добываемой текучей среды, такими составляющими являются природный газ, нефть и вода. Часто бывает необходимо снизить добычу одной составляющей, а добычу другой - увеличить. Например, в нефтедобывающей скважине может потребоваться минимизировать добычу природного газа, а добычу нефти сделать максимальной. В процессе применения различных глубинных инструментов для сепарации текучих сред и для управления подачей добываемых текучих сред возникла необходимость в устройстве, позволяющем регулировать приток пластовых текучих сред. Кроме того, желательно, чтобы такое устройство управления потоком текучей среды выполняло свои функции под воздействием изменений параметров потока текучей среды, происходящих в течение функционирования скважины, без вмешательства оператора.

Раскрытие изобретения

Представлены устройства и способы управления потоком текучей среды, например пластовой текучей среды, через нефтедобывающую трубную секцию, расположенную в скважине, проходящей через подземный пласт. Управление потоком текучей среды осуществляется автономно под воздействием изменения одного из параметров потока текучей среды, например плотности. В одном исполнении настоящего изобретения механизм отклонения потока может перемещаться между открытым и закрытым положениями под воздействием изменения плотности текучей среды, выполняя функцию ограничения потока текучей среды через вход сборного клапана. Такой механизм отклонения потока может поворачиваться на оси, вращаться или перемещаться иным способом под воздействием изменения плотности текучей среды. В одном варианте исполнения такой механизм отклонения потока осуществляет управление скоростью потока текучей среды через два входа клапана. Орган управления клапана использует скорость потока текучей среды для ограничения потока текучей среды через клапан. В других вариантах исполнения механизм отклонения потока перемещается под воздействием изменения плотности текучей среды, изменяя схему прохождения потоков текучих сред в добывающем трубном отсеке, при этом это изменение схемы прохождения потоков в свою очередь управляет работой сборного клапана.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания особенностей и преимуществ настоящего изобретения далее представлено подробное описание изобретения со ссылками на прилагающиеся фигуры, при этом соответствующие числовые обозначения на различных фигурах относятся к соответствующим деталям, где

на Фигуре 1 представлена схематическая иллюстрация конструкции скважины, включающая множество автономных сборных устройств управления потоком текучей среды по настоящему изобретению;

на Фигуре 2 представлен вид сбоку и частично в разрезе одного из вариантов исполнения устройства управления потоком текучей среды, имеющего поворачивающиеся на оси отклоняющие рычаги, показанного в условиях текучей среды с повышенной плотностью, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения;

Фигура 3 - вид сбоку и частично в разрезе одного из вариантов исполнения устройства управления потоком текучей среды, имеющего поворачивающиеся на оси отклоняющие рычаги, показанного в условиях текучей среды с пониженной плотностью, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения;

Фигура 4 - детальный вид сбоку в разрезе одного из вариантов сборного клапана для текучей среды в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

Фигура 5 - вид с торца по линии А-А Фигуры 4;

Фигура 6 - вид снизу в разрезе сборного клапана по Фигуре 2, орган управления которого находится в закрытом положении (аппарат находится в текучей среде относительно высокой плотности);

Фигура 7 - вид снизу в разрезе сборного клапана по Фигуре 3, орган управления которого находится в открытом положении (аппарат находится в текучей среде относительно низкой плотности);

Фигура 8 - ортогональная проекция устройства управления потоком текучей среды, конфигурация механизма отклонения потока которого соответствует Фигуре 2;

Фигура 9 - вертикальная проекция другого варианта устройства управления потоком текучей среды, имеющего вращающийся механизм отклонения потока, согласно одному из аспектов настоящего изобретения;

Фигура 10 - сборочный чертеж устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 9;

Фигура 11 - блок-схема, показывающая выход регулятора притока текучей среды, соединенный с устройством управления потоком текучей среды по одному из аспектов настоящего изобретения;

Фигура 12 - вид сбоку в разрезе устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 9, механизм отклонения потока которого показан в закрытом положении, при этом устройство находится в текучей среде пониженной плотности;

Фигура 13 - вид сбоку в разрезе устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 9, находящегося в текучей среде повышенной плотности;

Фигура 14 - детальный вид в разрезе устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 9;

Фигура 15 - схематичная иллюстрация принципов плавучести;

Фигура 16 - схематичная иллюстрация эффекта плавучести на объектах различной плотности и объема, погруженных в текучую среду, являющуюся воздухом;

Фигура 17 - схематичная иллюстрация эффекта плавучести на объектах различной плотности и объема, погруженных в текучую среду, являющуюся природным газом;

Фигура 18 - схематичная иллюстрация эффекта плавучести на объектах различной плотности и объема, погруженных в текучую среду, являющуюся нефтью;

Фигура 19 - схематичное изображение одного варианта исполнения настоящего изобретения, иллюстрирующее относительную плавучесть и положения в текучих средах с различной относительной плотностью;

Фигура 20 - схематичное изображение одного варианта исполнения настоящего изобретения, иллюстрирующее относительную плавучесть и положения в текучих средах с различной относительной плотностью;

Фигура 21 - вертикальная проекция другого варианта исполнения устройства управления потоком текучей среды, имеющего вращающийся механизм отклонения потока, изменяющий направление потока, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

Фигура 22 показывает устройство по Фигуре 21 в положении, когда поток текучей среды минимально ограничен;

на Фигурах с 23 по 26 представлены виды сбоку в разрезе запирающего механизма по Фигуре 21;

Фигура 27 - вид сбоку в разрезе другого варианта исполнения устройства управления потоком текучей среды, оснащенного механизмом сопротивления, вращающимся под воздействием потока, и показанного в открытом положении, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

Фигура 28 - вид сбоку в разрезе варианта исполнения по Фигуре 27, оснащенного механизмом сопротивления, вращающимся под воздействием потока, и показанного в закрытом положении.

Квалифицированным специалистам в данной области будет понятно, что термины, обозначающие направление, такие как «сверху», «снизу», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз» и т.п., используются при описании иллюстрируемых вариантов исполнения так, как они показаны на фигурах, где направление вверх - это направление к верхней части соответствующей фигуры, а направление вниз - это направление к нижней части соответствующей фигуры. Там, где это не так, и тот или иной термин используется для обозначения требуемой ориентации, то в данном описании будет дано ясное указание на это - либо непосредственно, либо исходя из контекста. Термины «выше по течению» и «ниже по течению» применяются для указания места или направления по отношению к поверхности, при этом «выше по течению» означает относительное положение или движение по скважине к поверхности, а «ниже по течению» означает относительное положение или движение по скважине вдаль от поверхности.

Осуществление изобретения

Представленное ниже подробное описание различных вариантов исполнения настоящего изобретения и их применения дает возможность квалифицированному специалисту в данной области оценить, что настоящее изобретение предоставляет практически осуществимые концепции, которые можно воплотить в различных конкретных ситуациях. Описанные здесь конкретные варианты исполнения иллюстрируют конкретные пути осуществления и применения настоящего изобретения и не ограничивают его объем.

На Фигуре 1 схематически представлена система скважины, обозначенная цифрой 10 и включающая множество автономных узлов управления текучей средой, срабатывающих под воздействием изменения плотности и выполненных согласно принципам настоящего изобретения. Скважина 12 проходит через различные геологические слои. Скважина 12 содержит практически вертикальный участок 14, в верхней части которого установлена обсадная колонна 16. Скважина 12 также содержит существенно отклоненный от вертикали участок 18, показанный здесь горизонтальным, проходящий через подземный пласт 20, содержащий углеводороды.

Внутри скважины 12 располагается насосно-компрессорная труба 22, верхняя часть которой выступает из поверхности земли. Эта насосно-компрессорная труба 22 представляет собой канал, позволяющий пластовым текучим средам проходить из пласта 20 вверх по течению к поверхности. Внутри насосно-компрессорной трубы 22 на различных продуктивных горизонтах вплотную к пласту 20 расположено множество механизмов управления потоком 25 и множество добывающих трубных секций 24. С каждой стороны каждой добывающей трубной секции 24 расположен уплотнитель 26, обеспечивающий герметичность между насосно-компрессорной трубой 22 и стенкой скважины 12. Каждая пара соседних уплотнителей 26 образует продуктивный горизонт.

В показанном варианте исполнения каждая из добывающих трубных секций 24 обеспечивает защиту от поступления песка. Элементы защиты от песка или фильтры, связанные с добывающими трубными секциями 24, выполнены таким образом, чтобы пропускать текучие среды, но задерживать твердые частицы достаточно большого размера. Конкретная конструкция элемента защиты от песка, связанного с устройствами управления потоком 24, не важна для настоящего изобретения, если она соответствует характеристикам пластовых текучих сред и требованиям технологических операций.

Используемый здесь термин «природный газ» означает смесь углеводородов (и различных количеств не-углеводородов), находящихся в газовой фазе при комнатной температуре и нормальном давлении. Однако этот термин не означает, что природный газ находится в газовой фазе на большой глубине в системах по настоящему изобретению. В действительности следует понимать, что системы управления потоком применяются в таких местах, где значения давления и температуры обусловливают нахождение природного газа по большей части в сжиженном состоянии, хотя могут присутствовать и другие компоненты, и некоторые из этих компонентов могут находиться в газообразном состоянии. Концепция настоящего изобретения будет работать с жидкостями, или с газами, или в присутствии тех и других.

Пластовая текучая среда, поступающая в добывающую трубную секцию 24, в типичном случае состоит из нескольких компонентов - видов текучей среды. Типичными компонентами являются природный газ, нефть, вода, пар или углекислый газ. Пар, воду и углекислый газ обычно применяют как нагнетаемые агенты, предназначенные для вытеснения углеводородов из пласта к добывающей трубной секции, в то время как природный газ, нефть и вода в типичном случае содержатся в самом пласте. Пропорция этих компонентов в пластовой текучей среде, поступающей в добывающую трубную секцию, будет варьироваться со временем в соответствии с условиями внутри пласта и в скважине. Аналогично, и состав текучей среды, поступающей в различные добывающие трубные секции, расположенные вдоль всей насосно-компрессорной трубы, может значительно отличаться от секции к секции. Функция устройств управления потоком текучей среды состоит в том, чтобы ограничивать добычу из горизонта с высоким содержанием нежелательного компонента, исходя из относительной плотности текучей среды.

Соответственно, когда продуктивный горизонт, соответствующий конкретному устройству управления текучей средой (из всего их множества), дает повышенное содержание нежелательного компонента в текучей среде, то устройство управления потоком текучей среды на этом горизонте ограничит подачу текучей среды из этого горизонта. Следовательно, другие продуктивные горизонты, дающие более высокую пропорцию желаемого компонента (например, нефти) в текучей среде, будут вносить больший вклад в общий поток добычи, поступающий в насосно-компрессорную трубу 22. Использование устройств управления потоком текучей среды 25 по настоящему изобретению, а также разработка множества продуктивных горизонтов дают возможность управлять объемом и составом добываемых текучих сред. Например, если в процессе добычи нефти в один из продуктивных горизонтов поступает нежелательный компонент добываемой текучей среды, например вода, пар, углекислый газ или природный газ, и процентная доля этого компонента в составе текучей среды превышает заданное значение, то устройство управления потоком текучей среды на этом горизонте автономно ограничит добычу пластовой текучей среды на этом интервале, базируясь на изменении плотности, проявляющемся в случае наличия таких компонентов в количестве, превышающем заданное.

Устройство управления потоком текучей среды срабатывает под воздействием изменения плотности текучей среды на месте добычи. Конструкция этого устройства позволяет ограничить поток текучей среды в том случае, когда плотность текучей среды достигает заданного значения. Значение плотности можно выбрать таким, чтобы ограничение потока текучей среды выполнялось тогда, когда процентная доля нежелательного компонента достигнет заданного значения. Например, могут возникнуть требования, разрешающие добычу пластовой текучей среды, состоящей на 80 (или более) процентов из нефти и соответственно на 20 (или менее) процентов из природного газа. Если процентная доля нефти в потоке текучей среды упадет ниже заданного значения, этот поток следует ограничить. Следовательно, заданным значением плотности будет плотность пластовой текучей среды, состоящей на 80 процентов из нефти и на 20 процентов из природного газа. Если плотность текучей среды станет слишком низкой, то описанные здесь механизмы ограничат такой поток. Аналогично, в случае добычи текучей среды с низкой плотностью можно ограничить поток текучей среды, плотность которой будет превышать желаемое значение.

Хотя на Фигуре 1 показано применение устройств управления потоком текучей среды по настоящему изобретению в условиях необсадной скважины, квалифицированные специалисты в данной области поймут, что настоящее изобретение равным образом применимо и для обсадных скважин. Кроме того, хотя на Фигуре 1 показано по одному устройству управления потоком текучей среды на каждом продуктивном горизонте, следует понимать, что на любом продуктивном горизонте можно расположить любое количество устройств по настоящему изобретению, и это не будет считаться превышением притязаний по настоящему изобретению.

Кроме того, предусматривается, что устройство управления потоком текучей среды 25 можно применять в сочетании с другими глубинными устройствами, включая регуляторы притока (РП) и фильтрующие защитные устройства. Регуляторы притока и фильтрующие защитные устройства здесь подробно не описаны, они хорошо известны в данной области, их изготовителем, среди прочих, является компания Halliburton Energy Services, Inc.

Кроме того, на Фигуре 1 показано размещение устройств управления потоком текучей среды по настоящему изобретению на участке скважины, отклоняющемся от вертикального ствола, показанном в виде горизонтальной скважины. Квалифицированным специалистам в данной области будет понятно, что устройства по настоящему изобретению применимы для работы как на участках скважин, отклоняющихся от вертикальных стволов, включая горизонтальные скважины, так и в вертикальных скважинах. Под отклоняющимися от вертикальных стволов скважинами мы понимаем скважины, намеренно пробуренные в сторону от вертикали.

На Фигуре 2 показано одно исполнение устройства управления потоком текучей среды 25, предназначенное для работы в глубинной добывающей трубной секции. В качестве примера для рассмотрения представленный вариант устройства будет описан выполняющим функцию управления добычей пластовой текучей среды путем ограничения добычи пластовой текучей среды в случае повышенного содержания в ней природного газа. Устройство управления потоком текучей среды 25 срабатывает под воздействием изменения плотности пластовой текучей среды. Устройства управления потоком текучей среды 25 можно располагать вдоль всей скважины в насосно-компрессорной трубе для управления потоком текучей среды во множестве точек. Это может быть преимуществом, например, для выравнивания потока добываемой нефти в тех случаях, когда на приствольном участке горизонтальной скважины ожидается большая интенсивность потока, чем на призабойном участке этой скважины.

Устройство управления потоком текучей среды 25 эффективно ограничивает приток нежелательной текучей среды, в то же время позволяя потоку желательной текучей среды проходить с минимальным ограничением. Например, устройство управления 25 может иметь такую конфигурацию, которая позволяет ограничивать поток пластовой текучей среды в том случае, если содержание природного газа в ней превышает заданное значение или если плотность текучей среды станет ниже заданного значения. В таком случае данное устройство управления потоком текучей среды выбирает добычу нефти, а не газа, при этом эффективно ограничивая добычу газа.

На Фигуре 2 представлен вид сбоку с частичным разрезом одного варианта устройства управления потоком текучей среды 25, применимого в нефтедобывающей трубной секции, расположенной в скважине, проходящей через подземный пласт. Это устройство управления потоком текучей среды 25 включает два сборных клапана 200 и устройство отклонения потока 100. Устройство отклонения потока 100 состоит из механизма отклонения потока 101 с двумя отклоняющими рычагами 102. Отклоняющие рычаги 102 связаны друг с другом и поворачиваются на оси 103. Механизм отклонения потока 101 изготовлен из вещества, плотность которого выбрана таким образом, чтобы отклоняющие рычаги 102 активировались в тот момент, когда плотность текучей среды на месте добычи достигнет заданного значения. Механизм отклонения потока может быть изготовлен из пластика, резины, композитного материала, металла, другого материала или из комбинации этих материалов.

Функция отклоняющих рычагов 102 состоит в том, чтобы выбирать каким образом поток текучей среды будет разделен между нижним входом 204 и верхним входом 206 сборного клапана 200, тем самым управляя потоком текучей среды через данную добывающую трубную секцию. Механизм отклонения потока 101 срабатывает под воздействием изменения плотности текучей среды, в которую он погружен, и соответствующего изменения плавучести механизма отклонения потока 101. Если плотность механизма отклонения потока 101 превышает плотность текучей среды, то механизм отклонения потока «утонет» в положение, показанное на Фигуре 2, считающееся закрытым положением, поскольку сборный клапан 200 закрыт (ограничивая поток), если отклоняющие рычаги 102 находятся в этом положении. В закрытом положении отклоняющие рычаги 102 повернулись на оси в нижнее положение, и концы рычагов 102 располагаются вплотную к входу 204. Если плотность пластовой текучей среды увеличивается до значения, превышающего плотность материала механизма отклонения потока 101, то это изменение активирует механизм отклонения потока 101, вызывая его «всплытие», в результате чего механизм отклонения потока 101 займет положение, показанное на Фигуре 3. Устройство управления потоком текучей среды, показанное на Фигуре 3, находится в открытом положении, поскольку сборный клапан 200 открыт, если отклоняющие рычаги находятся в показанном положении.

Работа рычагов отклонения потока основана на различных значениях плотности добываемой текучей среды с течением времени. Например, плавучесть отклоняющих рычагов в текучей среде, состоящей, главным образом, из нефти, отличается от плавучести в текучей среде, состоящей, главным образом, из природного газа. Аналогично, плавучесть в нефти отличается от плавучести в воде, плавучесть в воде отличается от плавучести в газе, и т.д. Принципы плавучести более подробно объясняются здесь на примере Фигур 15-20. Под воздействием изменения плотности текучей среды рычаги будут перемещаться между открытым и закрытым положениями. В варианте исполнения, показанном на Фигуре 2, материал механизма отклонения потока 101 обладает более высокой плотностью, чем типичная добываемая текучая среда, и будет оставаться в показанном на Фигуре 2 положении, независимо от плотности текучей среды. В таком случае можно применить смещающий механизм 106, показанный здесь в виде плоской пружины, который позволит компенсировать силу тяжести таким образом, что отклоняющие рычаги 102 будут перемещаться в открытое положение, несмотря на то, что плотность отклоняющих рычагов превышает плотность добываемой текучей среды, например нефти. Можно применять и другие смещающие механизмы, известные в данной области, например (без ограничения) противовесы, пружины других типов и т.п., а располагать смещающие механизмы можно в других местах, например на концах отклоняющих рычагов или вблизи них. В представленном варианте смещающая пружина 106 прикреплена к двум отклоняющим рычагам 102, помогая им поворачиваться на оси вверх и по направлению к положению, показанному на Фигуре 3. Смещающий механизм и прикладываемую им силу выбирают так, чтобы отклоняющие рычаги 102 перемещались в показанное на Фигуре 3 положение в том случае, когда плотность текучей среды достигнет заданного значения. Плотность отклоняющих рычагов и усилие смещающей пружины выбирают так, чтобы в результате активация отклоняющих рычагов происходила в том случае, когда плотность текучей среды, в которую погружено устройство, достигает заданного значения.

Сборный клапан 200, показанный на Фигуре 2, подробно представлен в разрезе на Фигуре 4. Представленный сборный клапан показан в качестве примера, поэтому детали и конфигурацию клапана можно изменять, не выходя за рамки изобретения. Сборный клапан 200 имеет корпус клапана 202 с нижним входом 204, верхним входом 206 и выходом 208. В камере клапана 210 содержится орган управления клапана 212, выполняющий функцию ограничения потока текучей среды через выход 208. Представленный в качестве примера орган управления 212 состоит из активируемого давлением приводного конца или плеча 218 и стопорного плеча или пробки 216, предназначенного ограничивать поток текучей среды через выход 208. Орган управления клапана 212 закреплен в корпусе клапана 202 на оси 214 и может поворачиваться на ней. В закрытом положении пробка 216 органа управления располагается вплотную к выходу 208 и ограничивает прохождение потока текучей среды через него. Пробка может ограничивать поток или останавливать его.

Представленный вариант сборного клапана 200 включает преобразователь давления, повышающий приводное давление сборного клапана. Согласно принципу Бернулли, полагая, что остальные свойства потока остаются постоянными, статическое давление будет уменьшаться с увеличением скорости потока. С помощью отклоняющих рычагов 102 путем ограничения потока через один из входов сборного клапана (а следовательно, и снижения объемного расхода текучей среды через этот вход) создают соотношение потоков текучей среды между двумя входами 204 и 206. Во входах 204 и 206 имеются сужения, позволяющие согласно эффекту Вентури повышать изменение давления в каждом из напорных отверстий 224 и 226. Преобразователь давления на эффекте Вентури позволяет при наличии небольшой разности давлений на входах получить повышенную разность давлений, используемую для открывания и закрывания сборного клапана 200.

Фигура 5 представляет собой вид с торца в разрезе, выполненном по линии А-А согласно Фигуре 4. Представленный разрез позволяет видеть напорные отверстия 224 и 226. Верхнее напорное отверстие 226 передает давление текучей среды от верхнего входа 206 к одной стороне камеры клапана 210. Аналогично, нижнее напорное отверстие 224 передает давление от нижнего входа 204 к противоположной стороне камеры клапана 210. Разность давлений активирует плечо 218 органа управления клапана 212. Сторона с более высоким давлением толкает активируемое давлением плечо 218, или же сторона с более низким давлением втягивает его в себя, и оно, соответственно, поворачивается на оси.

На Фигурах 6 и 7 представлен вид снизу в разрезе сборного клапана, показанного на Фигурах 2 и 3. Сборный клапан на Фигуре 6 показан в закрытом состоянии, и рычаги 102, отклоняющие поток текучей среды, находятся в соответствующем закрытом положении, как показано на Фигуре 2. Такое положение отклоняющего рычага 102 предназначено ограничивать поток текучей среды в нижний вход 204 сборного клапана 200. На верхний вход 206 поступает поток текучей среды с относительно большей интенсивностью. Разность между интенсивностями потоков и результирующая разность давлений текучей среды используется, передаваясь через напорные отверстия 224 и 226 для активации давлением плеча 218 органа управления клапана 212. Находясь в закрытом положении, отклоняющий рычаг 102 ограничивает поток текучей среды в нижний вход 204 и позволяет относительно более интенсивному потоку проходить в верхний вход 206. Тем самым относительно пониженное давление передается через верхнее напорное отверстие 226, а относительно повышенное давление передается через нижнее напорное отверстие 224. Эта разность давлений приводит в действие плечо 218, толкая его к стороне камеры клапана 210 с пониженным давлением, в результате чего оно занимает закрытое положение, показанное на Фигуре 6. Орган управления клапана 212 поворачивается на оси 214, и пробка 216 органа управления 212 перемещается вплотную к выходу 208, тем самым ограничивая поток текучей среды через сборный клапан 200. Таким образом в скважине осуществляется ограничение подачи пластовой текучей среды из пласта в сборный клапан, что в результате препятствует ее прохождению в насосно-компрессорную трубу и на поверхность.

Для смещения органа управления клапана 212 по направлению к одному положению можно применить смещающий механизм 228, например пружину или противовес. В показанном на Фигуре 7 варианте плоская пружина смещает орган управления 212 в сторону открытого положения. Для контроля или предотвращения воздействия давления на детали сборного клапана или для предотвращения помех со стороны мелких частиц повороту на оси 214 в сборном клапане могут применяться другие устройства, например диафрагма 230. Квалифицированные специалисты в данной области легко смогут выполнить альтернативные варианты конструкции сборного клапана. Например, можно применять сильфоны, шары под давлением, а также альтернативные конструкции органов управления клапана.

На Фигуре 7 представлен вид снизу в разрезе сборного клапана 200, показанного в открытом положении, как на Фигуре 3. На Фигуре 7 отклоняющий рычаг 102 находится в открытом положении вплотную к верхнему входу 206, ограничивая прохождение текучей среды в верхний вход. На нижний вход 204 подается поток текучей среды с большей интенсивностью. Разность давлений между входами, передаваемая через напорные отверстия 224 и 226, воздействует на орган управления клапана 212, приводя к перемещению его в открытое положение. Активируемое давлением плечо органа управления 212 подтягивается к напорному отверстию 224, поворачивая орган управления 212 на оси и отодвигая пробку 216 от выхода 208. Текучая среда свободно проходит сквозь сборный клапан 200 в насосно-компрессорную трубу и на поверхность.

Фигура 8 представляет собой ортогональную проекцию устройства управления потоком текучей среды 25 в корпусе 120, подключенного к насосно-компрессорной трубе 24. В этом варианте исполнения изобретения корпус 120 представляет собой глубинную добывающую трубную секцию с отверстиями 114, позволяющими текучей среде поступать во внутреннюю полость корпуса. Пластовая текучая среда поступает из пласта в скважину, а затем проходит сквозь отверстия 114. Плотность пластовой текучей среды определяет поведение и активацию рычагов 102, отклоняющих поток текучей среды. Затем пластовая текучая среда проходит в сборные клапаны 200 на каждом конце устройства 25. Текучая среда протекает из устройства управления к внутреннему каналу 27, который ведет к внутренней полости насосно-компрессорной трубы, не показанной здесь. В показанном на Фигурах 2-8 предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения устройство управления потоком текучей среды имеет по одному сборному клапану 200 на каждом своем конце. Пластовая текучая среда, проходящая через эти сборные клапаны, может направляться в насосно-компрессорную трубу, или же пластовая текучая среда из нагнетательного конца может направляться в другое место, например обратно в скважину.

Представленную на Фигурах конструкцию с двумя рычагами и двумя сборными клапанами можно заменить конструкцией с одним рычагом и одним сборным клапаном. На Фигурах 6 и 7 показан альтернативный корпус 120, содержащий множество стержней для крепления двух корпусов сборных клапанов 202.

Следует отметить, что показанные на Фигурах 2-8 варианты исполнения можно модифицировать для ограничения добычи различных видов текучих сред в соответствии с изменением состава и плотности текучей среды. Например, можно разработать такой вариант исполнения, который позволял бы ограничивать добычу воды, одновременно позволяя добычу нефти, ограничивал бы добычу нефти, позволяя добычу природного газа, ограничивал бы добычу воды, позволяя добычу природного газа, и т.п. В зависимости от конкретного применения конструкцию сборного клапана можно выполнить такой, чтобы клапан было открыт тогда, когда механизм отклонения потока находится «на плаву» или в верхнем положении, как показано на Фигуре 3, или такой, чтобы клапан был открыт тогда, когда механизм отклонения потока «утонул» или находится в нижнем положении, как показано на Фигуре 2. Например, для того чтобы отделить добычу природного газа от добычи воды, сборный клапан конструируют так, чтобы он закрывался тогда, когда механизм отклонения потока поднимается вверх, в показанное на Фигуре 3 положение, вследствие своей плавучести в обладающей более высокой плотностью воде.

Кроме того, вариант исполнения настоящего изобретения можно применять не только для добычи из углеводородной скважины, но и для других процессов. Например, такое устройство можно применять в процессе нагнетания текучих сред в скважину для отделения нагнетания пара от нагнетания воды на основе относительной плотности этих двух сред. В процессе нагнетания часто происходит взаимное смешивание горячей воды и пара, в результате чего они присутствуют в различных соотношениях в нагнетаемой текучей среде. Часто горячую воду прокачивают по скважине до тех пор, пока температура и давление в скважине не достигнут требуемых значений, после чего в пласт нагнетается главным образом пар. В типичном случае нагнетание горячей воды в пласт является нежелательным.

Следовательно, устройство управления потоком 25 можно применить для отделения нагнетания пара (или другой нагнетаемой текучей среды) от нагнетания горячей воды или других менее желательных текучих сред. Активация механизма отклонения потока будет происходить под воздействием относительной плотности нагнетаемой текучей среды. Если в нагнетаемой текучей среде содержится слишком большая доля воды и, соответственно, ее плотность относительно высока, то механизм отклонения потока будет плавать, находясь в положении, показанном на Фигуре 3, тем самым ограничивая прохождение нагнетаемой текучей среды в верхний вход 206 сборного клапана 200. Результирующая разность давлений между верхним и нижним входами 204 и 206 используется для перевода сборного клапана в закрытое положение, тем самым ограничивая прохождение нежелательной текучей среды через выход 208 и к пласту. Когда в содержание пара в нагнетаемой текучей среде повысится, приводя к соответствующему снижению плотности, механизм отклонения потока переместится в противоположное положение, тем самым уменьшая ограничение подачи данной текучей среды к пласту. Описанные выше способы нагнетания относятся к нагнетанию пара. Следует понимать, что для нагнетания можно применять также углекислый газ или другую нагнетаемую текучую среду.

Фигура 9 представляет собой вертикальную проекцию другого варианта исполнения устройства управления потоком 325, оснащенного вращающимся механизмом отклонения потока 301. Это устройство управления потоком 325 содержит устройство отклонения потока текучей среды 300 с подвижным механизмом отклонения потока 301, а также два сборных клапана 400, установленных на каждом конце отклоняющего устройства.

Крепление механизма отклонения потока 301 позволяет ему вращаться под воздействием изменения плотности текучей среды. Показанный вариант механизма отклонения потока 301 имеет полукруглое сечение по большей части своей длины и круглое на каждом конце. Данный вариант исполнения будет описан на примере применения в случае добычи текучей среды высокой плотности, например нефти, при ограничении добычи текучей среды относительно низкой плотности, например природного газа. В таком случае механизм отклонения потока «нагружается» противовесом 306, изготовленным из материала с относительно высокой плотностью, например из стали или другого металла. Показанный в представленном варианте участок 304 имеет полукруглое сечение и изготовлен из материала с относительно низкой плотностью, например из пластика. Участок 304 механизма отклонения потока имеет большую плавучесть, чем противовесы 306 в плотной текучей среде, что вызывает поворот механизма отклонения потока в верхнее или открытое положение, показанное на Фигуре 10. И наоборот, в текучей среде с относительно низкой плотностью участок механизма отклонения потока 304 будет менее плавучим, чем противовесы 306, и 301 поворачивается в закрытое положение, как показано на Фигуре 9. Вместо противовеса можно применять смещающий элемент пружинного типа.

На Фигуре 10 представлен сборочный чертеж устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 9. На Фигуре 10 селектор текучей среды или механизм отклонения потока 301 повернут в открытое положение, соответствующее условию, когда представленное управляющее устройство погружено в текучую среду с относительно высокой плотностью, например в нефть. В текучей среде с повышенной плотностью менее плотный участок 304 механизма отклонения потока 301 имеет плавучесть больше и стремится "всплыть". Этот менее плотный участок 304 может в этом случае иметь плотность ниже, чем у текучей среды. Однако совсем не обязательно, чтобы плотность участка 304 была ниже плотности текучей среды. Вместо этого участки 306 механизма отклонения потока 301, обладающие высокой плотностью, могут служить противовесом или смещающим элементом.

Механизм отклонения потока 301 поворачивается вокруг своей продольной оси 309 в открытое положение, как показано на Фигуре 10. Когда он установлен в открытое положение, то его пропускной канал 308 совмещается с выходом 408 сборного клапана 400, наиболее ясно показанным на Фиг.12. В этом случае сборный клапан 400 имеет только единственный вход 404 и выход 408. В представленном предпочтительном варианте исполнения устройство управления 325 также включает фиксированные опорные элементы 310 с множеством отверстий 312, обеспечивающих прохождение текучей среды через эту фиксированную опору.

Как показано на Фигурах 9-13, сборные клапаны 400 расположены на каждом конце устройства управления. В сборных клапанах имеется один пропускной канал с входом 404 и выходом 408. Выход 408 совмещается с пропускным каналом 308 механизма отклонения потока 301, когда механизм отклонения потока находится в открытом положении, как показано на Фигуре 10. Следует отметить, что конструкцию механизма отклонения потока 301, показанного на Фигурах 9-10, можно с помощью модификаций, понятных квалифицированным специалистам, применять совместно со сборным клапаном 200, показанным на Фигурах 2-7, работающим с использованием эффекта Вентури. Аналогично, конструкцию отклоняющего рычага, показанную на Фигуре 2, можно модифицировать для применения со сборным клапаном, показанным на Фигуре 9.

Плавучесть механизма отклонения потока создает крутящий момент, который поворачивает механизм отклонения потока 301 вокруг его продольной оси вращения. Значение этого крутящего момента должно превосходить действие любых сил трения или инерции, стремящихся удержать механизм отклонения потока на месте. Следует отметить, что можно применять физические ограничители или стопоры, которые бы ограничивали вращательное движение механизма отклонения потока, то есть ограничивали бы поворот заданными значениями угла или дуги. При этом вращающий момент будет превосходить статические силы трения, позволяя механизму отклонения потока поворачиваться по необходимости. Кроме того, для ограничения поворота механизма отклонения потока в верхнюю и нижнюю центральную точку можно установить ограничители, которые предотвращали бы его «заклинивание» в такой ориентации. В одном варианте исполнения ограничение потока текучей среды прямо связано с углом поворота механизма отклонения потока в пределах выбранного диапазона углов поворота. Пропускной канал 308 механизма отклонения потока 301 совмещается с выходом 408 сборного клапана, когда механизм отклонения потока находится в полностью открытом положении, как показано на Фигурах 10 и 13. Во время поворота механизма отклонения потока такое совмещение будет частичным, увеличиваясь и позволяя проходить все большему потоку текучей среды по мере поворота механизма отклонения потока к полностью открытому положению. В процессе поворота механизма отклонения потока между частичным и полным совмещением с выходом клапана интенсивность потока будет прямо пропорциональна углу поворота механизма отклонения потока.

На Фигуре 11 представлена схема прохождения потока текучей среды по одному варианту исполнения настоящего изобретения. Регулятор притока 350 или РП соединен по текучей среде с устройством управления потоком 325. Текучая среда проходит через регулятор притока 300, через разделитель потока 360 к каждому концу устройства управления потоком 325, а затем через выходные отверстия 330. В альтернативном варианте система может работать, имея вход в центре устройства управления потоком текучей среды, а выходы на каждом из концов.

На Фигуре 12 представлен вид сбоку в разрезе устройства управления текучей средой 325 в варианте исполнения, показанном на Фигуре 9 с механизмом отклонения потока 301, находящимся в закрытом положении. Внутри корпуса 302 размещены отклоняющее устройство 300 и сборные клапаны 400. Корпус включает выходное отверстие 330. Согласно Фигуре 12 пластовая текучая среда F проходит в каждый сборный клапан 400 через вход 404. Механизм отклонения потока 301 ограничивает или предотвращает прохождение этой текучей среды через выход 408.

Отклоняющее устройство 300 на Фигуре 12 показано в закрытом положении. Поворот механизма отклонения потока 301 в закрытое положение обусловлен изменением плотности текучей среды в сторону ее повышения, а также относительными значениями плотности и плавучести участков 304 и 306 механизма отклонения потока. Участок 304 механизма отклонения потока может быть плотнее текучей среды, даже если плотность текучей среды повысится (как в открытом, так и в закрытом положении), и в предпочтительном варианте исполнения его плотность всегда превышает плотность текучей среды. В таком случае, когда участок 304 механизма отклонения потока плотнее текучей среды даже при повышении ее плотности, применяют противовесы в виде участков 306. Материал участка 304 и материал противовеса 306 имеют различные значения плотности. При погружении в текучую среду эффективная плотность этих участков равна их действительной плотности минус плотность текучей среды. Объем и плотность участков 304 механизма отклонения потока и противовесов 306 выбирают такими, чтобы относительная плотность и относительная плавучесть вынуждали участок 304 механизма отклонения потока и противовес «тонуть» в текучей среде, если она имеет низкое значение плотности (например, если она состоит из природного газа). И наоборот, если плотность текучей среды изменяется в сторону повышения, то участок 304 механизма отклонения потока «поднимается» и «плавает» в текучей среде, а противовес «тонет» (например, в нефти). В данном описании термины «тонет», «всплывает», «плавает» применяются для того, чтобы показать, как перемещается данная часть системы, а совсем не означает, что данная часть имеет большее значение веса или плотности, чем воздействующая на нее текучая среда.

В закрытом положении, как показано на Фигурах 9 и 12, пропускной канал 308 сквозь участок 306 механизма отклонения потока не совмещается с выходом 408 сборного клапана 400. Прохождение текучей среды через систему ограничено. Следует отметить, что во многих случаях в такой ситуации допускается «утечка» некоторого количества текучей среды или прохождение ее в незначительных количествах через систему и далее через выходное отверстие 330.

На Фигуре 13 представлен вид сбоку в разрезе устройства управления потоком текучей среды по Фигуре 12, однако механизм отклонения потока 301 повернут в открытое положение. В открытом положении выход сборного клапана 408 совмещен с пропускным каналом 308 механизма отклонения потока. Текучая среда F проходит из пласта во внутреннюю полость добывающей трубной секции, где расположено устройство управления. Текучая среда поступает в сборный клапан 400, протекает через проход 312 в фиксированной опоре 310, через пропускной канал 308 в механизме отклонения потока, а затем выходит из корпуса через выходное отверстие или отверстия 330. Затем текучая среда направляется в насосно-компрессорную трубу и на поверхность. Если выбрано предпочтение добычи нефти перед добычей природного газа, то механизм отклонения потока 301 повернется в открытое положение, если плотность текучей среды в скважине достигнет заданного значения, например прогнозируемого значения плотности пластовой нефти. Конструкция устройства управления позволяет принимать текучую среду одновременно с обоих концов, что позволяет уравновесить давление на обеих сторонах устройства, уменьшая силы трения во время вращения. В альтернативном варианте конструкция устройства позволяет текучей среде поступать через один конец или проходить из центра к краям.

Фигура 15 схематично иллюстрирует принципы плавучести. Закон Архимеда гласит, что на тело, полностью или частично погруженное в текучую среду, действует выталкивающая сила (плавучесть), равная весу текучей среды, вытесненной этим телом. Плавучесть уменьшает относительный вес погруженного тела. Сила тяжести G действует на тело 404. Тело имеет массу m и плотность р тела. Текучая среда имеет плотность р среды. Плавучесть В действует на тело по направлению вверх. Относительный вес тела изменяется с изменением плавучести. Допустим, что пластик имеет относительную плотность (в воздухе) величиной 1,1. Относительная плотность природного газа составляет приблизительно 0,3, нефти - приблизительно 0,8, а воды - приблизительно 1,0. Тот же пластик будет иметь относительную плотность в природном газе 0,8, в нефти 0,3, а в воде 0,1. Сталь имеет относительную плотность 7,8 в воздухе, 7,5 в нефти и 7,0 в воде.

Фигуры 16-18 схематично иллюстрируют эффект плавучести на объектах различной плотности и объема, погруженных в различные текучие среды. Продолжая рассмотрение на примере, проиллюстрируем эффект плавучести, поместив пластиковый и стальной объекты на весы. Стальной объект 406 имеет объем в одну относительную единицу, а пластиковый объект 408 - 13 относительных единиц. На Фигуре 16 пластиковый объект 408 в воздухе 410 имеет относительный вес 14,3, а стальной объект - 7,8. Таким образом, пластиковый объект имеет больший относительный вес, что вынуждает чашу весов с пластиковым объектом опуститься. Если весы с объектами погрузить в природный газ 412, как на Фигуре 17, то весы останутся в прежнем положении. Относительный вес пластикового объекта теперь в природном газе будет составлять 10,4, а относительный вес стального объекта - 7,5. На Фигуре 18 система показана погруженной в нефть 414. Теперь в нефти относительный вес стального объекта составляет 7,0, а относительный вес пластикового объекта - 3,9. Следовательно, весы теперь примут показанное положение, поскольку пластиковый объект 408 обладает большей плавучестью, чем стальной объект 406.

На Фигурах 19 и 20 схематично показан механизм отклонения потока 301 и проиллюстрированы относительная плавучесть и положения механизма отклонения потока в текучих средах с разной относительной плотностью. Воспользуемся теми же, описанными выше примерами пластика и стали, и применим законы физики к механизму отклонения потока 301, допустим, что участок 306, представляющий собой противовес, имеет длину L, равную одной единице, а пластиковый участок 304 механизма отклонения потока имеет длину L, равную 13 единицам. Оба эти участка имеют форму полуцилиндра и одинаковое поперечное сечение. Следовательно, объем пластикового участка 304 механизма отклонения потока в 13 раз больше объема противовеса 306. В нефти или воде стальной противовес 306 имеет больший действительный вес, и механизм отклонения потока поворачивается в положение, показанное на Фигуре 19. В воздухе или природном газе уже пластиковый участок 304 имеет действительный вес большего значения, и механизм отклонения потока поворачивается в нижнее положение, показанное на Фигуре 20. Эти принципы используются в конструкции механизма отклонения потока 301, вызывая его поворот в выбранное положение при погружении в текучую среду с известным значением относительной плотности. Описанная выше конструкция является просто примером, и ее можно модифицировать в соответствии с требуемыми положениями механизма отклонения потока в текучих средах любой выбранной плотности.

На Фигуре 14 представлен вид сбоку в разрезе одного края устройства управления потоком текучей среды 325, показанного на Фигуре 9. Поскольку работа устройства зависит от перемещения механизма отклонения потока 301 под воздействием плотности текучей среды, сборные клапаны 400 необходимо сориентировать при установке в скважине. Предпочтительным способом ориентировки является разработка самостоятельно ориентирующегося сборного клапана, снабженного грузом, вызывающим его поворот внутри скважины. Такой сборный самостоятельно ориентирующийся клапан называют «селектором гравитации».

После надлежащей ориентировки сборный клапан 400 и фиксированную опору 310 можно уплотнить на месте расположения, что предотвратит дальнейшее перемещение сборного клапана и уменьшит количество возможных путей утечки. В предпочтительном варианте, как показано на Фигуре 14, уплотнительный агент 340 нанесен вокруг наружных поверхностей фиксированной опоры 310 и сборного клапана 400. Такой агент может представлять собой, например, разбухающий эластомер, уплотнительное кольцо, клеящее вещество или эпоксидную смолу, затвердевающую со временем, под воздействием температуры или текучих сред. Уплотнительный агент 340 можно также помещать между различными частями устройства управления, которые не будут перемещаться относительно друг друга в процессе функционирования, например, между сборным клапаном 400 и фиксированной опорой 310, как и показано. Важной задачей может быть устранение путей утечки, поскольку утечки могут значительно снизить эффективность устройства управления. Применение уплотнительного агента не должно препятствовать вращению механизма отклонения потока 301.

Конфигурацию устройства управления потоком текучей среды можно выполнить таким образом, чтобы это устройство отдавало предпочтение добыче нефти перед добычей воды, работая на основе относительных плотностей этих двух текучих сред. В случае применения в газовой скважине конфигурацию устройства управления потоком текучей среды можно выполнить таким образом, чтобы это устройство выбирало добычу газа, а не нефти или воды. Описанное здесь изобретение можно также использовать и для способов нагнетания. Ориентацию устройства управления потоком следует поменять на обратную, в результате чего поток нагнетаемой текучей среды с поверхности будет поступать в устройство управления прежде, чем попасть в пласт. В процессе нагнетания устройство управления потоком текучей среды выполняет функцию ограничения потока нежелательной текучей среды, например воды, одновременно не увеличивая сопротивление потоку желательной текучей среды, например пара или углекислого газа. Описанное здесь устройство управления потоком текучей среды можно также применять в других процессах работы на скважине, например для ремонта, тампонирования цементом, цементирования заколонного пространства, набивки гравия, гидравлического разрыва пласта и т.п. Квалифицированные специалисты в данной области смогут найти возможности других вариантов применения.

На Фигурах 21 и 22 представлены ортогональные проекции другого варианта исполнения устройства управления потоком по настоящему изобретению, содержащего поворотный отклоняющий рычаг и сборный клапан. Устройство управления потоком 525 содержит отклоняющее устройство 600 и сборный клапан 700, расположенные в трубной секции 550. Трубная секция 550 имеет вход 552 и выход 554, позволяющие текучей среде протекать через эту трубную секцию. Отклоняющее устройство 600 содержит отклоняющий рычаг 602, поворачивающийся на оси 603 между закрытым положением, показанным на Фигуре 21, и открытым положением, показанным на Фигуре 22. Отклоняющий рычаг 602 приводится в действие изменением плотности текучей среды, в которую он погружен. Аналогично описанному выше примеру отклоняющий рычаг 602 имеет меньшую плавучесть, если через трубную секцию 550 проходит текучая среда с относительно низкой плотностью, при этом он перемещается в закрытое положение. При изменении плотности текучей среды в сторону ее повышения плавучесть отклоняющего рычага 602 увеличивается, и этот рычаг активируется, поднимаясь вверх в открытое положение. Прикрепленный к оси конец 604 отклоняющего рычага имеет относительно узкое поперечное сечение, что позволяет текучей среде проходить по обеим сторонам рычага. Свободный конец 606 отклоняющего рычага 602 в предпочтительном варианте имеет практически прямоугольное поперечное сечение, что ограничивает прохождение текучей среды через часть трубной секции. Например, свободный конец 606 отклоняющего рычага 602, как показано на Фигуре 15, ограничивает прохождение текучей среды по дну трубной секции, в то время как на Фигуре 22 показано ограничение потока по верхней части трубной секции. Свободный конец отклоняющего рычага не блокирует полностью прохождение текучей среды через трубную секцию.

Сборный клапан 700 содержит вращающийся орган управления клапаном 702, закрепленный на оси в трубной секции 550 и способный перемещаться между закрытым положением, показанным на Фигуре 15, когда поток текучей среды через трубную секцию ограничен, и открытым положением, показанным на Фигуре 22, когда прохождение текучей среды через сборный клапан ограничено в меньшей мере. Орган управления клапаном 702 поворачивается на оси 704. Конструкция сборного клапана может быть такой, чтобы он в закрытом положении частично ограничивал или полностью блокировал поток текучей среды. Для дополнительного контроля схемы прохождения текучей среды через трубную секцию можно применять неподвижный рычаг потока 705.

Перемещение отклоняющего рычага 602 изменяет схему прохождения текучей среды через трубную секцию 550. Когда отклоняющий рычаг 602 находится в нижнем или закрытом положении, как показано на Фигуре 15, то проходящая через трубную секцию текучая среда направляется, главным образом, по верхней части этой трубной секции. И наоборот, когда отклоняющий рычаг 602 находится в верхнем или открытом положении, как показано на Фигуре 22, то проходящая через трубную секцию текучая среда направляется, главным образом, по нижней части трубной секции. Таким образом, на схему прохождения текучей среды влияет относительная плотность этой текучей среды. Под воздействием изменения схемы прохождения текучей среды сборный клапан 700 изменяет свое состояние между открытым и закрытым положениями. В представленном варианте исполнения конструкция устройства управления потоком 525 предназначена выбирать текучую среду с относительно высокой плотностью. То есть более плотная текучая среда, например нефть, заставляет отклоняющий рычаг 602 «всплывать» в открытое положение, как на Фигуре 22, тем самым изменяя схему прохождения текучей среды и открывая сборный клапан 700. Если текучая среда изменяется на менее плотную, например на газ, то отклоняющий рычаг 602 «тонет» в закрытое положение, воздействуя на поток текучей среды и вызывая закрытие сборного клапана 700, ограничивая прохождение этой менее плотной текучей среды.

Для регулировки значения плотности, при котором отклоняющий рычаг 602 «всплывает» или «тонет», а также для того, чтобы материал рычага мог иметь значительно более высокую плотность, чем текучая среда, в которой он «всплывает», можно применять противовес 601. Как описывалось ранее при рассмотрении системы с вращающимся механизмом отклонения потока, относительная плавучесть или эффективная плотность отклоняющего рычага по отношению к плотности текучей среды будет определять условия, при которых отклоняющий рычаг будет изменять положения между открытым и закрытым или верхним и нижним.

Для квалифицированных специалистов в данной области будет очевидно, что вариант исполнения, показанный на Фигуре 21, можно сконструировать для выбора более или менее плотных текучих сред, как описывалось ранее, а также можно применять в различных процессах и способах.

На Фигурах 23-26 показаны другие детальные виды в разрезе вариантов исполнения устройства управления потоком текучей среды, содержащих отклоняющий рычаг, как на Фигуре 21. На Фигуре 17 управляемый потоком орган управления клапана 702 представляет собой поворотный клин 710, поворачивающийся на оси 711 между закрытым положением (показано), в котором клин 710 ограничивает прохождение текучей среды через выход 712, проходящий сквозь стенку 714 сборного клапана 700, и открытым положением, в котором клин 710 не ограничивает прохождение текучей среды через выход 712.

Аналогично, на Фигуре 24 показан вариант исполнения с клиновидным органом управления клапана 720, поворачивающимся на оси. Этот клиновидный орган управления 720 показан в открытом положении, когда текучая среда беспрепятственно проходит через выход клапана 712 вдоль нижней части трубного участка. Следует отметить, что выход клапана 712 в этом случае частично определяется внутренней поверхностью трубной секции, а частично - стенкой клапана 714. Орган управления клапана 720 поворачивается на оси 711 между открытым и закрытым положениями.

На Фигуре 25 показан другой вариант сборного клапана, содержащий орган управления клапаном в форме диска 730, поворачивающегося на оси 711 между открытым положением (показано) и закрытым положением. Может также применяться стационарный рычаг потока 734.

На Фигурах 21-25 представлены варианты исполнений устройства управления потоком текучей среды, имеющие в составе подвижный отклоняющий рычаг, воздействующий на схему прохождения текучей среды внутри трубной секции, а также сборный клапан, переключающийся между открытым и закрытым положениями под воздействием такого изменения схемы прохождения текучей среды. Конкретные детали этих вариантов исполнения приведены только для примера и не являются ограничивающими. Рычаг, отклоняющий поток текучей среды может поворачиваться на оси или на осях, выполнять скользящее перемещение, выгибаться или перемещаться иным образом. Механизм отклонения потока может быть изготовлен из любого приемлемого материала или комбинации материалов. Поперечное сечение трубной секции может иметь форму круга, как показано, или другую форму. Поперечное сечение представленного отклоняющего рычага на одном краю имеет клиновидную форму, а на другом - практически прямоугольную, но его форма может быть и другой. Сборные клапаны могут содержать множество выходов, неподвижные лопасти и фигурные стенки. Орган управления клапана может иметь любую форму, позволяющую ему выполнять перемещения между открытым и закрытым положениями под воздействием изменения схемы прохождения текучей среды, например, это может быть диск, клин и т.п. Орган управления клапана также может поворачиваться на оси или на осях, выполнять скользящее перемещение, изгибаться или перемещаться иным образом.

Орган управления клапана может полностью или частично ограничивать прохождение текучей среды через сборный клапан. Квалифицированные специалисты смогут определить применимость того или другого варианта.

Представленные на Фигурах 21-25 варианты, как и другие описанные здесь варианты исполнения, также можно сконструировать для выбора любого вида текучей среды на основе заданной плотности. Отклоняющий рычаг можно выбрать так, чтобы обеспечить различные схемы прохождения потока под воздействием изменений в составе текучей среды по содержанию нефти, воды, газа и т.п., как было описано выше. Эти варианты исполнения также можно использовать для различных процессов и способов, таких как добыча, нагнетание, капитальный ремонт, тампонирование цементом и цементирование заколонного пространства.

На Фигуре 26 показана схема варианта исполнения устройства управления потоком текучей среды по настоящему изобретению, содержащего механизм отклонения потока, активируемый потоком текучей среды по двум путям. Устройство управления потоком 800 имеет устройство двойного пути потока 802 с первым путем потока текучей среды 804 и вторым путем потока 806. Эти два пути прохождения потока созданы для того, чтобы обеспечить различное сопротивление прохождению текучей среды. Сопротивление по меньшей мере на одном пути зависит от изменений вязкости, интенсивности потока, плотности, скорости или другого параметра потока текучей среды. Примеры таких путей прохождения потока и их варианты описаны подробно в заявке на патент США 12/700,685 Джейсона Дайкстры (Jason Dykstra), поданной 4 февраля 2010 г., включенной сюда в полном объеме. Поэтому здесь будет кратко описан только один вариант в качестве примера.

В представленном на Фигуре 26 варианте исполнения первый путь прохождения потока текучей среды 804 выбран так, чтобы уменьшать давление проходящего по этому пути потока текучей среды, в зависимости от свойств этого потока. Второй путь прохождения потока текучей среды 806 выбран так, чтобы зависимость интенсивности потока от свойств потока отличалась от этой зависимости на первом пути потока 804. Например, на первом пути потока может содержаться длинный узкий трубчатый участок, в то время как второй путь потока представляет собой приспособление падения давления в виде отверстия, содержащее по меньшей мере одно отверстие 808, как показано. Отношение интенсивностей потоков по первому и второму путям определяет пропорцию потока. С изменением свойств потока текучей среды будет изменяться и пропорция потока текучей среды. В этом примере, когда текучая среда состоит из относительно повышенной доли нефти или другой вязкой текучей среды, пропорция потока будет относительно низкой. Когда состав текучей среды становится менее вязким, например, таким как при наличии природного газа, пропорция будет увеличиваться, поскольку поток текучей среды по первому пути будет увеличиваться по отношению к потоку по второму пути.

Согласно включенной ссылке можно применять другие схемы путей потока, включая множественные пути потока, множество устройств управления, таких как диафрагмы, извилистые каналы и т.п. Кроме того, конструкция каналов может быть такой, чтобы различными значениями пропорции потока реагировать на другие характеристики потока текучей среды, такие как интенсивность потока, скорость, плотность и т.п., как описано во включенной ссылке.

Сборный клапан 820 имеет первый вход 830, соединяющийся по текучей среде с первым путем потока 804, и второй вход 832, соединяющийся по текучей среде со вторым путем потока 806. Подвижный орган управления клапана 822 расположен в камере клапана 836 и перемещается или активируется под воздействием текучей среды, проходящей во входы клапана 830 и 832. Этот подвижный орган управления клапана 822 в предпочтительном варианте исполнения поворачивается на оси 825. Ось 825 располагается таким образом, чтобы на ней мог поворачиваться орган управления клапана 822, и может быть смещенной относительно центра, как показано, для обеспечения требуемой реакции на поток из входов. В альтернативном варианте орган управления клапана может вращаться, поворачиваться на оси, выполнять скользящее перемещение, сгибаться, изгибаться или выполнять иное перемещение, реагируя на поток текучей среды. В одном примере орган управления клапана 822, показанный на Фигуре 20, поворачивается на оси 825 в открытое положение в том случае, когда текучая среда содержит относительно большую долю нефти, и перемещается в закрытое положение, если состав текучей среды изменяется в сторону повышенного содержания природного газа. Опять-таки, сборный клапан и орган его управления можно сконструировать таким образом, чтобы клапан открывался и закрывался тогда, когда заданный параметр потока достигает заданного значения, и мог бы выбирать добычу нефти, а не природного газа, нефти, а не воды, природный газ, а не воду, и т.п.

Подвижный орган управления клапана 822 имеет датчик потока 824 с первым и вторым рычагами датчика 838 и 840 соответственно. Датчик потока 824 перемещается, реагируя на изменения в схеме потока текучей среды через входы 830 и 832. В частности, первый рычаг датчика 838 расположен на пути потока от первого входа 830, а второй рычаг датчика 840 расположен на пути потока от второго входа 832. На каждом из рычагов датчика имеются поверхности падения потока 828. В предпочтительном варианте исполнения эти поверхности падения потока 828 имеют ступенчатую форму, что позволяет максимально увеличить гидравлическое усилие при вращении детали. Орган управления клапана 822 также имеет заслонку 826, которая может ограничивать размер выходного отверстия клапана 834. Когда орган управления клапана находится в открытом положении, как показано, заслонка позволяет текучей среде проходить через выход с минимальным ограничением или без ограничения. Когда орган управления клапана поворачивается в закрытое положение, заслонка 826 перемещается в положение, ограничивающее прохождение текучей среды через выход клапана. Клапан может ограничить прохождение текучей среды через свой выход полностью или частично.

На Фигуре 27 представлен вид сбоку в разрезе другого варианта исполнения устройства управления потоком 900 по настоящему изобретению, содержащего вращающееся устройство сопротивления, приводимое в действие потоком. Текучая среда поступает в канал трубной секции 902 и вызывает вращение устройства сопротивления 904. Поток текучей среды попадает на лопасти 910, прикрепленные к вращающемуся элементу 906, заставляя его вращаться. Этот вращающийся элемент расположен в трубном участке таким образом, чтобы иметь возможность вращения вокруг продольной оси. По мере вращения элемента 906 к балансирам 912 прикладывается вращающий момент. Чем выше скорость вращения, тем больше вращающий момент, прикладываемый к балансирам, и тем больше их стремление к радиальному движению по направлению от оси вращения. Балансиры 912 показаны в виде сферических грузиков, однако они могут иметь и другую форму. При относительно низкой скорости вращения опорный элемент клапана 916 и прикрепленный ограничитель 914 остаются в открытом положении, показанном на Фигуре 27. Каждый из балансиров 912 в предпочтительном исполнении прикреплен к вращающемуся элементу 906 тягами 913. Тяги 913 прикреплены к опорному элементу клапана 916, прикрепленному (с возможностью скольжения) к вращающемуся элементу 906. По мере радиального перемещения балансиров наружу тяги поворачиваются на осях радиально наружу, тем самым перемещая опорный элемент клапана в продольном направлении к закрытому положению. В закрытом положении опорный элемент клапана перемещается в продольном направлении вверх по течению (налево на Фигуре 27) с соответствующим перемещением ограничителя 914. Ограничитель 914 во взаимодействии со стенкой клапана 922 в закрытом положении ограничивает поток текучей среды через выход клапана 920. Ограничение потока текучей среды через выход клапана зависит от скорости вращения устройства сопротивления 904.

Фигура 28 представляет собой вид сбоку в разрезе варианта исполнения устройства управления потоком 900 по Фигуре 27 в закрытом положении. Поток текучей среды в канале трубной секции 902 вызывает вращение устройства сопротивления 904. При относительно высокой скорости вращения опорный элемент клапана 916 и прикрепленный к нему ограничитель 914 перемещаются в закрытое положение, показанное на Фигуре 28. Балансиры 912 под действием центробежной силы двигаются радиально наружу от продольной оси, отклоняя тяги 913 от продольной оси. Тяги 913 прикреплены к опорному элементу клапана 916, прикрепленному (с возможностью скольжения) к вращающемуся элементу 906. Перемещение балансиров радиально наружу и отклонение тяг радиально наружу вызывает перемещение опорного элемента клапана в продольном направлении к показанному закрытому положению. В закрытом положении опорный элемент клапана переместился в продольном направлении вверх по течению с соответствующим перемещением ограничителя 914. Ограничитель 914 во взаимодействии со стенкой клапана 922 в закрытом положении ограничивает поток текучей среды через выход клапана 920. Ограничение потока текучей среды через выход клапана зависит от скорости вращения устройства сопротивления 904. Это ограничение потока может быть частичным или полным. Когда поток текучей среды замедляется или останавливается вследствие перемещения ограничителя 914, скорость вращения устройства уменьшится и клапан опять перейдет в открытое положение. Для этой цели к устройству может быть приложено смещающее усилие от смещающего элемента, например от пружины. Предполагается, что устройство будет открываться и закрываться циклически по мере изменения положения ограничителя.

Скорость вращения вращающегося устройства зависит от выбранного параметра текучей среды или потока текучей среды. Например, показанное вращающееся устройство зависит от вязкости, демонстрируя большее сопротивление вращению в случае, если текучая среда обладает относительно высокой вязкостью. По мере уменьшения вязкости текучей среды скорость вращения вращающегося устройства возрастает, тем самым ограничивая поток через выход клапана. В альтернативном варианте вращающееся устройство может вращаться с различными скоростями в зависимости от других параметров текучей среды, например скорости, интенсивности потока, плотности, и т.п., как описано здесь. Такое вращающееся устройство, приводимое в движение потоком, можно применять для ограничения потока текучей среды, имеющей предопределенные характеристики. Таким образом, это устройство можно применять для того, чтобы беспрепятственно пропускать текучую среду с нужным составом, например с относительно высоким содержанием нефти, в то же время ограничивая поток в том случае, если состав текучей среды изменяется в сторону повышенного содержания менее вязкого компонента, например природного газа. Аналогично, в процессе добычи это устройство можно применить для выбора добычи нефти, а не воды, природного газа, а не воды, или природного газа, а не нефти. Это устройство также можно применять и для других процессов, например для тампонирования цементов, цементирования заколонного пространства, капитального ремонта скважины и других.

Возможны также альтернативные варианты конструкции вращающегося устройства сопротивления, приводимого в движение потоком. Конструкцию балансиров, тяг, лопастей, ограничителя и опорного элемента можно изменять, а располагать их можно выше или ниже по течению относительно друг друга. Квалифицированные специалисты в данной области смогут найти другие конструктивные решения.

Хотя настоящее изобретение описано на примере иллюстрирующих его вариантов исполнения, оно не предназначено играть ограничивающую роль. Для квалифицированных специалистов в данной области из этого описания будут очевидны различные модификации и комбинации представленных вариантов исполнения, а также разработки других вариантов. Поэтому изобретение направлено на то, чтобы все такие модификации и варианты исполнения были охвачены прилагающейся формулой изобретения.

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена для управления потоком текучей среды в подземной скважине. Управление потоком текучей среды выполняется автономно под воздействием изменения параметра потока текучей среды, например плотности или вязкости. В одном варианте исполнения механизм отклонения потока способен перемещаться между открытым и закрытым положениями под воздействием изменения плотности текучей среды и выполнять функцию ограничения прохождения текучей среды через вход сборного клапана. Этот механизм отклонения потока может поворачиваться на оси, вращаться или иным образом перемещаться под воздействием изменения плотности текучей среды. В другом варианте исполнения механизм отклонения потока выполняет функцию управления соотношением потоков текучей среды через два входа клапана. Это соотношение потоков используется для воздействия на орган управления клапана, ограничивающий прохождение текучей среды через клапан. В другом варианте исполнения механизм отклонения потока перемещается под воздействием изменения в текучей среде, приводя к изменению схемы потока текучей среды в трубном участке, при этом такое изменение схемы потока управляет работой сборного клапана. Технический результат заключается в повышении эффективности управления потоком текучей среды. 3 н. и 46 з.п. ф-лы, 28 ил.

1. Устройство управления потоком текучей среды для применения в нефтедобывающей трубной секции, расположенной в скважине, проходящей через подземный пласт, и предназначенной для прохождения через нее потока текучей среды, имеющей плотность, изменяющуюся со временем, включающее аппаратный корпус, сборный клапан, имеющий корпус клапана по меньшей мере с одним входом и по меньшей мере одним выходом, подвижный механизм отклонения потока текучей среды, расположенный в аппаратном корпусе, срабатывающий под воздействием изменения плотности текучей среды и выполненный с возможностью перемещения для ограничения потока текучей среды по меньшей мере через один вход клапана при изменении плотности текучей среды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм отклонения потока имеет заданную плотность и обладает плавучестью в текучей среде заданной плотности.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью перемещения между первым и вторым положениями, при этом указанный механизм отклонения потока выполнен со смещением в сторону первого положения посредством смещающего элемента.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что смещающий элемент представлен пружинным механизмом.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что смещающий элемент представлен противовесом.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что противовес имеет плотность, отличающуюся от плотности механизма отклонения потока.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что противовес оперативно связан с механизмом отклонения потока.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что механизм отклонения потока имеет плотность, превышающую плотность текучей среды во время работы устройства, при этом смещающий механизм компенсирует плотность механизма отклонения потока и обеспечивает его срабатывание под воздействием изменения плотности текучей среды.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный механизм отклонения потока поворачивается на оси.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что механизм отклонения потока включает второй сборный клапан, при этом отклоняющий рычаг выполняет функцию ограничения потока текучей среды через вход сборного клапана.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что по меньшей мере один вход сборного клапана содержит первый вход и второй вход, при этом механизм отклонения потока поворачивается между первым положением, в котором этот механизм отклонения потока ограничивает прохождение текучей среды в первый вход, и вторым положением, в котором этот механизм ограничивает прохождение текучей среды во второй вход.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью поворота вокруг продольной оси.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью поворота на множество углов поворота, при этом ограничение потока текучей среды зависит от угла поворота механизма отклонения потока.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что оно дополнительно включает второй сборный клапан, при этом каждый сборный клапан имеет по меньшей мере один вход и по меньшей мере один выход, а механизм отклонения потока, находясь в закрытом положении, выполняет функцию ограничения прохождения текучей среды на входы обоих сборных клапанов.

15. Устройство по п.1, дополнительно включающее селектор ориентации для ориентировки сборного клапана в скважине.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что селектор ориентации использует силу тяжести для ориентировки сборного клапана.

17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит стабилизатор для поддержания сборного клапана в нужной ориентации.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что стабилизатор содержит разбухающий эластомер.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит регулятор притока, а вход клапана соединен по текучей среде с регулятором притока.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сборный клапан дополнительно содержит отстоящие друг от друга первый и второй входы, а механизм отклонения потока выполняет функцию изменения соотношения потоков текучей среды между первым и вторым входами под воздействием изменения плотности текучей среды.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что изменение соотношения потоков вызывает срабатывание органа управления сборного клапана.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что сборный клапан дополнительно содержит камеру клапана, соединенную по текучей среде со входами клапана и с выходом клапана, при этом в камере клапана расположен орган управления клапана, перемещающийся между закрытым положением, в котором прохождение текучей среды через выход клапана ограничено, и открытым положением, в котором прохождение текучей среды через выход клапана менее ограничено.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что орган управления клапана представляет собой поворачивающийся на оси рычаг, один конец которого расположен вплотную к выходу клапана и выполняет функцию ограничения потока через выход.

24. Устройство по п.21, отличающееся тем, что сборный клапан дополнительно содержит преобразователь давления, основанный на эффекте Вентури.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что преобразователь давления, основанный на эффекте Вентури, передает давление к органу управления клапана, тем самым активируя его.

26. Устройство управления потоком текучей среды, предназначенное для применения в нефтедобывающей трубной секции, расположенной в скважине, проходящей через подземный пласт, и предназначенной для прохождения через нее текучей среды, имеющей плотность, включающее механизм отклонения потока текучей среды, перемещающийся под воздействием изменений плотности текучей среды, поток текучей среды, проходящий по пути потока, при этом перемещение механизма отклонения потока изменяет путь потока текучей среды, и сборный клапан для ограничения потока текучей среды, имеющий открытое и закрытое положения, при этом изменение пути потока текучей среды изменяет положение сборного клапана.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что механизм отклонения потока имеет заданную плотность и обладает плавучестью в текучей среде заданной плотности.

28. Устройство по п.26, отличающееся тем, что механизм отклонения потока смещен в сторону первого положения под воздействием смещающего элемента.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что смещающий элемент представлен пружинным механизмом.

30. Устройство по п.28, отличающееся тем, что смещающий элемент представлен противовесом.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что противовес имеет плотность, отличающуюся от плотности механизма отклонения потока.

32. Устройство по п.28, отличающееся тем, что механизм отклонения потока имеет плотность, превышающую плотность текучей среды во время работы устройства, при этом смещающий механизм компенсирует плотность механизма отклонения потока и обеспечивает его срабатывание под воздействием изменения плотности текучей среды.

33. Устройство по п.26, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения, посредством этого изменяя путь прохождения потока текучей среды.

34. Устройство по п.26, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси.

35. Устройство по п.26, отличающееся тем, что сборный клапан также содержит отстоящие друг от друга первый и второй входы, а механизм отклонения потока выполнен с возможностью изменения соотношения потоков текучей среды между первым и вторым входами под воздействием изменения плотности текучей среды.

36. Устройство по п.35, отличающееся тем, что изменение соотношения потоков вызывает срабатывание органа управления сборного клапана.

37. Устройство по п.26, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит корпус, в котором подвижно крепится механизм отклонения потока и в котором потоком текучей среды образован путь прохождения потока текучей среды, примыкающий к механизму отклонения потока.

38. Устройство по п.37, отличающееся тем, что сборный клапан содержит по меньшей мере один вход и по меньшей мере один выход, и при этом путь потока текучей среды определен частично по меньшей мере одним входом и выходом.

39. Устройство по п.37, отличающееся тем, что механизм отклонения потока выполнен с возможностью перемещения из первого положения, примыкающего к первому входу сборного клапана, во второе положение, примыкающее ко второму входу сборного клапана.

40. Устройство управления потоком текучей среды для применения в нефтедобывающей трубной секции, расположенной в скважине, проходящей через подземный пласт, и предназначенной для прохождения текучей среды через нее, включающее трубчатый элемент, образующий канал для прохождения потока текучей среды, сборный клапан, имеющий по меньшей мере один вход, механизм управления потоком текучей среды, установленный с возможностью вращения в трубчатом элементе, при этом поток текучей среды вызывает вращение механизма управления потоком, при этом механизм управления потоком текучей среды имеет ограничитель потока, ограничивающий прохождение потока через вход сборного клапана.

41. Устройство по п.40, отличающееся тем, что в трубчатом элементе устанавливают ограничитель потока, выполненный с возможностью перемещения в продольном направлении.

42. Устройство по п.41, отличающееся тем, что ограничитель потока перемещается между открытым положением, в котором прохождение текучей среды через вход клапана не ограничено, и закрытым положением, в котором прохождение текучей среды через вход клапана ограничено.

43. Устройство по п.40, отличающееся тем, что скорость вращения механизма управления потоком связана с изменением параметра потока текучей среды.

44. Устройство по п.43, отличающееся тем, что указанным параметром потока текучей среды является вязкость.

45. Устройство по п.41, отличающееся тем, что механизм управления потоком дополнительно содержит множество балансиров, установленных с возможностью радиального движения под воздействием вращения механизма управления потоком.

46. Устройство по п.45, отличающееся тем, что балансиры закреплены шарнирно на оси с возможностью радиального перемещения под воздействием вращения механизма управления потоком.

47. Устройство по п.46, отличающееся тем, что радиальное перемещение балансиров приводит к продольному перемещению ограничителя потока.

48. Устройство по п.44, отличающееся тем, что прохождение текучей среды через клапан ограничено, если вязкость текучей среды достигает заданного значения.

49. Устройство по п.44, отличающееся тем, что прохождение текучей среды ограничено при относительно низкой вязкости, а при относительно высокой вязкости прохождение текучей среды не ограничено.