ВНУТРИСКВАЖИННЫЙ КОНТРОЛЬ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНАХ ПО ДОБЫЧЕ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2019 года по МПК E21B47/04 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ

[002] Настоящей заявкой испрашивается приоритет по предварительной заявке США №61/089,353, поданной 15 августа 2008 г.

Заявление в отношении федерально спонсируемых исследований или разработок

[003] Не применимо

Имена сторон соглашения о совместном исследовании

[004] Не применимо

(1) ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[005] Настоящее изобретение в целом относится к устройству и способу извлечения жидкости из скважины.

(2) УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[006] При добыче природного газа из скважины во многих случаях из разрабатываемых пластов одновременно с природным газом добываются жидкости. Добыча этой жидкости может отрицательно повлиять на добычу газа, если позволить ей накапливаться в стволе скважины. Однако в случае нефтяных скважин, жидкость является желаемым элементом, извлекаемым на продажу. Примером добычи жидкости из скважины является добыча воды из скважин с метаном в угольных пластах при добыче метана.

[007] Добываемую жидкость обычно удаляют насосом. Насос может быть погружным, штанговым, вытесняющим, или внутрискважинным насосом любого иного типа из внутрискважинных насосов. Обычно в начале разработки скважины с метаном в угольных пластах образование воды является постоянным, но по мере старения скважины добыча жидкости уменьшается или становится нерегулярной, что ограничивает время обязательной работы насоса. Продолжение работы насоса после извлечение всей воды из скважины неблагоприятно сказывается на сроке его службы или приводит к быстрому выходу его из строя. Эксплуатация насоса в отсутствии жидкости может привести к тому, что он сгорит или преждевременно израсходует свой ресурс. Помимо сокращения срока службы насоса или его повреждения вследствие эксплуатации всухую либо с пониженным содержанием жидкости, могут происходить потери газа вследствие его выхода в систему труб для добычи жидкости, в емкости и/или колодцы для воды или в магистральные линии для воды и/или жидкости, что неизбежно приводит к потери газа с утечкой его в атмосферу.

[008] Одним подходом к устранению этого недостатка может быть задание человеком (оператором) программы для таймера для управления циклом включения и выключения насоса. Такой цикл включения и выключения насоса представляет собой приблизительную оценку оператором того, как часто следует запускать или отключать насос в зависимости от давления, скорости потока, срока эксплуатации скважины и т.д. Этот способ очень неточный и требует постоянного мониторинга персоналом и специального изменения циклов применительно к каждой конкретной скважине.

[009] Еще одном подходом к устранению этого недостатка является использование для управления циклом включения и выключения насоса физических данных от поверхностного оборудования. Однако это может оказаться очень трудным или невозможным. Эти регуляторы отслеживают помимо прочего физические данные следующих типов:

(1) давление в стволе скважины;

(2) глубину скважины;

(3) вес поднимаемой жидкости;

(4) датчик нагрузки на насосном агрегате;

(5) мощность, потребляемую насосным агрегатом; и/или

(6) производительность скважины.

Все эти регуляторы располагаются на поверхности и часто не являются надежным.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[010] Настоящее изобретение представляет устройство для контроля уровня жидкости в стволе скважины по добыче углеводородов путем мониторинга уровня жидкости внутри скважины, содержащее: внутрискважинный измеритель уровня жидкости и сигнальное устройство, соединенное с измерителем уровня жидкости и выполненное с возможностью воздействовать на насос для регулирования текущего выпуска им жидкости на основе уровня жидкости в стволе скважины, измеренного указанным измерителем уровня жидкости. Мониторинг уровня жидкости внутри ствола скважины может осуществляться физически.

[011] Измеритель уровня жидкости может содержать: опорную конструкцию и поплавок, соединенный с опорной конструкцией, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости внутри скважины.

[012] Сигнальное устройство может содержать: верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком; нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком; верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня жидкости в скважине, верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества жидкости, извлекаемой из скважины; и нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня жидкости в скважине, нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества жидкости, извлекаемой из скважины.

[013] Опорная конструкция может представлять собой направляющую, которая позволяет поплавку перемещаться вместе с поверхностью уровня жидкости в направляющей.

[014] Настоящее изобретение также представляет способ добычи природного газа из скважины, согласно которому: используют скважину, в которой образуются природный газ и жидкость; используют насос для извлечения жидкости из скважины; осуществляют мониторинг уровня жидкости в стволе скважины; регулируют насос для изменения выпуска жидкости из скважины и тем самым контролируют уровень жидкости в стволе скважины на основании физического мониторинга ее уровня в стволе скважины и добывают природный газ из скважины.

[015] Мониторинг можно осуществлять измерителем уровня жидкости; а регулирование насоса можно производить сигнальным устройством, соединенным с измерителем уровня жидкости. Сигнальное устройство может содержать: верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком; нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком; верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня жидкости в скважине, верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества жидкости, извлекаемой из скважины; и нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня жидкости в скважине, нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества жидкости, извлекаемой из скважины. Измеритель уровня жидкости может содержать: опорную конструкцию и поплавок, соединенный с опорной конструкцией, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости в скважине.

[016] Настоящее изобретение также представляет способ извлечения нефти из скважины согласно которому: используют скважину по добыче нефти; используют насос для извлечения нефти из скважины; осуществляют мониторинг уровня нефти в стволе скважины; регулируют насос для изменения выпуска нефти из скважины и тем самым контролируют уровень нефти в стволе скважины на основании физического мониторинга ее уровня в стволе скважины и добывают нефть из скважины. Мониторинг уровня нефти в скважине можно осуществлять физически.

[017] Мониторинг можно осуществлять измерителем уровня жидкости; а регулирование насоса можно производить сигнальным устройством, соединенным с измерителем уровня жидкости. Сигнальное устройство может содержать: верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком; нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком; верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня нефти в скважине, верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества нефти, извлекаемой из скважины; и нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня нефти в скважине, нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества нефти, извлекаемой из скважины. Измеритель уровня жидкости может содержать: опорную конструкцию и поплавок, соединенный с опорной конструкцией, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости в скважине.

[018] Настоящее изобретение также представляет устройство для контроля уровня жидкости в стволе скважины по добыче углеводородов, содержащее: внутрискважинный датчик, определяющий давление над насосом в скважине по добыче углеводородов; поверхностный датчик давления, определяющий указанный газ в стволе скважины; и регулятор, соединенный с внутрискважинным датчиком давления, поверхностным датчиком давления и насосом, вычисляющий и контролирующий уровень жидкости в скважине посредством использования показаний внутрискважинного давления и показаний поверхностного давления для задания уровня жидкости в скважине и регулирования насоса, так что поддерживается заранее заданный уровень жидкости в скважине.

[019] Настоящее изобретение также представляет устройство, содержащее алгоритм для расчета уровня жидкости в стволе скважины по формуле: (y-x)/(sw)-z, где х - давление на поверхности, у - давление в скважине, z - уровень жидкости, sw - удельный вес.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[020] На фиг. 1 показан перспективный вид устройства для контроля уровня жидкости в стволе скважины;

[021] На фиг. 2 показан перспективный вид верхней части опорной конструкции устройства;

[022] На фиг. 3 показан вид сбоку устройства для контроля уровня жидкости в стволе скважины;

[023] На фиг. 4 показан вид сверху устройства для контроля уровня жидкости в стволе скважины;

[024] На фиг. 5 показан в разрезе вид сверху устройства для контроля уровня жидкости в стволе скважины;

[025] На фиг. 6 показан вид сбоку на типовую конфигурацию скважины с верхним устройством контроля и нижним устройством контроля.

[026] На фиг. 7 показана блок-схема устройства, когда им используются внутрискважинный датчик давления и поверхностный датчик давления.

[027] На фиг. 8 показан вид углеводородного пласта в разрезе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

[028] "Измеритель уровня жидкости в стволе скважины" - любое устройство, расположенное внутри скважины и способное измерять или показывать уровень жидкости внутри скважины. Им может быть любой инструмент, который физически измеряет вертикальную глубину жидкости внутри скважины. Им также может быть внутрискважинный датчик давления, данные которого используются в расчетах для определения уровня жидкости. Внутрискважинный датчик давления может быть использован совместно с поверхностным датчиком давления.

[029] «Физически» - применения объекта, который расположен в стволе скважины и перемещается по отношению к уровню жидкости или вместе с ним.

[030] "Мониторинг количества жидкости в стволе скважины" - физическое измерение либо количества жидкости в скважине, либо уровня на котором жидкость находится в скважине. Это может быть простое измерение вертикальной глубины жидкости в стволе скважины. Измерение может проводиться в течение времени, пока изменяются условия в скважине.

[031] "Целевое устройство" - это может быть любой объект, активирующий регулятор. Например, это может быть один из следующего: бесконтактное переключающее устройство сближения, особый металлодетектор, радиочастотный переключатель, поплавковый переключатель, магниточувствительный переключатель, датчик давления или переключатель сближения.

[032] "Проводить мониторинг уровня жидкости в стволе скважины" - это осуществлять измерение высоты подъема или глубины опускания жидкости в скважине в течение времени. Это может быть физическое измерение посредством поплавка. Может осуществляться еще множеством различных способов, включая, не ограничиваясь, способ, в котором учитывают объемную производительность внутрискважинного насоса и вместимость скважины от нижнего углеводородного пласта до верха насоса. Если вместимость скважины от углеводородного пласта до насоса составляет 3 барреля жидкости, и объемная производительность насоса составляет 3 барреля за 15 минут, а датчик верхнего уровня замкнут, то возможно применение программируемого логического контроллера или простого таймера для включения насоса на 15 минут, и последующего его выключения, и последующего ожидания сигнала от датчика уровня чтобы включить насос вновь. Когда насос проработал 15 минут, уровень жидкости стал на три барреля меньше, чем было, когда он включался. Другим способом измерения может быть применения датчиков давления. Датчик давления следует расположить внутри скважины. При подъеме уровня воды на 1 фут, давление увеличивается на 0,434 фунта на кв. дюйм (рассчитано с использованием удельного веса воды). Например, если датчик давления размещен непосредственно над насосом, можно останавливать и запускать насос на основании показаний датчика давления (включить при 20 фунтах на кв. дюйм и отключить при 1 фунте на кв. дюйм, что соответствует 46 футам и 2 футам уровня воды соответственно). Необходимо применять поверхностный датчик давления, чтобы компенсировать естественное давление в скважине. Например, если давление газа в стволе скважины составляет 200 фунтов на кв. дюйм, необходимо вычесть 200 фунтов на кв. дюйм от забойного давления, чтобы установить нулевое/нейтральное состояние.

[033] "Скважина по добыче углеводородов" - скважина, из которой добывают углеводороды, такие как нефть и природный газ.

[034] "Сигнальное устройство" - это устройство любого типа, способное отображать уровень жидкости и подавать насосу сигнал на включение и отключение. Им может быть таймер, программируемый логический контроллер или управляющее устройство.

[035] "Подавать насосу сигнал на включение или отключение либо на замедление или ускорение, когда жидкость находится на конкретном уровне" -передача насосу значения уровня жидкости, что приводит к включению или отключению насоса в зависимости от величины этого значения.

[036] "Выполненное с возможностью воздействовать на насос для регулирования текущего выпуска им жидкости" - пуск насоса, остановка насоса, увеличение производительности откачки, или снижение производительности откачки жидкости.

[037] "Опорная конструкция" - базовая конструкция или направляющая. Пример показан на Фиг. 1 по ссылке 9. Конструкция может состоять из одной или двух частей. Она может состоять из двух частей с систем труб, их соединяющих.

[038] "Верхняя опорная конструкция" - верхняя часть опорной конструкции. Она может быть совмещена с нижней опорной конструкцией или отделена от нее.

[039] "Нижняя опорная конструкция" - нижняя часть опорной конструкции. Она может быть совмещена с верхней опорной конструкцией или отделена от нее.

[040] "Поплавок" - объект, плавающий на поверхности жидкости и используемый для измерения или отображения уровня жидкости.

[041] "Возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции" - способность передвигаться вместе с уровнем жидкости.

[042] "Верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком" - целевое устройство (см. определение целевого устройства выше), расположенное вверху поплавка и применяемое для обозначения занятия поплавком определенной вертикальной высоты внутри скважины.

[043] "Нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком" - целевое устройство (см. определение целевого устройства выше), расположенное внизу поплавка и применяемое для обозначения занятия поплавком определенной вертикальной глубины внутри скважины.

[044] "Верхний датчик" - любой прибор, сообщающий о нахождении поплавка на верхнем уровне; это может быть прибор, вызывающий замыкание или размыкание электрической цепи. Верхний датчик может быть датчиком сближения или иным приспособлением, обладающим той же функцией или физическим переключателем. Датчик может входить в контакт с целевым устройством или срабатывать вблизи него.

[045] "Верхнее целевое устройство находится близко к верхнему индикатору сближения" - индикатор сближения находится в непосредственной близости от целевого устройства.

[046] "Посылает сигнал на включение насоса" - осуществить связь с насосом, так что насос оказывается включен.

[047] "Нижний датчик" - любой прибор, сообщающий о нахождении поплавка на нижнем уровне; это может быть прибор, вызывающий замыкание или размыкание электрической цепи. Нижний датчик может быть датчиком сближения или иным приспособлением, обладающим той же функцией или физическим переключателем. Датчик может входить в контакт с целевым устройством или срабатывать вблизи него.

[048] "Посылает сигнал на выключение насоса" - осуществить связь с насосом таким образом, чтобы выключить насос.

[049] "Используют скважину по добыче природного газа и жидкости" - обеспечивают наличие скважины по добыче природного газа и жидкости.

[050] "Вызывает вертикальный подъем поплавка" - перемещение поплавка вверх по направлению к поверхности скважины или к верхней части опорной конструкции.

[051] "Воздействует на верхний датчик" - подразумевается любой возможный контакт механическим, электронным способом, радиоволнами и т.д. Это может быть физический контакт или достаточно близкий, например для переключателя сближения, для воздействия на электрическую цепь.

[052] "Инициировать увеличение количества жидкости, извлекаемой из скважины" - начало извлечения жидкости из ствола скважины или увеличение его. Обычно для этого применяют насос с увеличением его выпуска либо его пуска, либо увеличения скорости его работы.

[053] "Вызывает вертикальное опускание поплавка" - перемещение поплавка вниз по направлению к нижней части скважины или опорной конструкции.

[054] "Инициировать уменьшение количества жидкости, извлекаемого из скважины" - остановка извлечения жидкости из ствола скважины или снижение его скорости. Обычно для этого применяют насос с уменьшением его производительности либо путем остановки насоса, либо путем уменьшения его скорости.

[055] "Используют насос для извлечения жидкости" - обеспечивают наличие насоса, извлекающего жидкость из скважины.

[056] "Осуществлять мониторинг уровня жидкости в стволе скважины" - осуществлять измерение уровня жидкости в скважине в течение времени. Измерение высоты подъема или глубины опускания жидкости в скважине в течение времени. Измерение происходит в скважине. Это может быть физическое измерение посредством поплавка. Может осуществляться еще множеством различных способов, включая, не ограничиваясь, способ, в котором учитывают объемную производительность внутрискважинного насоса и вместимость скважины от нижнего углеводородного пласта до верха насоса. Если вместимость скважины от углеводородного пласта до насоса составляет 3 барреля жидкости, и объемная производительность насоса составляет 3 барреля за 15 минут, а датчик верхнего уровня замкнут, то возможно применение программируемого логического контроллера или простого таймера для включения насоса на 15 минут, и последующего его выключения, и последующего ожидания сигнала от датчика уровня чтобы включить насос вновь. Когда насос проработал 15 минут, уровень жидкости стал на три барреля меньше, чем было, когда он включался. Другим способом измерения может быть применения датчиков давления. Датчик давления следует расположить внутри скважины. При подъеме уровня воды на 1 фут, давление увеличивается на 0,434 фунта на кв. дюйм (рассчитано с использованием удельного веса воды). Например, если датчик давления размещен непосредственно над насосом, можно останавливать и запускать насос на основании показаний датчика давления (включить при 20 фунтах на кв. дюйм и отключить при 1 фунте на кв. дюйм, что соответствует 46 футам и 2 футам уровня воды соответственно). Необходимо применять поверхностный датчик давления, чтобы компенсировать естественное давление в скважине. Например, если давление газа в стволе скважины составляет 200 фунтов на кв. дюйм, необходимо вычесть 200 фунтов на кв. дюйм от забойного давления, чтобы установить нулевое или нейтральное состояние.

[057] "Включение и выключение насоса на основании мониторинга количества жидкости в скважине" - активация насоса, когда уровень жидкости достигает определенного места и отключение насоса, когда уровень жидкости доходит до другого определенного места.

[058] "Добыча жидкости из скважины" - извлечение жидкости из скважины.

[059] "Природный газ" - газовая смесь, состоящая в основном из метана, находящаяся под землей и широко используемая в качестве топлива.

[060] "Регулировать насос, когда жидкость находится на определенном уровне" - включение или выключение, снижение или увеличение производительности.

[061] "Управляет уровнем жидкости в стволе в скважины по добыче углеводородов" - регулирует уровень жидкости в скважине, так чтобы поддерживать его на конкретном уровне или в желаемом диапазоне.

[062] "Соединен" - присоединен каким-либо способом изнутри или снаружи. Например, поплавок может быть внутренним или находиться внутри опорной конструкции, или он может быть внешним или находиться снаружи опорной конструкции, но быть соединен с ней. Также может означать лишь наличие связи. Измеритель уровня жидкости следует рассматривать как соединенный с сигнальным устройством, если измеритель уровня жидкости сообщает сигнальному устройству уровень жидкости любым способом или позволяет сигнальному устройству знать местоположение измерителя уровня жидкости.

[063] "Уровень жидкости в стволе скважине" - данные вертикального замера жидкости в скважине, замеренные измерителем уровня жидкости. Это может быть глубина или высота или уровень подъема нефти в скважине.

[064] "Уровень жидкости в стволе скважине по замерам внутрискважинного измерителя уровня жидкости" - вертикальная высота жидкости в скважине, как она измерена от нижней части скважины измерителем уровня жидкости.

[065] "Так что он имеет возможность перемещаться вертикально" - позволяет движение вверх и вниз перпендикулярно к горизонтали.

[066] "Положение определяется уровнем жидкости внутри скважины, - положение поплавка в скважине и в опорной конструкции непосредственно устанавливается уровнем жидкости.

[067] "Насос" - любое устройство для извлечения жидкости из ствола скважины.

[068] "Регулируют производительность насоса для изменения количества жидкости подаваемой из скважины, и тем самым контролируют уровень жидкости в стволе скважины" - увеличение скорости насоса, пуск насоса, снижение скорости насоса или остановка насоса, с целью управления количеством извлекаемой жидкости и тем самым управления количеством жидкости, остающейся в скважине, что может приводить к вертикальному подъему или вертикальному понижению уровня жидкости внутри скважины.

[069] "На основании физического мониторинга уровня жидкости в стволе скважины" - определение уровня жидкости с целью регулировать его так, чтобы он находился на желаемом уровне. Это делается либо для сохранности насоса и увеличения срока его службы либо, в случае природного газа, для предотвращения отрицательного влияния жидкости на добычу природного газа. Таким способом также можно предотвратить попадание газа в систему добычи жидкости.

[070] "Система добычи жидкости" - оборудование, включая инструменты и системы труб, резервуары, трубопроводы для жидкости и нефтяные трубопроводы, которые используются для извлечения жидкости.

[071] "Добывают природный газ из скважины" - извлекают природный газ из скважины.

[072] "Регулирование насоса" - увеличение скорости насоса, пуск насоса, снижение скорости насоса или остановка насоса, с целью управления количества извлекаемой жидкости.

[073] "Заранее заданный уровень" - может быть положение жидкости вдоль оси, диапазон высот, или несколько уровней высоты жидкости. Например: удерживать жидкость в диапазоне между 0 и 50 футами ниже пласта, удерживать жидкость ниже 10 футов от пласта или поддерживать жидкость в 5 футах ниже пласта.

[074] "Уровень нефти в скважине" - данные вертикального замера нефти в скважине, замеренные измерителем уровня жидкости. Это может быть глубина, высота или уровень подъема нефти в скважине.

[075] "Инициировать увеличение количества нефти, извлекаемой из скважины" - начало извлечения нефти из ствола скважины или увеличение его. Обычно для этого применяют насос с увеличением его производительности либо путем пуска насоса, либо путем увеличения его скорости.

[076] "Инициировать уменьшение количества нефти, извлекаемой из скважины" - остановка извлечения нефти из ствола скважины или уменьшение его. Обычно для этого применяют насос с уменьшением его производительности либо путем остановки насоса, либо путем уменьшения его скорости.

[077] "Воздействовать на нижний датчик" - это может быть установление контакта любым способом механическим, электронным, радиоволнами и т.д. Это может быть физический контакт или просто достаточно близкий, например, переключатель сближения может воздействовать для включения электрической цепи.

[078] "Позволяет поплавку перемещаться вместе с поверхностью уровня жидкости в направляющей" - поплавок движется в направлении, заданном направляющей, но совместно с подъемом и опусканием жидкости.

[079] "Добывают природный газ из скважины" - извлекают природный газ из скважины.

[080] "Используют скважину по добыче нефти" - наличие любой скважины по добыче нефти.

[081] "Мониторинг уровня нефти в стволе скважины" - измерение уровня нефти в скважине в течение времени. Измерение высоты подъема или глубины опускания нефти в скважине в течение времени. Измерение происходит в скважине.

[082] "Регулируют насос для изменения количества нефти подаваемой из скважины, и тем самым контролируют уровень нефти в стволе скважины" - увеличение скорости насоса, пуск насоса, снижение скорости насоса или остановка насоса, с целью управления количеством извлекаемой нефти и тем самым управления количеством жидкости, остающейся в скважине, что может приводить к вертикальному подъему или вертикальному понижению уровня нефти внутри скважины.

[083] "На основании физического мониторинга уровня нефти в стволе скважины" - определение уровня нефти с целью регулировать его так, чтобы он находился на желаемом уровне. Это делается либо для сохранности насоса и увеличения срока его службы либо, в случае природного газа, для предотвращения отрицательного влияния жидкости на добычу природного газа. Таким способом также можно предотвратить попадание газа в систему добычи жидкости

[084] "Добывают нефть из скважины" - извлекают нефть из скважины.

[085] "Внутрискважинный датчик" - датчик давления, расположенный внутри скважины. Предпочтительно его расположение выше погружного насоса.

[086] "Определяющий давление над насосом в скважине по добыче углеводородов"- определение давления непосредственно над насосом

[087] "Поверхностный датчик давления" - измерительное устройство для давления, расположенное на поверхности или вблизи ее.

[088] "Определяющий газ в стволе скважины" - давление выше уровня жидкости в стволе скважины.

[089] "Регулятор" - может быть программируемым логическим контроллером, являющимся программируемым микропроцессорным устройством, применяемым для управления механическим, электрическим и электронным оборудованием; или может быть маленьким компьютером на одной интегральной схеме, состоящей из относительно простых процессоров, выполненных с возможностью выполнять такие функций, как функцию кварцевого генератора, таймеров, работу в дежурном (ждущем) режиме, функции последовательного и аналогового входа и/или выхода и т.д.

[090] "Вычисляющий и регулирующий уровень жидкости в скважине, с использованием значения внутрискважинного давления датчика и значения поверхностного давления для определения уровня жидкости в скважине" - применения считывания значения давления, для подсчета уровня жидкости в стволе скважины.

ОПИСАНИЕ

[091] Примерами углеводородов являются нефть и природный газ. В скважине, из которой пытаются добывать нефть или природный газ, может находиться смесь газа и жидкостей. При добыче природного газа в скважине с метаном в угольных пластах необходимо удалять воду из угольного пласта с целью получения газа метана. Подъем уровня воды выше угольного пласта может отрицательно сказываться на добыче газа. Для удаления воды используют насос, так что уровень воды не может подниматься выше угольных пластов.

[092] Устройство 2, которое управляет уровнем жидкости в стволе скважины для добычи углеводородов путем мониторинга ее уровня в скважине, опускают в скважину с метаном в угольном пласте, в которой находится подлежащая удалению вода. Устройство 2 может быть опущено в скважину с использованием армированного кевларом (или стекловолокном или сталью - существует несколько вариантов) пластмассового трубопровода (Polyflow™, Fiberspar™, Flexsteel™), системы труб или трубы. С использованием армированного кевларом пластмассового трубопровода, аппарат 2 опускают за самый нижний угольный пласт в зумпф, называемый дренажной частью 28 ствола скважины. Дренажная часть 28 пронизывает самый нижний угольный пласт. Глубина или возвышение дренажной части 28 может быть несколько сотен футов. Дренажная часть 28 используется как место для слива воды из пласта с тем, чтобы она не мешала добыче газа метана. Вместе с водой в дренажную часть 28 также уходит угольная пыль.

[093] Устройство 2 осуществляет мониторинг уровня воды в скважине и контролирует его, так что уровень воды не поднимается выше угля, а также не позволяет насосу 16 работать без воды. Регулятор 24 подает насосу 16 сигнал на включение/отключение либо на замедление или ускорение в нужное время. При низком уровне воды насос 16 отключается, поэтому его работа всухую исключена. Когда уровень воды по высоте находится возле угольного пласта, насос 16 включается и не позволяет уровню воды подняться до места, в котором она оказывает отрицательное воздействие на добычу газа.

[094] На фиг. 1-4 показан предпочтительный вариант реализации устройства 2, содержащего поплавок 4, выполненный из нержавеющей стали. Поплавок 4 является измерителем уровня жидкости в скважине, который перемещается вместе с уровнем жидкости в скважине для отображения или непосредственного мониторинга уровня жидкости. В данном варианте реализации, с измерителем уровня жидкости соединено сигнальное устройство, вызывающее регулировку текущего выпуска жидкости насосом на основе уровня жидкости в скважине, измеренного измерителем ее уровня, содержащим:

(a) верхнее целевое устройство 6, расположенное внутри поплавка 4;

(b) нижнее целевое устройство 8, расположенное внутри поплавка 4;

(c) верхняя опорная конструкция 10;

(d) нижняя опорная конструкция 11;

(e) верхний датчик 12 и

(f) нижний датчик 14.

При достижении уровня жидкости места, заданного в качестве максимального уровня жидкости, поплавок 4 поднимется в опорной конструкции 9 до верхней опорной конструкции 10.

Верхнее целевое устройство 6 вызовет отправку верхним датчиком 12 сигнала либо на включение насоса 16, либо на увеличение выпуска им жидкости.

При включении насоса 16 или при увеличении его производительности, уровень жидкости в скважине начнет уменьшаться.

По мере уменьшения уровня жидкости в скважине, поплавок 4 опустится внутри опорной конструкции 9 до нижней опорной конструкции 11, и тогда нижнее целевое устройство 8 вызовет отправку нижним датчиком 14 сигнала либо на отключение насоса, либо на уменьшение выпуска жидкости.

[095] Опорная конструкция 9 является направляющей для поплавка 10 и позволяет ему двигаться вместе с жидкостью внутри направляющей.

[096] На фиг. 5 показан предпочтительный вариант реализации, при котором измеритель уровня жидкости устройства 2 содержит два поплавка 4. Поплавки разделены системой труб 18. Например, может быть использована система труб, продаваемая под торговой маркой POLYFLOW принадлежащей компании PolyFlow, Inc.

[097] Такая конструкция позволяет уровню жидкости изменяться в любом заранее заданном диапазоне. Физические измерения возможны в диапазоне, расположенном непосредственно под углеводородным пластом, или же на глубине до 500 футов. Предпочтительно, в диапазоне от 5 футов до 40 футов под углеводородным пластом. Физические измерения уровня могут быть в диапазоне общей длиной все 500 футов, или любой длинной, согласно глубине, на которую пробурена дренажная часть ствола скважины. Обычно в скважине по добыче природного газа дренажная часть ствола имеет глубину 150 футов, что означает, что уровень жидкости будет изменяться в диапазоне, в котором за 0 принята нижняя часть дренажной части ствола и который продолжается до 150 футов до углеводородного пласта, при измерении от нижней части дренажной части ствола. Измерение может также проводиться в диапазоне, в котором за 0 принята нижняя часть углеводородного пласта и который проходит вниз на 150 футов, к нижней части дренажной части ствола. Если дренажная часть ствола скважины имеет глубину 150 футов, то можно назначить желаемый максимальный и минимальный уровни воды в этом диапазоне.

[098] В стандартной скважине по добыче природного газа максимальный уровень жидкости не должен превышать 5 футов от углеводородного пласта, так как нежелательно, чтобы жидкость смешивалась с природным газом, выходящим из углеводородного пласта. Желательно, чтобы минимальный уровень был не ниже 50 футов от углеводородного пласта, чтобы насос не работал всухую. Минимальный уровень может варьироваться от 0 до 500 футов ниже углеводородного пласта в зависимости от конкретной скважины, условий бурения и условий эксплуатации скважины.

[099] На фиг. 5 верхний датчик 12 вместе с поплавком 4 расположен ближе всего к углеводородному пласту.

Если это стандартная скважина по добыче природного газа, то верхний датчик 12 будет располагаться в 5 футах от нижней части углеводородного пласта.

При достижении уровня жидкости точки, в которой поплавок 4 поднимется внутри верхней опорной конструкции 10 и верхнее целевое устройство 6 входит в контакт с верхним датчиком 12, уровень жидкости в скважине достигает максимальной точки, которая в случае стандартной скважины по добыче природного газа будет находиться в пределах 5 футов от углеводородного пласта.

После взаимодействия верхнего целевого устройства 6 с верхним датчиком 12 происходит регулировка насоса 16, который инициирует увеличение количества удаляемой из скважины жидкости.

Так как насос 16 вызывает удаление большего количества жидкости из скважины, уровень жидкости внутри скважины начинает уменьшаться или опускаться.

При опускании уровня жидкости до точки, в которой поплавок 4 опустится внутри нижней опорной конструкции 11 и нижнее целевое устройство 8 входит в контакт с нижним датчиком 14, уровень жидкости в скважине достигает минимального значения, которое в случае стандартной скважины по добыче природного газа будет находиться в пределах 45 футов ниже углеводородного пласта.

Насос 16, показанный на фиг. 5, является погружным насосом.

[0100] На фиг. 6 показан альтернативный вариант реализации устройства. На фиг. 6 поплавок 4 содержит верхнее целевое устройство 6 и нижнее целевое устройство 8. Опорная конструкция 9 представляет собой трубу или систему труб. Поплавок 4 присоединен к опорной конструкции 9, но расположен снаружи опорной конструкции 9. В этом отличие от предпочтительного варианта реализации, в котором поплавок 4 расположен внутри опорной конструкции 9.

[0101] На фиг. 7 показана блок-схема другого варианта реализации изобретения. В этом варианте внутрискважинный датчик давления 22 должен быть расположен в непосредственной близи насоса или в его верхней части так, чтобы его можно было применять для определения уровня жидкости в скважине. Внутрискважинный датчик давления 22 соединен с регулятором 24, дополнительно соединенным с поверхностным датчиком давления 20 и насосом 16. Регулятор регулирует уровень жидкости в скважине, вычисляя уровень жидкости в скважине, согласно следующей формуле:

где:

х = давление на поверхности,

у = давление в скважине,

z = уровень жидкости,

sw = удельный вес.

[0102] Давление на поверхности получают от поверхностного датчика давления 20. Давление в скважине получают от внутрискважинного датчика давления 22. Удельный вес будет запрограммирован в контроллере 24 в зависимости от жидкости и ее свойств.

Пример расчета уровня жидкости, когда жидкостью является вода:

Значение давления в скважине = 250 фунтов/кв. дюйм

(1 фунт/кв. дюйм = 6894,76 Па).

Значение давления на поверхности = 200 фунтов/кв. дюйм.

Удельный вес воды = 62.4 фунта/куб. фут

(1 фунт/куб. фут ≈ 16,0185 кг/м³).

где:

х = давление на поверхности,

у = давление в скважине,

z = уровень жидкости,

sw = удельный вес.

Z = (250 фунт/кв. фут - 200 фунт/кв. фут) * (12 дюйм/фут) * (12_дюйм/фут) / (62.4 фунта/куб. фут) = 115 футов

(фунт на квадратный фут ≈ 47,8803 Па)

(дюйм на фут = 1/12)

[0103] Для того чтобы использовать формулу для получения измерений в футах, при измерении давления в квадратных дюймах, необходимо применять коэффициент 144, так как в одном футе 12 дюймов, и 144 квадратных дюйма в одном квадратном футе.

[0104] Может быть рассчитан уровень любой жидкости, удельный вес которой известен. Показания датчика внутрискважинного давления следует определять как "физический мониторинг", так как датчик давления находится в скважине и содержит мембрану, которая меняет положение или движется вместе с изменением уровня воды.

[0105] Другой способ применять давление при расчетах состоит в следующем. При подъеме уровня воды на 1 фут, давление увеличивается на 0,434 фунта на кв. дюйм (рассчитано с использованием удельного веса воды). Например, если датчик давления размещен непосредственно над насосом, можно останавливать и запускать насос на основании показаний датчика давления (включить при 20 фунтах на кв. дюйм и отключить при 1 фунте на кв. дюйм, что соответствует 46 футам и 2 футам уровня воды соответственно). Необходимо применять поверхностный датчик давления, чтобы компенсировать естественное давление в скважине, например, если давление газа в стволе скважины составляет 200 фунтов на кв. дюйм, необходимо вычесть 200 фунтов на кв. дюйм от забойного давления, чтобы установить нулевое или нейтральное состояние.

[0106] На фиг. 8 показан углеводородный пласт 26. При бурении скважины бур проходит через углеводородный пласт 26. Часть скважины ниже углеводородного пласта 26 представляет собой дренажную часть 28 ствола скважины. Когда углеводороды добывают из углеводородного пласта 26, скважина действует как разделитель. Жидкость ниспадает в дренажную часть ствола скважины, в то время как газ поднимается вверх. Подъем уровня жидкости в углеводородном пласте 26 влияет на количество добываемого из него газа. Чтобы удалить жидкость из скважины, в дренажной части 28 размещают насос 16 для откачки жидкости на поверхность.

[0107] Еще в одном варианте реализации изобретения могут быть использованы другие новые технологии для определения уровня жидкости в скважине. Например, можно задать границу расстояния от поверхностного датчика до целевого устройства, плавающего на поверхности текучей среды, добываемой из скважины (см. чертежи). Это целевое устройство может испускать тактовые импульсы (частотные, электромагнитные, ультразвуковые или лазерные) которые принимают и подсчитывают. Точные моменты включения и/или выключения или увеличения или уменьшения производительности насоса могут быть специфическими для конкретной скважины и могут быть заданы во время вскрытия пласта.

[0108] В случае, когда плавающее целевое устройство работает с перебоями и/или тонет, было бы необходимо обладать возможностью заменить его с поверхности и соответственно опустить в скважину новое целевое устройство. Это может быть реализовано при помощи высокочастотной маркировки - той же технологии, что используется в устройстве "Speedpass" для закачки бензина. Система может быть откалибрована на поверхности, или же можно провести фактический онлайн-тест, залив внутрь скважины жидкость с поверхности.

[0109] Другим дополнением может быть размещение внутри скважины провода с бесконтактными датчиками, установленными на уровнях, определяемых на этапе завершения скважины. При этом будет использован такое же плавающее целевое устройство, как было описано выше. Перед эксплуатацией скважины бесконтактные датчики/провода необходимо будет размотать в скважину. В случае, если провод провисает, вдоль провода можно периодически разместить перпендикулярные штыри. Также вдоль провода можно разместить свинцовые грузила с тем, чтобы в случае обрыва кабеля провода и датчики упали в дренажную часть ствола скважины.

[0110] Для реализации заявляемого способа также можно применять один датчик уровня и таймер в сочетании с другой известной информацией. Датчик устанавливают на максимальной высоте уровня жидкости, так что будет известно, когда уровень жидкости достигает максимального значения. Датчик реагирует на физическое перемещение уровня жидкости и служит измерителем уровня жидкости, а также сигнальным устройством. Затем регулятор или программируемый логический контроллер использует данные об объемной производительности внутрискважинного насоса и об объеме от самого нижнего угольного пласта до верха насоса, для определения продолжительности работы насоса. Например, если известно, что пространство между угольным пластом и насосом составляет 3 барреля жидкости, и насос может перекачивать 3 барреля за 15 минут, то 3 барреля будут откачены из скважины за 15 минут. Таким образом, программируемый логический контроллер или простой таймер программируют таким образом, чтобы при замыкании датчика включать насос на 15 минут, а затем выключать его. Программируемый логический контроллер будет ждать, пока не получит от датчика другой сигнал, чтобы отправить сигнал насосу и включить его снова.

[0111] Вышеизложенные способ и устройство позволяют контролировать уровень жидкости автономно - без вмешательства человека в работу скважины. Кроме того, устройство и способ очень эффективны для погружных насосов, поскольку погружные насосы ломаются, при работе всухую. Работа погружного насоса без жидкости в течение пяти минут, может привести к его механическому саморазрушению. Кроме того, сочетание системы труб с устройством лучше подходят для применения с погружным насосом. Тем не менее, способ и устройство могут быть применены и со штанговым насосом.

[0112] Различные изменения могут быть внесены в вышеописанные конструкцию и способ, не выходя за объем изобретения, определенного ниже в формуле изобретения. Предполагается, что все материалы, содержащиеся в параграфах выше и показанные на прилагаемых чертежах, должны толковаться как приведенные в иллюстративных целях, и не налагающие никаких ограничений.

Настоящее изобретение представляет устройство для контроля уровня жидкости в стволе скважины по добыче углеводородов путем мониторинга уровня жидкости внутри скважины, содержащее внутрискважинный измеритель уровня жидкости и сигнальное устройство, соединенное с измерителем уровня жидкости и выполненное с возможностью воздействовать на насос для регулирования текущего выпуска им жидкости на основе уровня жидкости в стволе скважины, измеренного указанным измерителем уровня жидкости. Техническим результатом является увеличение срока службы насоса. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для контроля уровня жидкости в стволе скважины по добыче углеводородов путем мониторинга уровня жидкости в стволе скважины, содержащее:

(a) внутрискважинный измеритель уровня жидкости и

(b) сигнальное устройство, соединенное с измерителем уровня жидкости и выполненное с возможностью воздействовать на насос для регулирования текущего выпуска им жидкости на основе уровня жидкости в стволе скважины, измеренного указанным измерителем уровня жидкости,

в котором измеритель уровня жидкости содержит опорную конструкцию и поплавок, расположенный внутри опорной конструкции, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости в стволе скважины.

2. Устройство по п. 1, в котором мониторинг уровня жидкости в стволе скважины осуществляется физически.

3. Устройство по п. 1, в котором сигнальное устройство содержит:

(a) верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(b) нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(c) верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня жидкости в стволе скважины верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества жидкости, извлекаемой из скважины; и

(d) нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня жидкости в стволе скважины нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества жидкости, извлекаемой из скважины.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором опорная конструкция представляет собой направляющую, которая позволяет поплавку перемещаться вместе с поверхностью уровня жидкости в направляющей.

5. Способ добычи природного газа из скважины, согласно которому:

(a) используют скважину, в которой образуются природный газ и жидкость;

(b) используют насос для извлечения жидкости из скважины;

(c) осуществляют мониторинг уровня жидкости в стволе скважины с использованием измерителя уровня жидкости, имеющего поплавок, расположенный в опорной конструкции, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости в стволе скважины;

(d) регулируют насос для изменения выпуска жидкости из скважины и тем самым контролируют уровень жидкости в стволе скважины на основании физического мониторинга ее уровня в стволе скважины; и

(e) добывают природный газ из скважины.

6. Способ по п. 5, в котором мониторинг уровня жидкости в стволе скважины осуществляется физически.

7. Способ по п. 5, в котором регулирование насоса производят сигнальным устройством, соединенным с измерителем уровня жидкости.

8. Способ по п. 7, в котором сигнальное устройство содержит:

(a) верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(b) нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(c) верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня жидкости в стволе скважины верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества жидкости, извлекаемой из скважины; и

(d) нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня жидкости в стволе скважины нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества жидкости, извлекаемой из скважины.

9. Способ извлечения нефти из скважины, согласно которому:

(a) используют скважину по добыче нефти;

(b) используют насос для извлечения нефти из скважины;

(c) осуществляют мониторинг уровня нефти в стволе скважины с использованием измерителя уровня жидкости, имеющего поплавок, расположенный в опорной конструкции, так что он имеет возможность перемещаться вертикально вверх и вниз вдоль опорной конструкции, а его положение определяется уровнем жидкости в стволе скважины;

(d) регулируют насос для изменения выпуска нефти из скважины и тем самым контролируют уровень нефти в стволе скважины на основании физического мониторинга ее уровня в стволе скважины; и

(e) добывают нефть из скважины.

10. Способ по п. 9, в котором мониторинг уровня нефти в стволе скважины осуществляется физически.

11. Способ по п. 9, в котором регулирование насоса производят сигнальным устройством, соединенным с измерителем уровня жидкости.

12. Способ по п. 11, в котором сигнальное устройство содержит:

(a) верхнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(b) нижнее целевое устройство, соединенное с поплавком;

(c) верхний датчик, соединенный с верхней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном подъеме поплавка за счет подъема уровня нефти в стволе скважины верхнее целевое устройство взаимодействует с верхним датчиком и тем самым инициирует увеличение количества нефти, извлекаемой из скважины; и

(d) нижний датчик, соединенный с нижней опорной конструкцией таким образом, что при вертикальном опускании поплавка за счет опускания уровня нефти в стволе скважины нижнее целевое устройство взаимодействует с нижним датчиком и тем самым инициирует уменьшение количества нефти, извлекаемой из скважины.

13. Устройство для контроля уровня жидкости в стволе скважины по добыче углеводородов, содержащее:

(a) внутрискважинный датчик, определяющий давление над насосом в скважине по добыче углеводородов;

(b) поверхностный датчик давления, определяющий указанный газ в стволе скважины; и

(c) регулятор, соединенный с внутрискважинным датчиком давления, поверхностным датчиком давления и насосом, вычисляющий и контролирующий уровень жидкости в стволе скважины посредством использования показаний внутрискважинного давления и показаний поверхностного давления для задания уровня жидкости в стволе скважины и регулирования насоса, так что поддерживается заранее заданный уровень жидкости в стволе скважины.

14. Устройство по п. 13, в котором для расчета уровня жидкости в стволе скважины используется алгоритм

где x - давление на поверхности,

y - давление в скважине,

z - уровень жидкости,

sw - удельный вес.