ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВНУТРИСКВАЖИННЫЙ КЛАПАН-ОТСЕКАТЕЛЬ (ESSSV) Российский патент 2019 года по МПК E21B34/06 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к разведке и добыче нефти и газа и, более конкретно, к управляемому с поверхности и устойчивому к отказам электрическому внутрискважинному клапану-отсекателю для использования в скважине.

[0002] Скважины бурятся на разных глубинах для получения доступа к нефти, газу, минералам и другим отложениям природного происхождения и их добычи из подземных геологических формаций. Скважины также бурятся в самых разных внешних условиях, в том числе в глубоководных условиях, где состояние океанического дна может быть мягче или более рыхлым, чем требуется при бурении.

[0003] С целью предотвращения травм у персонала, а также для защиты окружающей среды и оборудования многие скважины для добычи углеводородов содержат внутрискважинный клапан-отсекатель (SSSV), расположенный в стволе скважины в эксплуатационной колонне, как правило по меньшей мере на 50 метров ниже морского дна, чтобы герметично перекрыть поток углеводородов в случае экстренной ситуации. Для закрытия или открытия клапана-отсекателя в современном SSSV используется гидравлическая жидкость высокого давления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0004] Следующие графические материалы включены для того, чтобы проиллюстрировать некоторые аспекты данного изобретения и не должны рассматриваться как исключающие варианты осуществления изобретения. Раскрытый объект изобретения является способным к значительным модификациям, изменениям, комбинациям и эквивалентам по форме и функции, не выходя за пределы объема данного изобретения.

[0005] На фиг. 1А проиллюстрирована схема скважины, пробуренной с берега, в которой буровой снаряд размещается в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0006] На фиг. 1В проиллюстрирована схема морской скважины, в которой буровой снаряд размещается в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0007] На фиг. 2 проиллюстрирован схематический вид общей организационной структуры системы электрического внутрискважинного клапана-отсекателя (eSSSV) в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0008] На фиг. 3 проиллюстрирован схематический вид многоузловой конфигурации в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0009] На фиг. 4 проиллюстрирован схематический вид внутрискважинного блока электронного оборудования eSSSV со встроенными датчиками давления и температуры (РТ) в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0010] На фиг. 5 проиллюстрирован схематический вид внутрискважинного блока электронного оборудования eSSSV в многоканальном конструктивном исполнении в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0011] На фиг. 6 проиллюстрирована электромеханическая схема механизма дистанционного управления клапаном в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0012] На фиг. 7 проиллюстрирован схематический вид полностью автономной резервной системы в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0013] На фиг. 8 проиллюстрирован схематический вид неавтономной системы с перекрестным управлением в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0014] На фиг. 9 проиллюстрирован схематический вид импульсного источника питания с встроенной программой системы адаптивного управления и резервными цепями обратной связи в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

[0015] На фиг. 10 проиллюстрирован схематический вид структуры блока двойного энергопитания в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] В следующем подробном описании иллюстративных вариантов осуществления данного изобретения делается ссылка на прилагаемые графические материалы, которые входят в состав данного документа. Эти варианты осуществления изобретения описаны достаточно подробно для того, чтобы дать возможность специалистам в данной области техники практически использовать изобретение, кроме того следует учитывать, что могут использоваться другие варианты осуществления изобретения и что могут быть сделаны логические структурные, механические, электрические и химические изменения без отступления от сущности и объема изобретения. Для того чтобы избежать подробностей, которые не требуются специалистам в данной области техники для практического использования описанных в данном документе вариантов осуществления, описание может опускать определенную информацию, известную специалистам в данной области техники. В связи с этим нижеследующее подробное описание не должно приниматься в ограничительном смысле, а объем иллюстративных вариантов осуществления данного изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения.

[0017] Используемые в письменном раскрытии и в формуле изобретения, термины «включающий» и «содержащий» используются в не ограничивающей форме и, таким образом, должны интерпретироваться как означающие «включая, но не ограничиваясь этим». Если не указано иное, то используемые в данном документе «или» не требуют взаимной исключаемости. Кроме того, использованные в данном документе, единственные формы существительных также включают в себя множественные формы, если контекст явно не указывает на иное.

[0018] Если не указано иное, то любое использование любой формы терминов «соединять», «входить в контакт», «связывать», «прикреплять» или любого другого термина, описывающего взаимодействие между элементами, не означает ограничения взаимодействия только прямым взаимодействием между элементами и может также включать косвенное взаимодействие между описанными элементами. В последующем обсуждении и в формуле изобретения термины «включающий в себя» и «содержащий» используются в не ограничивающей форме и, таким образом, должны интерпретироваться как означающие «включая, но не ограничиваясь этим». Если не указано иное, то используемое в данном документе «или» не подразумевает взаимной исключительности.

[0019] В последующем описании раскрывается электрический внутрискважинный клапан-отсекатель (eSSSV), который обеспечивает устойчивую к отказам систему для того, чтобы закрыть скважину, если это будет сочтено необходимым. Например, варианты осуществления eSSSV, раскрытые в данном документе, включают в себя дублированные резервные блоки электронной аппаратуры, которые регулируют мощность двух независимых резервных электромагнитных пускателей, которые приводят в движение одинарный клапан.

[0020] Технические преимущества раскрытых вариантов осуществления данного изобретения включают в себя возможность заканчивания скважин без необходимости в линиях гидравлических систем высокого давления, требующихся для приведения в действие гидравлических клапанов, управляемых электрическим соленоидом. Другим техническим преимуществом раскрытых вариантов осуществления является предоставление системного решения устойчивого к отказам резервного электрического клапана-отсекателя, который является полностью электрическим и способен выдерживать высокую температуру и высокое давление в жестких условиях в забое скважины. Кроме того, еще одним техническим преимуществом раскрытых вариантов осуществления изобретения является способность контролировать жизненно важные параметры клапана. Эти жизненно важные параметры могут использоваться для многих вещей, включая, помимо прочего, отслеживание тенденций, проверку технического состояния клапана и управление параметрами клапана для продления срока службы клапана.

[0021] Начнем с фиг. 1А. На ней проиллюстрирован схематический вид буровой установки 104, в которой размещен буровой снаряд 128 в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения. Буровая установка 104 расположена на суше, на земной поверхности 124, с которой пробурена скважина 102. Скважина 102 включает в себя ствол 130 скважины, который проходит от земной поверхности 124 скважины 102 до подземного подстилающего слоя или продуктивного пласта 134. Буровой снаряд 128 может иметь спускные инструменты, используемые для размещения или установки внутрискважинного оборудования 144, такого как, помимо прочего, подвесные устройства для хвостовиков, пробки и пакеры. Например, в одном из вариантов осуществления данного изобретения может быть использован спускной инструмент для установки одного или большего количества ESSSV 100, как раскрыто в данном документе, для того, чтобы обеспечить устойчивую к отказам систему для закрытия в скважине 102, если это будет сочтено необходимым.

[0022] Аналогичным образом на фиг. 1В показан схематический вид морской платформы 142, управляющей буровым снарядом 128, который содержит в себе один или большее количество eSSSV 100. ESSSV 100 на фиг. 1B может быть размещен в скважине 138 с устьем на дне моря, доступ к которой осуществляется при помощи морской платформы 142. Морская платформа 142 может быть плавающей платформой или вместо этого может быть закреплена якорями к морскому дну 140.

[0023] На каждой из фиг. 1А-1В проиллюстрированы возможные варианты использования или размещения eSSSV 100, которые в том и другом случае могут использоваться в буровом снаряде 128 для размещения внутрискважинного оборудования 144. В вариантах осуществления данного изобретения, проиллюстрированных на фиг. 1А и 1В, ствол 130 скважины был образован путем бурения, при котором грязь, твердая порода и другие подземные материалы были вырезаны из продуктивного пласта 134 буровым долотом, работающим при помощи бурильной колонны для того, чтобы сформировать ствол 130 скважины. Во время или после процесса бурения часть ствола скважины может быть обсажена колонной обсадных труб (не показана на фиг. 1А и 1В). В других вариантах осуществления данного изобретения скважина может эксплуатироваться в виде скважины с необсаженным стволом без колонны обсадных труб.

[0024] Буровой снаряд 128 может содержать в себе секции насосно-компрессорных труб, каждая из которых соединена с соседними насосно-компрессорными трубами резьбовым соединением или другими типами соединений. Буровой снаряд 128 может означать комплект труб, оправок для закрепления скважинного инструмента или насосно-компрессорных труб в качестве единого составного изделия или, в качестве альтернативы, отдельные трубы, оправки или насосно-компрессорные трубы, которые представляют собой, в частности, колонну труб. Термин «буровой снаряд» не предназначен для того, чтобы быть ограничительным по своему характеру, и может распространяться на спускной инструмент или любой другой тип бурового снаряда, используемый для размещения скважинного оборудования 144 в стволе скважины. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения буровой снаряд 128 может содержать в себе промывочный канал, расположенный в продольном направлении в буровом снаряде 128, который способен обеспечивать сообщение текучей среды между земной поверхностью 124, с которой пробурена скважина 102, и местонахождением 136 ствола скважины.

[0025] Спуск бурового снаряда 128 может выполняться при помощи подъемного приспособления 106, связанного с вышкой 114, расположенной на буровой установке 104 или рядом с ней, или на морской платформе 142. Подъемное приспособление 106 может содержать в себе крюк 110, кабель 108, талевый блок (не показан) и подъемник (не показан), которые работают совместно для того, чтобы поднимать или опускать вертлюг 116, который соединен с верхним концом бурового снаряда 128. Буровой снаряд 128 может быть поднят или опущен по мере необходимости для того, чтобы добавить дополнительные секции насосно-компрессорных труб к буровому снаряду 128 для расположения дальнего конца бурового снаряда 128 в местонахождение 136 ствола 130 скважины.

[0026] На фиг. 2 проиллюстрирован схематический вид общей организационной структуры системы eSSSV в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 1, организационная структура системы eSSSV содержит в себе центральную систему управления (MCS) 110. MCS 110 представляет собой специально скомпонованную систему, имеющую необходимое аппаратное и программное обеспечение для выполнения определенного набора отличительных признаков, раскрытых в данном документе. Например, как минимум, MCS 110 будет содержать в себе по меньшей мере одно устройство для обработки данных или процессор для выполнения команд, запоминающее устройство для хранения команд и других данных, используемых процессором, и один или большее количество интерфейсов передачи данных, таких как интерфейсы ввода-вывода данных для приема входных данных и отображения информации, а также один или большее количество сетевых интерфейсов для передачи данных по сети. Инструкции могут включать, помимо прочего, команды на машинном языке, байт-код для программного интерпретатора, объектный код и исходный код на языке программирования высокого уровня. MCS 110 также может содержать в себе устройства ввода, такие как клавиатура, мышь и сенсорный экран, но не ограничиваться ими.

[0027] В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения MCS 110 имеет двойные независимые резервные каналы связи 112, 113 с подводным модулем управления (SCM) 120, который обеспечивает обмен данными и командами между MCS 110 и SCM 120. Двойные каналы связи 112, 113 могут использовать различные протоколы обмена данными или стандарты для связи с SCM 120, такие как, помимо прочего, стандартизация интерфейса интеллектуальной скважины (IWIS), RS232, RS4xx (например, RS422), локальная компьютерная сеть Ethernet, протокол управления передачей или Интернет-протокол (протокол TCP/IP), протокол Modbus®, протокол Modbus TCP и стандарт оболочки для конфигурации и управления современными процессами оптимизации всех видов деятельности (технологических процессов) на нефтегазовых месторождениях(стандарт ProdML™).

[0028] SCM 120 включает в себя два независимых блока управления 120A и 120B. Блок управления 120А содержит в себе плату контроллера eSSSV IWIS (обозначена как eSSSV eSIC) 121a и плату источника питания eSSSV IWIS (обозначена как eSSSV eSIPS) 122a. Блок управления 120B содержит в себе eSIC 121b и eSIPS 122b. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения SCM 120 содержит в себе два независимых источника питания 123a, 123b. Источник питания 123a выполнен с возможностью обеспечивать питание для eSIC 121a и eSIPS 122a. Источник 123b выполнен с возможностью обеспечивать питание для eSIC 121b и eSIPS 122b. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения eSIC 121a соединен с возможностью связи с MCS 110 по линии связи 112, тогда как eSIC 121b соединен с возможностью связи с MCS 110 по линии связи 113.

[0029] В одном из вариантов осуществления данного изобретения eSIPS 122a и eSIPS 122b соединены двумя канальными трактами 126 и 128, оба из которых соединены с выходом A и выходом B. Каждый из eSIPS 122a и eSIPS 122b включают в себя электронный проходной выключатель 130a и 130b соответственно, который используется для того, чтобы задать, какой тракт или выход (A и/или B) принимает управляющий или выходной сигнал. Как будет дополнительно описано ниже, выключатель позволяет независимым блокам управления 120a и 120b сообщаться либо независимо друг от друга, либо совместно с двумя внутрискважинными электронными блоками, соединенными с eSSSV 100.

[0030] В одном из вариантов осуществления данного изобретения выход А и выход В SCM 120 соединяются с eSSSV 100 в скважине с использованием стандартного кабеля, заключенного в оболочку в виде трубы (TEC). В одном из вариантов осуществления данного изобретения структура системы связи включает в себя технологию передачи данных по линиям электропередачи. Это позволяет использовать одну линию для экономии места в зоне проникновения при бурении. Приемник имеет аналоговую и цифровую фильтрацию для обеспечения очень надежной системы связи в жестких эксплуатационных условиях с высоким уровнем помех. Высокая скорость цифровой обработки программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) входящего сигнала связи также действует как фильтр пропускания низких частот с высокой частотной границей, который дополнительно фильтрует входящий сигнал, чтобы гарантировать, что электронные модули получают команду с поверхности. Приемник ПЛИС, управляемый встроенным программным обеспечением, представляет собой схему на основе частотной манипуляции с адаптивно регулируемой скоростью передачи данных. Алгоритм декодирования входящего сигнала является очень малочувствительным к значительным изменениям несущей частоты и является чрезвычайно малочувствительным к значительным изменениям цикла нагрузки (т.е. от 3% до 97%). Одним из преимуществ раскрытых вариантов осуществления данного изобретения является то, что с использованием декодера на основе встроенного программного обеспечения вместо использования схем аппаратного обеспечения система является нечувствительной к изменениям температуры. Это уменьшает количество и размер компонентов, а также повышает надежность и универсальность применения.

[0031] В дополнение к этому следует отметить, что общая конструкция системы обеспечивает очень низкое отношение «сигнал - помеха» (SNR). Это означает, что даже в случае низкой интенсивности сигнала связи, смешанного с низкочастотными и высокочастотными помехами высокой интенсивности, приемник будет функционировать правильно. В случае неиспользования передатчик связи переводит электрическую шину в высокоимпедансное состояние («Выключено»). В одном из вариантов осуществления данного изобретения передатчик имеет 8 каналов резервных электрических приводов тока для дублирования и большей интенсивности исходящего сигнала. Передаваемый сигнал также принимается и может быть декодирован для обнаружения неисправностей и аномалий в канале связи и принятия мер по смягчению их последствий в режиме реального времени.

[0032] В раскрытых вариантах осуществления данного изобретения eSSSV 100 имеет два независимых резервных внутрискважинных электронных блока (DHU) 142a, 142b и два независимых резервных электромагнитных пускателя 144a, 144b, которые приводят в движение одинарный клапан 150. В одном из вариантов осуществления клапан 150 состоит из внешнего магнита из редкоземельных металлов, соединенного с магнитом внутри корпуса eSSSV 100. Независимые модули управления 142a, 142b и независимые электромагнитные пускатели 144a, 144b могут каждый в отдельности или совместно приводить клапан 150 в открытое положение. Аналогичным образом один или оба электромеханических механизма дистанционного управления клапанами 144a, 144b способны удерживать клапан 150 в открытом положении.

[0033] В некоторых вариантах осуществления данного изобретения, кроме приведения в действие клапана, электронные блоки управления 120А и 120В также имеют встроенные датчики температуры и давления. Это увеличивает объем данных, которые могут быть проанализированы на поверхности, благодаря чему оператор имеет больше информации для принятия оперативных решений. Например, датчик давления отражает наличие наружного корпуса. Датчик температуры предоставляет данные о температуре внутри камеры с электронным оборудованием, которая тесно связана с внешней средой. Датчик температуры может использоваться для приблизительного определения внешней температуры и может предупреждать о внутренних проблемах, которые вызывают чрезмерный нагрев.

[0034] Несмотря на то, что на фиг. 2 проиллюстрирован только один SCM 120 и один eSSSV 100, структурная схема системы предназначена для многоузловой системы, в связи с чем может быть один или большее количество eSSSV, расположенных последовательно на разных глубинах, как проиллюстрировано на фиг. 1А и фиг. 1B, для того, чтобы повысить дублирование с целью большей устойчивости к отказам или для разобщения эксплуатационной колонны на несколько интервалов и управления ими. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения один SCM 120 может использоваться для управления несколькими eSSSV.

[0035] Кроме того, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения система также предназначена для использования с другими датчиками давления и температуры, расходомерами или другими гидравлическими клапанами или любыми другими инструментами, которые взаимодействуют по тому же самому протоколу. Все эти инструменты могут находиться на одном и том же однопроводном кабеле TEC в скважине, как проиллюстрировано на фиг. 3. Если в линии ниже точки установки eSSSV имеется короткое замыкание, ее можно изолировать, путем замыкания электронного проходного выключателя 301.

[0036] В качестве альтернативного варианта на фиг. 4 проиллюстрирован схематический вид одного узла со встроенными датчиками давления и температуры (PT) в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения. В проиллюстрированном варианте осуществления блок 400 внутрискважинного электронного оборудования eSSSV содержит в себе DHU 402 и датчик 404 давления. В одном из вариантов осуществления DHU 402 выполнен с возможностью, помимо прочего, управления механизмом дистанционного управления клапаном 406, измерения давления (P), температуры (T), вибрации, скорости (V) и интенсивности (I), установления связи через Modbus, и при этом он снабжается интерфейсом с измерительным датчиком 404 давления. Неограничивающим примером датчика 404 давления, который может использоваться, является датчик давления и температуры Quartzdyne™. Датчики, расположенные сверху и снизу клапана, могут использоваться, помимо прочего, для обнаружения утечек, определения расхода потока и положения клапана.

[0037] На фиг. 5 проиллюстрирован еще один вариант осуществления узла 500 внутрискважинного блока электронного оборудования eSSSV. В этом варианте осуществления узел 500 внутрискважинного блока электронного оборудования eSSSV реализует многоканальную конструкцию, в которой датчики давления и температуры могут быть частью клапана. Например, как проиллюстрировано на фиг. 5, DHU 502 и датчик 504 давления и температуры могут быть опущены в скважину одновременно с помощью одного и того же внутрискважинного кабеля TEC 510. Неограничивающим примером датчика 504 давления и температуры, который может использоваться, является датчик давления и температуры ROC-X™, которые выпускает компания Halliburton^®. По аналогии с фиг. 4 DHU 502 может быть выполнен с возможностью, среди прочего, управления механизмом дистанционного управления клапаном 506, измерения давления P, температуры T, вибрации, скорости V и интенсивности I и установления связи через Modbus.

[0038] Обратимся теперь к фиг. 6, на которой представлена электромеханическая схема механизма дистанционного управления клапаном 600 в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления данного изобретения. Как описано выше и как проиллюстрировано на фиг. 2, раскрытые варианты осуществления изобретения включают резервные механизмы дистанционного управления клапаном. На фиг. 6 приведен пример только одного из механизмов дистанционного управления клапаном.

[0039] В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения механизм дистанционного управления клапаном 600 включает в себя двигатель 601, имеющий две катушки, катушку AB и катушку CD. В одном из вариантов осуществления двигатель 601 требует работы как катушки AB, так и катушки CD. В некоторых вариантах осуществления двигатель 601 может также включать резервные катушки как для катушки AB, так и для катушки CD для того, чтобы обеспечить еще большую эксплуатационную гибкость и надежность управления.

[0040] Например, в проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения как муфта сцепления 606, так и тормоз 602 показаны с резервными катушками (катушка 1 и катушка 2). В этом варианте осуществления изобретения работа муфты сцепления 606 или тормоза 602 требует использования только одной катушки.

[0041] На фиг. 7 и на фиг. 8 проиллюстрированы два способа использования резервных катушек в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления данного изобретения. Например, система может иметь конфигурацию полностью изолированной резервной системы, как показано на фиг. 7, где сторона A 604 (первый механизм дистанционного управления клапаном) изолирована от стороны B 605 (второй механизм дистанционного управления клапаном). В качестве альтернативного варианта система может иметь конфигурацию неизолированной системы с перекрестным управлением между стороной А и стороной В, как проиллюстрировано на фиг. 8.

[0042] Переключение от стороны A на сторону B может быть выполнено, если линейный двигатель 601 находится в движении или «работает в моторном режиме» или пока он находится в положении «включен» или «заторможен». Это позволяет регулировать уровень равномерного износа таким образом, что сторона А и сторона В эксплуатируются в течение эквивалентного времени для того, чтобы увеличить срок службы инструмента. Благодаря тому, что обе стороны способны открывать клапан независимо, дублирование системы позволяет повысить надежность системы. Дублирование также приводит к большей устойчивости системы к отказам. Внутри каждого из модулей управления стороны A и стороны B есть два тормоза 602 и две муфты сцепления 606, благодаря чему любой из двух внутренних модулей управления тормозом со стороны A или со стороны B может удерживать клапан закрытым. Таким образом, в системе существует восемь возможных комбинаций для управления муфтой сцепления 606 и тормозом 602. Например, тормоз 2 со стороны B можно использовать с муфтой сцепления 1 со стороны A.

[0043] Конструкция с дублированным механизмом дистанционного управления клапаном сама по себе позволяет осуществлять выравнивание износа, продлевая срок службы и надежность инструмента путем управления механизмами дистанционного управления клапаном таким образом, что каждый из них имеет одинаковую продолжительность эксплуатации. В одном из вариантов осуществления данного изобретения eSSSV удерживается в нормально закрытом положении усилием большой пружины, благодаря чему в случае отключения электропитания или отказа на уровне поверхности усилие пружины автоматически закроет клапан. В некоторых вариантах осуществления в механизм дистанционного управления клапаном встроен демпфер, благодаря чему клапан закрывается с безопасной скоростью.

[0044] В некоторых вариантах осуществления данного изобретения при каждом механизме дистанционного управления клапаном имеется датчик положения. Датчик положения используется для точного управления. Это дает оператору на поверхности дополнительную информацию о состоянии системы. Это выходит далеко за рамки простого показания открытого и закрытого положения. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения датчик положения показывает скорость открытия или закрытия клапана. Он также может показывать потенциальные проблемы или снижение работоспособности до того, как клапан достигнет конца своего срока службы.

[0045] В одном из вариантов осуществления данного изобретения структура аналогового управления двигателем механизма дистанционного управления клапаном определяет величину напряжения и тока для шаговых двигателей. Эти параметры контролируются цифровым способом для защиты механизма дистанционного управления клапаном в случае сверхтока или перенапряжения. Она также может предоставлять важную информацию о техническом состоянии двигателей.

[0046] В некоторых вариантах осуществления данного изобретения основной источник электроснабжения муфты сцепления 606, двигателя 601 и тормоза 602 представляет собой импульсный источник питания 901 с понижением напряжения в соответствии с фиг. 9. В некоторых вариантах осуществления конфигурация импульсного источника питания 901 включает в себя новую структуру управления и прикладную программу. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения адаптивный контроллер 909 на основе микропрограммы используется для включения или выключения и управления выходом импульсного источника питания 901 с понижением напряжения. В одном из вариантов осуществления адаптивный контроллер 909 на основе микропрограммы представляет собой пользовательский код ПЛИС и не требует отдельной аналоговой интегральной схемы (ИК) контроллера аналоговой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Использование встроенного программного обеспечения вместо отдельного контроллера ШИМ ИК делает систему нечувствительной к изменениям температуры. Это уменьшает количество и размер компонентов, а также обеспечивает дополнительную надежность и универсальность применения.

[0047] Кроме того, в проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения конструкция может включать в себя двойные контуры обратной связи 902 и 903. В одном из вариантов осуществления контур обратной связи 903 основан на простом устройстве сравнения 904 с настраиваемым заданием средств технического или программного обеспечения, которое может быть опробовано с высокой скоростью, вплоть до скорости, с которой работают внутренние часы ПЛИС. Этот жесткий внешний предел может быть использован для обеспечения того, что если источник питания достигнет определенных пределов, то контроллер будет быстро реагировать и соответственно уменьшать или увеличивать выходное напряжение. Внутренний контур обратной связи 902 или источник программного контура является результатом преобразования аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 905. В одном из вариантов осуществления АЦП 905 имеет программно настраиваемые заданные значения для управления выходным напряжением в диапазоне допусков в узких пределах. Функция двойного цикла также добавляет безопасность в том смысле, что если одна петля обратной связи выходит из строя, то есть другая, которая может использоваться независимо. Существует также датчик тока и датчик напряжения для отключения системы в случае высокого значения напряжения или тока. Эти ограничения являются программно устанавливаемыми, благодаря чему достигается максимальная гибкость в схеме управления электропитанием.

[0048] Наряду со всеми другими измерениями АЦП в системе измеряются и контролируются напряжение и ток в рабочей части инструмента. В одном из вариантов осуществления данного изобретения система АЦП 905 состоит из одноканального АЦП с многоузловыми входами, подключенными к одной аналоговой буферной шине. Это позволяет выполнять любое сколь угодно большое количество аналоговых измерений. Это также позволяет принимать в расчет многоузловые сбои. Например, если на конкретном узле произошел сбой, то отсоединение коммутации этого узла на шину АЦП будет защищать расположенную за ним электронику и изолировать отказ. Промежуточный аналоговый коммутатор защищает каждый из входных узлов, изолируя его от главной шины электропитания.

[0049] В некоторых вариантах осуществления данного изобретения структура электропитания электронного модуля управления также является единственной в своем роде. Например, как описано выше, в одном из вариантов осуществления она имеет импульсный источник питания 901 с понижением напряжения большой мощности для снабжения электроэнергией тормоза, муфты сцепления и двигателя механизма дистанционного управления клапаном. Однако в некоторых вариантах осуществления изобретения может быть реализована структура с двумя источниками питания, как показано на фиг. 10. В проиллюстрированном варианте осуществления данного изобретения структура источника питания также включает в себя резервный источник питания 912 низкого напряжения, который предназначен для логических ИС с низким напряжением 5 В и 3,3 В. Это означает, что сбой источника питания 901 большой мощности не приведет к полному отключению электропитания инструмента. Инструмент по-прежнему будет срабатывать и предоставлять важную системную информацию. Это также означает, что источник питания 901 высокого напряжения должен включаться контроллером 914 только в необходимых случаях, тем самым увеличивая срок службы и надежность схемы. В одном из вариантов осуществления данного изобретения источник питания 910 низкого напряжения является многоступенчатым линейным регулятором, поэтому он прост по своей конструкции и с меньшим количеством компонентов менее подвержен отказу. Кроме того, источник питания 910 низкого напряжения является более надежным и имеет пониженную мощность помех на выходе по сравнению с импульсным источником питания 901. Количество последовательно включенных регулирующих питание элементов может быть увеличено для обеспечения больших значений входного напряжения или тока, таким образом конструкция является модульной и расширяемый.

[0050] Кроме того, в одном из вариантов осуществления данного изобретения наземная система имеет единственную в своем роде структуру с двойной шиной. Если одна шина оказывается не в состоянии снабжать энергией скважинный инструмент, то для снабжения энергией может использоваться вспомогательная шина. Низковольтный источник питания и импульсный источник питания с понижением напряжения работают с широким диапазоном амплитуд входного сигнала, благодаря чему фиксированное значение напряжения может быть установлено на поверхности, и инструмент будет нормально работать независимо от длины TEC или свойств любого конкретного TEC. Независимо от сопротивления, индуктивности или электрической емкости конкретного TEC инструмент все равно будет работать правильно. С другой стороны, значение напряжения на поверхности земли также может доводиться до более высоких или пониженных значений напряжения в зависимости от условий нагрузки и температур в скважине, а также от длины TEC или глубины размещения инструмента.

[0051] В соответствии с этим раскрытые выше варианты осуществления данного изобретения обеспечивают большое количество дополнительных функций электронных модулей управления на основе полиимидного ПХД (полихлорбифенила), предназначенных для безопасного, дублированного и комплексного управления электрическим скважинным клапаном-отсекателем. Одно из основных преимуществ раскрытого eSSSV заключается в возможности преодоления необходимости и зависимости от поставщиков, оказывающих подводные услуги по обеспечению требуемого давления (давления подводного коллектора) на гидравлических линиях для манипулирования клапанами скважинных завершающих инструментов наряду с минимальным использованием проходок верхних частей скважин, но в то же самое время обеспечивая высокую надежность за счет дублирования. Таким образом, раскрытая система eSSSV предусматривает возможность осуществления полностью электрического оснащения скважины без необходимости в гидравлических линиях высокого давления.

[0052] Другое преимущество раскрытых вариантов осуществления данного изобретения заключается в предоставлении огромного количества данных от электронных модулей управления и модулей связи оператору скважины для того, чтобы он мог лучше понять условия в скважине и состояние оборудования самого клапана-отсекателя, включая информацию самодиагностики, которая будет способствовать раннему обнаружению возможного отказа в клапане-отсекателе. Например, в одном из вариантов осуществления это включает в себя датчик положения клапана, который предоставляет информацию о положении клапана, а не только индикацию его закрытия или открытия. Температура внутри сварного шва термически связана с температурой окружающей среды, благодаря чему изменения температуры в клапане могут быть обнаружены и сообщены оператору. Давление внутри сварного шва измеряется, благодаря чему может быть обнаружено любое ухудшение состояния сварного шва на корпусе с электронным оборудованием, если давление внутри увеличивается или если имеет место какое-либо выделение газа в связи с материалами внутри сварных соединений электронного оборудования. Это дает раннее, заблаговременное предупреждение о возможных проблемах до того, как они появятся. Величины токов и напряжений сообщаются на системном уровне, благодаря чему прослеживается любое ухудшение состояния электронного оборудования или кабеля, и по мере необходимости могут быть приняты предупредительные меры.

[0053] Кроме того, как описано выше, каждый электромагнитный пускатель состоит из муфты сцепления, двигателя, демпфера, тормоза и многого другого. Закрытие клапана с безопасной скоростью осуществляется электромеханическим демпфером, который замедляет скорость закрытия клапана. Это позволяет избежать быстрого закрытия, которое может привести к повреждению в результате быстрого изменения давления.

[0054] Кроме того, в некоторых вариантах осуществления eSSSV может работать на кабеле с витыми жилами или работать на одножильном кабеле с дополнением, используемым в качестве пути возврата сигнала. Это означает, что он будет работать с совместно используемым путем возврата сигнала с другими датчиками и инструментами.

[0055] На основании вышеизложенного должно быть очевидно, что были представлены варианты осуществления изобретения, имеющие значительные преимущества. Несмотря на то, что варианты осуществления показаны только в нескольких формах, варианты осуществления не ограничены, но подвержены различным изменениям и модификациям без отступления от существа изобретения.

[0056] Кроме того, этапы способов, описанных в данном документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке или одновременно там, где это необходимо. Таким образом, объем формулы изобретения не обязательно должен ограничиваться приведенным выше описанием, которое просто приводится в качестве примеров, позволяющих специалисту обычной квалификации в данной области техники применять на практике прилагаемую формулу изобретения.

[0057] Более того, в то время как в прилагаемой формуле изобретения рассматриваются конкретные комбинации отличительных признаков раскрытых вариантов осуществления данного изобретения, другие комбинации пунктов формулы изобретения могут включать в себя один или большее количество из следующих отличительных признаков, объединяемых в любом количестве комбинаций. Другими словами, предполагается, что раскрытые варианты осуществления данного изобретения поддерживают поправки к прилагаемой формуле изобретения или новым пунктам формулы изобретения, которые объединяют или опускают различные этапы или отличительные признаки раскрытых вариантов осуществления в любой комбинации, отличной от тех, которые конкретно перечислены в данной прилагаемой формуле изобретения. Например, заявленный электрический внутрискважинный клапан-отсекатель или система электрического внутрискважинного клапана-отсекателя может содержать в себе один или большее количество следующих пунктов или частей следующих пунктов, объединяемых в любое количество комбинаций:

• центральная система управления;

• подводный модуль управления;

• электрический внутрискважинный клапан-отсекатель, содержащий в себе дублированные резервные электронные модули, состоящие из первого внутрискважинного электронного блока и второго внутрискважинного электронного блока, которые выполнены с возможностью управления питанием первого электромагнитного пускателя и второго электромагнитного пускателя, которые приводят в движение одинарный клапан;

• первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель по отдельности или совместно приводят в движение одинарный клапан или сохраняют его положение;

• дополнительные скважинные инструменты ниже электрического внутрискважинного клапана-отсекателя, расположенные вдоль по одному и тому же кабелю, заключенному в оболочку в виде трубы (TEC);

• электрический внутрискважинный клапан-отсекатель содержит в себе электронный проходной выключатель, который может быть замкнут в ответ на короткое замыкание, возникающее ниже электрического внутрискважинного клапана-отсекателя;

• и первый внутрискважинный электронный блок, и второй внутрискважинный электронный блок содержат в себе встроенные датчики давления и температуры (РТ);

• первый электромагнитный пускатель содержит первый тормоз, первый двигатель и первую муфту сцепления; и при этом второй электромагнитный пускатель содержит второй тормоз, второй двигатель и вторую муфту сцепления;

• и первый электромагнитный пускатель, и второй электромагнитный пускатель содержит в себе встроенный демпфер, выполненный с возможностью закрывать одинарный клапан с безопасной скоростью;

• и первый электромагнитный пускатель, и второй электромагнитный пускатель содержат в себе датчик положения, который показывает, открыт или закрыт одинарный клапан, а также скорость открытия и закрытия одинарного клапана;

• первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель получают электрическое питание от импульсного источника питания с понижением напряжения, который содержит в себе структуру управления, которая реализует двойной контур обратной связи для контроля выходного напряжения импульсного источника питания с понижением напряжения;

• первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель получают электрическое питание с использованием структуры блока двойного энергопитания;

• первый канал связи и второй канал связи между центральной системой управления и подводным модулем управления;

• первый блок управления и второй блок управления в подводном модуле управления, при этом первый канал связи соединен с первым блоком управления и при этом второй канал связи соединен со вторым блоком управления;

• первый источник питания и второй источник питания в подводном модуле управления, при этом первый источник питания подает питание на первый блок управления, а второй источник питания подает питание на второй блок управления;

• первый блок управления содержит в себе первую плату контроллера eSSSV и первую плату источника питания eSSSV;

• второй блок управления содержит в себе вторую плату контроллера eSSSV и втору плату источника питания eSSSV;

• и первый блок управления, и второй блок управления содержит в себе встроенные датчики температуры и давления;

• первый блок управления и второй блок управления подключаются к первому выходу, который подсоединяется к первому внутрискважинному электронному блоку, а второй выход подсоединяется ко второму внутрискважинному электронному блоку;

• и первый блок управления, и второй блок управления содержит в себе переключатель каналов для выбора одного из первого выхода и второго выхода;

• первый выход подсоединяется к первому внутрискважинному электронному блоку с использованием первого внутрискважинного кабеля TEC;

• второй выход подсоединяется ко второму внутрискважинному электронному блоку с использованием второго внутрискважинного кабеля TEC;

• первый внутрискважинный кабель TEC и/или второй внутрискважинный кабель TEC содержат технологию связи по линиям электропередачи;

• первый внутрискважинный электронный блок и первый тормоз, первый двигатель и первая муфта сцепления первого электромагнитного пускателя полностью изолированы от второго внутрискважинного электронного блока и второго тормоза, второго двигателя и второй муфты сцепления второго электромагнитного пускателя;

• первый внутрискважинный электронный блок и второй внутрискважинный электронный блок выполнены с возможностью производить перекрестное управление между первым тормозом, первым двигателем, первой муфтой сцепления, вторым тормозом, вторым двигателем и второй муфтой сцепления; и

• подводный модуль управления выполнен с возможностью использования первого электромагнитного пускателя и второго электромагнитного пускателя в течение эквивалентного времени.

[0058] Формула изобретения данной заявки состоит в следующем:

Раскрытое в данном документе является вариантами осуществления управляемого с поверхности и устойчивого к отказам электрического внутрискважинного клапана-отсекателя для использования в скважине. Например, в одном из вариантов осуществления изобретения раскрыта система электрического внутрискважинного клапана-отсекателя (eSSSV), которая содержит центральную систему управления, подводный модуль управления и электрический внутрискважинный клапан-отсекатель, содержащий в себе дублированные резервные электронные модули, которые выполнены с возможностью управлять питанием электромагнитных пускателей, которые приводят в движение одинарный клапан. При этом по меньшей мере один электронный модуль содержит проходной выключатель, и указанный выключатель позволяет модулям сообщаться либо независимо друг от друга, либо совместно с внутрискважинными электронными блоками. Технический результат заключается в повышении эффективности электрического внутрискважинного клапана-отсекателя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система электрического внутрискважинного клапана-отсекателя (eSSSV), содержащая:

центральную систему управления;

подводный модуль управления; и

электрический внутрискважинный клапан-отсекатель, содержащий в себе дублированные резервные электронные модули,

состоящие из первого внутрискважинного электронного блока и второго внутрискважинного электронного блока, которые выполнены с возможностью управления питанием первого электромагнитного пускателя и второго электромагнитного пускателя, которые приводят в движение одинарный клапан;

при этом по меньшей мере один электронный модуль содержит проходной выключатель, и указанный выключатель позволяет модулям сообщаться либо независимо друг от друга, либо совместно с внутрискважинными электронными блоками.

2. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель по отдельности или совместно приводят в движение одинарный клапан или сохраняют его положение.

3. Система eSSSV по п. 1, дополнительно содержащая дополнительные скважинные инструменты ниже электрического внутрискважинного клапана-отсекателя, расположенные вдоль по одному и тому же кабелю, заключенному в оболочку в виде трубы (TEC), и при этом электрический внутрискважинный клапан-отсекатель содержит в себе электронный проходной выключатель, который может быть замкнут в ответ на короткое замыкание, возникающее ниже электрического внутрискважинного клапана-отсекателя.

4. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что и первый внутрискважинный электронный блок, и второй внутрискважинный электронный блок содержат в себе встроенные датчики давления и температуры (РТ).

5. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что первый электромагнитный пускатель содержит первый тормоз, первый двигатель и первую муфту сцепления; и при этом второй электромагнитный пускатель содержит второй тормоз, второй двигатель и вторую муфту сцепления.

6. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что и первый электромагнитный пускатель, и второй электромагнитный пускатель содержат в себе встроенный демпфер, выполненный с возможностью закрывать одинарный клапан с безопасной скоростью.

7. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что и первый электромагнитный пускатель, и второй электромагнитный пускатель содержит в себе датчик положения, который показывает, открыт или закрыт одинарный клапан, а также скорость открытия или закрытия одинарного клапана.

8. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель получают электрическое питание от импульсного источника питания с понижением напряжения, который содержит в себе структуру управления, которая реализует двойной контур обратной связи для контроля выходного напряжения импульсного источника питания с понижением напряжения.

9. Система eSSSV по п. 1, отличающаяся тем, что первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель получают электрическое питание с использованием структуры блока двойного энергопитания.

10. Система eSSSV по п. 1, дополнительно содержащая:

первый канал связи и второй канал связи между центральной системой управления и подводным модулем управления; и

первый блок управления, и второй блок управления в подводном модуле управления, при этом первый канал связи соединен с первым блоком управления, и при этом второй канал связи соединен со вторым блоком управления;

и, необязательно, первый источник питания и второй источник питания в подводном модуле управления, при этом первый источник питания подает питание на первый блок управления, а второй источник питания подает питание на второй блок управления;

и, необязательно, при этом первый блок управления содержит в себе первую плату контроллера eSSSV и первую плату источника питания eSSSV, и при этом второй блок управления содержит в себе вторую плату контроллера eSSSV и вторую плату источника питания eSSSV.

11. Система eSSSV по п. 10, отличающаяся тем, что и первый блок управления, и второй блок управления содержит в себе встроенные датчики температуры и давления.

12. Система eSSSV по п. 10, отличающаяся тем, что первый блок управления и второй блок управления подключаются к первому выходу, который подсоединяется к первому внутрискважинному электронному блоку, и ко второму выходу, который подсоединяется ко второму внутрискважинному электронному блоку, при этом и первый блок управления, и второй блок управления содержат в себе переключатель каналов для выбора одного из первого выхода и второго выхода;

и, необязательно, при этом первый выход подсоединяется к первому внутрискважинному электронному блоку с использованием первого внутрискважинного кабеля TEC, при этом второй выход подсоединяется ко второму внутрискважинному электронному блоку с использованием второго внутрискважинного кабеля TEC;

и, необязательно, при этом первый внутрискважинный кабель TEC и второй внутрискважинный кабель TEC содержат технологию связи по линиям электропередачи.

13. Система eSSSV по п. 5, отличающаяся тем, что первый внутрискважинный электронный блок и первый тормоз, первый двигатель и первая муфта сцепления первого электромагнитного пускателя полностью изолированы от второго внутрискважинного электронного блока и второго тормоза, второго двигателя и второй муфты сцепления второго электромагнитного пускателя; и, необязательно, подводный модуль управления выполнен с возможностью использования указанного первого электромагнитного пускателя и указанного второго электромагнитного пускателя в течение эквивалентного времени.

14. Система eSSSV по п. 5, отличающаяся тем, что первый внутрискважинный электронный блок и второй внутрискважинный электронный блок выполнены с возможностью производить перекрестное управление между первым тормозом, первым двигателем, первой муфтой сцепления, вторым тормозом, вторым двигателем и второй муфтой сцепления;

и, необязательно, при этом подводный модуль управления выполнен с возможностью использования первого электромагнитного пускателя и второго электромагнитного пускателя в течение эквивалентного времени.

15. Электрический внутрискважинный клапан-отсекатель, содержащий:

дублированные резервные электронные модули, состоящие из первого внутрискважинного электронного блока и второго внутрискважинного электронного блока;

первый электромагнитный пускатель и второй электромагнитный пускатель; и

клапан;

при этом по меньшей мере один электронный модуль содержит проходной выключатель, и указанный выключатель позволяет модулям сообщаться либо независимо друг от друга, либо совместно с внутрискважинными электронными блоками.