СКВАЖИННЫЙ ЭЛЕКТРОКЛАПАН Российский патент 2023 года по МПК E21B34/06 E21B43/12 G05D7/06 

Область техники

Изобретение относится к нефте- и газодобывающей промышленности, а именно к подземному скважинному оборудованию, в частности к скважинным электроклапанам для проведения работ по глушению, освоению, промывке, гидроразрыву продуктивного пласта, и последующего контроля и регулирования притока (закачки) для увеличения нефте- или газоотдачи.

Уровень техники

Из уровня техники известен электроклапан для проведения работ по гидроразрыву пласта, либо контроля притока, который состоит из корпуса с герметичным отсеком электроники и подвижной части. В герметичном отсеке расположен мотор-редуктор. Подвижная часть включает в себя полый цилиндрический корпус с кожухом с выполненными в нем циркуляционными отверстиями корпуса, подвижный затвор с радиальными отверстиями, который коаксиально размещен во внутренней части корпуса электроклапана и имеет возможность двигаться вдоль оси корпуса электроклапана без осевого вращения (EA 202100164 A1, опубл. 30.11.2022).

Из уровня техники также известен электроклапан (прототип) для установки в скважину в составе скважинных труб, выполненный с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана. Клапан имеет полый цилиндрический корпус с отверстиями и расположенную внутри гильзу с отверстиями и электродвигатель. Гильза выполнена с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по удаленному каналу связи (RU2777043 С1, опубл. 01.08.2022).

Анализ современного уровня техники показывает, что известные технические решения имеют ряд эксплуатационных ограничений. Главным минусом устройств, является тот факт, что внешний кожух/корпус электроклапанов является самой нагруженной деталью изделий при работе в условиях экстремально высоких давлений, так как выполнен в виде цилиндрической тонкостенной оболочки большого диаметра, принимающей на себя воздействие давления среды в затрубном пространстве, что в свою очередь накладывает существенные эксплуатационные ограничения на максимальное давление в затрубном пространстве и, следовательно, ограничивает область применения устройства. Также электроклапаны не имеют сквозных каналов для транзита электрических или гидравлических линий для подключения оборудования, установленного под ними в скважине, вследствие чего транзитные гидравлические линии и/или электрические кабели прокладываются в зазоре между электроклапаном и обсадной колонной (либо стенкой необсаженного ствола скважины). Это накладывает ограничения на минимальный зазор между кожухом клапана и обсадной колонной (либо стенкой необсаженного ствола скважины) для монтажа транзитных линий, ограничивая область применения устройства. Другим существенным недостатком устройств является отсутствие возможности установки противопесочного фильтра, что особенно критично при работе клапана в режиме контроля притока, когда подвижная гильза может менять свое положение до нескольких тысяч раз за время жизненного цикла устройства.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание нового скважинного электроклапана с электрическим двигателем и с подвижной втулкой-затвором, через которую протекает флюид, который обеспечивает возможность эксплуатации устройства в высокодебитных нефте- или газодобывающих скважинах, а также в нагнетательных скважинах; проведения работы по глушению, освоению, промывке, гидроразрыву продуктивного пласта; при дальнейшей эксплуатации скважины служить устройством контроля притока флюида в добывающей скважине или профилем закачки жидкости в нагнетательной скважине.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение эксплуатационных возможностей (расширение области применения) скважинного электроклапана при одновременном повышении его надежности.

Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретения достигается за счет нового электроклапана для установки в скважину в составе скважинных труб, который выполнен с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана. Клапан содержит полый цилиндрический корпус с отверстиями и расположенную внутри корпуса гильзу, выполненную с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по удаленному каналу связи. Электродвигатель в герметичном корпусе (4), расположен во внутреннем пространстве клапана под кожухом. Указанное пространство заполнено гидравлической жидкостью. Корпус электроклапана имеет дополнительное сквозное отверстие с установленным в нем средством компенсации внешнего затрубного давления и давления гидравлической жидкости.

В частном случае реализации технического решения средство компенсации давления выполнено в виде подпружиненного поршня с по меньшей мере одним уплотнительным элементом или сильфона.

В частном случае реализации технического решения корпус клапана дополнительно имеет сквозной канал, расположенный вдоль его оси с сохранением герметичности внутреннего пространства клапана.

В частном случае реализации технического решения корпус клапана дополнительно имеет посадочное место для фиксации противопесочного фильтра на входе циркуляционных отверстий корпуса.

В частном случае реализации технического решения подвижная гильза выполнена с возможностью перемещения в промежуточные положения между открытым и закрытым положениями.

Отличительной особенностью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей скважинного клапана при одновременном повышении надежности эксплуатации за счет новой конструкции электрического скважинного клапана, имеющего корпус новой конфигурации, снабженной системой компенсации затрубного давления внешней среды и давления под кожухом внутри клапана. Система компенсации реализована на основе внутреннего герметичного пространства корпуса под кожухом, заполненного гидравлической жидкостью и взаимосвязанного с затрубным пространством через средство компенсации давления. Новая конфигурация при этом позволяет гидравлической жидкости выполнять двойную функцию, а именно являться как смазочным материалом для подвижных элементов элеткроклапана, повышая надежность их эксплуатации, так и средой для передачи давления в системе компенсации. Это обеспечивает возможность повышения верхнего предела давления внешней среды в затрубном пространстве для расширенной эксплуатации электроклапана с электрическим двигателем и с подвижной втулкой-затвором в сравнении прототипом. При этом реализованный в системе механизм обратимого и непрерывного распределения давления повышает надёжность кожуха клапана, принимающего на себя воздействие давления среды в затрубном пространстве.

Дополнительная возможность реализации в новой конфигурации корпуса клапана сквозного канала, через который, возможен, например, монтаж транзитного электрического кабеля или гидравлической линии к оборудованию расположенному под электроклапаном в многоклапанных компоновках (когда в скважине последовательно на разной глубине установлено несколько клапанов, либо другое оборудование), позволяет защитить указанные транзитные линии от повреждения при спускоподъемных операциях. Кроме того, сквозной канал, реализованный в новой конфигурации корпуса позволяет использовать клапан в многоклапанных компоновках даже при небольших диаметрах эксплуатационной колонны (когда зазор между кожухом электроклапана и стенкой обсадной колонны меньше диаметра транзитной линии. Тогда как в прототипе монтаж транзитных линий возможен только в увеличенном зазоре между кожухом клапана и стенкой эксплуатационной колонны, обеспечивающем безопасную эксплуатацию оборудования, что, соответственно, ограничивает область применения в целом.

Новая конфигурация корпуса клапана позволяет при сохранении имеющихся функциональных возможностей дополнительно реализовать посадочное место для надежной фиксации противопесочного фильтра на входе циркуляционных отверстий электроклапана, что позволяет обеспечить заданные параметры герметичности затвора клапана в течение длительного срока при работе в режиме контроля притока флюида в добывающей скважине.

Дополнительная возможность перемещения подвижной гильзы в промежуточные положения между открытым и закрытым положениями позволяет существенно расширить диапазон регулировок клапана в составе скважинных труб при работе в режиме контроля и регулирования притока (закачки).

Указанные особенности являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для достижения поставленной задачи и получения требуемого технического результата.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения поясняются нижеследующим описанием вариантов реализации заявленного технического решения с использованием конкретных примеров исполнения, изображенных на Фиг.1-4, которые, однако, не является единственно возможными, но демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На Фиг.1 изображено продольное сечение скважинного клапана.

На Фиг.2 изображен увеличенный вид А Фиг.1, а именно, один из вариантов реализации средства компенсации затрубного давления и давления гидравлической жидкости.

На Фиг.3 изображен альтернативный вариант реализации средства компенсации давления.

На Фиг. 4а, 4б изображена конфигурация сквозного канала, расположенного вдоль корпуса клапана.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – полый цилиндрический корпус; 2 – циркуляционные отверстия; 3 – подвижная гильза; 4 – электродвигатель с электроникой в герметичном отсеке-корпусе; 5 – гидравлическая жидкость; 6 - сквозное отверстие; 7 – поршень; 8 – уплотнительный элемент; 9 – пружина; 10 – сквозной канал; 11 – противопесочный фильтр; 12 – узлы уплотнения; 13 - сильфон; 14 – кожух.

Осуществление изобретения

Различные особенности конструкции и работы клапана подробно представлены ниже со ссылкой на фигуры чертежей. Следует понимать, что нижеприведенное подробное описание, включая представленные чертежи и примеры эксплуатации устройства, носят иллюстративный, а не ограничительный характер.

Новый электроклапан для установки в скважину в составе скважинных труб, выполненный с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана, содержит полый цилиндрический корпус 1 с циркуляционными отверстиями 2, расположенную внутри корпуса подвижную гильзу 3, выполненную с возможностью как полного, так и дискретного (частичного) перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по удаленному каналу связи (Фиг. 1). Во внутреннем пространстве под кожухом 14 клапана расположен электродвигатель с электроникой, которые расположены в отдельном герметичном отсеке-корпусе 4. Упомянутое внутреннее пространство клапана под кожухом 14 заполнено гидравлической жидкостью 5, которая выполняет, как роль смазочного материала для подвижных элементов электроклапана, так и роль среды для передачи давления. При этом корпус электроклапана имеет сквозное отверстие 6, в которое устанавливается средство компенсации давления. Средство компенсации давления может быть выполнено, например, в виде клапана компенсации давления (Фиг. 2), представляющего собой подвижный подпружиненный поршень 7 с уплотнительным элементом 8, который уравновешивает или частично компенсирует внешнее затрубное давление и давление гидравлической жидкости под кожухом. Параметры пружины 9, поршня 7, ход и диаметр самого поршня 7 подбираются из конкретных условий эксплуатации оборудования в скважине. Альтернативным вариантом исполнения средства компенсации давления может служить сильфон 13 герметично установленный в отверстие 6 (Фиг. 3) и работающий аналогично подпружиненному клапану 7, описанному выше. Следует отметить, что приведенные конкретные примеры исполнения средства компенсации давления не носят ограничительный характер. Возможны иные варианты исполнения, которые позволяют реализовать обратимое и непрерывное распределение давления между гидравлической жидкостью и затрубным пространством в процессе эксплуатации электроклапана, включая режимы работы в условиях экстремально высоких давлений.

Конфигурация корпуса 1 электроклапана позволяет дополнительно иметь сквозной канал 10 (Фиг. 4), который расположен вдоль оси клапана с сохранением герметичности внутренних отсеков электроклапана, включая тот, что заполнен гидравлической жидкостью 5.

Конфигурация корпуса 1 электроклапана позволяет дополнительно иметь посадочное место для надежной фиксации противопесочного фильтра 11 (Фиг. 1) на входе циркуляционных отверстий 2 клапана 1. В режиме контроля притока фильтр 11 способен отсекать фракции песка от попадания во внутритрубное пространство электроклапана, что ведет к заметному снижению износа узлов уплотнений 12 подвижной гильзы 3.

Система компенсации давления на примере реализации, изображенной на Фиг. 2, работает следующим образом. Внутреннее пространство под кожухом 14 клапана заполнено гидравлической жидкостью 5 под небольшим избыточном давлением, которое принудительно создается подпружиненным поршнем 7. При спуске электроклапана в скважину давление внешней среды воздействует на поршень 7 со стороны затрубного пространства, дополнительно поддавливая клапан, при этом давление под кожухом 14 электроклапана повышается. Таким образом, система компенсации давления позволяет снизить или уравновесить разницу между затрубным давлением и давлением гидравлической жидкости 5 под кожухом 14, что повышает несущую способность кожуха 14 и расширяет диапазон эксплуатационных давлений для электроклапана, одновременно повышая его надежность. Кроме того, гидравлическая жидкость обладает смазочными свойствами, снижая износ в узлах трения между подвижными деталями клапана (например, в винтовой паре или подшипниковых узлах). Дополнительно, гидравлическая жидкость может содержать ингибиторы коррозии, которые препятствуют коррозионному воздействию внешней среды на внутреннее пространство клапана (например, при протечке кожуха или при натекании агрессивных газов через полимерные узлы уплотнения диффузионным способом).

Пример. Работа электроклапана в режиме гидроразрыва пласта.

Гидроразрыв пласта (ГРП) происходит следующим образом. Скважинный электроклапан в закрытом положении, при котором отверстия 2 полого цилиндрического корпуса 1 перекрыты подвижной гильзой 3, спускается в скважину в составе хвостовика (на чертежах не показано) до заданного интервала ствола скважины. Средство компенсации давления установленное в корпусе 1 клапана приходит в равновесное положение, компенсируя, либо частично нивелируя, разницу между давлением в затрубном пространстве и давлением гидравлической жидкости 5 под кожухом 14. После спуска компоновки с двух противоположных сторон от скважинного клапана происходит активация заколонных пакеров (на рисунках не показано) для герметизации пространства в области проведения ГРП. С наземной станции управления по электрическому кабелю передается сигнал на открытие электроклапана, в результате чего подвижная гильза 3 смещается вдоль оси клапана до полного открытия циркуляционных отверстий 2 полого цилиндрического корпуса 1 и появляется гидравлическая связь между внутритрубным и затрубным пространством в заданном интервале ствола скважины. После открытия электроклапана в хвостовике нагнетается давление достаточное для образования трещин в пласте, после чего происходит ГРП и через клапан закачивается заданное количество жидкости и/или пропанта в пласт, при этом средство компенсации давления нивелирует воздействие давления жидкости в хвостовике на кожух 14, препятствуя его разрушению, путем повышения давления гидравлической жидкости 5 под кожухом, например, через подвижный поршень 7 или сильфон 13. После проведения ГРП избыточное давление в хвостовике снимается, а средство компенсации давления возвращается исходное состояние. При необходимости проведения ГРП на другом интервале ствола скважины электроклапан закрывается путем передачи управляющего сигнала с наземной станции управления по электрическому кабелю.

Настоящее изобретение допускает множество различных вариантов применения, модификаций или изменений без выхода за пределы объема охраны, как определено независимым пунктом 1 формулы изобретения.

Кроме того, оборудование и материалы, включая гидравлическую жидкость, применяемые для реализации настоящего изобретения, а также формы и размеры отдельных компонентов могут быть выбраны так, чтобы быть наиболее пригодными для удовлетворения конкретных поставленных требований.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к подземному скважинному оборудованию. Электроклапан для установки в скважину в составе скважинных труб выполнен с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана. Электроклапан содержит полый цилиндрический корпус с отверстиями, расположенную внутри корпуса гильзу, выполненную с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи. Электродвигатель расположен в герметичном корпусе во внутреннем пространстве клапана под кожухом. Указанное пространство заполнено гидравлической жидкостью, корпус электроклапана имеет сквозное отверстие с установленным в нем средством компенсации внешнего затрубного давления и давления гидравлической жидкости. Корпус электроклапана имеет дополнительный сквозной канал, расположенный вдоль оси клапана с сохранением герметичности внутренних отсеков электроклапана. Достигается технический результат – повышение надежности, за счёт обеспечения защиты транзитных электрических и гидравлических линий от повреждения при спускоподъемных операциях. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электроклапан для установки в скважину в составе скважинных труб, выполненный с возможностью управления потоком флюида между пространством внутри труб и пространством за трубами в месте расположения клапана, содержащий полый цилиндрический корпус с отверстиями, расположенную внутри корпуса гильзу, выполненную с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением по сигналу, поступающему по каналу связи, и электродвигатель в герметичном корпусе, расположенный во внутреннем пространстве клапана под кожухом, при этом указанное пространство заполнено гидравлической жидкостью, корпус электроклапана имеет сквозное отверстие с установленным в нем средством компенсации внешнего затрубного давления и давления гидравлической жидкости, при этом корпус электроклапана имеет дополнительный сквозной канал, расположенный вдоль оси клапана с сохранением герметичности внутренних отсеков электроклапана.

2. Электроклапан по п.1, в котором средство компенсации давления выполнено в виде подпружиненного поршня с по меньшей мере одним уплотнительным элементом или сильфона.

3. Электроклапан по п.1, в котором корпус клапана дополнительно имеет посадочное место для фиксации противопесочного фильтра на входе циркуляционных отверстий корпуса.

4. Электроклапан по п.1, в котором подвижная гильза выполнена с возможностью перемещения в промежуточные положения между открытым и закрытым положениями.