Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока Российский патент 2024 года по МПК E21B34/08 E21B43/12 

Предлагаемое изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, а именно к клапанам для скважин, оснащенных погружными электронасосами, и может быть использовано для управления работой скважин путем изменения режима ее работы.

Скважина, используемая для добычи нефти/газа, обычно включает эксплуатационную колонну, размещенную внутри обсадной колонны. В некоторых конструкциях ствола скважины вся его длина футерована обсадной колонной, которая цементируется в стволе скважины. Альтернативно, в конструкциях с открытым стволом обсадная колонна ограничена верхней частью ствола скважины, а нижние части ствола скважины открыты. Как в необсаженном, так и в обсаженном стволе эксплуатационная колонна обычно размещается в нижней части ствола скважины, а механические или гидравлические пакеры используются для радиального закрепления эксплуатационной колонны в заданном месте. Наружный диаметр эксплуатационной колонны меньше диаметра внутреннего ствола скважины или эксплуатационной обсадной колонны, что определяет трубчатое кольцевое пространство.

Погружные насосные агрегаты, такие как винтовые насосы и центробежные насосы, подвешиваются в стволе скважины на колонне эксплуатационных насосно-компрессорных труб (НКТ). Во время откачки жидкость выбрасывается насосом вверх по НКТ. Когда насос останавливается преднамеренно или в результате отказа насосного агрегата, жидкость в эксплуатационной колонне насосно-компрессорных труб может течь обратно в насос, вызывая реверс насоса и потенциально вызывая попадание в насос мусора, содержащегося в жидкости. Мусор остается в насосном узле и при повторном запуске насоса может привести к повреждению насосного узла. Также, в случае, когда оператор желает вытащить насос и эксплуатационную колонну из ствола скважины, например, для обслуживания насосного агрегата, насос и эксплуатационная колонна могут уплотняться, что приводит к тому, что жидкость остается в эксплуатационной колонне. Чтобы уменьшить вес загруженной насосно-компрессорной трубы для извлечения из ствола скважины, может потребоваться операция вычерпывания, которая является как дорогостоящей, так и трудоемкой.

Для решения данных проблем используют клапанные устройства для управления потоком жидкости.

Известно, к примеру, скважинное автоматическое клапанное устройство, содержащее расходомер и манометр для учета совершаемой полезной работы, а исполнительный механизм его выполнен в виде золотникового переключателя, описанное в авторском свидетельстве SU 1645465 А1, опубликованном 30.04.1991. Расходомер и манометр служат для регулирования и контроля технологических процессов, осуществляемых в скважине с помощью устройства, обеспечивающего повышение эффективности работы путем периодического последовательного сообщения внутритрубного пространства с затрубным пространством.

Недостатком известных газлифтных клапанов, различных регуляторов является то, что все они имеют один режим регулирования, настроенный на устье скважины или в лаборатории перед их установкой в скважину, например, на определенное значение критического давления, или на определенный перепад давления, или на определенный расход. Во всех используемых глубинных клапанах для переключения режимов используются различного рода запорные механизмы, работающие и изменяющие режим работы клапана от давления /расхода жидкости/ газа, при этом основным движущим элементом запорного механизма является пружина, или сильфон, или поршень, настроенные на определенные термобарические скважинные и физико-химические условия, например на давления, расходы, направления движения флюида. Под действием сильфона, или пружины, или поршня в клапане перекрывается пропускной канал, или регулируется зазор в пропускном канале. При этом поддерживается один режим, настроенный на устье скважины, и нет возможности периодически или хаотично во времени производить автоматически закрытие или открытие или переключение на другие режимы открытия или закрытия пропускного отверстия. Кроме того, невозможно работать с этими клапанами при регулировании в реальном времени действием запорных механизмов в различных режимах, например дистанционно, при передаче электрического сигнала постоянного или переменного тока.

Следовательно, существует потребность в разработки клапанного устройства для повышения эффективности и надежности управления режимом работы скважины.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей клапанных устройств за счет создания клапанного устройства автоматического переключения потока, выполняющего функции автоматического обратного и сливного клапана и обеспечивающего возможность эксплуатации скважины в нескольких режимах работы.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока, выполняющее функции автоматического обратного и сливного клапана, содержит боковые циркуляционные отверстия, внутренний проходной канал, запорный механизм внутреннего проходного канала, герметезирующую втулку и поршень для закрытия/открытия боковых циркуляционных отверстий. Причем запорный механизм выполнен с возможностью автоматически смещаться и, сжимая пружины, перемещать поршень и герметично перекрывать боковые циркуляционные отверстия в корпусе клапана, при этом открывая внутренний проходной канал для дальнейшего пропуска жидкости в насосно-компрессорную трубу. Запорный механизм клапана также выполнен с возможностью герметично перекрывать внутренний проходной канал клапана за счет действия усилий пружин, при этом поршень одновременно перемещается вниз, открывая боковые отверстия корпуса клапана, направляя весь поток (жидкость, песок, проппант) из насосно-компрессорной трубы в затрубное пространство эксплуатационной колонны минуя электроцентробежный насос.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока предназначено для обеспечения автоматического сообщения между затрубным кольцевым пространством и НКТ с электроцентробежным насосом (ЭЦН). Предлагаемое клапанное устройство выполняет функции автоматического обратного и сливного клапана, защищает рабочие органы верхних ступеней установки электроцентробежного насоса от обратного потока при сливе жидкости с содержанием мехпримесей/песка/проппанта, тем самым исключается трение и износ подшипников от вращения рабочих органов, подклинок и слома вала, что повышает срок службы насоса и увеличивает межремонтный период скважины.

На фиг. 1 представлен схематичный чертеж предлагаемого клапанного устройства, при этом на фиг. 1а представлена левая часть устройства, а на фиг. 1б - правая ее часть.

На фиг. 2 проиллюстрирован режим эксплуатации скважины для фонтанирования и перепуска газа. На фиг. 2а проиллюстрирован режим эксплуатации скважины для добычи пластовой жидкости.

На фиг. 3 проиллюстрирован режим эксплуатации скважины для слива жидкости и удаления мехпримесей.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока (СКУАПП) содержит боковые циркуляционные отверстия корпуса, внутренний проходной канал, запорный механизм внутреннего проходного канала, герметизирующую втулку и поршень для закрытия/открытия боковых циркуляционных отверстий корпуса.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока состоит из переводника верхнего 1, корпуса 2, переводника нижнего 12, соединенных между собой резьбами и закрепленными установочными винтами 24. Переводник верхний 1 имеет присоединительную резьбу НКТ 73мм. (муфта) и защитный резьбовой протектор 40. Переводник нижний 12 имеет присоединительную резьбу НКТ 73мм. (ниппель) и защитный резьбовой протектор 41. На корпусе 2 установлен прижим 3 для фиксации электропогружного кабеля. Внутренняя часть СКУАПП состоит из поршня 7, гайки 8 и наконечника 11, соединенных между собой резьбами. Между корпусом 2 и поршнем 7 установлена пружина 13. Внутри поршня 7 установлены центратор 16 и шток 9, соединенные между собой резьбой и закрепленные установочным винтом 24.

На штоке 9 установлена втулка герметизирующая 10 и пружина 14. На подвижных и присоединительных частях устройства установлены защитные кольца.

Принцип действия клапанного устройства.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока накручивается на колонну НКТ выше электроцентробежной установки и спускается в скважину. При спуске в скважину боковые циркуляционные отверстия корпуса 2 клапанного устройства находятся в открытом положении, а внутренний проходной канал герметично перекрыт.

Клапанное устройство работает в пяти режимах эксплуатации:

1. Режим собственный фонтан.

При спущенной компоновке клапанного устройства с выключенным ЭЦН боковые циркуляционные отверстия на корпусе 2 устройства открыты с сообщением с затрубным кольцевым пространством эксплуатационной колонны, при этом внутренний проходной канал клапанного устройства над ЭЦН перекрыт запорным механизмом, включающим герметезирующую втулку 10, поршень 7, гайку 8 и наконечник 11 («металл-металл»). В данном режиме (Фиг. 2) эксплуатация скважины может происходить на собственном режиме фонтанированием после освоения через открытые циркуляционные отверстия корпуса 2.

2. Режим механизированная добыча.

При запуске ЭЦН и за счет подачи жидкости под давлением (от 10 Атм), запорный механизм, включающий герметезирующую втулку 10, поршень 7, гайку 8 и наконечник 11, клапанного устройства автоматически смещается, перемещает скользящий поршень 7, сжимая пружины 13-14, и герметично перекрывает боковые циркуляционные отверстия в корпусе 2 устройства, при этом открывается внутренний проходной канал для дальнейшего пропуска жидкости в НКТ. Производится добыча (Фиг. 2а) пластовой жидкости.

3. Режим обратный поток.

При остановке ЭЦН внутренний проходной канал клапанного устройства герметично перекрывается запорным механизмом за счет действия усилий пружин 13-14, при этом скользящий поршень 7 одновременно перемещается вниз, открывая боковые отверстия корпуса 2 устройства, и весь поток (жидкость, песок, проппант) из НКТ направляется (Фиг. 3) в затрубное кольцевое пространство эксплуатационной колонны, минуя ЭЦН, и предотвращает попадание и накопление мехпримесей над ЭЦН.

4. Режим фонтанирования.

При остановленном (отказавшем) ЭЦН боковые отверстия корпуса 2 клапанного устройства открыты с сообщением с затрубным пространством, при этом внутренний проходной канал над ЭЦН перекрыт (Фиг. 2).

5. Режим отвода газа.

При повышенном газовом факторе и срыве подачи запланировано останавливается работа ЭЦН, осуществляется перепуск (Фиг. 2) скопившегося газа из затрубного пространства в НКТ через боковые отверстия корпуса 2 клапанного устройства, в том числе, в компоновке с пакерами с кабельным вводом, тем самым предотвращая остановку насоса.

Предлагаемое клапанное устройство выполняет функции автоматического обратного и сливного клапана, обеспечивает прямую промывку в насосно-компрессорных трубах для обработки призабойной зоны пласта, минуя насос, обеспечивает безопасный перезапуск электроцентробежного насоса после остановки (особенно актуально для периодического режима эксплуатации скважин), а также защищает рабочие органы верхних ступеней установки электроцентробежного насоса (установка электроцентробежного насоса (УЭЦН) или установка электровинтового насоса (УЭВН)) от обратного потока при сливе жидкости с содержанием мехпримесей/песка/проппанта, тем самым исключается трение и износ подшипников от вращения рабочих органов, подклинок и слома вала, что повышает срок службы насоса и увеличивает межремонтный период скважины.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока применяется при:

- эксплуатации скважин механизированным способом добычи в осложненных условиях и устанавливается в составе колонны НКТ над электроцентробежной установкой;

- эксплуатации скважины на собственном режиме (фонтанирование) в обход ЭЦН на начальном этапе после освоения;

- эксплуатации скважин с повышенным содержанием газового фактора, где требуется осуществлять перепуск скопившегося газа из затрубного пространства в НКТ, в том числе в компоновке с пакером, тем самым предотвращая остановку насоса по причине срыва подачи;

- позволяет фонтанировать через отказавший ЭЦН.

Внедрение устройства автоматического переключения потока несет в себе решение многих осложняющих факторов при эксплуатации скважин механизированным способом с УЭЦН:

- возможность эксплуатации скважины на собственном режиме при отключенном ЭЦН с дальнейшим переводом на механизированную добычу;

- борьба с повышенным содержанием газового фактора;

- возможность проведения обработки призабойных зон (ОПЗ) без подъема глубинно-насосного оборудования (ГНО);

- защита ЭЦН и увеличение срока наработки на отказ;

- увеличение межремонтного периода (МРП) скважины.

В материалах заявки описываются скважинные инструменты, предназначенные для нефтяных и газовых скважин, и их можно использовать для любого скважинного применения, где для избирательного отклонения потока используется смещающая муфта. Кроме того, скважинные инструменты могут использоваться как в открытых, так и в обсаженных скважинах. Как правило, скважинный инструмент помещается в ствол скважины.

Несмотря на подробное описание различных вариантов осуществления настоящего изобретения, очевидно, что специалистам в данной области техники будут понятны модификации и изменения этих вариантов осуществления. Более того, ссылки, сделанные здесь на настоящее изобретение или его аспекты, следует понимать как обозначающие определенные варианты осуществления настоящего изобретения и не обязательно толковать их как ограничение всех вариантов осуществления конкретным описанием.

Ссылочные позиции Фигуры 1

1 Переводник верхний

2 Корпус

3 Прижим

4 Втулка

5 Манжета

6 Кольцо опорное

7 Поршень

8 Гайка

9 Шток

10 Втулка герметезирующая

11 Наконечник

12 Переводник нижний

13 Пружина

14 Пружина

15 Винт

16 Центратор

24 Винт установочный

40 Протектор резьбовой (ниппель)

41 Протектор резьбовой (колпак)

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, а именно к клапанам для скважин, оснащенных погружными электронасосами. Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока, выполняющее функции автоматического обратного и сливного клапана, содержит корпус с боковыми циркуляционными отверстиями, внутренний проходной канал и запорный механизм, состоящий из поршня, гайки и наконечника, соединенных между собой резьбами. Между корпусом и поршнем установлена пружина. Внутри поршня установлены центратор и шток, соединенные между собой резьбой. На штоке установлена втулка герметизирующая и пружина, причем запорный механизм выполнен с возможностью автоматически смещаться и, сжимая пружины, перемещать поршень, и герметично перекрывать боковые циркуляционные отверстия в корпусе, открывая внутренний проходной канал для дальнейшего пропуска жидкости в насосно-компрессорную трубу. Запорный механизм выполнен с возможностью герметично перекрывать внутренний проходной канал за счет действия усилий пружин, одновременно перемещая поршень вниз, открывая боковые циркуляционные отверстия корпуса и направляя весь поток – жидкость, песок, проппант из насосно-компрессорной трубы в затрубное кольцевое пространство эксплуатационной колонны, минуя электроцентробежный насос. Достигается технический результат – исключение трения и износа подшипников от вращения рабочих органов насоса, подклинок и слома вала, что повышает срок службы насоса и увеличивает межремонтный период работы скважины. 6 ил.

Скважинное клапанное устройство автоматического переключения потока, выполняющее функции автоматического обратного и сливного клапана, содержащее корпус с боковыми циркуляционными отверстиями, внутренний проходной канал и запорный механизм, состоящий из поршня, гайки и наконечника, соединенных между собой резьбами, причем между корпусом и поршнем установлена пружина, внутри поршня установлены центратор и шток, соединенные между собой резьбой, на штоке установлена втулка герметизирующая и пружина, причем запорный механизм выполнен с возможностью автоматически смещаться и, сжимая пружины, перемещать поршень, и герметично перекрывать боковые циркуляционные отверстия в корпусе, при этом открывая внутренний проходной канал для дальнейшего пропуска жидкости в насосно-компрессорную трубу, причем запорный механизм выполнен с возможностью герметично перекрывать внутренний проходной канал за счет действия усилий пружин, при этом поршень одновременно перемещается вниз, открывая боковые циркуляционные отверстия корпуса, направляя весь поток – жидкость, песок, проппант из насосно-компрессорной трубы в затрубное кольцевое пространство эксплуатационной колонны, минуя электроцентробежный насос.